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Carmen Hervás Lara
ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LOS
CONCEPTOS DE COMBUSTIÓN
DETONANTE EN UN MOTOR DE
COMBUSTIÓN INTERNA
JULIO 2016
TRABAJO FIN DE GRADO PARA
LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
GRADUADO EN INGENIERÍA EN
TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES
Carmen Hervás Lara
DIRECTOR DEL TRABAJO FIN DE GRADO:
Jesús Casanova Kindelán
A mi padre. Mi ejemplo a seguir,
mi fuente de inspiración.
Se non è vero, è ben trovato.
II
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
AGRADECIMIENTOS
Al Ministerio de Educación, Cultura y Deporte por otorgarme la Beca de Colaboración. Gracias a
ella he podido desempeñar un análisis más profundo del tema abordado al disponer de más recursos.
A Jesús, mi tutor, por darme la oportunidad de realizar este trabajo, permitirme gran libertad en la
realización del mismo, y dedicarme el tiempo necesario para la correcta consecución del mismo. También
a Natalia por toda la ayuda que me ha brindado durante el análisis de los resultados.
A todo el personal del Laboratorio de Motores Térmicos por hacer más llevadera mi estancia allı́
durante todo el curso académico. Gracias a Pedro, Juan Antonio y Adrián por ayudarme a solventar
todas las dificultades que han ido sucediendo durante el desarrollo de este trabajo.
A Juan Bautista, por todas sus ideas y consejos, por todo su apoyo recibido.
A todos mis amigos de la universidad haciendo mención especial a Manuel por estar ahı́ cuando más
lo necesitaba, a Fernando por persuadirme, y a Rafael por hacerme ver el mundo desde otro punto de
vista. Tampoco puedo olvidarme de los quı́micos y de mi grupo de amigos desde primero, por estar tanto
en los momentos malos como en los de relax.
A todos mis compañeros de Galp Energı́a, en especial a los del fondo del ala izquierda de la tercera
planta, por acogerme y tratarme tan bien durante los seis meses que duró mi estancia allı́.
A Marı́a Dolores Agra y a José Sebastián Trocolı́, los dos docentes que más me han influido a lo largo
de mi vida académica y de los que más cosas he aprendido.
A mis dos Lauras, los dos mejores descubrimientos que pude hacer el año pasado, por escucharme y
por poder hablar con vosotras de cualquier cosa.
Y por último y más importante a mis primos Julia y David. Gracias por ser el lugar al que siempre
vuelvo, del que cada vez me cuesta más irme.
Carmen Hervás Lara
III
AGRADECIMIENTOS
IV
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
RESUMEN
El presente trabajo fin de grado, realizado en el Laboratorio de Motores Térmicos de la Escuela Técnica
Superior de Ingenieros Industriales de Madrid, documenta el trabajo de experimentación realizado sobre
los conceptos de combustión detonante en un motor de combustión interna alternativo.
Para ello se ha partido de un estudio teórico profundo sobre el proceso de combustión de los motores
de combustión interna alternativos de encendido provocado y sobre el número de octano, parámetro
estandarizado que cuantifica la tendencia de los combustibles a la autodetonación.
El banco de ensayos utilizado ha sido el motor CFR de encendido provocado del laboratorio, motor
especı́ficamente diseñado para el estudio del número de octano y que presenta caracterı́sticas tales como
alta resistencia a la detonación y relación de compresión variable. Ha debido ser modificado, con diseño,
sustitución y adición de dos elementos funcionales claves: sistema de encendido electrónico y sistema de
regulación del grado de carga.
La instrumentación del banco de ensayos ha sido revisada y calibrada en su totalidad. Se ha invertido
gran parte del tiempo dedicado al proyecto en esta fase por ser clave para el éxito del mismo que esté
realizada de manera correcta.
Para la adquisición y tratamiento de datos se han renovado y creado nuevas herramientas en Labview
y MatLab que suponen un salto de calidad al permitir almacenar mayor cantidad de datos de una forma
más eficiente, y permitir un análisis rápido y preciso de los mismos.
Durante la fase de experimentación se ha ensayado bajo las condiciones del método de obtención del
número RON etanol y gasolina 95. Para ello se ha trabajado con tres relaciones de compresión, una la
indicada por la norma y dos escogidas arbitrariamente, y seis condiciones de dosado diferentes, suponiendo
un total de dieciocho ensayos para cada combustible.
En la fase de análisis se han estudiado las señales de presión en cámara en función de tres parámetros:
salto de presión provocado por el inicio de la combustión, número de oscilaciones de la onda después de
dicho salto, e ı́ndice de detonación.
Finalmente, se ha concluido que el parámetro ı́ndice de detonación es el que mejor caracteriza este
fenómeno y que el dosado de máxima detonación es un dosado rico.
Palabras clave: Detonación, ensayo, ı́ndice de detonación, motor CFR, presión en cámara, RON.
110204
110501
221404
330306
330402
331108
331313
Lenguaje formalizado
Método cientı́fico
Calibración de unidades
Tecnologı́a de la combustión
Convertidores analógico-digitales
Equipo de laboratorio
Motores de combustión interna
Tabla 1: Códigos UNESCO
Carmen Hervás Lara
V
RESUMEN
VI
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Índice general
AGRADECIMIENTOS
III
RESUMEN
V
1. INTRODUCCIÓN
11
2. OBJETIVOS, ALCANCE Y PLANIFICACIÓN
13
3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
17
3.1. Motores de combustión interna alternativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.1.1. Parámetros caracterı́sticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.1.2. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.2. Combustión en motores de encendido provocado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.2.1. Introducción general a la combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.2.2. Combustión normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.2.3. Combustión anormal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
3.3. Número de octano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
3.3.1. Combustibles de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
3.3.2. Métodos estándar de ensayo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
3.3.3. Motor ASTM-CFR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
3.3.4. Operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
3.3.5. Procedimientos de medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.3.6. Métodos alternativos de medida
37
4. BANCO DE ENSAYOS
Carmen Hervás Lara
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
VII
ÍNDICE GENERAL
4.1. Motor CFR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
4.1.1. Sistema de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
4.1.2. Regulador electrónico de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
4.1.3. Sistema de variación de la relación de compresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
4.1.4. Sistema de admisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
4.1.5. Sistema de inyección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.1.6. Sistema de encendido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
4.1.7. Sistema de escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
4.1.8. Sistema de refrigeración del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
4.1.9. Sistema de lubricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
4.1.10. Panel de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
4.2. Instrumentos de medida y adquisición de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
4.2.1. Caudalı́metro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
4.2.2. Sensores de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
4.2.3. Termopares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
4.2.4. Analizador de gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
4.2.5. Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
4.2.6. Ordenador y tarjeta de adquisición de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
4.3. Elementos de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
4.4. Procedimiento de arranque y parada del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
5. COMBUSTIBLES
57
5.1. Bioetanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
5.2. Gasolina 95 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
6. MODIFICACIONES Y MEJORAS DEL BANCO DE ENSAYOS
61
6.1. Sistema de regulación del grado de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
6.2. Sistema de encendido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
6.3. Codificación ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
6.4. Programa de adquisición de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
VIII
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
7. CALIBRACIÓN DE LOS EQUIPOS
69
7.1. Caudalı́metro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
7.2. Sensor de presión en cámara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
7.3. Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
7.4. Punto de inyección de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
7.5. Juego de las válvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
7.6. Relación de compresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
7.6.1. Calibración según la norma ASTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
7.6.2. Obtención de la ecuación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
7.7. Inyector de combustible lı́quido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
8. ENSAYOS
81
8.1. Preparación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
8.2. Ejecución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
8.3. Post-tratamiento de los datos obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
9. RESULTADOS
85
9.1. Análisis previo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
9.2. Obtención de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
9.3. Análisis de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
10.CONCLUSIONES
95
10.1. Conclusiones particulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
10.2. Conclusiones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
11.LÍNEAS FUTURAS
97
12.PRESUPUESTO
99
BIBLIOGRAFÍA
99
ANEXOS
102
A. SUB-VI AUXILIARES
105
Carmen Hervás Lara
IX
ÍNDICE GENERAL
B. PROGRAMAS DE MATLAB EMPLEADOS
109
B.1. Calibraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
B.2. Tratamiento de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
B.3. Estudio de la detonación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
X
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
Desde hace más de un siglo, los motores de combustión interna alternativos (MCIA) han contribuido
de forma muy importante al desarrollo del transporte, las comunicaciones y la generación de energı́a.
Con el paso del tiempo se han adaptado a las necesidades del ser humano y actualmente no hay ninguna
tecnologı́a que sea capaz de sustituirlos por completo en un corto periodo de tiempo. Sin embargo, su
futuro vendrá determinado por su capacidad de adaptación y mejora en aspectos tales como su impacto
ambiental y el uso de otras fuentes de energı́a, siendo el más apremiante el primero.
Por tanto, se deberán seguir reduciendo las emisiones contaminantes que afectan a la salud y a la
calidad del aire, ası́ como tomar medidas para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero.
Esta reducción de CO2 no solo pasa por emplear motores más eficientes que reduzcan el consumo de
carburante, sino por el cambio hacia combustibles que generen menos emisiones globales de este gas. El
desarrollo y avance de los MCIA pasa por un desarrollo y avance conjunto de motores y combustibles,
formando un binomio que satisfaga las exigentes necesidades del mundo actual.
El uso de biocombustibles trae consigo esa posibilidad de reducir las emisiones de CO2 y la dependencia
energética. Sin embargo, su producción es muy compleja y la viabilidad económica y medioambiental de
su producción depende en gran medida del grado de pureza que deba alcanzar el biocombustible. Por
ello, el estudio de la combustión y del comportamiento de los biocombustibles y de sus impurezas en un
motor CFR es esencial para hacer sostenible energética y ambientalmente la producción y uso de estos
biocombustibles.
En este contexto, el Laboratorio de Motores Térmicos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros
Industriales de Madrid lleva años trabajando en el estudio de los biocombustibles. Se han realizado
investigaciones sobre parámetros relativos a la combustión, lı́mites de inflamabilidad, diferencias en el
rendimiento o comparativas entre las emisiones contaminantes de distintos biocarburantes, ya sean de
naturaleza lı́quida o gaseosa.
En este proyecto se pretende continuar con dichas investigaciones. Para ello va a estudiarse el fenómeno
de la detonación con el fin de poder obtener cual es el parámetro que lo caracteriza y ası́ poder iniciar
la búsqueda de un nuevo método de determinación del número de octano basado en caracterı́sticas
intrı́nsecas de los combustibles, con el consecuente ahorro económico que supondrı́a.
Carmen Hervás Lara
11
INTRODUCCIÓN
12
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
CAPÍTULO 2
OBJETIVOS, ALCANCE Y
PLANIFICACIÓN
Este trabajo tiene como principal objetivo determinar la relación entre la resistencia a la detonación
de un combustible y los parámetros de picado, medidos con la curva de presión en cámara, como son el
salto de presiones provocado por el inicio de la combustión, el número de oscilaciones de la onda después
de dicho salto y el análisis frecuencial de la onda mediante el ı́ndice de detonación.
El alcance del mismo incluye:
- Revisión bibliográfica sobre el fenómeno de combustión normal y anormal en motores de encendido
provocado, haciendo enfásis en los efectos de la detonación y sus parámetros influyentes.
- Revisión bibliográfica de los métodos normalizados usados para la determinación del número de
octano (RON Y MON).
- Modificación y actualización del banco de ensayos empleado, ası́ como de la calibración de sus
equipos.
- Realización de ensayos con combustibles de número de octano conocido para las condiciones detonantes indicadas por el método RON.
- Estudio de las curvas de presión en cámara obtenidas, comparando los datos entre los distintos
combustibles y condiciones obtenidos, y extrayendo correlaciones de los mismos con respecto al
ı́ndice de octano.
El desarrollo del proyecto ha exigido una planificación previa del mismo. Sin embargo, pese a que
se ha tratado de seguir la planificación inicial, algunas tareas tuvieron que ser alargadas debido a fallos
técnicos en el material del banco de ensayos, y aparecieron nuevas tareas que obligaron a modificar dicha
planificacin inicial.
La duración total ha sido de 8 meses, incluyendo un parón de aproximadamente un mes por los
exámenes de enero. Se estima la dedicación total en 800h distribuidas a lo largo de los 180 dı́as de
duración del proyecto.
Las tareas en las que se ha divido el proyecto se pueden agrupar en los siguientes seis paquetes de
trabajo:
1. Preparación del proyecto. Comprende todas las tareas involucradas en la ampliación de los conocimientos teóricos sobre el tema abordado, los sistemas de los que está compuesto el motor y el
software del programa de adquisición de datos.
Carmen Hervás Lara
13
OBJETIVOS, ALCANCE Y PLANIFICACIÓN
2. Modificaciones. Comprende todas las tareas necesarias para la modificación de los equipos y la
creación del programa de tratamiento de datos.
3. Calibraciones. Comprende todas las tareas involucradas en la calibración de los equipos, desde la
búsqueda de las hojas técnicas hasta la obtención de las correspondientes curvas.
4. Ensayos. Comprende todos los ensayos realizados en el motor ası́ como su preparación previa.
5. Resultados. Comprende la creación de todos los programas con los que son tratados y analizados los
datos recogidos de los ensayos as como el análisis de los mismos.
6. Redacción de la memoria. Comprende la creación del presente documento.
En la imagen 2.1 se pueden observar las principales tareas y subtareas de las que ha estado compuesto
el trabajo, teniendo ya en consideración los desvı́os y modificaciones que se tuvieron que realizar.
14
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Figura 2.1: Diagrama de Gantt del trabajo
Carmen Hervás Lara
15
OBJETIVOS, ALCANCE Y PLANIFICACIÓN
16
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
CAPÍTULO 3
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
En este capı́tulo se van a tratar los conceptos teóricos que competen al motor utilizado, un motor
de combustión interna alternativo de encendido provocado, y al fenómeno que se pretende estudiar, la
detonación. Se hará un barrido de los conceptos claves necesarios para su compresión y en el caso de la
detonación también se tratarán las distintas formas de las que se puede investigar dicho efecto. Habrá,
por tanto, varios conceptos que si bien son importantes desde un punto de vista general en este tipo de
motores no se tratarán por no estar dentro de los objetivos del trabajo.
3.1.
Motores de combustión interna alternativos
Desde el primer motor con uso práctico creado por Lenoir en 1859 hasta nuestros dı́as, los motores
de combustión interna alternativos han evolucionado de manera rápida y continua. Parámetros como el
rendimiento, el par y la potencia se han multiplicado gracias a los desarrollos de la termodinámica, de los
materiales utilizados en los motores, y a los sistemas electrónicos y mecánicos que acompaan al motor.
El campo de aplicación de los motores de combustión interna alternativos es muy amplio: desde grandes
motores diésel de dos tiempos utilizados para generación eléctrica hasta pequeños motores empleados en
aeromodelismo. Sin embargo, es en los vehı́culos automóviles donde se encuentra su principal aplicación
dada su alta potencia especı́fica.
Figura 3.1: Clasificación de los motores térmicos[1]
Carmen Hervás Lara
17
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Los motores de combustión interna alternativos pueden definirse como:
- Motores térmicos por estar formado por un conjunto de elementos mecánicos que permiten obtener
energı́a mecánica a partir del estado térmico generado del fluido que lo atraviesa.
- Motores de combustión interna por producirse la reacción de combustión y el estado térmico sobre
el fluido de trabajo. Por tanto, son siempre motores de ciclo abierto al ser el fluido que atraviesa el
motor renovado en cada ciclo.
- Motores de movimiento alternativo por utilizar el mecanismo biela-manivela para la transformación
del movimiento lineal en rotativo.
Dentro de los motores de combustión interna alternativos se puede realizar una clasificación atendiendo
a varios parámetros, siendo el motor CFR utilizado en los ensayos un motor de encendido provocado de
cuatro tiempos, monocilı́ndrico, de inyección indirecta y aspiración natural.
3.1.1.
Parámetros caracterı́sticos
Los motores de combustión interna alternativos pueden poseer en su constitución uno o más cilindros.
Dentro de cada cilindro, el elemento fundamental es el pistón. La distancia que recorre el pistón entre el
punto más elevado (PMS) y el punto más bajo (PMI) de denomina carrera s.
El volumen que desplaza el pistón en una carrera se denomina cilindrada unitaria VC , y para calcular
su valor se necesita conocer el área de la cabeza del pistón Ap , que se obtiene directamente del diámetro del
π×D 2
cilindro mediante la expresión Ap = 4 p , quedando entonces la cilindrada unitaria como VD = Ap × s.
Al tener el motor un único cilindro, este valor coincide con el de cilindrada total VT .
El volumen que queda en la parte superior de la cabeza del pistón cuando este se encuentra en el
PMS se denomina volumen de la cámara de combustión VCC .
Si se quiere conocer el volumen para cada posición del pistón se debe utilizar la siguiente fórmula:
p
1 Vα = sα = R · (1 − cosα) + · 1 − 1 − λ2 sin2 α
·
λ
Dp2
·π
4
!
(3.1)
Un parámetro clave obtenido a partir de los volúmenes caracterı́sticos del motor es la relación de
compresión volumétrica, la cual se obtiene a partir de la siguiente expresión:
rc =
VCC + VC
VC
(3.2)
Dejando a un lado los parámetros propiamente mecánicos, otra parámetro fundamental que influye
en el funcionamiento de los motores de combustión interna es el dosado. Este puede ser considerado en su
forma absoluta, estequiométrica o relativa, obteniendo para cada una de ellas las siguientes definiciones:
- Dosado absoluto: Es la relación entre el caudal másico de combustible y el de aire que entra al
motor.
ṁf
F =
(3.3)
ṁa
18
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
- Dosado estequiométrico: Es el cociente entre el caudal másico de combustible y el de aire para
una reacción de combustión completa estequiométrica.
ṁf
Fe =
(3.4)
ṁa e
- Dosado relativo: Es el cociente entre el dosado absoluto y el estequiométrico.
m˙f
Fr =
F
= m˙a
m˙f
Fe
m˙ a
3.1.2.
(3.5)
e
Funcionamiento
Su funcionamiento puede resumirse en cinco procesos fundamentales que se suceden de forma secuencial: admisión, compresión, combustión, expansión y escape. Los procesos de admisión y escape
se corresponden con el llamado ciclo de renovación de carga mientras que los procesos de compresión,
combustión y expansión forman el ciclo de trabajo.
Figura 3.2: Procesos de un motor MEP de 4T
1. Admisión: Entra por la válvula de admisión una cantidad de mezcla aire-combustible.
2. Compresión: Una vez cerrada la válvula de admisión, el movimiento ascendente del pistón genera
una disminución del volumen disponible con el consiguiente aumento de presión y temperatura.
3. Combustión: Cuando el pistón se encuentra en el PMS, se inicia la combustión mediante una chispa
generada por la bujı́a.
4. Expansión: El aumento de presión que genera la combustión hace que durante el movimiento de
bajada los gases realicen un trabajo positivo sobre el pistón. Es en este proceso en el que se obtiene
la energı́a mecánica.
5. Escape: Los gases residuales provenientes de la combustión abandonan el cilindro. Consta de dos
subprocesos: escape espontáneo, aquel en el cual el gas residual abandona el cilindro al abrir la válvula
de escape por la diferencia de presiones existente, y escape forzado, donde el movimiento ascendente
del pistón desplaza los gases fuera del cilindro.
Es importante recalcar que al final del proceso de escape siempre queda en el interior del cilindro una
cierta parte de gases residuales, siendo prácticamente imposible vaciarlo por completo.
Carmen Hervás Lara
19
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
En la práctica, las válvulas no se abren y cierra en el PMI y en el PMS, sino que se aprovechan de
las inercias y la compresibilidad de los fluidos para realizar el ciclo. Tampoco la chispa tiene lugar en el
PMS, sino que se atrasa o adelanta según la carga y el régimen del motor. Estas diferencias se pueden
apreciar en la imagen mostrada a continuación.
Figura 3.3: Diagrama de distribución teórico y real
La apertura de la válvula de admisión se adelanta ligeramente (AAA), teniendo lugar en la fase de
escape del ciclo anterior, con el pistón cercano al PMS. De esta manera se aprovecha la inercia del flujo
saliente de los gases de escape para admitir la mezcla. Además, el cierre de la misma se retrasa (RCA)
hasta el inicio de la fase de compresión, aprovechando la compresibilidad del fluido, hasta que el flujo de
admisión se invierta, con lo que se consigue un mejor llenado del cilindro.
En la válvula de escape también se realizan adelantos y retrasos. El adelanto de la apertura del escape
(AAE) se realiza al final de la carrera de expansiń, dando lugar al ya mencionado escape espontáneo,
gracias al cual es necesario realizar menos trabajo para expulsar los gases en la carrera de escape. Por
otro lado, la válvula no cierra hasta el principio de la carrera de admisión (RCE), para aprovechar la
inercia de la vena fluida de los fases de escape que permite una continuidad en la salida de los gases de
escape, provocando que las válvulas de admisión y escape puedan estar abiertas simultáneamente, lo que
se conoce como cruce de válvulas.
3.2.
3.2.1.
Combustión en motores de encendido provocado
Introducción general a la combustión
El proceso fundamental en los MCIA es la combustión. La combustión es el proceso de oxidación que
sufre el combustible por efecto del aire, que aporta oxı́geno como elemento oxidante, dando lugar a la
aparición de la llama.
En los MCIA existen dos tipos de combustión: la combustión premezclada y la combustión por difusión.
La combustión premezclada es aquella que se produce en una mezcla de aire y combustible previamente
formada y por tanto prácticamente homogénea. La combustión por difusión, por el contrario, es aquella en
la que se produce la combustión a medida que se mezcla el aire con el combustible de manera progresiva.
En los MCIA se tiene combustión premezclada en los siguientes casos:
- En la combustión normal en MEP, estructurada por el frente de llama y la propagación de
la misma a velocidades menores a la del sonido (frente de llama subsónico), lo que se conoce por
combustión por deflagración.
- En la detonación en MEP, donde se autoinflama la premezcla y se obtiene un frente de llama
supersónico.
20
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
- En la fase de combustión premezclada en MEC, donde se autoinflama la premezcla formada
durante el tiempo de retraso o de pre-reacciones.
Por otro lado, la combustión por difusión sólo tiene lugar en la fase de combustión por difusión en
MEC.
A continuación se explican los dos tipos de combustión premezclada que se pueden encontrar en los
MEP: combustión normal y combustión anormal.
3.2.2.
Combustión normal
El estudio de la combustión normal se centra en el estudio del movimiento del frente de llama. Este
frente de llama, originado por la chispa que produce la bujı́a, barre la cámara de combustión separando
productos quemados y sin quemar. Anormalmente puede ocurrir que el frente de llama se origine en un
punto distinto, por ejemplo en un punto caliente de la cámara de combustión, o en varios, hecho qeu es
indeseable porque conduce a la detonación de la mezcla.
Figura 3.4: Evolución de la combustión normal en un MEP[2]
Geométricamente el frente de llama se asemeja a una superficie esférica. Realmente no es una superficie
lisa, sino que está rota por la microturbulencia que hace avanzar la zona de reacción. A esta zona de
reacción es a la que se denomina frente de llama.
El frente de llama avanza por las reacciones quı́micas que se dan en esta zona, ayudadas por la
turbulencia y por la dilatación de los productos quemados que empujan el frente de llama.
Figura 3.5: Posición del dente de llama en un instante t de la combustión[1]
Carmen Hervás Lara
21
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Se distinguen dos velocidades del frente de llama: velocidad de combustión normal cc o velocidad de la
llama (velocidad del frente de reacción respecto a la mezcla sin quemar) y la velocidad de llama aparente
cF o velocidad del frente de llama (velocidad del frente respecto a un observador situado en la cámara
de combustión).
