Modelado 1D de las pérdidas mecánicas en un MCIA y su distribución durante un ciclo real de conducción

Abstract

[ES] En la última década, el incremento de las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera ha servido de impulso a investigadores y fabricantes para el desarrollo de motores más eficientes, con menos consumo de combustible y, por lo tanto, con una menor emisión de CO2 a la atmósfera. Con este propósito se propone la siguiente estrategia: desarrollar un modelo 1D de pérdidas mecánicas para profundizar en el fenómeno de la fricción en motores de combustión interna y, así, ser capaz de reducir las pérdidas mecánicas por fricción y aumentar el rendimiento del motor. Las pérdidas mecánicas en un motor de combustión interna representan, aproximadamente, el 18% de la energía introducida en el motor. Estas pérdidas mecánicas representan el consumo energético destinado a accionar los elementos auxiliares tales como: bomba de combustible, bomba de aceite y bomba de refrigerante entre otros, necesarios para el funcionamiento del motor; a vencer las pérdidas por bombeo producidas durante el proceso de renovación de la carga y finalmente, a vencer las pérdidas por fricción existente en los elementos con movimientos relativos entre sí. Actualmente, diferentes estudios han demostrado que las pérdidas mecánicas pueden ser disminuidas mediante el uso de aceites de baja viscosidad, básicamente por la reducción de la fricción viscosa en aquellos elementos dónde la película de aceite tiene un mayor espesor, esto es, trabaja en régimen de lubricación hidrodinámica, véase los cojinetes principales. Sin embargo, el hecho de disminuir la viscosidad redunda en la disminución de la película de aceite entre los elementos, lo que puede provocar un aumento, a su vez, de la fricción por contacto directo (régimen límite). Acorde a lo descrito anteriormente, una manera de disminuir el coste experimental asociado a la medición del comportamiento de distintos aceites lubricantes y diferentes elementos mecánicos con diferentes acabados superficiales en el motor es implementar un modelo que prediga el comportamiento de las pérdidas mecánicas por fricción en el mismo. Para ello, el objetivo de este trabajo es desarrollar un modelo 1D aplicable a cualquier MCIA con sus correspondientes parámetros geométricos, datos específicos de sus elementos auxiliares, acabados superficiales y parámetros termodinámicos de los puntos de operación para obtener los datos de las pérdidas mecánicas por fricción.

[CA] En l'última dècada, l'increment de les emissions de gasos d'efecte hivernacle a l'atmosfera ha servit d'impuls a investigadors i fabricants per al desenvolupament de motors més eficients, amb menys consum de combustible i, per tant, amb una menor emissió de CO2 a l'atmosfera. Amb aquest propòsit es proposa la següent estratègia: desenvolupar un model 1D de pèrdues mecàniques per aprofundir en el fenomen de la fricció en motors de combustió interna i, així, ser capaç de reduir les pèrdues mecàniques per fricció i augmentar el rendiment del motor. Les pèrdues mecàniques en un motor de combustió interna representen, aproximadament, el 18% de l'energia introduïda en el motor. Aquestes pèrdues mecàniques representen el consum energètic destinat a accionar els elements auxiliars com ara: bomba de combustible, bomba d'oli i bomba de refrigerant entre d'altres, necessaris per al funcionament del motor; a vèncer les pèrdues per bombeig produïdes durant el procés de renovació de la càrrega i finalment, a vèncer les pèrdues per fricció existent en els elements amb moviments relatius entre ells. Actualment, diferents estudis han demostrat que les pèrdues mecàniques poden ser disminuïdes mitjançant l'ús d'olis de baixa viscositat, bàsicament per la reducció de la fricció viscosa en aquells elements on la pel·lícula d'oli té un major gruix, és a dir, treballa en règim de lubricació hidrodinàmica, com podria ser als coixinets principals. No obstant això, el fet de disminuir la viscositat redunda en la disminució de la pel·lícula d'oli entre els elements, la qual cosa pot provocar un augment, al seu torn, de la fricció per contacte directe (règim límit). Concorde al descrit anteriorment, una manera de disminuir el cost experimental associat al mesurament del comportament de diferents olis lubrificants i diferents elements mecànics amb diferents acabats superficials en el motor és implementar un model que prediga el comportament de les pèrdues mecàniques per fricció en aquest. Per a això, l'objectiu d'aquest treball és desenvolupar un model 1D aplicable a qualsevol **MCIA amb els seus corresponents paràmetres geomètrics, dades específiques dels seus elements auxiliars, acabats superficials i paràmetres termodinàmics dels punts d'operació per a obtenir les dades de les pèrdues mecàniques per fricció.

[EN] In the last decade, the increase in GHG emissions into the atmosphere has served as a boost for researchers and engine manufacturers to develop more efficient engines, with less fuel consumption and, therefore, with lower emissions of CO2 into the atmosphere. For this purpose, the following strategy is proposed: develop a 1D model of mechanical losses to look deeper into the friction phenomenon in internal combustion engines and, thus, be able to reduce mechanical losses due to friction and increase engine performance. The mechanical losses in an internal combustion engine represent approximately 18% of the energy introduced into the engine. These mechanical losses represent the energy consumption used to drive the auxiliary elements such as: fuel pump, oil pump and coolant pump, among others, necessary for the operation of the engine; to overcome the pumping losses produced during the air intake-exhaust process and finally, to overcome the friction losses existing in the elements with relative motion between them. Currently, different studies have shown that mechanical losses can be decreased through the use of low-viscosity oils, basically due to the reduction of viscous friction in those elements where the oil film has higher thickness that is, working under hydrodynamic lubrication. However, the fact of reducing the viscosity can lead to a reduction of the oil film between the lubricated elements, which in turn can cause an increase in the friction force by direct contact (boundary lubrication regime). According to this, one way of reducing the experimental cost associated with measuring the performance of different lubricating oils and different mechanical elements with different surface textures in the engine is to implement a model that predicts the performance of friction mechanical losses. Attending that, the objective of this work is to develop a 1D model applicable to an ICE with its corresponding geometric parameters, specific data about its auxiliary elements, surface textures and thermodynamic parameters of the operating points to obtain accurate data on friction mechanical losses.