Diseño de un escudo térmico para el colector de escape de una motocicleta con la finalidad de reducir sus emisiones contaminantes

Abstract

[ES] En la actualidad, España cuenta con un parque móvil de alrededor de 24 millones de vehículos ligeros de los cuales unos 5 millones se corresponde con las motocicletas, es decir, más de un 20%. Este parque supone casi un tercio del consumo total de la energía de España, lo que se traduce en alrededor de una cuarta parte de las emisiones totales de gases que contribuyen al efecto invernadero.

Aunque en apariencia las motocicletas pueden parecer una pequeña fracción con respecto a la totalidad del parque, lo cierto es que, dadas sus características mecánicas y sus modos de operación, proporcionalmente suponen una mayor fuente de contaminación que los turismos. En concreto, su motor emite hasta 16 veces más de hidrocarburos y tres veces más monóxido de carbono, además de otros gases nocivos para la salud y el medio ambiente.

Como solución tecnológica a este problema, las motocicletas incorporan un catalizador que permite la reducción de las especies contaminantes antes de la emisión a la atmósfera. Estos sistemas presentan altas eficiencias de conversión cuando han alcanzado la temperatura de operación adecuada pero su funcionamiento se ve comprometido durante las fases de arranque y de baja carga, en la que la temperatura de catalizador y de los gases de escape es baja.

En este contexto, el presente proyecto tiene como objetivo el diseño de un sistema de aislamiento térmico para el colector de escape de una motocicleta que contribuya a la mejora de la eficiencia de conversión de las especies contaminantes en el catalizador logrando que cumpla la norma de emisiones Euro 5. Este trabajo se basa en datos obtenidos de la propia motocicleta y provenientes de la literatura, además de en el empleo de diversos modelos computacionales.

En primer lugar, se establece el marco normativo vigente nacional sobre las medidas para la reducción de las emisiones sobre cualquier vehículo dedicado al transporte y, de esta forma, asentar las condiciones las cuáles debe cumplir la motocicleta y se introduce de forma teórica el funcionamiento del sistema propulsivo y la caracterización de los distintos elementos que componen el sistema de escape, con especial énfasis en los mecanismos de formación y eliminación de las especies contaminantes.

Una vez establecido el contexto en el que se enmarca el trabajo, se realiza un análisis del funcionamiento del colector de escape actual de la motocicleta, a fin de detectar las zonas críticas en cuanto a pérdida de calor de los gases de escape. Una vez evaluado el sistema, se diseña un escudo térmico capaz de cubrir los puntos débiles del colector y mejorar el sistema en su conjunto. El colector de escape junto con el escudo se modela en 3D (tres dimensiones) haciendo uso del sistema CAD, es decir, diseño asistido por ordenador a modo de ajuste de las dimensiones y tolerancias entre ambos.

Finalmente se emplean modelos computacionales para evaluar la ganancia de temperatura que supone el uso del escudo térmico, considerando diferentes alternativas en cuanto a espesor de aislante, y cuanto afecta esto a la eficiencia de conversión en el catalizador. Se cuantifica la mejora en cuanto a emisiones contaminantes y determinando las condiciones mínimas que permiten el cumplimiento de la norma Euro 5.

Por último, se fijan unas conclusiones a modo de comparación entre las emisiones de la motocicleta sin empleo de sistema aislante y con él, además de observar el cumplimiento de la legislación consolidada en lo referente a las emisiones.

Con este TFG se trabajan las siguientes competencias de la titulación: 03 (E) Conocimientos básicos sobre el uso y programación de los ordenadores, sistemas operativos, bases de datos y programas informáticos con aplicación en ingeniería. 04 (E) Capacidad para comprender y aplicar los principios de conocimientos básicos de la química general, química orgánica e inorgánica y sus aplicaciones en la ingeniería. 05 (E) Capacidad de visión espacial y conocimiento d

[EN] Currently, Spain has a mobile fleet of around 24 million light vehicles, of which about 5 million correspond to motorcycles, that is, more than 20%. This fleet accounts for almost a third of the total energy consumption in Spain, which translates into around a quarter of the total greenhouse gas emissions.

Although motorcycles may appear to be a small fraction of the entire fleet, the truth is that, given their mechanical characteristics and modes of operation, they are proportionally a greater source of pollution than passenger cars. Specifically, its engine emits up to 16 times more hydrocarbons and three times more carbon monoxide, in addition to other gases that are harmful to health and the environment.

As a technological solution to this problem, motorcycles incorporate a catalyst that allows the reduction of polluting species before emission into the atmosphere. These systems have high conversion efficiencies when they have reached the proper operating temperature, but their performance is compromised during start-up and low-load phases, when the catalyst and exhaust gas temperatures are low.

In this context, this project aims to design a thermal insulation system for the exhaust manifold of a motorcycle that contributes to improving the conversion efficiency of polluting species in the catalyst, achieving compliance with the emission standard. Euro 5. This work is based on data obtained from the motorcycle itself and from the literature, in addition to the use of various computational models.

In the first place, the current national regulatory framework is established on the measures to reduce emissions on any vehicle dedicated to transport and, in this way, establish the conditions which the motorcycle must comply with and the operation of the vehicle is theoretically introduced. propulsive system and the characterization of the different elements that make up the exhaust system, with special emphasis on the mechanisms of formation and elimination of polluting species.

Once the context in which the work is framed has been established, an analysis of the operation of the current exhaust manifold of the motorcycle is carried out, in order to detect the critical areas in terms of heat loss from the exhaust gases. Once the system has been evaluated, a thermal shield capable of covering the weak points of the collector and improving the system as a whole is designed. The exhaust manifold together with the shield is modeled in 3D (three dimensions) using the CAD system, that is, computer-aided design by way of adjusting the dimensions and tolerances between them.

Finally, computational models are used to evaluate the temperature gain that the use of the thermal shield supposes, considering different alternatives in terms of insulation thickness, and how much this affects the conversion efficiency in the catalyst. The improvement in terms of polluting emissions is quantified and the minimum conditions that allow compliance with the Euro 5 standard are determined.

Finally, some conclusions are set by way of comparison between the emissions of the motorcycle without the use of an insulating system and with it, in addition to observing compliance with the consolidated legislation regarding emissions.

With this work the following competences of the degree are worked on: 03 (E) Basic knowledge of the use and programming of computers, operating systems, databases and computer programs with application in engineering. 04 (E) Ability to understand and apply the principles of basic knowledge of general chemistry, organic and inorganic chemistry and their applications in engineering. 05 (E) Capacity for spatial vision and knowledge of graphic representation techniques, both through traditional methods of metric geometry and descriptive geometry, and through computer-aided design applications. 43 (E) Applied knowledge of thermal engineering. 64 (G) Ability to solve problems with initiative, decision making