La velocidad del frente de llama cF será en cada instante la velocidad de combustión cc más la debida
al desplazamiento del frente de llama por dilatación de los productos quemados, denominada velocidad de
arrastre ca . La velocidad de arrastre se hace nula al final de la combustión debido al aumento de presión
de los productos sin quemar comprimidos por el frente de llama.
En la superficie del frente de llama pueden producirse plegamientos, originados por variaciones de
las componentes de la velocidad que modifican la dirección y el módulo de la misma, dando lugar a un
frente arrugado o microturbulento. En este punto es necesario diferenciar entre dos velocidades: velocidad
laminar y velocidad turbulenta.
Velocidad de combustión laminar
La velocidad de combustión laminar está ligada al movimiento de un frente de llama, que en ausencia
de turbulencia, se desplaza por efecto de la difusión molecular y térmica.
Depende de la temperatura y de todos los factores que afectan a la misma y es independiente de
la presión. Siempre que exista un gradiente de temperaturas en una mezcla gaseosa, existirá difusión
térmica.
En cada instante de la combustión, el frente de llama separa productos quemados de productos sin
quemar. Para cada uno de estos instantes se cumple que para la presión y temperatura de los productos
quemados y sin quemar:
PP Q = PP SQ y TP Q > TP SQ
Por tanto, la estructura del frente de llama tiene el siguiente aspecto:
Figura 3.6: Estructura del frente de llama[1]
Se pueden observar cuatro zonas principales en la aparición del frente de llama. La zona 1 representa
el umbral de elevación de temperatura, la zona 2 es la zona de calentamiento, la zona 3 es la zona de
combustión y en la zona 4 se dan las prereacciones quı́micas.
22
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Velocidad de combustión turbulenta
La turbulencia es el parámetro que, de forma más directa, condiciona el proceso de combustión el
implicar un incremento del ritmo de propagación del frente de llama. Los parámetros fundamentales de
la turbulencia son dos: intensidad y escala de la turbulencia.
La intensidad de la turbulencia es un parámetro estadı́stico definido como la media cuadrática de las
fluctuaciones que experimenta la velocidad instantánea del fluido en torno a su valor medio.
La escala de la turbulencia representa el tamaño de los torbellinos o vórtices. Dependiendo de la escala
de la turbulencia se podrá tener macroturbulencia o microturbulencia. La macroturbulencia acelera el
tirmo de la combustión debido al aumento de la superficie del frente de llama por el arrugamiento del
mismo. Al aumentar la superficie del frente de llama, aumenta el área donde ocurre la combustión y por
tanto se tardará menos tiempo en consumirse toda la mezcla.
Figura 3.7: Escalas de turbulencia
El efecto de la turbulencia es muy apreciable. La velocidad laminar de combustión es del orden de
0,5m/s, mientras que la velocidad turbulenta de combustión es del orden de 10m/s.
Fases de la combustión
En un motor de combustión interna con encendido provocado se pueden diferenciar tres fases principales, cuya duración total en grados girados por el cigüeñal recibe el nombre de ángulo de combustión
αc . Las tres fases son las siguientes:
Figura 3.8: Fases de la combustión normal
Carmen Hervás Lara
23
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1. Fase de combustión laminar. Tramo que comprende desde el salto de chispa hasta que la curva
de presión del motor arrastrado se separa de la curva de presión del motor con combustión. Esta fase
ocupa aproximadamente un 10 % del αc y en ella predomina la combustión laminar.
2. Fase de combustión turbulenta. Tramo que se caracteriza por un gradiente de presión creciente.
Ocupa un 85 % del αc y en ella predomina la combustión turbulenta.
3. Fase de combustión laminar. Este último tramo de la combustión es prácticamente despreciable
y en él predomina la combustión laminar.
La imagen 3.8 muestra las tres fases de la combustión. La lı́nea negra representa la presión de la
cámara de combustión en función del ángulo del cigüeñal para el motor en modo arrastrado, mientras
que la lı́nea azul representa la presión de la cámara de combustión en función del ángulo de cigüeñal para
el motor con combustión.
Se puede relacionar el ángulo de giro de cada una de las dos primeras fases, despreciando la tercera,
con las velocidades del frente de llama laminar y del frente de llama turbulento vistas anteriormente.
Factores que afectan a la combustión normal
Los factores que afectan a la combustión normal son numerosos y están la gran mayorı́a interrelacionados entre sı́, de tal manera que la variación de uno de ellos puede afectar al resto.
- Régimen de giro. Un aumento del régimen de giro supone un aumento de la velocidad media
de pistón y por tanto de los angulos de combustión. Sin embargo, el aumento del régimen de
giro aumenta la turbulencia aumentando la velocidad del frente de llama turbulento y por tanto
disminuyendo el ángulo asociado a esa fase. La suma de ambos efectos provoca un aumento del
ángulo de combustión.
- Grado de carga. Una disminución del grado de admisión (disminución de la apertura de la mariposa) provoca una disminución del rendimiento volumétrico, un aumento de la presencia de gases
residuales, una reducción de la temperatura de combustión y, por tanto, una diminución de la
velocidad de combustión laminar, con lo que aumenta su ángulo de combustión.
- Dosado. Dosados cercanos al estequiométrico producen mayores temperaturas y, por tanto, mayores
velocidades del frente de llama haciendo mı́nimo el ángulo de combustión.
- Presión exterior. Variaciones de la presión exterior al motor afectan a la presión de combustión
en el mismo sentido1 , variando la capa térmica lı́mite en las paredes del cilindro y afectando a la
temperatura de combustión y, por tanto, al ángulo de combustión. Este efecto es poco apreciable.
- Temperatura exterior. Variaciones de la temperatura exterior hacen variar la temperatura de
combustión en el mismo sentido, variando la velocidad del frente de llama. Como ya se señaló, el
aumento de la temperatura de combustión aumenta la velocidad del frente de llama disminuyendo
el ángulo de combustión. Al igual que con la presión exterior, este efecto es poco apreciable.
- Humedad. La humedad presente en el ambiente tiene un efecto semejante al de la presencia de gases
residuales en la cámara de combustión, disminuyendo la temperatura de combustión, disminuyendo
la velocidad del frente de llama laminar y, por tanto, aumentando el ángulo de combustión.
- Caracterı́sticas geométricas de la cámara de combustión. Si la geometrı́a de la cámara de
combustión favorece la turbulencia disminuirá el ángulo de combustión. Si la cámara de combustión
tiende a ser compacta, el recorrido de llama será menor y, por tanto, también se tenderá a disminuir
el ángulo de combustión.
1 Sólo
24
en motores de aspiración natural.
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
- Posición y número de bujı́as. Harán mı́nimo el ángulo de combustión las posiciones que minimicen el recorrido de llama, estén en la zona de mayor turbulencia y/o estén cerca del punto más
caliente de la cámara de combustión. Introducir más de una bujı́a en la cámara favorece la disminución del ángulo de combustión al disminuir los recorridos de llama pero la combustión se hace
más compleja por la interacción de los frentes de llama, aumentando las emisiones contaminantes.
- Punto de encendido. Un avance del punto de encendido hace que se queme más masa antes del
PMS y que sea mayor la presión máxima que se alcance en la cámara de combustión. Por tanto, la
temperatura del cilindro aumentará globalmente y la combustión será más rápida.
Figura 3.9: Evolución de la presión mx́ima según el avance del punto de encendido[1]
Dispersión cı́clica
En un motor de encendido provocado, como el empleado para la realización de los ensayos en este
proyecto, se observa que hay una importante dispersión entre ciclos cercanos en el tiempo aun cuando
permanecen constantes las condiciones de operación.
Figura 3.10: Ejemplo de irregularidad cı́clica
Estas diferencias dependen fundamentalmente de la evolución en la primera fase de la combustión,
dominada por el régimen laminar. En esta fase temprana de la combustión, la variación del dosado y el
diferente grado de turbulencia entre los electrodos de la bujı́a produce variaciones en la propagación del
frente de llama. Es muy complicado eliminar este efecto debido al carácter aleatorio del movimiento de
la mezcla dentro del cilindro.
Carmen Hervás Lara
25
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
En mezclas alejadas de las proporciones estequiométricas que se encuentran cerca de los lı́mites de
inflamabilidad, como es el caso de la figura 3.10 de dosado pobre, la dispersión cı́clica es aun mayor debido
a los problemas de apagado de llama.
3.2.3.
Combustión anormal
En los procesos de combustión anormal, los dos fenómenos más relevantes son la autoinflamación y
el encendido superficial. Si son severos pueden ocasionar daños en el motor, como grandes averı́as en
la culata o en el pistón, y pasan a denominarse combustión detonante o detonación. Adicionalmente,
generan un ruido caracterı́stico que puede llegar a resultar desagradable, debido a que la onda de presión
creada por la autoinflamación viaja a velocidad supersónica, y aumentan las temperaturas locales de la
cámara de combustión, pudiendo llegar a provocar fusiones en los materiales y roturas por fatiga térmica.
Este ruido generado se conoce con el nombre de picado, el cúal viene del término inglés knocking al
ser el sonido que se genera muy similar al que hace una persona al llamar a la puerta golpeando con los
nudillos.
Encendido superficial
El encendido superficial sucede cuando la presencia de una zona en la cámara de combustión que se
encuentra a alta temperatura provoca por sı́ misma el inicio de un frente de llama. Esto puede suceder
antes del salto de chispa, lo que se conoce como pre-encendido, o después del salto, post-encendido.
Las zonas que pueden generar esta combustión anormal suelen ser los electrodos de la bujı́a o deposiciones en la cabeza del pistón o en la culata debidas a ciertas sustancias presentes en el aceite o en el
combustible.
Autoinflamación
Para que ocurra la autoinflamación de la mezcla es necesario que se den una serie de reacciones
quı́micas, las cuales requieren de un cierto tiempo que se denomina tiempo de retraso tr . Para poder
medirlo se utilizan máquinas de compresión rápida, donde se efectúa una compresión extrarápida de la
mezcla para situar esta en las condiciones de presión y temperatura deseadas para el estudio. Este método
permite medir tiempos que van entre los 0.5 y 1000 milisegundos.
Estas prerreacciones se activan por el aumento de temperatura de la mezcla sin quemar al existir
combustión en otra zona de la cámara. Si la temperatura supera la temperatura de inflamación, esto es,
si su tiempo de retraso es inferior al tiempo de combustión normal tc (inferior al tiempo desde el salto de
chispa hasta que el frente de llama barre toda la cámara de combustión) la reacción será explosiva y la
subida brusca de presión provocará una onda de choque que rebotará por la cámara.
En todas las mezclas aire-combustible que se encuentren dentro de los lı́mites de inflamabilidad se
puede producir la autoinflamación (con velodidades de reacción muy pequeñas a temperatura ambiente).
Sin embargo, la detonación no siempre es posible para todas las mezclas.
Visualmente se observa que existe detonación cuando la curva de presión presenta un elevado número
de oscilaciones una vez iniciada la combustión, como puede verse en la tercera imagen de la siguiente
figura, siendo la primera perteneciente a una combustión normal y la central a una combustión con
detonación incipiente.
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Figura 3.11: Diagramas P-α en función del grado de detonación
Factores influyentes
A continuación se enumerarán los factores que afectan directa o indirectamente a la detonación y se
explicará en qué consiste dicha influencia, de cara a predecir la tendencia detonadora de una mezcla.
- Naturaleza del combustible. A medida que el número de octano crece, el combustible aumenta
su capacidad para evitar la detonación. Para números de octano pequeños, el tiempo de retraso
del combustible también lo es y tendrá lugar la detonación si se encuentra la mezcla dentro de
los lı́mites de inflamabilidad con el aire. Esta es la razón por la que se desean números de octano
elevados en los combustibles de los MEP.
- Régimen de giro. Si se aumenta el régimen de giro de un motor la temperatura dentro de la
cámara de combustión aumenta, la turbulencia aumenta y el rendimiento volumétrico disminuye.
De estos tres efectos el más significativo es el segundo, de manera que un aumento del régimen de
giro disminuye la tendencia detonadora.
- Grado de carga. Un aumento del grado de carga conlleva un aumento del rendimiento volumétrico,
una disminución de la turbulencia, y una disminución de las pérdidas de carga. De estos tres factoes
el más importante es el tercero por lo que se puede concluir que un aumento del grado de carga
hace aumentar el carácter detonante de la mezcla.
- Presión exterior. Aumentar la presión exterior en el colector de admisión significa aumentar la
densidad de la mezcla, por lo que para el mismo volumen constante entra mayor masa de mezcla
en la admisión y provoca un aumento de la presión final de combustión, con el lógico incremento
de tendencia detonadora.
- Humedad. La humedad disminuye la tendencia a la detonación ya que baja la temperatura de
combustión.
- Punto de encendido. Al avanzar el encendido, la mezcla se hace más detonante ya que se produce
un aumento de la presión máxima de combustión como se vio en la figura 3.9.
- Dosado. Los dosados que más propensos a ocasionar detonación son los estequiométricos ya que
suponen mayores temperaturas y presiones máximas de combustión.
- Depósitos en la cámara de combustión. La formación de sustancias carbonosas en la cámara
de combustión, en especial sobre las paredes del cilindro, crea una disminución del volumen y una
disminución del área de transferencia de calor por las paredes del mismo, por lo que la temperatura
interior aumenta, aumentando la tendencia a la detonación.
- Turbulencias. El efecto de la turbulencia trae consigo una disminución del tiempo de combustión
por lo que la tendencia a detonar es menor.
Carmen Hervás Lara
27
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
- Relación de compresiń. Si la relación de compresión es mayor, el volumen en la parte superior
del pistón al final de su carrera de subida es más pequeño, lo que supone que la presión máxima
alcanzada en la cámara y la temperatura también son superiores por lo que la detonación se hace
más probable.
- Fracción de inquemados. Un aumento de temperatura de la fracción de productos que no han
reaccionado en la combustión trae consigo una mayor tendencia a la detonaciń, por lo que es
importante refrigerar bien las paredes del cilindro en especial las zonas donde se acumulan estos
productos sin quemar. También es conveniente el empleo de materiales con buena capacidad de
refrigeración por transmisión de calor y/o geometrı́as que generen fracciones de inquemados con
superficies grandes para favorecer el intercambio calorı́fico.
- Geometrı́a de cámara. Es necesario un diámetro de cilindro reducido, limitado superiormente,
para que la llama recorra la cámara en el menor tiempo posible, disminuyendo el tiempo de combustión y con ello la tendencia a la detonación. Por esta misma razón se tiende a hacer cámaras
compactas.
3.3.
Número de octano
En el ao 1922, el Cooperative Fuel Research Committee se formó para responder a la necesidad
de las refinerı́as y constructores de motores para desarrollar un método de medición y definición de
las caracterı́sticas de combustión de la gasolina. En 1926, y de manos de Graham Edgar de la Ethyl
Corporation[3], se desarrolló una primera clasificación en función del knock, entendiendo este parámetro
como medida de la resistencia a la detonación de un combustible.
En 1928 llegaron a la conclusión de que necesitaban un motor monocilı́ndrico estandarizado para
pruebas como primer paso para desarrollar un método de test para medir las caracterı́sticas antidetonantes
de la gasolina. Finalmente en 1931, un motor estandarizado, combustibles de referencia especı́ficos y un
procedimiento estandarizado de test se hicieron realidad.
Entre 1932 y 1934 se llevaron a cabo estudios de correlación comparando ratings de knock de motores
en laboratorio con aquellos obtenidos en vehı́culos automóviles probados en carretera. Los resultados
obtenidos condujeron a la aceptación de los métodos de ensayo propuestos para testar los combustibles.
A continuación se procederá a explicar los métodos estándar existentes para su obtención, ası́ como
los combustibles utilizados, el motor CFR y la operación y procedimiento de medida del octanaje.
3.3.1.
Combustibles de referencia
Se utilizan dos hidrocarburos para los que se definieron valores de knock muy distintos: 0 para el
no ramificado (n-heptano) y 100 para el hidrocarburo de cadena ramificada(2,2,4-trimetil pentano o isooctano). Estos combustibles de referencia pueden tener tetraetilo de plomo diluido según se indique en
las especificaciones, compuesto que aumenta la resistencia a la detonación.
Se asignó 0 al n-heptano por ser un combustible que tiene un tiempo de retraso muy pequeño y por
ende baja temperatura de autoinflamación y enorma tendencia al picado, y 100 al iso-octano por tener
las propiedades opuestas.
La mezcla de iso-octano con n-heptano tiene un número de octano igual al porcentaje en volumen de
iso-octano en la mezcla. Por tanto, una mezcla con 90 % de volumen de iso-octano y 10 % de n-heptano
se dice que tiene un número de octano de 90.
Por comodidad a la hora de realizar los ensayos existe una mezcla calibrada por el ASTM de 80 % de
iso-octano, la cual se puede remezclar con iso-octano o n-heptano para obtener combustibles de referencia
28
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
con número de octano entre 0 y 100.
Como se verá más adelante, el número de octano de un combustible depende del método usado. Las
distintas condiciones del motor afectan al combustible y a las mezclas de iso-octano y n-heptano de forma
diferente, al diferir el combustible y las mezclas en sus caracterı́sticas quı́micas.
Además de la mezcla creada por el ASTM, existe otro combustible de referencia utilizado en estos
métodos: mezclas estándar de tolueno. Al ser altamente sensibles a las condiciones de test de knock, se
utilizan únicamente para determinar si el motor es adecuado para evaluar combustibles.
3.3.2.
Métodos estándar de ensayo
Los dos principales métodos utilizados son el RON, que representa de manera aproximada el comportamiento en ciudad: bajo régimen con numerosas aceleraciones, y el MON, que determina el octanaje
probado en un motor estático, ya que intenta reproducir la situación en carretera: alto régimen y conducción regular. Se denomina sensibilidad a la diferencia entre ambos.
Método RON (Research Octane Number)
Este método comprende la determinación de las caracterı́sticas de picado de las gasolinas, para uso
en motores de encendido provocado, en términos de ASTM-IP Research Octane Numbers.
El ASTM-IP Research Octane Number de un combustible es determinado comparando su tendencia a
la detonación con la de mezclas de combustibles de referencia ASTM de número de octano conocido, bajo
condiciones estándar de operación. Esto se logra variando la relación de compresión para la muestra con
el fin de obtener una intensidad estándar de knock, medida por un medidor de detonación electrónico.
Para su obtención se pueden utilizar dos procedimientos: bracketing o compression ratio, los cuales serán
explicados en su apartado correspondiente.
Los test de laboratorio requieren de un ajuste crı́tico del ratio aire-combustible y de la relación de
compresión para producir condiciones de intensidad de knock estándar[4]. Se explicará cómo llevarlo a
cabo en el apartado de operación.
Método MON (Motor Octane Number)
Este método sirve para la determinación de las caracterı́sticas de knock de las gasolinas y gasolinas
de aviación, para su uso en motores de encendido provocado, en términos de ASTM-IP Motor Octane
Numbers.
El Motor Octane Number de un combustible es determinado comparando su tendencia al picado con
la de mezclas de combustibles de referencia ASTM, de número de octano, bajo condiciones estándar de
operación. Se varı́a la relación de compresión del motor hasta obtener una intensidad estándar de knock
medida por un medidor de detonación electrónico. Para su obtención, al igual que para el método RON,
se pueden seguir dos procedimientos: bracketing o compression ratio.
La principal diferencia con el RON es que se sobrecarga más el motor durante el ensayo al utilizarse
una mezcla precalentada, el motor más revolucionado y tiempos de ignición variables, de ahı́ que el
método MON se correlacione con el rendimiento antidetonante del MEP a alta velocidad. Tı́picamente,
y dependiendo de la composición del combustible, el MON de una gasolina moderna puede estar unos 10
puntos por debajo del RON.
Debido a la diferencia existente entre ambos números se suele utilizar el concepto rendimiento antiCarmen Hervás Lara
29
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
detonante, que en su versión simplificada tiene la siguiente ecuación:
Antinock index =
RON + M ON
2
(3.6)
Para finalizar este subapartado se muestra la siguiente tabla comparativa a modo de resumen:
CONDICIONES
OPERACIÓN
Régimen de giro [rpm]
Avance de encencido [◦ ]
Formación de la mezcla
Temperatura de la mezcla
[◦ C/◦ F]
Ratio aire/combustible
Temperatura aire admisión
[◦ C/◦ F]
MÉTODO RESEARCH
MÉTODO MOTOR
600
13◦ BTDC
Carburador
900
Variable
Carburador
Variable
148.9±8.3 / 300±15
Incontrolado (máx. Knock)
Incontrolado (máx. Knock)
35-52.7 / 95-115
37.8±2.8 / 100±5
Tabla 3.1: Comparativa entre los distintos métodos de ensayo de medición del ON
3.3.3.
Motor ASTM-CFR
Como se puede ver en la tabla3.1 y se ha explicado en el anterior subapartado, las condiciones de ensayo
entre ambos métodos son diferentes entre si. Por tanto, cuando fueron desarrollados2 se introdujeron
cambios y variaciones para optimizarlos a cada uno de ellos. La nomenclatura que reciben es la siguiente:
- CFR F1 Research Method Octane Rating Unit, que cumple con los requerimientos del ASTM
D2699; Standard Test Method for RON of Spark Ignition Engine fuel.
- CFR F2 Motor Method Octane Rating Unit, que cumple con los requerimientos del ASTM D2700;
Standard Test Method for MON of Spark Ignition Engine fuel.
- CFR F1/F2 Combination RON/MON Method Octane Rating Unit, que cumple con los requerimientos de ambos métodos, ASTM D2699 y ASTM D2700.
El motor CFR Waukesha del que se dispone en el laboratorio es de combinación F1/F2, por lo
que está respaldado por los métodos de test de ASTM D2699, D2700, IP237 e IP236, y globalmente
reconocido como el estándar para la determinación y certificación de las caracterı́sticas antidetonantes
de combustibles para el motor. Esta unidad puede ser configurada para realizar tanto el método research
como el método motor, descritos anteriormente, con sólo unas pequeñas modificaciones en el equipamiento.
Con ambos métodos, las pruebas cumplen un amplio rango, de 40 a 120, en el número de octano.
Gracias a proporcionar una plataforma estable para definir con precisión la calidad antidetonante
del combustible, este motor ha mejorado la capacidad de las industrias del motor y del petróleo para
adaptar sus respectivos productos a funcionar conjuntamente de forma más efectiva, lo que ha conducido
al desarrollo de mejores combustibles y mejores tecnologás en los motores.
Descripción del motor
En un motor de un sĺo cilindro con tecnologı́a de doble válvula y posición lateral de bujı́a. Al ser un
motor normalizado, tiene que ser fabricado y calibrado bajo unas condiciones especı́ficas, siendo el ’unico
2 Por el Cooperative Fuel Research Committee CFRC en colaboración con el American Society for Testing Materials
ASTM
30
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
fabricante autorizado de este motor The Waukesha Engine Division.
Las peculiaridades de este motor en cuanto a parámetros clave de diseño son las siguientes:
- Cilindro de relación de compresión variable. Principal elemento distintivo de estos motores.
La variación de la relación de compresión se consigue manipulando la altura del cilindro con una
manivela, lo que implica una modificación del volumen de la cámara de combustión. La variedad
de compresión disponible es de 4:1 a 18:1, permitiéndose de este modo la realización de ensayos en
una amplia gama de combustibles.
- Avance de encendido variable. Permite modificar el punto donde se produce la ignición de la
mezcla en el cilindro, lo cual añade una variable a los ensayos muy interesante como es el avance o
retraso al encendido.
- Carburador. La unidad CFR se equipa con un carburador de nivel variable de cuatro tanques. Este
tipo de carburador le da al operador la flexibilidad para utilizar cualquiera de los procedimientos
de prueba en los métodos ASTM D2699 y D2700.
