Contribución al modelado unidimensional en motores de dos tiempos de altas prestaciones

Abstract

Un modelo de simulación presenta muchas ventajas en el campo del desarrollo de motores de combustión interna alternativos. Su utilidad es doble. Por un lado, para entender la naturaleza de los fenómenos físicos que suceden en el interior del motor, y por otro, con el fin de optimizar el diseño de los sistemas que integran el mismo. El principal objetivo de esta tesis es desarrollar un modelo de un motor de dos tiempos de 125 cc de altas prestaciones para caracterizar la fluidodinámica interna en los sistemas de admisión, cilindro y escape.

Para la construcción del modelo unidimensional del motor es imprescindible conocer información experimental. Por tanto, se han caracterizado de forma experimental los elementos que forman el motor. Por una parte, se ha usado un banco de impulsos para la caracterización dinámica. Por otra parte, se ha empleado un banco de flujo para caracterizar las pérdidas de presión en los elementos. Además, en banco motor, se ha analizado el proceso de combustión, con el objetivo de determinar la ley de liberación de calor. En relación a las tareas de modelado, se ha usado un modelo de diagnóstico para caracterizar del proceso de combustión, experimentando 37 condiciones de operación modificando el régimen de giro, el avance del encendido y usando cinco sistemas de escape. Asimismo, con el fin de poder reproducir el fenómeno de propagación de ondas en el interior del sistema de escape se ha propuesto un modelo de transmisión de calor ya que los modelos convencionales usados en motores de 4T no proporcionan resultados precisos al no contemplar los fenómenos físicos que suceden en el proceso de escape espontáneo de un motor de 2T de estas características. Para ello, se ha caracterizado experimentalmente el fenómeno de propagación de ondas en el interior del sistema de escape midiendo con diversos transductores de presión a lo largo de: un escape de diámetro constante y recto, y varios sistemas de escape derivados del original del motor. El primero se usó para proceder al necesario ajuste de las constantes del modelo mientras que los segundos para realizar la validación del mismo. Para el desarrollo del modelo de transmisión de calor se han contemplado las fluctuaciones de la velocidad instantánea del fluido y la disipación de la turbulencia con una longitud de entrada.

Una vez es construido el modelo unidimensional del motor con capacidad de reproducir los complejos fenómenos ondulatorios que existen en el interior de los sistemas de admisión, cilindro y escape, es necesario desarrollar correlaciones para los parámetros que definen la función de Wiebe, usada como ley de liberación de calor en el cilindro. Se ha correlacionado la variación de estos parámetros (en particular, la duración de la combustión y el parámetro de forma) con variables de funcionamiento del motor: régimen de giro y avance del encendido, y variables que se calculan en el modelo: fracción de residuales y densidad de la carga. De esta forma se dispone de un modelo predictivo de las prestaciones del motor si se conoce una correlación para las pérdidas mecánicas, que también ha sido obtenida.

El uso del modelo de transmisión de calor propuesto en este trabajo reproduce con precisión la fase y amplitud de la presión de escape con valores inferiores al 1% al comparar el coeficiente de admisión medido y modelado. Las diferencias pueden alcanzar el 7% si se emplean otros modelos encontrados en la literatura.

Por otra parte, los resultados obtenidos al usar las correlaciones para la combustión se traducen en: diferencias inferiores al 1.5% entre potencia medida y modelada para todas las condiciones de funcionamiento del motor si el proceso de combustión presenta un coeficiente de variación en la presión del cilindro inferior al 2.5%. Cuando el coeficiente de variación aumenta, debido a la dispersión cíclica, las diferencias entre potencia medida y modelada pueden alcanzar el 4%.

Palabras clave: Motores de Combustión Interna Alternativos, Motor de Dos Tiempos, Altas Prestaciones, Instalaciones Experimentales y Medición, Modelado Unidimensional, Modelo de Acción de Ondas, Proceso de Combustión, Transmisión de Calor.