- Sistema de control de humedad del aire de entrada. El sistema de control de la humedad
clásico utiliza una torre de hielo. El aire en combustión entra por la parte de arriba de este sistema,
atraviesa el relleno de hielo de la torre, pasa por un tamiz y luego se traslada hacia arriba por un
tubo. La torre de hielo proporciona aire saturado a unos 32◦ F(0◦ C), que resulta en un contenido
en humedad de 25 − 50gr gramos per pound (0,00356 − 0,00712kg de agua por kg de aire seco).
También existe una unidad de refrigeración de admisión como alternativa a la torre de hielo.
Instrumentación
La intensidad del knock se determina utilizando un sistema multicomponente de instrumentos. Estos
componentes incluyen el modelo D-1 del Detonation Pickup, que se enrosca en el cilindro del motor CFR,
el modelo 501-C del Medido de Detonación, un suministro de energı́a, y un Knockmeter, modelo Weston,
con una división de 0-100 de indicador análogo.
El knock producido en el motor provoca el aumento de las variaciones de presión, las cuales actúan en
la unidad de pickup. Se genera una señal en el pickup, que es modificada por el medidor de detonación
y transmitida al knockmeter. Las lecturas de este último instrumento indican el grado relativo de la
intensidad de knock. La secuencia de medida queda reflejada en la siguiente imagen:
Figura 3.12: Sistema de medición de intensidad de knock
Carmen Hervás Lara
31
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
A continuación se procede a describir los elementos involucrados en la medida del picado:
Panel de control. El motor CFR posee un amplio panel de control desde el que se controlan la
mayorı́a de los instrumentos necesarios para la operación del motor. Algunos de sus elementos son:
- Interruptor de encendido de las resistencias calefactoras.
- Medidor de temperatura del aceite.
- Interruptor de encendido/apagado de la bujı́a.
- Controlador de tensión de la baterı́a.
- Control de temperaturas.
- Medidor de presión en el circuito de aceite.
- Medidor de presión en el cárter.
En la siguiente figura se observa la cantidad de controles e indicadores disponibles en el panel, ası́
como el knockmeter que sobresale por la parte central superior del panel.
Figura 3.13: Panel de control del CFR original
D1 Detonation Pickup El pickup tiene un extremo que se enrosca en el agujero hecho en el
cilindro del CFR. El diafragma del pickup se flexiona con la fuerza ejercida por las pulsaciones del
knock en la cámara de combustión. Una varilla en el centro del núcleo de aleación magnetostructiva,
con una bobina de hilos de cobre enrollada alrededor de esta, es sometida a la tensión de la flexión
del diafragma, e induce un voltaje en la bobina que conecta con una clavija coaxial en la parte de
arriba del pickup. La señal output generada es proporcional al ratio de cambio de la presión de la
cámara de combustión, y varı́a en amplitud y forma con la intensidad del knock y la composición
del combustible. A continuación, es transmitida al medidor de detonación.
Medidor de detonación. El modelo 501-C consta de dos ensamblajes: la sección de acondicionamiento de la señal y el amplificador. El medidor de detonación se monta en una placa para instalarse
en el panel de control de la unidad CFR. Todos los controles de operación para el medidor de detonación se encuentran en la placa del amplificador. La sensibilidad del medidor de detonación se
denomina spread, y se mide en términos de divisiones del knockmeter por número de octano.
32
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Figura 3.14: Medidor de detonación
Knockmeter. Es un instrumento indicador eléctrico analógico, que sirve como lectura de la intensidad del knock reproducida por el medidor de detonación. Tiene una escala de división de 0 a 100
y representa un rango definitivo de señal de voltaje, que es el output del medidor de detonación.
La placa tiene una rueda de ajuste a cero. Los valores de knock que se obtengan en las mediciones
deberán estar comprendidos entre 20 y 80 para que sean fiables, ya que por encima y por debajo
de esos lı́mites el knockmeter no tiene un comportamiento lienal.
Figura 3.15: Knockmeter marca Weston
3.3.4.
Operación
Las clasificaciones del octanaje de las gasolinas se determinan operando el motor ASTM-CFR bajo
las condiciones de operación especı́ficas para RON o MON, y creando una intensidad de knock estándar,
la cual depende de la relación de compresión y del ratio aire-combustible.
Esta intensidad de knock estándar se define como una lectura de media escala en el knockmeter, siendo
el valor tı́pico utilizado 50. Será necesario modificar el ratio aire-combustible y la relación de compresión
del motor para conseguir dicha lectura, la cual es especı́fica para cada uno de los valores de la escala de
ı́ndice de octano.
En este subapartado se describen exhaustivamente todas las indicaciones necesarias para entender
los procedimientos de medida del octanaje, para los cuales son necesarios los ajustes que se explican a
continuación:
1. Ajuste general de la relación de compresión
- Establecimiento de la altura del cilindro. Todos los knock ratings se hacen a una intensidad
de knock estándar independientemente del número de octano del combustible. Por ejemplo:
combustibles de 90 octanos se prueban con un mayor ratio de compresión (menor lectura de
micrómetro o mayor del contador digital) que los de 80 octanos.
Carmen Hervás Lara
33
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
La relación de compresión se cambia cuando el cilindro se mueve arriba o abajo accionado por
un engranaje sin fı́n, operado por una manivela de arranque o por un motor controlado en
panel. El ratio de compresión se cambia de la siguiente forma: para aumentar el ratio hay que
aflojar la pinza y girar la manivela en sentido antihorario. Para disminuir el ratio se gira en
sentido horario.
- Cálculo de la relación de compresión. Se puede determinar con la posición del cilindro. La
altura del cilindro se mide con el micrómetro o el contador digital. Para motores equipados
con un micrómetro, el ratio de compresión se puede determinar con la lectura del micrómetro
usando la tabla de conversión correspondiente.
Figura 3.16: Tabla de conversión micrómetro - relación de compresión
O con la fórmula:
C=
4,50 + 0,30 + m
0,30 + m
(3.7)
Donde C es el ratio de compresión y m la lectura del micrómetro.
Del mismo modo, para motores equipados con contadores digitales la relación compresión se
puede determinar utilizando la tabla de conversión y/o fórmula correspondiente.
2. Ajuste general de relación aire-combustible para máximo knock
Todos los knock ratings se realizan con una relación de aire-combustible que proporcione la máxima
indicación posible en el knockmeter. Esto es aplicable tanto a la muestra por determinar como a
las mezclas de referencia usadas para acotarla. Este ratio se ajusta aumentando o disminuyendo el
nivel de combustible, girando la válvula debajo de cada tanque del carburador. Para obtenerlo se
hace un barrido de medidas anotando ratio y la lectura del knockmeter, escogiendo el ratio que la
maximice.
3. Ajuste de intensidad de knock estándar para la mezcla
Una vez se calienta el motor según las condiciones de operación para cada método, se ajusta de la
siguiente forma:
Se prepara la mezcla de referencia con un número de octano aproximado al de la muestra a
evaluar, y se meter en uno de los tanques del carburador. Se gira la válvula del selector para
utilizar el fuel de este tanque, y se ajusta la relación aire-combustible para máximo knock.
Método Research:
- Se debe ajustar la altura del cilindro para la intensidad de knock estándar. Para ello se
busca la lectura del contador digital o micrómetro en las tablas guı́a (figura 3.17), para
el número de octano de la mezcla de referencia que está usando, y se corrige este lectura
mediante el uso de la tabla de correción de presiones (figura 3.18). Se ajusta el cilindro
para obtener este valor corregido.
34
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Figura 3.17: Tabla guı́a: lecturas del micrómetro - RON
Figura 3.18: Tabla de correcciones: lectura micrómetro/contador digital - RON
- Bajo estas condiciones especı́ficas, se ajustan los controles del medios de detonación para
obtener una lectura de 50 en el knockmeter.
Método Motor
Se procede de la misma formas solo que utilizando las tablas correspondientes.
4. Obtención de intensidad de knock estándar y máxima relación aire-combustible para
la muestra
- Ajuste preliminar de la altura del cilindro: Se vierte la cantidad de muestra enfriada requerida para realizar el test en uno de los tanques del carburador. Se establece la relación airecombustible estimada para el máximo knock, y se gira la válvula del selector de ese tanque
para operar con este combustible. Una vez se alcanza el equilibrio en el motor, se ajusta la
altura del cilindro para una lectura del knockmeter de 45 a 47 (el ideal es 50).
- Ajuste del ratio aire-combustible para máximo knock: Se determina el nivel de combustible
para una lectura máxima en el knockmeter, del mismo modo que se ha hecho con la mezcla.
- Enfriamiento de la muestra
- Ajuste final de la altura del cilindro: Una vez localizado el nivel de combustible final para
máximo knock, si es necesario se vuelve a ajustar la altura del cilindro para una lectura del
knockmeter de 50.
Carmen Hervás Lara
35
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
3.3.5.
Procedimientos de medida
Una vez se han explicado todos los ajustes necesarios para la correcta operación del motor, se continúa
con los procedimientos de medida del octanaje. Los procedimientos para la evaluación del número de
octano siguen los mismos pasos tanto para el método RON como para el MON, variando únicamente en
las condiciones de operación del motor, expuestas previamente en la tabla 3.1. Cuando el motor alcanza
las condiciones de operación para cada método, y las mezclas de referencia se encuentra entre los lı́mites
requeridos, se pueden evaluar las muestras.
Procedimiento Bracketing
En este procedimiento se intenta acotar o hacer coincidir la tendencia al picado de la muestra con la
tendencia de las mezclas de referencia. Para lo cual, una vez obtenida la medida de tendencia al picado
de la muestra se procede de la siguiente forma:
- Creación de la primera mezcla de referencia: Se crea una mezcla de referencia con un número
de octano cercano al estimado de la muestra, y se vierte en uno de los tanques del carburador. Se
establece el nivel de combustible estimado para máximo knock, y se gira la válvula del selector para
operar con este combustible. Cuando la aguja del knockmeter está en equilibrio, se ajusta el nivel
de combustible para máximo knock y se anota la lectura del knockmeter.
- Creación de la segunda mezcla de referencia: Se crea una segunda mezcla de referencia, con
la que se espera acotar la lectura del knockmeter de la muestra. Se vierte esta mezcla en el tercer
tanque del carburador, llevando a cabo el mismo proceso que para la primera mezcla. Si las lecturas
para las dos mezclas acotan la de la muestra, o si la lectura de la muestra coincide con una de las
de las mezclas se puede continuar con el proceso. De lo contrario, se deberá comprobar con una
tercera mezcla de referencia.
Una vez obtenidas las lecturas de la muestra y de cada mezcla, se realiza un cálculo preliminar del
número de octano de la muestra. Con este octanaje, se comprueba la lectura del micrómetro o contador
digital ya corregida, para la muestra, con el valor de las tablas de las figuras 3.17 y 3.18 correspondientes
al método utilizado. Si esa lectura corregida está dentro de la tolerancia permitida mostrada en la figura
3.19 para ese primer número de octano, se continúa con el test, hasta alcanzar valores coherentes y
acotados para todas las medidas, y cumpliendo todas las especificaciones.
Figura 3.19: Tolencias para la intensidad de knock estándar - Bracketing
Para obtener el número de octano de la mezcla ensayada, una vez se cumplen con las condiciones ya
descritas, basta con interpolar entre los valores de referencia.
Una vez se realiza la primera serie de lecturas para la muestra y las mezclas de referencia, se vuelven
a realizar las mediciones en este orden: muestra, segunda referencia, y primera referencia.
36
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
En cuanto al número de lecturas se pueden dar dos situaciones:
- Dos lecturas para la muestra y dos para cada referencia constituyen un test, siempre y cuando la
diferencia entra la primera serie y la segunda serie no sea mayor de 0.3 números de octano, y que
la lectura media de la muestra entra dentro de los lı́mites de 50 ± 5.
- Tres lecturas para la muestra y tres para cada refencia constituyen un test, siempre y cuando la
diferencia entre la primera serie y la segunda no sea mayor de 0.5 números de octano, que la tercera
serie esté entre los valores de la primera y segunda, y que la lectura media de la muestra entra
dentro de los lı́mites de 50 ± 5.
Procedimiento Compression Ratio
En este procedimiento se parte del ajuste final de la altura del cilindro para obtener la intensidad de
knock estándar de la muestra. Se obtiene la lectura del micrómetro o contador digital para esta altura
corriegiéndola con la presión barométrica como se ha indicado en los ajustes previos. Haciendo uso de las
tablas correspondientes al método utilizado, se obtiene el número de octano para ese valor corregido. El
número de octano de la muestra no será aceptable si existe una variación mayor que los valores expuestos a
continuación con respecto el número de octano de la última mezcla de referencia utilizada para establecer
la intensidad de knock estándar:
Rango de número
de octano
<90
90 - 100
100 - 102
102 - 105
>105
Máxima diferencia permitida
2
1
0.7
1.3
2
Tabla 3.2: Tolencias para la intensidad de knock estándar - Compression Ratio
Si se cumplen estos lı́mites, se redondea el valor obtenido para el número de octano de la muestra al
decimal más próximo, igual que para el anterior procedimiento.
3.3.6.
Métodos alternativos de medida
Los ya mencionados y conocidos métodos estándar para medir el octanaje no son continuos, requieren
mucho tiempo o no son demasiado precisos. Además, su manipulación y mantenimiento en óptimas
condiciones es costoso. Estos inconvenientes han motivado el estudio y desarrollo de nuevos métodos
continuos y constantes para la medición del número de octano como el que se describe a continuación.
Espectroscopı́a infrarroja IR
A finales de los años 80, Kelly et al.[5], de la Universidad de Washington, Seattle, descubrieron que los
números de octano se podı́an predecir del espectro infrarrojo cercano en el rango de 660-1215 nanómetros.
Encontraron que la mejor correlación entre la absorbancia y el número de octano ocurrı́a entre 898 y
1164 nm para el RON, y 930 y 1012 nm para el MON. Sin embargo, usaron un número muy limitado de
muestras y restringieron sus medidas al rango ya mencionado.
En 1990, Steven Maggard [6], midiendo la absorbancia en un rango cercano pero mayor al de Kelly
et al., demostró una mejorı́a notable en la correlación, comparado con las mediciones de longitud de
Carmen Hervás Lara
37
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
onda usados por Kelly et al. Según su invención, cualquiera de los números de octano (RON, MON o la
media) se puede medir y predecir midiendo la absorbancia (NIR), en el rango 1200-1236 nm. Este rango
se correlaciona lo suficiente para permitir mediciones en lı́nea, es decir, para controlar los sistemas de
mezcla que permiten producir gasolinas con un octanaje deseado, con bastante precisión.
Una de las grandes ventajas de utilizar la espectroscopia de absorción infrarroja3 es su versatilidad, ya
que permite estudiar prácticamente cualquier muestra con independencia del estado en el que se encuentre.
Además, la obtención del espectro se hace de una forma rápida y no es necesario un pretratamiento de
la muestra, lo que facilita el acoplamiento de esta técnica a la lı́nea de producción.
La transformada de Fourier se usa como método matemático para el desarrollo en serie de la curva
obtenida conocida como interferograma. La transformada está constituida por el sumatorio de senos y
cosenos de las distintas frecuencias ópticas que componen la radiación. Las ventajas en la utilización de
la transformada de Fourier son varias. La más significativa es la mejor relación señal/ruido.
La metodologı́a consiste en utilizar la técnica FT-IR para determinar los valores de RON y MON de
los combustibles, y compararlos con los obtenidos a partir del método estándar. El análisis estadı́stico de
los datos se realiza mediante el método PLS de calibración multivariada. El número óptimo de varibles
latentes de los modelos y la detección de las muestras discrepantes se determinan por validación cruzada.
El modelo óptimo es seleccionado tomando en consideración el error estándar de predicción mı́nimo [7].
De esta forma se establecen equivalencias entre ambos métodos, y la viabilidad del uso indistinto de los
mismos en el análisas de muestras de combustibles.
Figura 3.20: Comparación de resultados de la predicción del número de octano[7]
3 La
38
región IR del espectro electromagnético se encuentra entre 12800-10 cm-1.
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
CAPÍTULO 4
BANCO DE ENSAYOS
En este capı́tulo se va a realizar una descripción detallada de los diferentes sistemas de los que está
compuesto el motor empleado en el proyecto ası́ como del resto de elementos y equipos que componen el
banco de ensayos.
Figura 4.1: Banco de ensayos
Carmen Hervás Lara
39
BANCO DE ENSAYOS
4.1.
Motor CFR
Como ya se ha explicado en el capı́tulo anterior el motor Waukesha nació de la necesidad de disponer
de una herramienta estándar para la realización de experimentos sobre detonación. Por tanto, fue diseado
para poder variar tanto relación de compresión como punto de encendido de manera rápida y sencilla,
y para que fuera duradero, ya que cuando existe detonación en la mezcla las presiones obtenidas son
bastante más elevadas que durante su funcionamiento normal.
Las principales caracterı́sticas del motor son las siguientes:
Caracterı́sticas del motor CFR
Cárter
CF-48
Cilindrada
611,74cm3
Diámetro del pistón
8,255cm
Carrera
11,43cm
Relación de compresión 4 - 18
Longitud de la biela
25,4cm
Peso aproximado
400kg
Tabla 4.1: Caracterı́sticas del motor CFR
El uso que se le ha dado en el laboratorio a este motor no ha estado siempre centrado en el estudio
de la detonación, por lo que se han ido modificando partes del mismo para poder aprovechar al máximo
todas las ventajas que ofrece. Las modificaciones más importantes han sido la sustitución del sensor de
detonación por un sensor de presión, pudiéndose de este modo recoger la presión existente en la cámara
de combustión en cualquier punto del ciclo, y la sustitución del carburador por un sistema de inyección
dual lı́quido-gas. Las modificaciones realizadas durante el presente trabajo vienen recogidas en el capı́tulo
correspondiente.
Otra caracterı́stica importante a destacar es el funcionamiento estable del mismo. A pesar de tener
elevadas pérdidas mecánicas que obligan a mantener el régimen de giro por debajo de las 1200 rpm, permite conservar las condiciones de ensayo a lo largo del tiempo aumentando la repetibilidad de los ensayos.
Esto se consigue gracias a un sistema de contrapesos para equilibrar esfuerzos y reducir vibraciones, y al
motor eléctrico ası́ncrono que lleva acoplado y mantiene el régimen de giro constante.
4.1.1.
Sistema de distribución
El motor dispone de una válvula de admisión y una válvula de escape. Ambas válvulas son accionadas
mediante el árbol de levas, integrado en el bloque motor, transmitiendo los esfuerzos a través del balancı́n.
Figura 4.2: Esquema del sistema de distribución y válvula de admisión
40
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
En la iamgen se puede observar que la válvula de admisión incorpora un deflector. El objetivo de
este elemento adicional es generar turbulencia en el flujo proveniente de la admisión para favorecer la
homogeneidad de la mezcla aire-combustible y por tanto de la combustión.
El sistema de distribución ha tenido que ser reglado como se verá en el apartado shdjsa y el resultado
es el siguiente:
Figura 4.3: Diagrama de distribución
4.1.2.
Regulador electrónico de velocidad
En uno de los extremos del motor se encuentra acoplado mediante una transmisión por correas un
motor eléctrico ası́ncrono de inducción cuya finalidad, como ya se ha sealado, es la de mantener el régimen
de giro constante. Esta posibilidad permite eliminar la influencia del régimen de giro sobre el resto de
variables y ası́ poder centrarse en otros aspectos a la hora de analizar los resultados de los ensayos.
Cuando no existe combustión en el cilindro el motor eléctrico arrastra al motor CFR y lo mantiene
girando a un régimen de vueltas concreto, lo que se conoce como modo de funcionamiento arrastrado o
motored. Este modo de funcionamiento es muy útil para realizar calibraciones y obtener datos para hallar
parámetros tales como la fracción de masa quemada.
Cuando el motor funciona con combustión el motor eléctrico actúa como freno, consiguiendo que
las condiciones del ensayo permanezcan estables. Es muy importante esta función por la irregularidad
cı́clica existente y también evita la parada del motor en el casos en los que falle la combustión, situación
frecuente durante el cambio de parámetros.
El motor eléctrico ası́ncrono se controla mediante un variador de frecuencia situado en un panel
eléctrico próximo al motor CFR, desde donde se puede aumentar o disminuir el régimen de giro, cambiar
el sentido de giro del motor, y encender y apagar este dispositivo.
4.1.3.
Sistema de variación de la relación de compresión
La caracterı́stica fundamental del motor CFR es la posibilidad de variar su relación de compresión de
manera manual, incluso con el motor en marcha.
Esta se modifica mediante una manivela que reduce o aumenta la altura de la culata y por tanto
modifica directamente el valor de Vcc . Esta modificación de altura se mide gracias al reloj comparador
instalado y una vez obtenido el dato se introduce se mira en la tabla que corresponda de la norma
ASTM[4]. En la práctica se usará una curva de calibración como viene reflejado en el apartado 7.6.
Carmen Hervás Lara
41
BANCO DE ENSAYOS
Figura 4.4: Reloj comparador y manivela
4.1.4.
Sistema de admisión
El sistema de admisión es el encargado de conducir el aire al interior del cilindro y estf́ormado por el
caudalı́metro, el conducto de admisión, el apagallamas, la mariposa y el colector de admisión.
En el colector de admisión el aire se mezcla con el combustible proveniente de los inyectores, y la
mezcla se introduce en el cilindro durante la carrera de admisión.
Figura 4.5: Sistema de admisión
42
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
- Caudalı́metro: Dispositivo situado al inicio del conducto de admisión que genera una pérdida de
carga directamente proporcional al caudal de aire que lo atraviesa. Para poder medir dicha pérdida
de carga es necesario utilizar un sensor de presión diferencial, el cual tiene como salida una seal
amplificada que es recogida por la tarjeta de adquisición de datos.
- Conducto de admisión: Tuberı́a que comunica el caudalı́metro con el colector de admisión del
motor. Se trata de una tuberı́a de plástico recubierta y reforzada con alambre. Fue diseada para
minimizar las pérdidas de cargas, esto es, tuberı́a no excesivamente larga, curvatura suave, sección
de paso amplia . . .
- Apagallamas: Tuberı́a de cobre, de mayor sección que el conducto de admisión, rellena de lana de
acero cuya función es evitar el retroceso de llama o backfiring. Está situada al final del conducto
de admisión y gracias a la alta concentración de finos hilos de acero se crea un efecto de ”pared
frı́a”que apagarı́a una hipotética llama que pudiera producirse por un reflujo de mezcla desde el
cilindro que entrara en combustión.
Figura 4.6: Apagallamas
- Válvula de mariposa: Dispositivo encargado de regular la cantidad de aire que entra al motor
mediante una disminución o aumento de la sección de paso de la tuberı́a. Después de atravesar la
mariposa, el flujo de aire llega al colector donde se mezcla con el combustible proveniente de los
inyectores y entra al cilindro al abrirse la válvula de admisión.
El movimiento de la válvula se controlaba con una varilla extensible graduada situada en el panel
de control del motor CFR. Dicha calibración se realizó midiendo el caudal por ciclo que entraba en
el cilindro a distintas posiciones de la varilla y comparándolo con el caudal a plena carga y sacando
la correlación entre ambas variables.
Figura 4.7: Sistema de regulación antiguo de la apertura de la mariposa
Como se puede observar es un sistema primitivo que tiene poca precisión y repetibilidad por lo que
fue sustituido por un sistema mecánico como se verá en el capı́tulo de modificaciones.
4.1.5.
Sistema de inyección
El sistema clásico de carburador fue sustituido hace bastantes años por un sistema electrónico de
inyección dual regulado mediante la centralita ETU 427 de la empresa AVL.
Carmen Hervás Lara
43
BANCO DE ENSAYOS
Hay dos lı́neas principales de combustible: la lı́nea de combustible lı́quido (channel 2) y la lı́nea de
combustible gaseoso (channel 1). Ambas son independientes, pudiendo operar el motor únicamente
con combustible lı́quido, gaseoso o una mezcla de ambos. Las dos lı́neas confluyen en un mismo
punto, el colector de admisión, donde van instalados sendos inyectores para formar la mezcla de los
combustibles con el aire e introducirse esta en el cilindro.
La centralita está conectada al ordenador y se maneja a través de él mediante el software especı́fico
proporcionado por el fabricante.
Durante la realización de este trabajo sólo se han utilizado combustibles lı́quidos, por lo que únicamente se procederá a la explicación de dicha lı́nea.
Lı́nea de combustible lı́quido
Los elementos principales de la lı́nea de combustible lı́quido están unidos por una tuberı́a de PVC
de 5 mm de diámetro interno y son los siguientes:
- Depósitos de combustible: Existen dos depósitos de combustible para alimentar el motor:
uno principal y uno secundario. La existencia de dos depśitos está motivada por la dificultad
de limpiar el depósito principal. Hay que tener la precaución de no abrir las dos válvulas al
mismo tiempo puesto que se mezcları́an los dos combustibles y habrı́a que limpiar todo el
circuito, ası́ como de poner el latiguillo de retorno en el depósito que se esté utilizando en ese
momento.
- Bomba de inyección: Bomba comercial alimentada por la baterı́a del motor CFR. La diferencia de presión generada por la bomba entre la punta del inyector y el conducto de admisión
es de dos bares.
- Inyector: El inyector empleado es uno convencional de gasolina. Permite atomizar en finas
gotas el combustible, aumentando la superficie de contacto y mejorando la evaporación del
combustible. El inyector se comunica con la centralita y con una fuente de alimentación a 12
V y 1.5 A que suministra la energı́a necesaria para la apertura y cierre del mismo.
Este es el elemento que ha ocasionado más inconvenientes, como se verá en el apartado de
calibraciones.
- Regulador de presión y retorno: La bomba de combustible no permite establecer una
presión concreta en el circuito por lo que se le añadió un regulador mecánico para controlar la
presión de inyección, que recibe el nombre de válvula de tarado.
Esta válvula va conectada por una parte al colector de admisión, donde la presión es ligeramente superior a la atmosférica en la inyección, y por otro lado a la tuberı́a que sale de la
bomba y va al inyector donde queremos controlar la presión, devolviendo el combustible sobrante por el conducto de retorno al depósito del combustible que se esté empleando. Cuando
la presión en la tuberı́a que va al inyector es mayor que la del colector de admisión, se acciona
la válvula interna del regulador y se deriva parte del caudal de esta tuberı́a al retorno hasta
que las presiones se igualan, momento en el cual la válvula se cerrarı́a.
- Conducto de purga: Además del conducto de retorno, posee una válvula conectada a una
tuberı́a por la cual se puede vaciar parte del circuito de combustible. Este conducto resulta de
gran utilidad cuando se cambia de combustible ensayado al facilitar la limpieza de la lı́nea.
4.1.6.
Sistema de encendido
Hasta el presente trabajo se habı́a venido trabajando con el sistema original de encendido por
platinos, si bien habı́a existido algún intento de controlar esta variable mediante el mismo software
que controla la inyección.
Una de las grandes modificaciones realizadas ha sido su sustitucin por un sistema electrónico. Aun
ası́, se ha mantenido el original por el valor histórico que tiene y como vı́a alternativa en el caso de
que el encendido electrónico falle, por lo que se dispone de dos alternativas no simultáneas de salto
de chispa.
Independientemente de qué sea lo que provoca el salto de chispa, el sistema de encendido funciona
de la misma forma para ambos sistemas.
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Figura 4.8: Esquema eléctrico del sistema de encendido
1. El mecanismo que rige el salto de chispa provoca un corte de intensidad en el circuito primario
o de baja tensión. En el caso del encendido mecánico este corte viene provocado por la apertura
de los platinos debida al movimiento del sistema de levas.
Figura 4.9: Sistema de salto de chispa mecánico - Ruptor
2. El corte de intensidad en el primario provoca un pico de tensión en el circuito secundario o de
alta tensión. Debido a su brusquedad, es necesaria la presencia de un condensador en paralelo
para evitar el salto de chispa.
3. El salto de tensión amplificado provoca que la bobina, alimentada por la baterı́a, se descargue
a través del circuito de la bujı́a.
4. La descarga a través del circuito de la bujı́a crea una diferencia de potencial entre los electrodos
de la misma, consiguiéndo que salte la chispa.
La modificación del punto de encendido con el motor en marcha y de manera continua se realiza
manipulando una palanca situada en la parte externa del motor, la cual hace girar una abrazadera
entorno al sistema de platinos o al actual, pudiendo adelantar o retrasar el punto de encendido
libremente.
Gracias a que el motor tiene grabados en su volante de inercia los ángulos de giro del mismo, siendo
el 180◦ el PMI y el 0◦ /360◦ el PMS, se puede comprobar el punto exacto donde se está produciendo
el salto de la chispa mediante una lámpara estroboscópica conectada al cable de la bujı́a.
En el trabajo anterior al presente[8] se mejoró la visualización del ángulo del salto de chispa, que
hasta entonces se realizaba leyendo directamente de la lámpara estroboscópica, por lo que hacı́a falta
dos personas para realizar los ensayos y suponı́a mucho tiempo si los ensayos a realizar consistı́an
en la modificación de dicho parámetro.
Como fruto de esa mejora se obtuvo la siguiente plantilla graduada:
Carmen Hervás Lara
45
BANCO DE ENSAYOS
Figura 4.10: Panel de visualización del ángulo de salto de chispa
4.1.7.
Sistema de escape
Figura 4.11: Sistema de escape
Una vez completada la combustión, los gases de escape abandonan el cilindro por el colector de
escape. Estos gases, que salen a elevadas temperaturas (400◦ - 500◦ ), atraviesan un intercambiador de
calor donde se enfrı́an gracias a un serpentı́n por el que circula agua de red y que enrolla al colector
de escape. Una vez enfriados se mandan a un depósito de remanso, desde donde son succionados y
expulsados al exterior por un extractor de gases.
El sistema de escape presenta la posibilidad de hacer recircular los gases provenientes de la combustión de nuevo al colector de admisión y al cilindro, lo que se conoce Exhaust Gas Recirculation
o EGR. Este sistema se encuentra desconectado en la actualidad pero fue utilizado en el pasado y
pudiera ser utilizado en futuras investigaciones si se estima oportuno.
4.1.8.
Sistema de refrigeración del motor
A pesar de ser un sistema indeseable, termodinámicamente hablando, es clave para el buen funcionamiento del motor, más si cabe teniendo en cuenta la antigüedad del mismo.
46
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Posee dos sistemas de refrigeración:
Principal o por evaporación
Funciona mediante un intercambiador de calor cilı́ndrico situado en la parte superior del motor,
donde por un lado circula el lquido refrigerante y por el otro agua de la red.
El lq́uido refrigerante es una mezcla de agua destilada y anticongelante que en condiciones normales
de funcionamiento trabaja a una temperatura ligeramente superior a los 100◦ C. Después de atravesar
las distintas partes del motor sube en estado vapor por el serpentn del cambiador, y al encontrarse
con el agua inyectada de la red se condensa. Dicha agua de red sirve también para enfriar los gases
de escape antes de ser expulsados al exterior como ya se ha mencionado.
Figura 4.12: Intercambiador de calor
Secundario
Debido al gran tamao del cárter, es necesario considerar la transferencia de calor entre este y el
ambiente como otra forma de refrigeración.
4.1.9.
Sistema de lubricación
El motor CFR está lubricado por aceite SAE 30 que es impulsado por una bomba situada en la
parte inferior derecha del frontal del motor. Esta bomba gira engranada al movimiento del cigüeñal
del motor e impulsa el aceite continuamente a las distintas zonas del motor mientras este está en
funcionamiento.
En la parte inferior del cárter, el motor posee una serie de resistencias elécricas para calentar el
aceite hasta la temperatura óptima de lubricación. Desde el panel de control se puede controlar el
encendido de estas resistencias ası́ como su intensidad mediante un interruptor analógico de cuatro
posiciones.
Antes de poner en marcha el motor es necesario que el aceite se encuentre a una temperatura de
120◦ F y que esta se mantenga durante la realización de los ensayos.
Debido a que el motor tiene una edad avanzada y muchas horas de funcionamiento es fundamental no
descuidar el control de la lubricación. Para ello es necesario llevar a cabo labores de mantenimiento
preventivo, cambiando el aceite y el filtro cuando sea oportuno, y controlando los niveles de aceite,
además de engrasar las partes móviles accesibles (balancines, varillas y árbol de levas) que no tienen
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47
BANCO DE ENSAYOS
circuito de lubricación propio. De no llevarse a cabo dichas acciones surgirı́an graves averı́as tales
como el gripado de piezas.
4.1.10.
Panel de control
El panel de control del motor CFR mantiene toda la instrumentación antigua, estando algunos
mandos, comparadores, y actuadores en desuso, e incorpora nuevos dispositivos.
Figura 4.13: Panel de control original del CFR
Los elementos usados durante la realización de los ensayos son los siguientes:
1. Medidor de la temperatura del aceite: Cuando marca 120◦ F el aceite está a la temperatura adecuada para arrancar el motor.
2. Control resistencias eléctricas: Consiste en un interruptor y en una ruleta giratoria que
permite elegir la velocidad de calentamiento del aceite. También incluye un indicador luminoso
gracias al cual podemos confirmar que el calentamiento se está llevando a cabo.
3. Control de chispa: Interruptores mediante el cual se activa uno y otro sistema para el
encendido de la mezcla. Para que sea efectivo el cambio previamente se deberá haber cambiado
de circuito la conexión de la bujı́a puesto que es compartida.
Figura 4.14: Interruptores de los sistemas de encendido
4. Control de la tensión de la baterı́a: Está instalado un cargador de baterı́as para mantener
a un nivel de tensión adecuado la del motor al carecer este de un mecanismo que la recargue
durante su funcionamiento.
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
5. Medidor de presión el circuito de aceite: Para que la lubricación del motor sea adecuada
esta presión debe ser siempre positiva y cercana a los 22 psi.
6. Medidor de presión en el cárter: Debe mantenerse siempre ligeramente inferior a la atmosférica para que no se produzca un descebado de la bomba de aceite. Esta presión oscila en
función de la posición del pistón y de la apertura o cierre de la válvula de ventilación positiva
del cárter o PCV. Esta válvula es accionada según la presión existente en cada momento en el
cárter y permite sacar fuera de él los vapores nocivos generados por la oxidación y degradación
del aceite y otro tipo de vapores que lleguen al mismo (vapor de agua o combustible), los cuales
pueden actuar de forma negativa sobre el propio aceite y el funcionamiento normal del motor.
Figura 4.15: Válvula de ventilación positiva del cárter
En el motor CFR esta salida de gases nocivos se hace hacia la atmósfera cuando el pistón baja
y la presión en el cárter aumenta, abriéndose la válvula PCV. Sin embargo, en los motores de
automóvil dicha salida se conduce nuevamente hacia la admisión del motor, disminuyendo el
perjuicio ecológico.
4.2.
Instrumentos de medida y adquisición de datos
En este apartado se procederá a describir los dispositivos y sistemas empleados en la obtención de
información sobre las distintas variables caracterı́sticas de los motores de combustión interna que
han sido objeto de estudio. Se tratan de elementos ajenos al motor CFR que han sido instalados
adicionalmente para la monitorización de diversas variables.
En distintas partes del motor se colocan captadores y/o sensores que detectan y miden un determinado parámetro fı́sico y sus variaciones en el tiempo, generando una señal eléctrica consecuente
con estas. La señal se transmite por cable hasta los aparatos encargados de amplificarla para, a
continuación, ser enviada a diferentes dispositivos que transforman la señal eléctrica a la magnitud
que se desea estudiar. Por último se visualizan mediante un ordenador, el cual recibe las diferentes
señales de los captadores a través de una tarjeta de adquisición de datos.
Al tratarse de equipos muy sensibles y precisos, es de vital importancia mantener el sistema de
adquisición de datos en perfectas condiciones para que los valores obtenidos de las distintas variables de estudio sean fiables y precisos. Esto ha supuesto que se haya tenido mucho cuidado en la
realización de las calibraciones de los mismos, descritas en el capı́tulo 7.
4.2.1.
Caudalı́metro
Dispositivo encargado de medir la cantidad de aire que entra en cada ciclo al cilindro. Este dato
junto con la cantidad de combustible inyectado permite obtener el dosado, parámetro clave en el
estudio de la combustión.
La medida del caudal de aire que entra en el colector de admisión se realiza mediante un caudalı́metro
de flujo laminar de la marca Meriam. La salida de este aparato es la pérdida de carga generada en
mbar, por lo que para poder recoger este dato es necesario el uso de un sensor de presión diferencial
que lo convierta a voltios. En este caso se ha utilizado el modelo DPS100 200-0500-2-3-5-Y00-0 de
la marca BD Sensors.
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BANCO DE ENSAYOS
Figura 4.16: Caudalı́metro y su sensor de presión diferencial
A través de las calibraciones realizadas sobre cada aparato por separado es posible transformar la
tensión medida en caudal instatáneo y después, mediante integración, en cantidad de aire que ha
entrado en cada ciclo.
4.2.2.
Sensores de presión
En este motor hay instalados actualmente tres sensores de presión pero sólo se recoge la seal de dos
de ellos, quedando sin captar la medida de presión en el escape.
(a) Admisión
(b) Combustión
(c) Escape
Figura 4.17: Sensores de presión
(a) Sensor de presión en la admisión: Es un sensor de presión absoluta de la marca Kistler
modelo 4045A2 ubicado en la cámara de admisión que puede medir hasta 2 bar. La presión
de admisión es prácticamente la atmosférica salvo en el momento de apertura de la valvula
de admisión, situación en la que se crea una ligera depresión. Esta depresión se hace mayor a
medida que se cierra la válvula de mariposa.
(b) Sensor de presión en la cámara de combustión: Es un sensor piezoeléctrico de presión
relativa de la marca Kistler modelo 7061B capaz de medir diferencias de presión de hasta 250
bar. Es el sensor más importante de todo el banco de ensayos, por lo que hay que tener mucho
cuidado en su uso y manipulación.
50
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(c) Sensor de presión en el escape: Es un sensor de presión manométrica de la marca Kistler
modelo 4045A10 capaz de medir hasta 10 bar. No se recoge la seal de este sensor por no ser
un dato requerido para los estudios realizados
Los dos sensores utilizados necesitan de amplificadores de carga para ser alimentados y transformar
su seal a seales comprendidas en el rango 0-10V. Además deben trabajar por debajo de los 50◦ C por
lo que disponen de un sistema de refrigeración independiente de su misma marca, concretamente el
modelo 2621C.
Figura 4.18: Amplificadores de señal y sistemas de refrigeración
4.2.3.
Termopares
El banco de ensayos posee seis termopares que miden la temperatura en distintas partes del motor
y la muestran en un display situado encima del panel del control del motor.
Los termopares empleados son de tipo K y su principio de funcionamiento está basado en efecto
Seebeck, esto es, originan una diferencia de potencial proporcional a la diferencia de temperatura
entre la zona de unión de dos aleaciones metálicas de distinta conductividad. En este caso se trata
de un par Crómel-Álumen.
Figura 4.19: Display de temperaturas y selector de canales
Los canales del display son los siguientes:
1. Temperatura del colector de admisión: Mide la temperatura de la mezcla de aire y combustible antes de entrar en el cilindro con la finalidad de poder estimar las condiciones de
combustión. Su temperatura suele ser la atmosférica o ligeramente superior debido al calentamiento general del motor durante su funcionamiento.
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51
BANCO DE ENSAYOS
2. Temperatura en el escape: Mide la temperatura de los gases de salida y puede tener que
llegar a soportar temperaturas de hasta 1200◦ .
3. Temperatura en la lı́nea de gas: Mide la temperatura de la lı́nea de inyección gaseosa. No
ha sido utilizado durante este proyector al no haber trabajado con combustibles gaseosos.
4. Temperatura del intercambiador de calor: El termopar está situado en la parte inferior
de dicho intercambiador y permite conocer la temperatura en la zona de condensación del
refrigerante. Es la medida más importante de temperatura ya que cuando marca 100◦ C es
cuando se considera que el motor está caliente y listo para realizar los ensayos.
5. Temperatura del agua de refrigeración a la entrada del intercambiador: Mide la
temperatura del agua tomada de la red que entra al serpentı́n del intercambiador de calor,
y ası́ se puede conocer cúal es la diferencia entre la temperatura de entrada y la de salida,
parámetro necesario para el cálculo de la transferencia de calor.
6. Temperatura del agua a la salida del intercambiador: Mide la temperatura del agua
que sale del intercambiador después de haber extraı́do calor al fluido refrigerante y haberlo
condensado.
Es muy importante que la punta de los termopares esté bien colocada, ya que si esta está muy cerca
de las paredes del conducto o incluso en contacto con ellas el valor de la temperatura no será el
que realmente lleva el flujo en ese punto. Debido a esto fue necesario volver a recolocar el termopar
situado en el colector de admisión, al observar durante los ensayos preliminares que la medida que
daba no era correcta.
4.2.4.
Analizador de gases
Se trata de un dispositivo que se conecta a través de una toma y un pequeño tubo al escape del
motor CFR con el objeto de tomar una muestra de los gases resultantes de la combustión para
conocer su composición volumétrica.
En los experimentos realizados se ha utilizado para hallar el pulso de inyección que corresponde
al de dosado estequiométrico y ası́ terminar de calibrar la recta de inyección para cada uno de los
combustibles ensayados, como se detallará en el capı́tulo 7.
Se ha utilizado un analizador de gases de la marca AVL modelo Ditest DIGAS 440. Es un modelo
sencillo que a pesar de estar optimizado para combustibles convencionales cumple a la perfección
con la tarea para la cual ha sido empleado. Para su conservación es conveniente no tenerlo midiendo
durante mucho tiempo, purgarlo con el aire ambiente entre medida y medida, e introducir los gases
en base seca. Para conseguir esto último se dispone de un decantador a la salida de la toma del
escape.
Figura 4.20: Analizador de gases AVL Ditest DIGAS 440
Se puede medir el contenido en CO, HC y N O en ppm, CO2 y O2 en porcentaje volumétrico, y el
parámetro inverso al dosado relativo λ, el cual sólo es válido para la gasolina.
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4.2.5.
Encoder
Paralelo al eje del cigüeñal está acoplado mediante una correa el codificador angular de la marca
Heidenhain modelo 426. El acoplamiento mediante la correa se realiza doblando el diámetro del eje
situado en el cigüeñal, de este modo, cuando el cigüeñal da dos vueltas, el disco del encoder da una.
Las señales obtenidas se conectan tanto a la centralita que rige la apertura de los inyectores como
a la tarjeta de adquisición de datos y son las siguientes:
- Señal de Trigger: Genera un pulso por cada vuelta del encoder. Se utiliza para enviar la
señal de apertura al inyector y para contabilizar el número de ciclos realizados.
- Señal de Clock: Genera 3600 pulsos por cada vuelta del encoder. Sirve para indicarle al programa del ordenador cuando debe adquirir los datos de los sensores de presión en la admisión,
presión en la cámara de combustión, y caudalı́metro. La resolución con la que se obtienen los
◦
◦
datos es por tanto de 720
3600 = 0,2 .
Figura 4.21: Señales del encoder
4.2.6.
Ordenador y tarjeta de adquisición de datos
Para recoger y visualizar los datos necesarios del motor se dispone de un ordenador Pentium III de
512MB de memoria RAM a 800Hz. Es el elemento final de la cadena de adquisición de datos. Para
permitir la conexión de los sensores al ordenador y que este último reciba la información de manera
correcta, es necesario disponer de una tarjeta de adquisición de datos.
Figura 4.22: Ordenador y elementos auxiliares
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BANCO DE ENSAYOS
La tarjeta empleada es de la marca National Instruments modelo BNC-2110. Posee varios canales
para señales tanto analógicas como digitales, señal de reloj y trigger. Se compone de una tarjeta
interna, conectada a la placa base del ordenador en uno de sus slots, y una placa de conectores
externa unida mediante un cable especı́fico, en la cual se conectan los cables de las señales a recoger
mediante conectores BNC.
Figura 4.23: Tarjeta de adquisición de datos
Los canales utilizados son los siguientes:
- Canal A1 0: Sensor de presión en la cámara de combustión.
- Canal A1 1: Caudalı́metro.
- Canal A1 2: Sensor de presión en la admisión.
- Canal A1 3: Señal de posición de la válvula de mariposa.
- Trigger/Counter PFI 0: Señal de trigger.
- User 2 PFI9: Señal de reloj.
Los datos se gestionan a través de una aplicación especificamente creada para ese fin con el programa
LabView 2012, desarrollado por el mismo fabricante que la tarjeta de adquisición de datos. Esta
aplicación permite visualizar los datos, introducir datos adicionales y grabar un número determinado
de ciclos a elección del operador. Todas sus funcionalidades serán explicadas más adelante en un
apartado 6.4.
El otro programa que se manipula durante la realización de los ensayos es el ETU Remote de
AVL. Este programa permite controlar la centralita ETU 427, donde van conectados los inyectores.
A través de este software se puede establecer la cantidad de los distintos combustibles que son
inyectados al motor, ası́c como otras variables interesantes como el punto y modo de inyección.
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
(a) Panel principal
(b) Canal de inyección lı́quida
Figura 4.24: Interfaz ETU Remote
4.3.
Elementos de seguridad
Es imprescindible que los ensayos se realicen en unas condiciones de total seguridad. Para ello es
necesaria la existencia de los siguientes elementos en el espacio dedicado a la experimentación:
ˆ Extractor de humos: Su función es eliminar los gases contaminantes de la combutión. Como
ya se comentó, este succiona los gases que se acumulan en el depósito de remanso conectado
al tubo de escape del motor y los expulsa al exterior del recinto.
Es necesario revisar el sistema periódicamente y comprobar que se encuentra en buen estado
ya que de no ser ası́ los gases, tóxicos para el ser humano, se concentrarı́an en la zona de
trabajo.
ˆ Detectores de gases: Su función es avisar al operador de los ensayos de la existencia de una
concentración peligrosa y/o perjudicial de determinados gases.
Los detectores situados en las proximidades del motor CFR son los siguientes:
- Detector de CO: Altas concentraciones de este gas asfixiante para el ser humano son
indicativo de que la combustión es deficiente y falta oxı́geno en el ambiente. Una medida
fundamental de seguridad para evitar este gas es mantener bien ventilado el banco de
ensayos.
- Detector de gases combustibles: Al tener el motor la posibilidad de funcionar mediante
inyección de combustibles gaseosos es necesario tener un dispositivo que detecte posibles
fugas de los mismos al ser gases fácilmente inflamables. El detector del que se dispone es
sensible a la presencia de hidrógeno y metano.
- Detector de hidrocarburos gaseosos: Es sensible al gas natural, propano y butano. Tiene
más sensibilidad que el anterior y se instaló como medida de seguridad adicional para que
en caso de fallo hubiera otro elemento capaz de alertar.
ˆ Otros elementos: Extintores, uso de rejillas de ventilación, elementos aislantes de corriente
o de temperatura . . .
4.4.
Procedimiento de arranque y parada del motor
Los procedimientos para el arranque y parada del motor CFR han sido normalizados por el Laboratorio de Motores Térmicos para trabajar siempre en condiciones de seguridad a la vez que para
asegurar un correcto funcionamiento y conservación del banco de ensayos.
Carmen Hervás Lara
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BANCO DE ENSAYOS
Procedimiento de arranque
1. Comprobar el nivel de aceite y combustible. Añadir aceite y/o combustible si es necesario.
2. Encender el equipo de refrigeración de los sensores de presión.
3. Enceder las resistencias eléctricas para calentar el aceite hasta que alcance los 120◦ F.
4. Verificar la carga de la baterı́a del banco de ensayos y ponerla a cargar si fuera necesario.
5. Arrancar el analizador de gases: puesta a cero, comprobar que no hay condensación y realizar
el test de fugas.
6. Encender el ordenador, los amplificadores de los sensores y el caudalı́metro.
7. Fijar la relación de compresión del motor con la manivela y el comparador analógico.
8. Abrir el agua de refrigeración del motor, tanto la toma que va al cilindro del intercambiador
de calor como la que va al escape.
9. Encender el extractor de humos.
10. Arrancar el motor eléctrico y acelerar progresivamente hasta la velocidad de giro deseada.
Llevar a cabo este paso sólo si la temperatura del aceite son 120◦ F.
11. Comprobar la presión del circuito de aceite y la presión en el cárter.
12. Controlar la temperatura de las distintas partes del motor y ver que está en los valores adecuados.
13. Abrir la válvula selectora del depósito de combustible a emplear, colocar el latiguillo de retorno
en dicho depósito, y encender la bomba de combustible.
14. Activar el sistema de encendido e inyección en sendos interruptores. Fijar el punto de encendido.
Es conveniente empezar la combustión empleando un dosado cercano al estequiométrico con
una cierta riqueza en la mezcla.
15. Cuando la temperatura del intercambiador de calor es superior a los 105◦ C el motor ya está
listo para realizar los ensayos deseados. En esta situación se pueden desconectar las resistencias
que calentaban el aceite.
Procedimiento de parada
1. Apagar el sistema de inyección, encendido y bomba de combustible.
2. Desconectar la toma de los gases de escape que alimenta al analizador de gases, en el caso de
que se estuviera utilizando dicho dispositivo.
3. Parar de forma progresiva el motor eléctrico, esto es, reduciendo lentamente la velocidad antes
de pararlo por completo. Esto provoca el paro del CFR.
4. Apagar el ordenador, los amplificadores de los sensores y el caudalı́metro.
5. Apagar el analizador de gases.
6. Apagar el extractor de humos.
7. Cuando hayan disminuido las temperaturas lo suficiente cerrar el paso de agua de refrigeración
y desconectar el sistema refrigerador de los sensores de presión.
8. Apagar el cargador de la baterı́a.
9. Desconectar las regletas del banco de ensayos.
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
CAPÍTULO 5
COMBUSTIBLES
Se define como combustible a aquel material capaz de liberar energı́a cuando se oxida de forma violenta
con desprendimiento de calor. Esta liberación se da al pasar de su forma de energı́a potencial quı́mica
(energı́a de enlace) a energı́a térmica o mecánica, como es el caso de los motores de combustión interna.
Este proceso de reacción tiene como productos adicionales unos residuos quı́micos y dióxido de carbono
entre otros.
Los combustibles pueden clasificarse atendiendo a varias caracterı́sticas. La clasificación más importante de cara al desarrollo de este proyecto es la que hace referencia al origen y formación de los
combustibles, clasificándose entonces en combustibles fósiles y en biocombustibles.
Se ha utilizado un combustibles de cada tipo, los cuales se describen a continuación.
5.1.
Bioetanol
El etanol o alcohol etı́lico es un compuesto orgánico con formulación quı́mica C2 H6 O que puede usarse
como combustible por si mismo o bien mezclado en distintas proporciones con la gasolina, siendo dos
mezclas comunes la E10 y la E85 con contenidos de etanol del 10 o del 85 % respectivamente. También se
utiliza cada vez en mayor medida como aditivo oxigenante de gasolinas, papel que ha ido reemplazando
progresivamente al del MBTE (éter metil tert-butı́lico) debido a la contaminación del suelo y de aguas
subterráneas que este produce.
Lo interesante de este combustible es la posibilidad de su obtención a partir de biomasa, pasándose a
llamar bioetanol. Debido a su carácter renovable, suscita un gran interés su investigación como alternativa
a los combustibles fósiles utilizados convencionalmente.
La mayor parte su producción mundial procede de materia de origen renovable como la caña de azúcar,
remolacha, cereales o demás plantas con azúcares en forma de almidón, sacarosa, hemicelulosa y celulosa.
El proceso más utilizado para su obtención es la fermentación.
Una alternativa a las cosechas orientadas a la producción de energı́a son los materiales lignocelulı́ticos
de alto potencial productivo de bioetanol, y los residuos de procesos agrı́colas, forestales o industriales
con alto contenido en biomasa. Dichos residuos pueden ser pajas forestales, residuos sólidos urbanos o
cáscaras de cereales. También pueden usarse otros residuos producto de industrias tales como la papelera,
la hortofrutı́cula o la fracción orgánica de residuos sólidos industriales.
Carmen Hervás Lara
57
COMBUSTIBLES
Propiedades
El etanol se encuentra en condiciones estándar en estado lı́quido, con apariencia incolora, y con un
peso molecular de 46,07 g/mol. En cuenta al punto de fusión y ebullición, sus valores son de -114.3◦ C
y 78.4◦ C respectivamente. Tiene un poder calorı́fico inferior de 26952 kJ/kg[1] que comparado con los
combustibles convencionales resulta significativamente menor a ellos. Es altamente volátil, con carácter
ácido, y fuertemente miscible.
La principal caracterı́stica por la que ha sido escogido, además de por el hecho de poder obtenerse de
manera sostenible y renovable, es que poseer un número RON constante de 108.6[9], un MON de 89.7, y
ser fácil de adquirir con un grado de pureza alto. Sin embargo presenta ciertas desventajas como el hecho
de tener un menor rendimiento, tener gran afinidad por el agua, y necesitar mucha agua para su cultivo
entre otras.
Si se quiere que el bioetanol contribuya a las necesidades de combustible para el transporte, se necesitará tener un balance energético neto positivo. Esta energı́a neta hay que considerarla a partir de
cuatro variables: la energı́a que está contenida en el producto final del bioetanol, la cantidad de energı́a
consumida directamente para su producción, la calidad del etanol resultante comparado con la calidad
de la gasolina refinada y la energı́a que se requiere para generar la planta productora de bioetanol. De lo
contrario no tendrá sentido su uso.
Reacción de combustión
La reacción de combustión completa del etanol es la siguiente:
C2 H6 O + 3(O2 + 3,76N2 ) −→ 2CO2 + 3H2 O + 11,28N2
(5.1)
por lo que el dosado estequiométrico según la fórmula 3.4 es:
Fe =
12 × 2 + 1 × 6 + 16 × 1
mf
= 0,11169
=
ma
3(16 × 2 + 3,76 × 14 × 2)
(5.2)
y el porcentaje volumétrico de CO2 de los gases de escape en base seca, parámetro que será utilizado
durante la calibración del inyector, es:
%CO2 =
5.2.
2
× 100 = 15,06 %
2 + 3 × 3,76
(5.3)
Gasolina 95
La gasolina es una mezcla de hidrocarburos obtenida del petróleo por destilación fraccionada que se
utiliza como combustible de diversas máquinas. Su composición quı́mica aproximada es C7 H13,6 O0,15 , su
RON aproximado es, como su nombre indica, 95 octanos, su MON es 85, y su PCI es de 43400 kJ/kg[1].
Durante los ensayos se ha empleado la gasolina Efitect 95 octanos de Repsol con Neotech, combustible
actual de avanzada formulación. Se ha escogido este combustible por su bajo coste y por el hecho de no
tener un número de octano fijo, ya que 95 denota el número mı́nimo de octanos, por lo que es muy
interesante para ensayar como se verá más adelante.
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
La reacción de combustión completa de la gasolina es la siguiente:
C7 H13,6 O0,15 + 10,325(O2 + 3,76N2 ) −→ 7CO2 + 6,8H2 O + 38,822N2
(5.4)
el dosado estequiométrico es:
Fe =
mf
12 × 7 + 1 × 13,6 + 16 × 0,15
=
= 0,07055
ma
10,325(16 × 2 + 3,76 × 14 × 2)
(5.5)
y el porcentaje volumétrico de CO2 de los gases de escape en base seca:
%CO2 =
Carmen Hervás Lara
7
× 100 = 15,28 %
7 + 38,822
(5.6)
59
COMBUSTIBLES
60
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
CAPÍTULO 6
MODIFICACIONES Y MEJORAS
DEL BANCO DE ENSAYOS
6.1.
Sistema de regulación del grado de carga
El sistema existente para la regulación de la mariposa era impreciso y de escasa repetibilidad como
se vio en el subapartado 4.1.4, por lo que se decidió sustituirlo por uno nuevo. Este nuevo sistema debı́a
dar solución a dos preguntas: cómo medir la posición? y cómo cambiar de una a otra?
Para medir la posición se decidió utilizar un potenciómetro comercial. Concretamente uno de la marca
una Pierburg modelo 5.02319.00 que habı́a por el laboratorio y perteneciı́a a otra válvula de mariposa
que se encontraba inutilizada.
En vez de buscar su calibración en la hoja técnica se optó por calibrarlo en el taller. Para ello, con el
potenciómetro ya unido a la mariposa del motor CFR y fuera del motor, se fueron tomando los datos de
la señal de posición para cada ángulo girado y se graficaron para obtener la recta de ajuste, obtuviendo
lo siguiente:
Figura 6.1: Gráfica voltios - ángulo de apertura de la mariposa
Carmen Hervás Lara
61
MODIFICACIONES Y MEJORAS DEL BANCO DE ENSAYOS
Se observa que no es lineal, como se esperaba, sino que está dividida en tres tramos. Esto viene
justificado por la constitución interna del potenciómetro, el cual está formado por dos potenciómetros
que trabajan en paralelo para distintos campos angulares. En la práctica, y para este potenciómetro en
particular, se traduce en una mayor precisión para los valores comprendidos entre 40-50◦ .
Las ecuaciones que rigen el comportamiento en cada uno de los tramos son:
α1
α2
α3
= 53,888V − 8,9688
V < 0,9
2
= −2,2569V + 16,984V + 15,88
= 56,408V − 181,49
V >4
V [1, 4]
(6.1)
(6.2)
(6.3)
Para modificar la posición de la mariposa se ha colocado un pequeño motor eléctrico de corriente
continua, el cual transmite su movimiento al eje de la mariposa a través de un tren de engranajes simple.
En primer lugar se pensó en regular su movimiento desde el ordenador. Hubo que que descartar esta
idea al no poder proporcionar la tarjeta de adquisición de datos la suficiente potencia. Se optó entonces
por diseñar un sencillo circuito cuyo esquema eléctrico es el siguiente:
Figura 6.2: Esquema eléctrico del regulador de posición
Gracias a este circuito se pueden regular la velocidad, modificando la cantidad de intensidad que le
llega al motor eléctrico mediante una resistencia variable, y el sentido de giro del motor, al accionar el
conmutador de dos circuitos.
El montaje final queda de la siguiente forma:
Figura 6.3: Montaje final de la válvula de mariposa
62
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Para poder saber en qué posición está la mariposa se llevará la señal de posición a la tarjeta DAQ. En
el programa de LabView que se explicará más adelante, se utilizará la recta de calibración antes hallada
para transformar el valor de voltios a ángulo. Por tanto, accionando el potenciómetro y el conmutador
mientras se observa el dato transformado en Labview, se puede conseguir la posición que se desee.
6.2.
Sistema de encendido
El sistema de encendido que tenı́a el motor CFR era el original y se intuı́a que contribuı́a a la dispersión
cı́clica, al estar controlado el salto de chispa por un sistema mecánico muy desgastado por el paso del
tiempo. A pesar de funcionar sin ocasionar problemas se decidió cambiarlo por un sistema electrónico
y ası́ conseguir unas mejores condiciones en términos de reproducibilidad y repetibilidad a la hora de
realizar los ensayos.
Después de sopesar las distintas opciones posibles y queriendo mantener el mismo sistema de cambio
de ángulo de encendido, visto en la figura 4.10, se optó por el uso de un sensor de efecto Hall y un imán.
El sistema se encuentra montado en el mismo lugar que el del encendido mecánico de tal forma que
no afecte al funcionamiento de este, y los pasos llevados a cabo para su fabricación y colocación fueron
los siguientes:
1. Colocar y sujetar una arandela metálica al eje del cigüeñal para que gire de forma solidaria a él.
Figura 6.4: Posición arandela
2. Colocar el imán sobre la arandela. Al hacer esto se conseguirá que pase dos veces por delante del
sensor Hall para cada ciclo de del motor1 . La posición final se ajustará una vez esté todo el montaje
hecho.
3. Fabricar el circuito del sensor y colocarlo en la tapa de plástico del sistema de encendido. Es
necesario invertir la señal obtenida del paso del imán al trabajar la bobina con pulsos de baja.
4. Montar la tapa y ajustar la posición final del imán con ayuda de la lámpara estroboscópica para
que sirva la escala de ángulos del panel.
1 El
salto de chispa extra generado no afecta al funcionamiento del motor al producirse durante la carrera de escape.
Carmen Hervás Lara
63
MODIFICACIONES Y MEJORAS DEL BANCO DE ENSAYOS
(a) Esquema eléctrico
(b) Cicuito en construcción
(c) Posición final
Figura 6.5: Circuito de encendido electrónico
Figura 6.6: Sistema de encendido electrónico
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
6.3.
Codificación ensayos
Para poder identificar toda la información recogida en los ensayos de una manera rápida y eficaz ha
sido necesario crear un código. Este será asignado a los archivos de datos en el momento de su adquisición
y hará visibles las condiciones fundamentales en las que fue recogido. Además se mantendrá a lo largo de
todos los archivos que se generen durante su procesamiento, a excepción de la terminación, con lo que se
consigue identificar rápidamente todos los archivos pertenecientes a un mismo ensayo.
Las cuatro variantes de nombre de archivo posibles son:
AADDD
AADDD
AADDD
AADDD
EXRP M
EXRP M
EXRP M
EXRP M
arrastradoDP CM ± AD N N DXXX.txt
LXP P P DP CM ± AD N N DXXX.txt
GXP P P DP CM ± AD N N DXXX.txt
LXP P P GXP P P DP CM ± AD N N DXXX.txt
donde cada parte significa:
AADDD: Año y dı́a de la realización del ensayo. Incluye las dos últimas cifras del año y el número
de dı́a sobre 365.
EX: Tipo de ensayo.
- E1 Calibración.
- E2 Repetibilidad.
- E3 Definitivo.
- E4 Prácticas.
RPM: Velocidad de giro del motor en revoluciones por minuto.
En este punto se pueden dar las siguientes opciones:
- arrastrado: Funcionamiento en arrastrado del motor.
- LXPPP: Funcionamiento con combustible lı́quido. Tipo de combustible lquido y pulso en
grados de giro del cigüeñal.
- GXPPP: Funcionamiento con combustible gaseoso.Tipo de combustible gaseoso y pulso en
grados de giro del cigüeñal.
- LXPPPGXPPP: Funcionamiento con combustible lı́quido y gaseoso.
DPCM: Posición del reloj comparador (pulgadas multiplicado por 1000).
± AD: Ángulo de encendido. Signo positivo o negativo según sea de adelanto o retraso respecto al
PMS.
NN: Número de ensayo realizado en ese dı́a. Sirve para no sobreescribir los ensayos en caso de que
se tomen dos con las mismas caracterı́sticas en el mismo dı́a.
DXXX: Tipo de documento2 .
- DG Datos generales.
- DE Datos generales y de emisiones3 .
- DS Datos de los sensores.
- DSC Datos de los sensores centrados y corregidos.
2 Los
tres primeros se generan en el momento de la adquisición de datos y el resto durante el postprocesamiento y análisis
de los mismos
3 Contiene la misma información que DG e incluye un parráfo final para los datos del analizador de gases. Sólo se genera
uno de los dos, o DG o DE.
Carmen Hervás Lara
65
MODIFICACIONES Y MEJORAS DEL BANCO DE ENSAYOS
- DSCF Datos de los sensores centrados, corregidos y filtrados.
- DSCM Ciclo mediana de los datos provenientes de DSC.
- DSMC Media de los ciclos provenientes de DSCF.
- ED Estudio de detonación de los DSCF.
6.4.
Programa de adquisición de datos
El programa que se venı́a usando años atrás cumplı́a de forma muy limitada su función, por lo que se
decidió hacer una renovación profunda del mismo.
El software utilizado para su desarrollo es LabView[10], programa ampliamente utilizado para este tipo
de aplicaciones y del mismo fabricante que la tarjeta DAQ, asegurándose ası́ una completa compatibilidad
entre ambos. Este software es muy útil al poseer dos entornos distintos de programación para un mismo
programa: front panel y block diagram. Atendiendo a esta clasificación se procederá a la explicación de
cada una de ellas:
Front Panel
Constituye el HMI del programa. En la parte superior se muestran las gráficas a tiempo real de los
datos obtenidos por los sensores y en la parte inferior se encuentra una zona destinada a la introducción
de datos. En esta pantalla sólo se modificó la parte inferior, aumentando el número de datos que debe
introducir el usuario y ası́ .obligándole.a registrar las condiciones en las que realizó el ensayo. Con esos
datos se genera el archivo DG y el código identificador cada vez que se pulsa el botón de grabar datos,
previa elección del número de ciclos que se desea registrar.
Dicho panel queda de la siguiente forma:
Figura 6.7: Detalle de la zona de grabación de datos
Block Diagram
En esta parte es donde se centró el grueso de las modificaciones[11], ya que además de tener que
gestionar todos los datos introducidos en el panel de la figura 6.7 se procedió a restructurar y optimizar
el poco código existente.
66
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Se partı́a de un código sin comentar y poco intuitivo. Se reagruparon los cables y se procedió a agrupar
las nuevas áreas funcionales creadas ad hoc en distintos sub.vi. Gracias a esto se crea una estructura sobre
la que podrán trabajar los siguientes estudiantes que utilicen este banco de ensayos.
Los sub.vi de los que se compone el programa principal son:
- subvi calculos graficos.vi En él se aplican las curvas de calibración para la visualización de los
datos por pantalla.
- subvi nombre archivos.vi En él se crea el nombre de los dos archivos que se generan cada vez
que se pulsa el botón de grabar (DG/DE y DS).
- subvi datos condicionesgenerales.vi En él se forma la parte del archivo DG que contiene datos
como tipo de ensayo, fecha . . .
- subvi datos condicionesoperacion.vi En él se forma la parte del archivo DG que contiene los
datos propios del ensayo como posición del micrómetro, combustible utilizado . . .
- subvi datos temperaturas.vi En él se forma la parte del archivo DG que contiene las temperaturas que muestra el display situado encima del panel de control del CFR.
- subvi datos emisiones.vi En él se forma la parte del archivo DE que contiene los datos que
muestra el analizador de gases.
- subvi guardar datos.vi En él se mantiene la señal de grabación de datos activa durante el número
de ciclos que se indique por pantalla.
Todos estos archivos deben ir en una carpeta junto al archivo principal, ya que de lo contrario dará problemas el programa. En dicha carpeta y por el mismo motivo también deberá ir el archivo angulos Vc.txt,
en el que figuran el ángulo en grados correspondiente a cada posición del encoder4 y el volumen asociado
a dicha posición (sin contar con el de la cámara de combustión).
En la figura 6.8 se han destacado las siguientes partes:
- Circulos negros. Rodean los sub-vi del programa. Su block diagram correspondiente queda reflejado
en el anexo A.
- Recuadro morado. Parte que se encarga de la configuración de la adquisición de datos en términos
de frecuencia, modo, señales a recoger. . .
- Recuadro verde. Parte que se encarga de crear los gráficos.
- Recuadro rojo. Parte que se encarga de generar el código de identificación y de guardar los datos
en los archivos DG/DE.txt y Ds.txt
4 Considerando
el resultado de la calibración del PMS realizada
Carmen Hervás Lara
67
MODIFICACIONES Y MEJORAS DEL BANCO DE ENSAYOS
Figura 6.8: Block diagram
68
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
CAPÍTULO 7
CALIBRACIÓN DE LOS EQUIPOS
Con el paso del tiempo los equipos de medida sufren variaciones en los valores que marcan con respecto
a los que deberı́an marcar según su hoja técnica. Este hecho provoca que sea necesario calibrarlos cada
cierto tiempo para asegurarse de que las medidas que se utilicen provenientes de ellos sean correctas.
7.1.
Caudalı́metro
La calibración de este aparato de medida está compuesta por dos calibraciones: la correspondiente al
propio equipo de medida caudal-diferencia de presión y la del sensor de presiń diferencial diferencia de
presión - voltios.
La calibración del caudalı́metro viene detallada por el fabricante en la hoja técnica entregada junto
con el equipo en el momento de su compra, y que cumple con la siguiente ecuación
Q = 154,35DP I − 1,333DP I 2
donde el caudal Q está en
l
min
(7.1)
y la diferencia de presión DP I está en inchwater.
Al venir dada en unas unidades poco habituales de presión, es importante realizar la siguiente conversión:
DP I =
1
∆P
2,49
(7.2)
Por otra parte está la calibración del sensor de presión diferencial. Se decidió volver a calibrarlo al ser
la última calibración realizada en 2013 y ser este tipo de sensores extremadamente sensibles1 .
Hubo que calibrarlo creando varias referencias de presión concretas entre las dos secciones del sensor.
Para conseguir esto se emplearon dos columnas de agua milimetradas paralelas y conectadas por la parte
inferior (tubo en U), y se fue midiendo on un voltı́metro el voltaje de salida que enviaba a la tarjeta de
adquisición de datos.
Introduciendo los datos obtenidos en MatLab y ajustando la ecuación a la de un polinomio de grado
uno en el rango de presiones en el que se trabajará se obtiene el siguiente gráfico:
1 Incluso
el más mı́nimo cambio de posición puede hacer variar su medida.
Carmen Hervás Lara
69
CALIBRACIÓN DE LOS EQUIPOS
Figura 7.1: Curva del sensor de presión diferencial del caudalı́metro
Por lo que su ecuación queda:
∆P = 5,576V
(7.3)
No se va a tener en cuenta el término independiente ya que en este tipo sensores el cero del mismo
es flotante. Lo que se hará será utilizar el voltaje medio de una zona donde se sabe que el caudal tiene
que ser nulo, en este caso un ancho de 20◦ situado 16◦ antes de la apertura de la válvula de admisión, y
restárselo a los valores de ese ciclo de manera que se tenga valor nulo en las zonas en las que la válvula
de admisión está cerrada.
Una vez corregido el cero flotante2 se puede aplicar la ecuación final del caudalı́metro, la cual se
obtiene juntando las ecuaciones (7.1), (7.3) y (7.2):
Q = 345,6448V − 6,6846V 2
7.2.
(7.4)
Sensor de presión en cámara
Se decidió volver a calibrar este sensor, pese haber sido calibrado el ao pasado, al detectar que en el
programa antiguo utilizado para la adquisición de datos figuraba una recta incorrecta (incluı́a término
independiente) y ser este sensor el más importante del motor.
Se calibró mediante el dispositivo calibrador de sensores de presin Bourdon Haenni disponible en el
laboratorio. Este calibrador consiste en un circuito cerrado de aceite donde en un extremo se coloca el
sensor y en el otro se colocan pesas calibradas con distintos valores conocidos de presión. Esta presión se
traslada a través del aceite fluido hasta el sensor y se mide la seal eléctrica producida con un voltı́metro.
Con los datos obtenidos y ajustándolos a un polinomio de grado uno queda la siguiente ecuación:
∆Pc = 10,188 V
(7.5)
Al igual que con el sensor de presión del caudalı́metro, por ser un sensor basado en el efecto piezoeléctrico, es necesario corregir el cero. En este caso se va a considerar presión nula3 en el punto RCA
2 Esta
3 Nula
70
correción hay que hacerla para cada ciclo.
al ser un sensor de presión diferencial
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
(32◦ después el PMI) por ser ahı́ la presión igual a la atmosférica siempre y cuando esté la mariposa
abierta.
Para obtener la presi’on absoluta en cada punto del ciclo habrá que restarle el valor correspondiente
al RCA, aplicarle la ecuación (7.5) y sumarle el valor de la presión ambiente.
Nota: Para que este dato sea correcto es fundamental que la precisión del amplificador de señal esté
colocada en -82.24pC/bar, al ser con la que se realizó la calibración.
7.3.
Encoder
El encoder es el dispositivo que coordina la adquisición de datos de parte de los sensores instalados
en el motor CFR. Es un disco de 3600 divisiones que da una vuelta completa por cada dos vueltas del
◦
◦
cigüeñal y por tanto el sistema de adquisición de datos será capaz de recoger los datos cada 2×360
3600 = 0,2 .
El inconveniente de este dispositivo es que no se puede saber a priori la correspondencia entre las
posiciones angulares del motor y las divisiones del mismo, por ello es necesaria la realizacin de esta
calibracin. A pesar de haber sido realizada hace un ao, se ha decidido recalibrarla debido a la importancia
de este parámetro en todos los cálculos posteriores.
Para encontrar la posición del encoder correspondiente al PMS se realiza el siguiente ensayo: con el
motor funcionando en arrastrado se han grabado 30 ciclos con la mariposa completamente abierta a 9
posiciones del micrómetro diferentes. Al disponer de tantos datos se ha cambiado el modo de análisis
que se venı́a utilizando en aos anteriores y se ha realizado un análisis de dispersión de las posiciones de
encoder a las que se daba el pico máximo de presión en cada ciclo.
Representando estos valores en un histograma se observó que ajusta a una distribución normal cuya
media es 2713.
Posición encoder en función de la presión máxima de la cámara de combustión
Posición encoder
2725
2720
2715
2710
2705
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
2718
2720
2722
Número de veces que se repite
Presion máxima
Histograma posición encoder
50
40
30
20
10
0
2704
2706
2708
2710
2712
2714
2716
Posición encoder
Figura 7.2: Gráficas ensayos
Carmen Hervás Lara
71
CALIBRACIÓN DE LOS EQUIPOS
No es completamente cierto que la presión máxima de un ciclo se dé en el PMS, por la existencia del
llamado ángulo de pérdidas termodinámicas investigado por Hohenberg[12]. En dicho estudio se indica
que el punto de presión máxima ocurre de 0.2 a 1◦ aproximadamente antes del PMS debido a las fugas
del aire y a la transferencia de calor ocurridos durante el funcionamiento real del motor. El valor del
ángulo se reduce al aumentar la velocidad de giro del motor, ya que al motor le da menos tiempo a tener
pérdidas producidas por estos fenómenos.
Como la precisión de medida de la que se dispone es de 0.2◦ y el punto de presión máxima es algo
incierto, se va a considerar que el máximo de presión se da exactamente en el PMS. Además, como la
combustión real ocupa valores de 30-40◦ aproximadamente en un motor de encendido provocado, el error
introducido es despreciable.
Por tanto se hace corresponder la posición 2713 con 360◦ y a partir de ahı́ se completa el resto sabiendo
que cada posición del encoder que se aumente corresponde con un aumento de 0.2◦ .
αi = (i − (P M S − 1800)) × 0,2
7.4.
∀i ∈ 1 : 3600
(7.6)
Punto de inyección de combustible
Una vez se tuvo calibrado el PMS hubo que cambiar consecuentemente dicho valor en el programa
ETU Remote encargado de regular la cantidad de combustible inyectado.
Es muy importante cambiar este dato ya que el programa se vale de él para establecer su propio
sistema de tiempos, indicando luego el usuario en el canal de combustible con el que esté trabajando
cuando debe comenzar a inyectar (en grados de giro del cigüeñal) en escala relativa. Es decir, indicando
cuantos grados más o menos con respecto al PMS.
El programa queda entonces de la siguiente manera:
Figura 7.3: Ventana Parameter - ETU Remote
7.5.
Juego de las válvulas
Al ir a medir los ángulos de apertura y cierre tanto de la válvula de admisión como la de escape se
observó que tenı́an mucho juego. Al necesitar tener la certeza de estos ángulos, sobre todo el retraso de
cierre de la admisión, se procedió a calibrarlo.
Según el manual de mantenimiento del motor, el reglaje hay que hacerlo con el motor en caliente y la
holgura máxima permitida, igual para ambas válvulas, es de 0.054 pulgadas.
72
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
En la foto que aparece a continuación se puede observar como con el destornillador se va ajustando la
posición mientras se comprueba con el calibre si el ajuste es el deseado. Una vez obtenido, es necesario
apretar la contratuerca del tornillo y comprobar de nuevo que el ajuste no se ha modificado.
Figura 7.4: Procedimiento de ajuste de válvulas
Una vez ajustadas, se procede a medir sus ángulos de cierre y apertura. Para poder conseguirlo es
necesario realizar el siguiente montaje, el cual tiene que ir asegurado a alguna parte fija del motor al ser
muy sensible al movimiento:
Figura 7.5: Montaje para la medida del ángulo
A continuación se va girando el volante de inercia de la parte de atrás del motor hasta observar un
cambio de posición del reloj comparador, momento en el cual se anota el ángulo que se encuentra tallado
en el propio volante de inercia.
Las desviaciones en esta medida son como mucho de ±2◦ , ya que es muy difı́cil ajustar el punto justo
en el que se mueve la válvula una altura suficiente como para considerar que está abierta.
El resultado final es el ya mostrado en la figura 4.3.
Carmen Hervás Lara
73
CALIBRACIÓN DE LOS EQUIPOS
7.6.
7.6.1.
Relación de compresión
Calibración según la norma ASTM
Antes de poder tomar ensayos es necesario comprobar que se cumple con la norma ASTM, la cual
establece que el micrómetro debe marcar 0,352 in cuando el compresı́metro, para una presión ambiente
de 0,94 bar, marque 188 psi ≡ 12,96 bar.
Para poder realizar este ensayo es necesario desmontar el sensor de presión en cámara y montar en su
lugar un compresı́metro. Es preferible realizarlo con un compresı́metro en vez de con el sensor de presión
ya que el compresḿetro se queda marcado en la presión máxima medida mientras que con el sensor se
tiene inevitablemente cierta dispersión, que a pesar de ser despreciable en los ensayos que se llevarán a
cabo, no lo es para la calibración. Se utilizó uno digital en vez del original que venı́a con el motor CFR
ya que al tener este primero un fondo de escala más cercano a la presión que se debe medir iba resultaba
más preciso.
Ya con el compresı́metro montado, se puso el motor en funcionamiento con combustión hasta que
alcanzó la temperatura de trabajo habitual, 100◦ C en el intercambiador de agua. Llegado ese punto se
quitó la inyección, y se ajustó con la manivela la posición del pistón hasta que se obtuvieron los 12,96 bar
en la cámara. Dejando fija esa posición de la manivela, se ajustó el micrómetro para que marcase los
0,352 in deseados.
(a) Compresı́metro
(b) Micrómetro
Figura 7.6: Calibración según norma ASTM
7.6.2.
Obtención ecuación que relaciona las décimas del comparador con la
relación de compresión
En la norma ASTM también viene la relación de compresión que corresponde a las condiciones sealadas, es decir, para una presión en cámara de 12,96 bar y una posición del micrómetro de 0,352 in se
debe tener una Rc = 7,9. Por tanto, en principio no harı́a falta realizar más ensayos, pudiéndose sacar la
ecuación matemáticamente.
74
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
El problema radica en que no se tiene exactamente el mismo volumen de cámara de combustión cuando
se mide la presión con el compresı́metro a cuando se mide con el sensor. Como se observa en la figura
7.7, el sensor tiene una cavidad que el compresı́metro no tiene y que supone un aumento de 1,597 cm3
de la cámara de combustión.
Figura 7.7: Cavidad del sensor de presión de la cámara de combustión
Al existir este volumen adicional, cuyos efectos son más notables a mayor relación de compresión,
ha sido necesario hallar de manera experimental la ecuación que relaciona las pulgadas medidas con el
micrómetro con la relación de compresión.
Se ha realizado el cálculo de tres formas distintas:
1. Según la norma ASTM: Cogiendo el valor que indica la norma para cada posición del micrómetro,
hallando el Vcc al que se corresponde, sumándole el volumen adicional y volviendo a calcular la
relación de compresión. El valor obtenido deberá ser menor al indicado por las tablas.
2. Según el método geométrico: Calculando el volumen de la cámara de combustión con el valor
de la posición del micrómetro. También se sacó la presión máxima que le corresponderı́a con el
motor funcionando en arrastrado.
3. Según el método temodinámico: Es el método que se ha venido utlizando en años anteriores y
toma como dato con el que realizar los cálculos la presión máxima medida en ensayo.
Tomando como hipótesis que el proceso de compresión con el motor funcionando en arrastrado es
adiabático se tiene que:
VD + VC
rc =
=
VC
PM AX
PAT M
γ1
(7.7)
Sin embargo, no se puede utilizar directamente esta fórmula ya que la compresión no comienza
hasta el cierre de la válvula de admisión. Para tenerlo en cuenta se define la relación de compresión
efectiva como:
rc0 =
Vc + Vcc − V32◦
=
Vcc
PM AX
PAT M
γ1
(7.8)
Por tanto para calcular la relación de compresión se meterá el valor de presión máxima en la
ecuación (7.8), de la cual se obtendrá el Vcc . Entrando con ese valor en la ecuación (7.7) se obtendrá
la relación de compresión.
El resultado de todos estos cálculos viene recogido en la siguiente tabla 7.1.
Carmen Hervás Lara
75
Posición
micrómetro
[in]
0
0.1
0.134
0.163
0.197
0.2
0.238
0.288
0.3
0.352
0.4
0.43
0.5
0.538
0.6
0.688
0.7
0.8
0.9
1
Norma ASTM
Rc
Rc
corregido
16
15.437
12.25
11.930
11.37
11.098
10.72
10.481
10.05
9.842
10
9.794
9.36
9.182
8.65
8.501
8.5
8.357
7.9
7.778
7.43
7.324
7.16
7.063
6.62
6.539
6.37
6.296
6
5.936
5.55
5.497
5.5
5.448
5.09
5.047
4.75
4.714
4.46
4.429
76
15.430
11.926
11.093
10.476
9.843
9.791
9.184
8.502
8.355
7.778
7.321
7.066
6.543
6.295
5.935
5.501
5.447
5.047
4.713
4.430
Rc
Método geométrico
Pmax con
Pmax con
γ 6= cte
γ = cte
35.632
37.217
25.334
26.086
23.003
23.608
21.322
21.821
19.632
20.027
19.491
19.882
17.898
18.205
16.146
16.373
15.772
15.985
14.335
14.492
13.220
13.337
12.606
12.702
11.371
11.433
10.797
10.844
9.976
10.005
9.008
9.019
8.891
8.899
8.025
8.020
7.319
7.306
6.734
6.716
11.792
11.035
10.468
9.827
9.200
8.544
7.839
7.138
6.369
5.571
24.946
22.840
21.298
19.586
17.940
16.256
14.488
12.782
10.971
9.166
5.566
6.349
7.098
7.777
9.086
8.457
11.546
10.829
10.293
9.685
Método termodinámico
Pmax medida
Rc con γ 6=
Rc con
en ensayo
cte
γ = cte
CALIBRACIÓN DE LOS EQUIPOS
Tabla 7.1: Obtención de la relación de compresión
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Para poder decir cual de los valores calculados se considerarı́a como bueno se realizó la siguiente tabla
calculando los errores relativos cometidos:
Rc ASTM Vs
Rc geométrico
0.049
0.037
0.046
0.039
0.012
0.030
0.017
0.009
0.025
0.000
0.040
0.040
0.056
0.019
0.016
0.068
0.015
0.004
0.012
0.023
Pmax medida en ensayo Vs
Rc con γ 6= cte
Rc con γ = cte
Pmax con γ 6= cte
Pmax con γ = cte
1.161
0.566
0.124
0.157
3.227
2.419
1.786
1.592
1.555
0.716
0.115
0.232
4.570
3.365
2.456
2.249
0.189
0.506
1.045
0.514
0.234
0.676
1.479
0.723
0.779
0.020
1.055
0.028
1.061
0.495
1.378
0.620
1.153
0.832
1.580
1.152
1.344
1.258
1.714
1.602
Tabla 7.2: Errores relativos en %
Gracias a esto se decidió que los valores que se iban a utilizar como válidos eran los obtenidos por el
primer método.
Para poder utilizar este dato con mayor comodidad en cálculos posteriores y para su implementación en
LabView se extrajo la curva que relaciona dicho parámetro con la posición del micrómetro, obteniéndose
lo siguiente:
Figura 7.8: Curva de calibración de la relación de compresión
Carmen Hervás Lara
77
CALIBRACIÓN DE LOS EQUIPOS
Y por tanto la ecuación a utilizar a partir de ahora será:
rc = 45,16 pc6 − 169,2 pc5 + 261,9 pc4 − 22108 pc3 + 117,6 pc2 − 44,73 pc + 15,43
7.7.
(7.9)
Inyector de combustible lı́quido
La correcta calibración de este dispositivo es un aspecto fundamental en la realización de los ensayos
al ser la forma más cómoda de calcular el dosado del ensayo al saber la cantidad de aire entrante en cada
ciclo gracias al caudalı́metro.
Es importante destacar que la masa inyectada dependerá del combustible con el que se esté trabajando
y del régimen de giro, al ser el pulso que se indica en el programa correspondiente a número de ángulos
del cigüeñal girados. Por tanto, se sacará una recta de calibración para cada combustible empleado y esta
sólo será válida cuando el motor gire a 600 rpm.
Antes de proceder con la calibración se comprobó que la señal que envı́a el programa al inyector es la
correcta. Se hizo esto ya que se viene observando más dispersión cı́clica que la estipulada teóricamente.
Midiendo la señal saliente de la centralita del ETU (antes del circuito amplificador) y la señal que le
llega al inyector con un osciloscopio portátil se obtuvo lo siguiente:
Figura 7.9: Señal del inyector lı́quido recogida por el osciloscopio
donde el canal en color azul corresponde a la señal que le llega al inyector y la amarilla la que saca el
programa.
Quedando descartada la opción de un fallo eletrónico, no tiene más remedio que venir la dispersión
justificada por la cinética de la apertura y cierre del inyector. Debido a esto en los ensayos se tomará como
valor asociado a cada ancho de pulso la media de cien ciclos, para ası́ obtener un valor lo suficientemente
realista.
El procedimiento a seguir para realizar la calibración del inyector es el siguiente:
1. Llenar una probeta con una cantidad importante del combustible a ensayar.
2. Desmontar el inyector lq́uido de su posición del colector de admisión.
78
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
3. Pesar en una báscula digital la probeta cargada y anotar el valor antes de inyectar.
4. Sumergir el inyector aproximadamente un milı́metro en el combustible depositado en la probeta4 e
inyectar 100 ciclos mediante el modo de funcionamiento work/rest del programa.
5. Pesar lo probeta y anotar el valor. De este modo se consigue la cantidad inyectada al hallar la
diferencia entre ambos valores.
6. Repetir pasos 4 y 5 para los anchos de pulso que se hayan considerado.
7. Obtener la recta de calibración con todos los puntos obtenidos.
8. Corregir la recta empleando el valor del pulso estequiométrico. Este se obtiene mediante el analizador
de gases cuando se consigue el porcentaje de CO2 calculado teóricamente a partir de la reacción de
combustión estequiométrica5 .
Calibración con etanol
La recta obtenida es la siguiente:
Figura 7.10: Recta de calibración con etanol
Cuya ecuación se corresponde con:
met = 0,0003518 pul + 0,001652
(7.10)
Ajustando la recta con el ancho de pulso estequiométrico, esto es, para que al introducir en la recta
dicho ancho se obtenga la cantidad de masa teórica, se tiene que la recta final es:
met =
0,06023
× (0,0003518 pul + 0,001652) = 0,0003549 pul + 0,001667
0,059699
(7.11)
4 De este modo se consigue que no se evapore. No sumergirlo más de eso ya que sino la presión hidrostática generada
puede falsear los datos.
5 Ver capı́tulo 5
Carmen Hervás Lara
79
CALIBRACIÓN DE LOS EQUIPOS
Calibración con gasolina 95
Procediendo del mismo modo con la gasolina se tiene que:
Figura 7.11: Recta de calibración con gasolina 95
Cuya ecuación es:
mg95 = 0,0003571 pul + 0,0008383
(7.12)
Y una vez corregida:
mg95 =
80
0,0388
× (0,0003571 pul + 0,0008383) = 0,0003307 pul + 0,0007763
0,0419
(7.13)
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
CAPÍTULO 8
ENSAYOS
En este capı́tulo se procederá a describir todos los pasos seguidos para la obtención de los datos con
los que se estudiará la detonación. El método empleado será el del número RON y el procedimiento del
de compression ratio.
Antes de continuar con la explicación es necesario realizar las siguientes aclaraciones:
- Se trabaja con el concepto de posición del micrómetro en vez de con el de relación de compresión
por ser este primero al que hace referencia la norma ASTM. Están directamente interrelacionados
y son inversamente proporcionales entre sı́.
- Se trabaja con pulso de inyección en vez de con dosado por ser un parámetro más cómodo de
usar durante la realización de los ensayos.
- Se entiende por ensayo la realización de un experimento en condiciones fijas, esto es, pulso de
inyección y posición del micrómetro constantes.
- Cada ensayo estará compuesto por 100 ciclos. Es un número lo suficientemente elevado como para
trabajar con valores medios realistas y manejable[8].
8.1.
Preparación
Siguiendo el procedimiento descrito en el apartado de medida, el primer paso que hay que llevar a cabo
es la obtención de la posición de micrómetro correspondiente al número de octano de cada combustible,
cogiendo el valor de la tabla 2 de la norma D2699-92[4].
El siguiente paso es corregir dicho valor al ser la presión atmosférica Patm existente en el laboratorio
inferior a 1 bar, para lo que es necesario consultar la tabla 4 de la misma norma. Esto supone un
inconveniente ya que la presión del laboratorio varı́a de un dı́a a otro, por lo que los cálculos de posición
del micrómetro a utlizar deben realizarse in situ el dı́a que se realicen los ensayos.
Del análisis de la tabla cuatro se observó que el factor de correción era lineal, siendo la ecuación que
lo parametriza:
f actcorr = −0,5906 × Patm + 0,598
(8.1)
donde el factor de correción está en pulgadas si la presión atmosférica Patm está en bares.
El último paso que hay que realizar es una correción especı́fica para el motor del laboratorio. Es necesaria ya que como se vio en el apartado de calibraciones existe un pequeño volumen adicional introducido
Carmen Hervás Lara
81
ENSAYOS
por el sensor de presión de la cámara de combustión, el cual a relaciones de compresión altas, como es
en el caso de las que se ensayarán, supone una diferencia notable.
El procedimiento a seguir para obtener la posición final del micrómetro con la que se deben realizar
los ensayos es el siguiente:
1. Obtener el valor de la posición del micrómetro que se corresponde al número RON del combustible
ensayado de la tabla 2 de la norma ASTM.
2. Obtener el factor de correción, una vez conocida la presión ambiente del dı́a en el que se vayan a
realizar los ensayos, utilizando la ecuación 8.1.
3. Restar el valor obtenido en el punto 1 con el obtenido en el punto 2. Esta operación tiene como
resultado la posición a la que habrı́a que realizar el ensayo en el caso de tener un motor original sin
modificar.
4. Obtener la relación de compresión asociada a esa posición de micrómetro mirando en las tablas
ASTM del motor CFR original.
5. Obtener la posición de micrómetro que se corresponde a dicha relación de compresión usando la
curva de calibración del motor del laboratorio.
Además de para la posición obtenida, se realizarán ensayos para una superior y otra inferior pudiendo
de esto modo estudiar el efecto de la variación de la relación de compresión en la tendencia de picado.
La otra variable que hay que determinar es el dosado con el que se ensayará. Como la norma no
indica cual es el dosado de máximo knocking, se tomarán los siguientes seis anchos de pulso para cada
combustible1 :
- Pulsos etanol: 135, 145, 155, 165, 175, 185
- Pulsos gasolina: 85, 95, 105, 115, 125, 135
8.2.
Ejecución
El procedimiento a seguir es el mismo independientemente del combustible ensayado. Los ensayos se
realizaron en dos dı́as ya que el cambio de un combustible a otro requiere cierto tiempo, al tener que
vaciar todo el sistema de inyección y el depósito.
Los pasos seguidos fueron los siguientes:
1. Poner a calentar el aceite del motor a velocidad media.
2. Aprovechando que el aceite tarda alrededor de una hora en calentarse, vaciar el sistema de inyección
y rellenar el depósito con el combustible deseado. También anotar los valores de presión y temperatura ambiente, y calcular las posiciones de micrómetro con las que se realizarán los ensayos a partir
del procedimiento descrito en el apartado 8.1.
En la siguiente tabla se muestran los valores intermedios para su cálculo, quedando el valor final
reflejado en la última columna.
1 El
82
pulso destacado es el correspondiente a dosado estequiométrico
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Combustible
Etanol
Gasolina 95
RON
111.6
108.6
106
97.1
95
92.5
Posición ASTM
0.181
0.215
0.247
0.409
0.441
0.473
Posición corregida
0.152
0.186
0.218
0.387
0.419
0.451
Rc
10.846
10.234
9.696
7.635
7.352
7.091
Posición motor
0.145
0.175
0.205
0.366
0.396
0.406
Tabla 8.1: Tabla resumen posiciones de micrómetro ensayadas
Se consideró oportuno estudiar valores de la posición del micrómetro de ±0,03 in. Para ellas se
calculó el correspondiente valor de número RON al ser un dato que puede resultar de interés a la
hora de discutir los resultados.
3. Seguir el procedimiento explicado de arranque del motor y ajustar la velocidad su velocidad a 600
rpm y el adelanto de salto de chispa en 13◦ , como se indica en la tabla 3.2 para el método RON.
4. Una vez que el motor está caliente, ajustar la relación de compresión a la mı́nima de las ensayadas.
5. Grabar los ensayos variando el pulso de inyección de forma creciente. Una vez terminado este paso
y antes de variar la posición, grabar un ensayo con el motor en arrastrado.
6. Repetir el paso 6 para las otras dos posiciones de micrómetro calculadas.
7. Apagar el motor siguiendo el procedimiento estipulado.
8.3.
Post-tratamiento de los datos obtenidos
Como se explicó en el apartado de modificaciones del motor, los datos de los sensores se almacenan
sin tratar en archivos tipo . . . DS.txt siendo por tanto datos en voltios y descentrados.
Antes de poder analizar los datos, sea cual sea la finalidad del análisis, es necesario realizar las acciones
que se detallan en el flujograma conjunto y que en la práctica realiza el programa post procesamiento.m.
Figura 8.1: Comparación de resultados de la predicción del número de octano[7]
Carmen Hervás Lara
83
ENSAYOS
Donde cada etapa del proceso implica lo siguiente:
1. Archivo 16XXX LX corregirarchivos.txt El procedimiento tiene como punto de inicio un archivo
excel donde vienen recogidos todos los datos necesarios para el cálculo. Según la tipologı́a de datos de
cada columna se puede distinguir entre:
Columnas de datos. En ellas viene el dato que se utilizará tal cual llamándolo desde MatLab.
Laúnica columna de este tipo es la de la presión ambiente, parámetro fundamental para obtener el
valor de presión en la cámara de combustión al ser el sensor que lo adquiere de tipo manométrico.
Columnas de rutas de archivos. En ellas vienen almacenadas las rutas de los archivos .txt que contienen los datos recogidos por los sensores o donde se quiere almacenar los resultados obtenidos.
Estas columnas son:
-
DS Datos de los sensores.
DSC Datos centrados y corregidos.
DSCF Datos centrados, corregidos y filtrados.
DSCM Ciclo mediana de los datos centrados y corregidos.
DSMC Media de ciclos centrados, corregidos y filtrados.
2. Carga de datos. Carga de los datos contenidos en el archivo Excel a una variable tipo table en
MatLab.
Para cada ensayo, es decir, para cada fila de la variable table:
3. Carga de datos de los sensores. Carga en una variable auxiliar de los datos contenidos en el archivo
. . . DS.txt Se cargan ya centrados, es decir, se omiten ciertos datos al inicio y al final del archivo de
partida para conseguir que la posición 1800 dentro de las 3600 que componen un ciclo se corresponda
con el PMS.
4. Corrección del cero flotante. Como ya se comentó en el apartado de calibraciones es necesario
establecer un cero para los sensores de presión diferencial por ser de tipo piezoeléctrico. Este cero se
establece para cada ciclo.
5. Aplicación de las curvas de calibración.
6. Generación del archivo . . . DSC.txt Almacenamiento de los datos centrados y corregidos en la
ruta indicada en la columna DSC.
7. Cálculo del ciclo mediana. Obtención del ciclo mediana.
8. Generación del archivo . . . DSCM.txt Almacenamiento de los datos correspondientes al ciclo
mediana en la ruta indicada en la columna DSCM.
9. Filtrado de datos. Eliminación del 10 % de los ciclos recogidos que presenten una mayor desviación
con respecto al ciclo mediana. Es necesario realizar este paso para eliminar ciclos irregulares que hayan
podido venir ocasionados por un fallo de los sensores.
10. Generación del archivo . . . DSCF.txt Almacenamiento de los datos centrados, corregidos y filtrados en la ruta indicada en la columna DSCF.
11. Cálculo de la media de ciclos. Obtención de la media de los ciclos centrados, corregidos y filtrados.
Se hace sobre estos datos y no sobre los centrados y corregidos para conseguir una representación más
fiel de la realidad.
12. Generación del archivo . . . DSMC.txt Almacenamiento de los datos correspondientes a la media
de los ciclos, calculada en el paso anterior, en la ruta indicada en la columna DSMC.
84
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
CAPÍTULO 9
RESULTADOS
En el siguiente capı́tulo se procederá a extraer los parámetros a estudiar definidos en los objetivos del
proyecto.
Los programas de MatLab utilizados para la obtención de los resultados, los cuales han sido desarrollados especı́ficamente para reducir el tiempo de análisis, vienen señalados en cada apartado, y su código
y una explicación más profunda del mismo figura en el correspondiente anexo.
9.1.
Análisis previo
Es necesario realizar un análisis preliminar de los datos post-procesados para comprobar que las
calibraciones realizadas sean correctas y para facilitar el desarrollo de los programas utilizados durante el
estudio de la detonación, ası́ como para conocer la magnitud de la dispersión cı́clica con la que se trabaja.
Análisis visual
Se ha utilizado el programa graficas presion.m en conjunto con carga datos.m para obtener de manera
rápida y sencilla los diagramas ángulo girado - presión de la cámara de combustión y ası́ poder saber
bajo qué condiciones se detecta mayor picado y la magnitud de la dispersión cı́clica.
Las gráficas mostradas a continuación, una para cada combustible de las dieciocho posibles, han sido
escogidas por ser aquellas en las que a simple vista se detecta un mayor picado.
(a) Ciclo completo
(b) Zona de combustión
Figura 9.1: Ejemplo gráficas obtenidas en los ensayos con etanol.
Carmen Hervás Lara
85
RESULTADOS
(a) Ciclo completo
(b) Zona de combustión
Figura 9.2: Ejemplo gráficas obtenidas en los ensayos con gasolina 95.
Como se puede observar, a pesar de ser condiciones de ensayo de alto grado de picado, no en todos
los ciclos dentro de un mismo ensayo se observa detonación. Este hecho es completamente normal según
las referencias bibliográficas consultadas[2]y[1], donde recomiendan trabajar con valores medios de los
parámetros asociados a la combustión para estudiar este fenómeno siempre y cuando la muestra cogida
tenga un número substancial de ciclos.
Es importante aclarar que lo que recomiendan es trabajar con la media de los valores una vez que
estos han sido hallados para cada ciclo, no trabajar con la curva de media de ciclos ya que, en este caso,
provocarı́a la desaparición de los efectos del picado y supondrı́a un falseamiento de los resultados.
Además, se sigue observando la existencia de dispersión cı́clica. Aunque justo en estas gráficas no es
muy acusada, en algunas de las que se quedan sin mostrar la presión máxima de un ciclo a otro puede
variar hasta 25 bar. Como se acaba de señalar esto sucede en parte por la existencia de ciclos en los que
no existe picado, por lo que para salir de dudas será necesario obtener y analizar las gráficas de fracción
quemada.
Análisis de la fracción quemada
Debido a que la irregularidad cı́clica obtenida no se puede justificar exclusivamente con la existencia
o no de picado y con la diferencia de composición de la mezcla en las inmediaciones de la bujı́a cuando
sucede el salto de chispa, es necesario realizar este análisis para conocer qué sucede.
Una vez descartado el hecho de que el inyector no inyectara la misma cantidad de combustible por
problemas electrónicos, como se vio en el apartado de calibraciones, y estimada la variabilidad de la
cantidad de aire admitido en cada ciclo en un 2 %1 se procedió a la obtención de las gráficas de fracción
de masa quemada y de la masa de combustible quemado mediante el programa estudio dosado.m.
Los resultados obtenidos no fueron los esperados pues se sigue teniendo una alta dispersión según qué
condiciones de ensayo. Esto puede venir justificado por los siguientes motivos:
- El modelo utilizado para el cálculo de la FMQ tiene como hipótesis que el rendimiento de la
combustión es del 100 %, hecho inverosı́mil en cualquier proceso real y más si cabe por las condiciones
a las que se lleva a cabo la combustión en los motores de combustión interna.
- El valor del gamma utilizado es muy difı́cil de obtener por el mismo motivo, además de ser un
parámetro dependiente de la temperatura y el empleado se ha considerado constante para cada
ensayo, cuando la temperatura cambia en función de la relación de compresión.
1 Valor
86
obtenido calculando el caudal admitido de cada ciclo de cada ensayo y sacando su error respecto al valor medio.
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
- Al estar la presión directamente relacionada con la calidad de la combustión, la dispersión del
primer parámetro se traslada al segundo.
Utilizando en este caso como ejemplo un ensayo de alto grado de dispersión se obtiene que la
dispersión en las gráficas de fracción de masa quemada aumenta conforme aumenta la de la presión
en cámara.
(a) FMQ
(b) Presión en la zona de combustión
Figura 9.3: Ejemplo para un ensayo realizado de etanol con dosado pobre.
- Dispersión de caudal inyectado en cada ciclo debido a irregularidades en el movimiento de cierre de
la aguja del inyector.
Comparando la figura 9.3 con la figura 9.1 se puede observar como, aun habiendo sido realizados
estos dos ensayos bajo la misma relación de compresión, el hecho de variar el dosado provoca una alta
dispersión. Esta diferencia además de ser explicada por la cantidad de ciclos en los que se observa picado,
es muy probable que venga justificada por la cinética del inyector, que según qué ancho de pulso se indique
que se debe inyectar responda de mejor o peor manera.
A pesar de ser un problema que afecta a los resultados que se obtendrán a continuación, al no ser
cuantificable se adopta como hipótesis de cálculo que la masa inyectada por el inyector para cada pulso
es la indicada según cada recta de calibración y que el dosado para cada condición ensayada es constante,
adoptando el valor medio de todos los ciclos que lo componen.
Carmen Hervás Lara
87
RESULTADOS
9.2.
Obtención de resultados
Una vez estudiados de forma preliminar los datos corregidos y determinadas las hipótesis de cálculo
que se utilizarán, se procede a la obtención de los parámetros necesarios para estudiar la detonación
utilizando el programa estudio completo detonacion.m cuyo funcionamiento viene descrito por el siguiente
flujograma:
Figura 9.4: Flujograma de cálculo de parámetros para el estudio de la detonación
Donde cada etapa del proceso comprende lo siguiente:
1. Archivo 16XXX LX.txt El procedimiento tiene como punto de inicio un archivo excel donde
vienen recogidos todos los datos necesarios para el cálculo. Según la tipologı́a de datos de cada
columna se puede distinguir entre:
Columnas de datos. En ellas viene el dato que se utilizará tal cual llamándolo desde MatLab.
Estas columnas son:
-
Nombre.
Número identificador.
Posición del micrómetro.
Código del combustible utilizado.
Pulso de combustible utilizado.
Densidad del aire.
Columnas de rutas de archivos. En ellas vienen almacenadas las rutas de los archivos .txt que
contienen los datos procesados que fueron recogidos de los sensores o donde se quiere almacenar
los resultados obtenidos. Estas columnas son:
-
DSCF Datos centrados, corregidos y filtrados.
DSCM Ciclo mediana de los datos centrados y corregidos.
DSMC Media de ciclos centrados, corregidos y filtrados.
DSMC* Media de ciclos centrados, corregidos y filtrados para esa posición del micrómetro
con el motor funcionando en arrastrado.
- ED Estudio de detonación de cada ensayo. En él se almacenan los datos obtenidos para
cada uno de los ciclos de los que está compuesto.
2. Carga de datos. Etapa previa al inicio de las operaciones. Mediante el subprograma carga datos.m
se introducen todos los datos contenidos en el archivo excel a MatLab.
88
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
3. Cálculo de masas y dosado. Cálculo de la masa de aire introducida en cada ciclo, la masa de
combustible inyectada, y el dosado relativo mediante el subprograma calculo masasydosado.m.
4. Cálculo del salto de presión de inicio de la combustión. Cálculo del salto mediante el
subprograma saltoP encendido.m.
5. Cálculo de parámetros después del inicio de la combustión. Cálculo del número de oscilaciones de presión significativas (de 368◦ a 400◦ ), del mayor salto de presión dentro de ese intervalo,
de la posición del intervalo en la cual ha tenido lugar y de otros parámetros auxiliares que facilitarán
el análisis global de resultados mediante el subprograma estudio despues salto.m.
6. Cálculo del ı́ndice de detonación. Clculo del sumatorio de las densidades espectrales comprendidas en el rango de 3000 a 9000Hz de la transformada de Fourier de la señal de presión de la
cámara de combustión mediante el subprograma indice detonacion.m.
7. Agrupación de los resultados obtenidos. Concatenación de las matrices de resultados obtenidas
en las etapas anteriores, obteniéndose de esta forma una única variable en la que quedan agrupados
todos los parámetros de todos los ciclos de todos los ensayos.
8. Generación de archivos ...ED.txt Almacenamiento de los resultados obtenidos de cada ensayo
en la ruta indicada en la columna ED. Estos archivos tienen como finalidad dejar constancia de
resultados obtenidos a la vez que sirven como copia de seguridad.
9. Cálculo de medias de cada ensayo. Cálculo del valor medio de los ciclos de cada ensayo en
aquellos datos que finalmente se usarán para el estudio de la detonación, los cuales son: salto de
presión en el inicio de la combustión, número de oscilaciones significativas e ı́ndice de detonación.
10. Generación de archivo de estudio de detonación. Almacenamiento de los valores medios
generados en la etapa anterior. El archivo generado está formado por las siguientes columnas2 :
1. Pulgadas de micrómetro a las que fue realizado el ensayo.
2. Dosado relativo al que fue realizado el ensayo.
3. Salto de presión en el inicio de la combustión.
4. Número de oscilaciones significativas.
5. Índice de detonación.
2 El
número se corresponde con la posición que ocupan dentro del archivo.
Carmen Hervás Lara
89
RESULTADOS
Aplicando dicho programa a cada combustible ensayado se obtienen las siguientes tablas de resultados:
Pulgadas
comparador
0.145
0.145
0.145
0.145
0.145
0.145
0.175
0.175
0.175
0.175
0.175
0.175
0.205
0.205
0.205
0.205
0.205
0.205
Dosado
relativo
0.82
0.88
0.94
1
1.06
1.12
0.82
0.88
0.94
1
1.06
1.12
0.82
0.88
0.94
1
1.06
1.12
Salto de
presiones [bar]
1.81571
2.02902
2.25576
1.56699
1.2741
0.935278
1.23484
1.12479
1.74183
1.36859
0.861511
0.967056
0.3141
0.929122
0.801156
0.816878
0.408111
0.120433
Número de
oscilaciones
3
8
16
21
18
14
2
5
8
13
16
12
4
2
4
6
4
4
Índice de
detonación
0.433922
1.14098
2.95453
3.35989
2.96641
2.09552
0.349128
0.676867
1.00979
1.54319
1.89572
1.34575
0.276918
0.377775
0.546924
0.695946
0.559059
0.518165
Tabla 9.1: Resultados de los ensayos con realizados con etanol.
Pulgadas
comparador
0.366
0.366
0.366
0.366
0.366
0.366
0.396
0.396
0.396
0.396
0.396
0.396
0.426
0.426
0.426
0.426
0.426
0.426
Dosado
relativo
1.17
1.09
1
0.91
0.82
0.73
0.73
0.82
0.91
1
1.09
1.17
1.17
1.09
1
0.91
0.82
0.73
Salto de
presiones [bar]
0.306678
0.432744
0.274356
0.497956
0.393244
0.0304
0.0377889
0.0360889
0.153478
0.199256
0.0689889
0.0298778
0.0241889
-0.00216667
-0.0229667
0.0981222
0.0154
0.0152889
Número de
oscilaciones
17
21
19
14
4
5
5
1
8
11
9
5
5
3
4
3
2
4
Índice de
detonación
0.991011
1.37802
1.31048
0.97073
0.374386
0.269175
0.273457
0.271687
0.49227
0.64059
0.531865
0.364077
0.304999
0.302276
0.319066
0.300691
0.266359
0.272512
Tabla 9.2: Resultados de los ensayos realizados con gasolina 95.
9.3.
Análisis de resultados
Para poder estudiar la existencia o no de tendencias de los parámetros escogidos para el estudio de
la detonación es necesario graficar los resultados de las tablas 9.1 y 9.2.
90
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
Se ha procedido a realizar tres gráficos por cada combustible utilizado, agrupando en cada gráfico
los ensayos de misma posición de micrómetro. Dentro de cada gráfico el eje x representa los dosados
relativos a los cuales fue realizado cada ensayo, quedando el eje y adimensional3 al representar tres datos
diferentes.
Figura 9.5: Gráficos para el estudio de tendencias
De estas gráficas se pueden deducir las siguientes conclusiones generales:
- Número de oscilaciones significativas. Su valor aumenta, para cada combustible, conforme aumenta
la relación de compresión ensayada4 . Esto era de esperar puesto que a mayor relación de compresión,
mayor es la presión máxima alcanzanda en la cámara de combustión y por tanto mayor será la
frecuencia de las fluctuaciones de presión recogidas por el sensor[2].
Se observa que deja de seguir una tendencia clara para la menor de las relaciones de compresión
3 Unidades
4 La
señaladas en la leyenda de cada gráfico según corresponda.
relación de compresión es inversamente proporcional a la posición del micrómetro
Carmen Hervás Lara
91
RESULTADOS
ensayadas. Esto viene justificado por el hecho de que a esas relaciones de compresión el picado es
leve y el concepto de oscilaciones significativas tal y como se ha definido no sea aplicable.
- Amplitud del salto de presiones de inicio de la combustión. Este es el parámetro que se indica en el
texto de referencia consultado[2] como indicador más preciso de la severidad del picado. Se observa
que el máximo se obtiene para dosados ligeramente pobres, pero se descarta su uso por no observarse
una tendencia clara.
Para poder tenerlo en cuenta serı́a necesario disponer de una mayor frecuencia de adquisición de
datos ya que el tiempo que tarda la onda de presión en recorrer la cámara de combustión es del
mismo orden que la frecuencia de la que se dispone en el momento de realización del proyecto.
Con este aumento de frecuencia se podrı́an observar mejor los saltos de presiones en la zona de
combustión y si se está perdiendo datos significativos como se estima, pudiéndose obtener entonces
una tendencia más clara de este parámetro.
- Índice de detonación. Se observa que el máximo se obtiene para dosados estequiométricos o ligeramente ricos, manteniéndose esa tendencia para cuatro de las seis gráficas representadas. Este hecho
hace que se decida que este es el parámetro que mejor representa el fenómeno de detonación al ser
las gráficas que no lo cumplen las correspondientes a condiciones en las que prácticamente no se
detectó picado durante el análisis visual.
Para poder estudiar mejor las implicaciones del parámetro elegido, se representa el ı́ndice de detonación
medio de cada ensayo frente al dosado relativo obteniéndose el siguiente gráfico:
Figura 9.6: Índice de detonación medio
Del estudio de este gráfico pueden extraerse tanto tendencias ya previstas, el ı́ndice de detonación
es inversamente proporcional a la posición del micrómetro, como nuevas, obteniendo que el dosado de
máximo knocking es un dosado ligeramente rico.
Sin embargo, lo más interesante de la gráfica 9.6 es la gran similitud existente entre los resultados
obtenidos para los ensayos del etanol con posición del micrómetro de 0.175in y de gasolina 95 con po92
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
sición del micrómetro de 0.366in. Como se vio en el apartado de preparación de ensayos, la posición
de micrómetro del etanol es la determinada por la norma ASTM para su ensayo mientras que la de la
gasolina es inferior a la estipulada. Esto se puede interpretar de dos formas:
- El número de octano del etanol es inferior al señalado. Esto es poco probable ya que el etanol es
un compuesto que puede ser obtenido con un grado de pureza del 99 %.
- El número de octano de la gasolina 95 es superior al señalado. Opción lógica al ser 95 el mı́nimo
número RON que puede tener una gasolina para ser comercializada bajo esa denominación.
Siendo la más viable la segunda opción, puede estimarse que el número RON de la gasolina utilizada
en el ensayo es más cercano a los 97.1 que a los 95 RON. El hecho de poder hacer esta afirmación es
un gran logro, ya que se comprueba que este parámetro es el más válido para el estudio del número de
octano por permitir hacer esa hipótesis.
Carmen Hervás Lara
93
RESULTADOS
94
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
CAPÍTULO 10
CONCLUSIONES
Las conclusiones obtenidas de la realización del proyecto se dividirán en conclusiones particulares,
aquellas extraı́das de los ensayos realizados, y conclusiones generales, donde se dará una visión global
final del conjunto del proyecto.
10.1.
Conclusiones particulares
La principal conclusión extraı́da de los ensayos es que es posible estudiar la tendencia a detonar de
un combustible, y por tanto su número de octano, mediante el empleo del parámetro llamado ı́ndice de
detonación.
Este resultado es de gran importancia ya que abre la puerta al desarrollo de un nuevo método de
obtención del número de octano basado en parámetros propios del combustible en cuestión, lo que supondrı́a una gran revolución ya que desde que se definió el método de obtención del número de octano,
este ha permanecido invariante. Además, al no tener que comparar el combustible ensayado con otros de
referencia, se reducirı́an en gran medida los costes y tiempos de ensayo.
Sin embargo, aunque los datos obtenidos son prometedores, es necesario realizar más ensayos, esta
vez con mezclas de combustibles de referencia para estar completamente seguros de los números de
octano ensayados. A este hecho hay que sumarle que, si como se prev que haga, el ı́ndice de detonación
corresponde a un número fijo, este no podrá ser obtenido en el laboratorio de la escuela ya que el motor
utilizado no está normalizado y, aunque es muy útil para obtener tendencias, no es lo suficientemente
preciso como para obtener resultados exactos.
Otra conclusión importante anteriormente señalada es la obcervación de que el dosado de máximo
knocking, ese que indica la norma ASTM que es con el que se debe obtener máximo picado pero no
proporciona su valor exacto, es cercano al estequiométrico desde el lado de los dosados ricos, contrario a
lo que se pensaba al inicio del presente trabajo.
Este hecho es muy útil para posteriores trabajos que se realicen ya que se podrá focalizar el rango de
dosados estudiado durante los ensayos a esa franja, obteniendo de esta forma resultados más precisos.
10.2.
Conclusiones generales
Este trabajo ha permitido profundizar en el conocimiento de los factores influyentes en la combustión
anormal de los motores de combustión interna. Los resultados obtenidos contribuyen a continuar y mejorar
Carmen Hervás Lara
95
CONCLUSIONES
la lı́nea de investigación que desde hace varios años se desarrolla en el
Gracias a la realización del presente proyecto se ha podido profundizar en el estudio de los factores
influyentes en la combustión anormal de los motores de combustión interna y validar el ı́ndice de detonación como método alternativo al número de octano para el estudio de la detonación de los combustibles
utilizados en motores de encendido provocado.
Este hecho supone la apertura de una nueva y prometedora lı́nea de investigación en el laboratorio de
Motores Térmicos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales.
Dejando a un lado los resultados obtenidos en los ensayos, gracias a la labor previa a estos se asegura
que los datos obtenidos de cualquier ensayo que se lleve a cabo en el banco utilizado, ya sean de continuación del estudio de la detonación o del estudio de combustión de mezclas de varios combustibles en
distintos estados de agregación como se venı́a haciendo en años anteriores, serán:
- Repetibles y reproducibles. Las dos mejoras mecánicas introducidas, encendido electrónico y obtención de la posición de la mariposa por lectura del valor del potencı́metro que lleva integrado,
permiten realizar los ensayos en las mismas condiciones.
- Precisos. Gracias a la extensa labor de calibración de equipos se puede afirmar que los datos ahora
obtenidos son lo más fieles a la realidad. Al quedar descritos los procedimientos empleados, queda
perfectamente detallado como se deben realizar las calibraciones en el caso de que se requiera en
proyectos futuros.
- Completos. El nuevo programa desarrollado en LabView permite la grabación de datos de sensores
que no van a la tarjeta DAQ y que de otro modo no serı́an registrados.
- Identificables. El código de identicación creado permite que cualquier persona ajena a la realización
de ensayos pueda hacer uso de los datos obtenidos al quedar reflejado en él las principales condiciones
en las que fueron obtenidos y el contenido del mismo.
Además, el desarrollo de una metodologı́a de post-procesamiento de los datos obtenidos ha supuesto
una enorme reducción del tiempo empleado en el análisis de los datos obtenidos. Aunque no todo el
código pueda ser reutilizado, hecho que dependerá de los parámetros que se quieran estudiar, la idea de
importar datos desde Excel a MatLab con el uso de una varible table es perfectamente válida para los
siguientes proyectos.
La realización de este proyecto ha supuesto la aplicación práctica real de todo el conocimiento adquirido durante los años pasados en la Escuela. Ha sido un proyecto transversal en el que se han tocado
disciplinas que van desde la mecánica de un motor hasta la programación en diversos lenguajes pasando
por la termodinḿica de la combustión, el análisis estadı́stico de datos y la creación de contenido de fácil
uso para un usuario no experto en el tema como puede ser el Front Panel de la aplicación de adquisición
de datos.
Todo esto, sumado a los aspectos derivados de ser un trabajo de investigación experimental, hace que
sea la forma idónea de acabar esta etapa dentro de mi formación como futura ingeniera.
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
CAPÍTULO 11
LÍNEAS FUTURAS
A pesar de haber sido comentadas las futuras acciones a realizar se ha decido agruparlas en este breve
capı́tulo y clasificarlas según el ámbito en el que se encuadren.
Mejora del banco de ensayos
Se consideran precisas y urgentes las siguientes mejoras:
- Sustitución del ordenador. El ordenador que se utiliza para la adquisición, visualización y almacenamiento de los datos de los sensores ha quedado obsoleto y ocasiona muchos fallos durante su
utilización. Aunque se realizó una limpieza de los archivos que contenı́a, esta no ha sido suficiente.
Serı́a conveniente sustituir la torre por una nueva con mayor RAM y un sistema operativo más
moderno.
- Sustitución del circuito amplificador de la señal de inyección. A pesar de funcionar perfectamente
como se comprobó en el apartado de calibraciones, las condiciones en las que se encuentra, a merced
del polvo y golpes, hacen pensar que tardará poco en fallar. Se propone sutituir la protoboard por una
placa en la que vayan los componentes soldados y que dicha placa tenga una cubierta transparente.
- Determinación de la irregularidad de la inyección de combustible debida por la cinética del inyector.
Se ha eliminado la posibilidad de que dicha irregularidad venga determinada por la seal enviada del
programa por lo que es necesario cuantificar la irregularidad mecánica ya que como se vio en las
gráficas de fracción de masa quemada la cantidad inyectada en cada ciclo no es constante.
Otra mejora importante a introducir, aunque inviable a corto plazo, serı́a la automatización de la
adquisición de los datos auxiliares que en la actualidad tienen que ser tecleados en LabView. Para ello lo
más probable es que hiciera falta otra tarjeta de adquisición de datos que se usara en exclusiva para ese
fin.
Y por último dentro de este apartado, serı́a muy interesante conectar el programa ETU Remote con
LabView, hecho viable ya que durante la investigación sobre el programa de inyección se descubrió que
el fabricante tiene módulos compatibles con dicho software.
Estudio de la detonación
Como se ha comentado en el apartado de conclusiones particulares, los ensayos inmediatos que se
deben realizar son los correspondientes a mezclas de los combustibles de referencia, iso-octano y heptano,
Carmen Hervás Lara
97
LÍNEAS FUTURAS
de números RON iguales a los combustible ensayados para contrastar los resultados obtenidos y también
una mezcla con el número RON que se ha estimado que podrı́a tener la gasolina, esto es, 97.1.
Después de estos ensayos y con los resultados obtenidos se tendrı́a que desarrollar un método para la
determinación del número de octano a partir del ı́ndice de detonación.
En el caso de que en dichos ensayos no se obtuviesen los resultados deseados, se podrı́a continuar con
el estudio de la detonación y la idea de definir un nuevo concepto que lo parametrice de forma rápida y
económica mediante el uso del parámetro salto de presión en el inicio de la combustión.
Para ello serı́a necesario modificar la frecuencia con la que se obtienen los datos teniendo que crear una
escala de tiempos ficticia para ello y solventando todos los problemas que se generarán ya que el motor
CFR, a pesar de tener un motor eléctrico que actúa para que gire a velocidad constante, el valor elegido
oscila en ±5rpm. Este hecho no afecta a los datos obtenidos pero si puede suponer un grave problema de
tener que ir por esta vı́a de análisis.
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
CAPÍTULO 12
PRESUPUESTO
Los costes incurridos en el material necesario para la realización del proyecto son los siguientes:
Concepto
Material eléctrico
Gasolina 95 25L
Etanol 25 L
Refrigerante
TOTAL
Precio e
30
28
55
30
143
Tabla 12.1: Costes en material
Su bajo importe es debido a que la mayorı́a de las piezas que han hecho falta se han cogido de otros
motores que habı́a inutilizados en el taller.
A partir de la planificación temporal se han establecido las horas promedio empleadas por cada
categorı́a de los trabajadores que han colaborado en la realización del proyecto, lo que sumado al resto
de costes asciende a un total de 10863e.
Concepto
Ingeniero junior
Personal laboratorio
Director de proyecto
Materiales
Amortización
Costes indirectos
TOTAL
Horas
800
60
40
e/hora
5
12
20
650
8
Total e
4000
720
800
143
5200
1846.71
10863
Tabla 12.2: Costes totales del proyecto
Aclaraciones:
- Se ha considerado una amortización de equipos de 8e/hora.
- La partida de costes indirectos se estima en un 17 % del total del resto de costes. En ella se incluyen
gastos de luz, electricidad, agua, internet. . .
Carmen Hervás Lara
99
PRESUPUESTO
100
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
BIBLIOGRAFÍA
[1] F Payri, JM Desantes, et al. Motores de combustión interna alternativos. Reverté, 2011.
[2] John B Heywood et al. Internal combustion engine fundamentals, volume 930. Mcgraw-Hill New
York, 1988.
[3] George E Totten, Steven R Westbrook, and Rajesh J Shah. Fuels and lubricants handbook: technology, properties, performance, and testing. In ASME. American Society for Testing & Materials,
2003.
[4] ASTM, editor. Annual Book of ASTM Standards, volume Motor Fuels, Section 1. ASTM, 1994.
[5] Jeffrey J Kelly, Clyde H Barlow, Thomas M Jinguji, and James B Callis. Prediction of gasoline
octane numbers from near-infrared spectral features in the range 660-1215 nm. Analytical Chemistry,
61(4):313–320, 1989.
[6] Steven M Maggard. Octane measuring process and device, October 16 1990. US Patent 4,963,745.
[7] Angel Dago-Morales, Reinaldo Fernández Fernández, Marı́a Dolores Ruiz Martı́nez, Mercedes Balmayor Moure, Mercedes Laza Noa, Jorge Enrique Ross Echavarrı́a, Mirtha Otero de Zayas, and
Leonardo Simeón Armada. La espectroscopia infrarroja y el método de calibración multivariada de
mı́nimos cuadrados parciales en la predicción del ı́ndice de octano experimental de gasolinas. Revista
CENIC. Ciencias Quı́micas, 37(1):3–7, 2006.
[8] Daniel Agudo Fernández. Estudio experimental de la combustión hı́brida de n-butanol y metano en
un motor de combustión interna alternativo. Proyecto final de carrera, Escuela Técnica Superior de
Ingenieros Industriales - Universidad Politécnica de Madrid, 2015.
[9] Muharrem Eyidogan, Ahmet Necati Ozsezen, Mustafa Canakci, and Ali Turkcan. Impact of alcohol–
gasoline fuel blends on the performance and combustion characteristics of an si engine. Fuel,
89(10):2713–2720, 2010.
[10] Ronald W Larsen. LabVIEW for Engineers. Pearson Higher Ed, 2011.
[11] LabVIEW Function. Vi reference manual. National Instruments, 1998.
[12] G Hohenberg. Definition und eigenschaften des thermodynamischen verlustwinkels von kolbenmaschinen. Automobil-Industrie, 4:15–21, 1976.
Carmen Hervás Lara
101
BIBLIOGRAFÍA
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
ANEXOS
Carmen Hervás Lara
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
ANEXO A
SUB-VI AUXILIARES
A continuación se procede a mostrar el block-diagram de los distinto sub-vi que constituyen parte del
programa principal de adquisición de datos.
subvi calculos graficos.vi
Figura A.1: Block-diagram de subvi calculos graficos.vi
subvi guardar datos.vi
Figura A.2: Block-diagram de subvi guardar datos.vi
Carmen Hervás Lara
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SUB-VI AUXILIARES
subvi nombre archivos.vi
Figura A.3: Block-diagram de subvi nombre archivos.vi
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
subvi datos condicionesoperacion.vi
Figura A.4: Block-diagram de subvi datos condicionesoperacion.vi
subvi datos emisiones.vi
Figura A.5: Block-diagram de subvi datos emisiones.vi
Carmen Hervás Lara
107
SUB-VI AUXILIARES
subvi datos condicionesgenerales.vi
Figura A.6: Block-diagram de subvi datos condicionesgenerales.vi
subvi datos temperaturas.vi
Figura A.7: Block-diagram de subvi datos temperaturas.vi
108
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Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
ANEXO B
PROGRAMAS DE MATLAB
EMPLEADOS
Para el correcto funcionamiento de los programas que serán descritos a continuación es fundamental
que se mantenga la nomenclatura de las columnas de los Excel utilizados en cada caso, ya que de lo
contrario los programas no funcionarán.
B.1.
Calibraciones
Para el cálculo de la posición del PMS y posteriormente para la relación de compresión por el método
temodinámico se han empleado los siguientes programas
Corregir datos
Programa precursor del complejo post procesamiento.m que se verá más adelante, este programa se
utilizó para obtener los valores con los que trabajaran las dos programas arriba mencionados.
1
function [AAux, BAux, ciclos, m, datos] = corregir datos(filepath)
2
3
4
datos=readtable(filepath); %Filepath del archivo maestro Excel
[m, n]= size(datos);
%m: número de filas, n: número de columnas (del Excel importado)
5
6
7
[md, nd] = size(load(char(datos.Path(1)))); %md: número de filas, nd: número de columnas ...
(del txt)
ciclos=md/3600;
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
%Inicialización de variables
AAux=zeros(md,nd,m);
BAux=zeros(md-3600,nd,m);
PMI=913;
PMS=2713;
RCA=PMS-900+(32/0.2); %Posición encoder del RCA: 32
después del PMI
rango=813:913; %Posiciones de encoder con las que se corrige el cero flotante del caudalı́metro
cero caudal=0; cero presion=0;
media conducto=0;
18
19
20
21
22
%Inicio cálculos
for i=1:m
%Deshacer el cambio, resultados en Voltios
AAux(:,:,i)=load(char(datos.Path(i))); %Carga de datos archivo a archivo
Carmen Hervás Lara
109
PROGRAMAS DE MATLAB EMPLEADOS
23
24
25
26
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28
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30
31
32
33
34
35
36
37
38
AAux(:,2,i)=(AAux(:,2,i)+0.4247)/10.223; %Deshace cambio sensor presión c.combustión
AAux(:,3,i)=(AAux(:,3,i)-25)/295.5; %Deshace cambio caudalı́metro
for j=1:ciclos
%Correción voltios presión c.combustión
cero presion=AAux(RCA+3600*(j-1),2,i);
AAux(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i)=AAux(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i)-cero presion;
%Corrección voltios caudalı́metro
cero caudal=median(AAux(rango+3600*(j-1),3,i));
AAux(3600*(j-1)+1:3600*j,3,i)=AAux(3600*(j-1)+1:3600*j,3,i)-cero caudal;
end
%Aplicar rectas de calibración correctas
AAux(:,2,i)=AAux(:,2,i)*10.188+datos.P amb(i); %Teniendo en cuenta que P(RCA)=Pamb
AAux(:,3,i)=345.6448*AAux(:,3,i)-6.6846*AAux(:,3,i).ˆ2;
BAux(:,:,i)=AAux((PMI+1:PMI+3600*(ciclos-1)),:,i);
dlmwrite(char(datos.Path corregido(i)),BAux(:,:,i),'delimiter','\t','newline','pc');
end
Posición del PMS
1
function PMS = posicion pms(filepath)
2
3
4
%Carga de datos corregidos
[AAux, ciclos, m, datos] = corregir datos(filepath);
5
6
7
8
%Inicialización de variables
Pmax=zeros(m*ciclos,1);
Encoder Pmax=zeros(m*ciclos,1);
aux1=0;
aux2=0;
9
10
11
12
13
14
15
16
17
%Inicio cálculos
for i=1:m
for j=1:ciclos
[aux1, aux2]=max(AAux(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i));
Pmax(ciclos*(i-1)+j)=aux1;
Encoder Pmax(ciclos*(i-1)+j)=aux2;
end
end
18
19
PMS=median(Encoder Pmax);
20
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32
%Gráficos
figure
ax1=subplot(2,1,1);
ax2=subplot(2,1,2);
plot(ax1,Pmax,Encoder Pmax,'LineStyle', 'none','Marker','*', 'MarkerEdgeColor', [0.5430 0 ...
0]) %DarkRed
title(ax1,'Posición encoder en función de la presión máxima de la cámara de combustión')
xlabel(ax1,'Presion máxima')
ylabel(ax1,'Posición encoder')
histogram(ax2,Encoder Pmax,'FaceColor',[0.5273
0.8047
0.9792]) %LightSkyBlue
title(ax2, 'Histograma posición encoder')
xlabel(ax2, 'Posición encoder')
ylabel(ax2, 'Número de veces que se repite')
Relación de compresión - Método geométrico
1
function [res, datostxt]= relacion compresion (filepath)
2
3
4
%Carga de datos corregidos
[AAux, ciclos, m, datos] = corregir datos(filepath);
5
6
7
8
9
10
11
%VARIABLES
%Inicialización de variables
res=zeros(m,3); %En res(:,1) se guarda guardar la P del PMS (la media de todos los ciclos)
%En res(:,2) se guarda la RC
%En res(:,3) se guardan las décimas del comparador
rc prima=0; Vc=0; Pmax=0; PMS=2713;
110
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
12
datostxt=zeros(3600,2);
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% Parámetros del motor - Longitudes en [cm]
D=8.255; %Diámetro del pistón
R=5.715; %Longitud de la manivela
L=25.4; %Longitud de la biela
lambda=R/L;
alpha=32*(pi/180); %Ángulo de cierre de la admisión
20
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%Coeficiente adiabático del aire
%gamma=1.39;
23
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31
32
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35
36
37
%CÁLCULOS PREVIOS
%Correspondencia posición ángulo-encoder
encoder=[1:3600]';
angulos=zeros(3600,1);
angulos=(encoder-(PMS-1800))*0.2;
for i=1:3600
if angulos(i)<0
angulos(i)=angulos(i)+720;
end
datostxt(i,1)=angulos(i);
angulos(i)=angulos(i)*(pi/180);
s=R*(1-cos(angulos(i))+(1/lambda)*(1-sqrt(1-lambdaˆ2*(sin(angulos(i)))ˆ2)));
datostxt(i,2)=((pi*Dˆ2)/4)*s;
end
38
39
40
%Cilindrada del motor
V=((pi*Dˆ2)/4)*2*R; %Smax=2*R
41
42
43
44
%Volumen barrido por el pistón en alpha
s alpha=R*(1-cos(alpha)+(1/lambda)*(1-sqrt(1-lambdaˆ2*(sin(alpha))ˆ2)));
V alpha=((pi*Dˆ2)/4)*s alpha;
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
%CÁLCULOS
res(:,3)=datos.Decimas comparador(:);
for i=1:m
for j=1:ciclos
Pmax=AAux(PMS+3600*(j-1),2,i)+Pmax;
end
Pmax=Pmax/ciclos;
rc prima=(Pmax/datos.P amb(i))ˆ(1/datos.Gamma(i));
Vc=(V-V alpha)/(rc prima-1);
res(i,2)=(V+Vc)/Vc;
res(i,1)=Pmax;
Pmax=0; %Hay que igualarlo a cero ya que sino se irı́a acumulando
end
B.2.
Tratamiento de datos
Como ya se ha visto el output de LabView son dos archivos por cada ensayo realizado, en uno de ellos
vienen los datos generales del mismo y en otro los datos de los sensores en voltios y tal y como han sido
adquiridos por el programa.
Para poder utilizarlos es necesario centrarlos de modo que el PMS de compresión corresponda a la posción 1800 del encoder, hallar la correción de cero flotante ciclo a ciclo para los dos sensores piezoeléctricos
de los que se dispone (sensor de presión de la cámara de combustión y sensor de presión diferencial del
caudalı́metro) y finalmente aplicar las curvas de calibración obtenidas mediante ensayo. De la realización
de estos pasos se obtienen los archivos .DSC
Además se ha procedido a obtener otros conjuntos de datos que serán muy útiles durante su análisis
como son la obtención de los ciclos centrados, calibrados y filtrados .DSCF, el ciclo mediana .DSCM y la
media de los ciclos recogidos .DSMC
1
function post procesamiento(filepath)
Carmen Hervás Lara
111
PROGRAMAS DE MATLAB EMPLEADOS
2
3
4
5
%CARGA DE DATOS Y CÁLCULOS AUXILIARES
datos=readtable(filepath); %Filepath del archivo maestro Excel
[m, n]= size(datos);
%m: número de filas, n: número de columnas (del Excel importado)
6
7
8
9
10
[md, nd] = size(load(char(datos.Path datosvoltios(1)))); %md: número de filas, nd: número ...
de columnas (del txt)
ciclos=md/3600;
ciclos reales=ciclos-1; %El archivo .DS incluye un ciclo más del deseado por la config de ...
LabView
ciclos eliminar=round(0.1*ciclos reales); %se decide quitar un 10 % del numero real de ...
ciclos recogidos
11
12
13
14
PMS esc=2713-1800; %El PMS de compresión de los datos sin centrar en 2713
RCA=1800-900+(32/0.2); %Posición encoder del RCA: 32
después del PMI
rango=3500:3600; %Posiciones de encoder con las que se corrige el cero flotante del ...
caudalı́metro
15
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22
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25
26
%INICIALIZACIÓN DE VARIABLES
AAux=zeros(3600*ciclos,nd,m); %Se guardan los datos de los archivos .DS
BAux=zeros(3600*ciclos reales,nd,m); %Se guardan los datos centrados y calibrados (futuro ...
.DSC)
CAux=zeros(3600,nd,ciclos reales);
DAux=zeros(3600,ciclos reales-ciclos eliminar,nd);
Pmax ciclo=zeros(ciclos reales,1);
ciclomediana=zeros(3600,nd);
mediaciclos=zeros(3600,nd);
ciclos ccfiltrados=zeros(3600*(ciclos reales-ciclos eliminar),nd);
cero caudal=0; cero presion=0;
media conducto=0;
27
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31
32
33
34
35
36
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43
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45
46
47
48
49
50
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56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
%INICIO CÁLCULOS
for i=1:m
AAux(:,:,i)=load(char(datos.Path datosvoltios(i))); %Carga de datos archivo a archivo
BAux(:,:,i)=AAux((PMS esc+1:PMS esc+3600*(ciclos reales)),:,i); %Se cogen los datos ya ...
centrados. A partir de ahora PMS comp equivale a la posición 1800 y el PMS esc a la 3600
%Cálculo de las correcciones de cero flotante
for j=1:ciclos reales
%Correción voltios presión c.combustión
cero presion=BAux(RCA+3600*(j-1),2,i);
BAux(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i)=BAux(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i)-cero presion;
%Corrección voltios caudalı́metro
cero caudal=median(AAux(rango+3600*(j-1),3,i));
BAux(3600*(j-1)+1:3600*j,3,i)=BAux(3600*(j-1)+1:3600*j,3,i)-cero caudal;
end
%Aplicar rectas de calibración correctas
BAux(:,1,i)=BAux(:,1,i)*0.2;
BAux(:,2,i)=BAux(:,2,i)*10.188+datos.P amb(i); %Bajo la hipótesis de que P(RCA)=Pamb
BAux(:,3,i)=345.6448*BAux(:,3,i)-6.6846*BAux(:,3,i).ˆ2;
%Guardar los datos corregidos y centrados
dlmwrite(char(datos.Path datoscalibradoscentrados(i)),BAux(:,:,i),'delimiter','\t','newline','pc');
%CÁLCULOS PREVIOS PARA LA CREACIÓN DE LOS ARCHIVOS RESTANTES
for k=1:ciclos reales
%Carga de datos para facilitar su manejo
CAux(:,:,k)=BAux(3600*(k-1)+1:3600*k,:,i);
%Cálculo de Pmax de cada ciclo para luego calcular la mediana
[aux1, aux2]=max(BAux(3600*(k-1)+1:3600*k,2,i));
Pmax ciclo(k)=aux1;
end
%Ciclo mediana
[Pmax ord, P indciclo]=sort(Pmax ciclo);
ind ciclomediana=P indciclo((ciclos reales/2)+1);
ciclomediana=CAux(:,:,ind ciclomediana);
dlmwrite(char(datos.Path ciclomediana(i)),ciclomediana,'delimiter','\t','newline','pc');
%Datos corregidos, centrados y filtrados
Pmax aux=median(Pmax ciclo);
desviacion presion=abs(Pmax ciclo-Pmax aux); %Calcula la desviación con respecto a la mediana
[Mat aux, index aux]=sort(desviacion presion); %Ordena desviaciones de menor a mayor
index maxdesv=flip(index aux); %Cambia el orden de los ı́ndices de las desviaciones de ...
mayor a menor
elim=index maxdesv(1:ciclos eliminar); %Genera el vector de ı́ndices a eliminar por ser los ...
que mas se desvı́an
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Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
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index bucle=1:ciclos reales;
index bucle(elim)=[]; %Elimina los ı́ndices de los ciclos elegidos
m=1; %Inialización variable. Necesario que se regenere en cada ciclo
for z=index bucle
ciclos ccfiltrados(3600*(m-1)+1:3600*m,:)=BAux(3600*(z-1)+1:3600*z,:,i);
m=m+1; %Contador interno para que se guarden en orden en ciclos ccfiltrados
end
%Guardar los ciclos filtrados
dlmwrite(char(datos.Path datosccfiltrado(i)),ciclos ccfiltrados,'delimiter','\t','newline','pc');
%Media de los ciclos una vez filtrados
for k=1:ciclos reales-ciclos eliminar
DAux(:,k,1)=ciclos ccfiltrados(3600*(k-1)+1:3600*k,1);
DAux(:,k,2)=ciclos ccfiltrados(3600*(k-1)+1:3600*k,2);
DAux(:,k,3)=ciclos ccfiltrados(3600*(k-1)+1:3600*k,3);
end
mediaciclos(:,1)=mean(DAux(:,:,1),2);
mediaciclos(:,2)=mean(DAux(:,:,2),2);
mediaciclos(:,3)=mean(DAux(:,:,3),2);
dlmwrite(char(datos.Path mediaciclos(i)),mediaciclos,'delimiter','\t','newline','pc');
end
B.3.
Estudio de la detonación
Para la obtención de los datos necesarios para estudiar el fenómeno de detonación se ha utilizado el
siguiente código de MatLab:
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function [resultados]=estudio completo detonacion(filepath)
%CÁLCULOS PARÁMETROS
%Carga de los datos desde el Excel
[tabladatos, datos sensores, datos aux] = carga datos(filepath);
%Cálculo del dosado de cada mezcla
[datos masasdosado1, datos comb]=calculo masasydosado(tabladatos, datos sensores, datos aux);
%Cálculo del salto de presión provocado por el encendido de la mezcla
[salto]=saltoP encendido(tabladatos, datos sensores, datos aux);
%Cálculo del número de oscilaciones de la onda de presión (entre otros)
[analisis parte1]=estudio despues salto(tabladatos, datos sensores, datos aux);
%Cálculo del ı́ndice de detonación
[analisis parte2]=indice detonacion(tabladatos, datos sensores, datos aux);
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%GUARDAR PARÁMETROS DE CADA CICLO
analisis=[analisis parte1 salto analisis parte2];
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for i=1:datos aux(1)
dlmwrite(char(tabladatos.Path estudiodetonacion(i)),analisis(:,:,i),'delimiter','\t','newline','pc','precision
end
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%GUARDAR MEDIAS DE PARÁMETROS
%Cálculo de las medias con las que se trabajará
resultados=zeros(datos aux(1),5);
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for i=1:datos aux(1)
resultados(i,1)=tabladatos.Pulgadas mic(i);
resultados(i,2)=round(mean(datos masasdosado1(:,3,i),1),2); %Dosado relativo de la ...
condición de ensayo
resultados(i,3)=mean(salto(:,1,i)); %Salto de presión en inicio de la detonación
resultados(i,4)=round(mean(analisis parte1(:,3,i),1)); %Número de oscilaciones
resultados(i,5)=mean(analisis parte2(:,1,i),1); %Índice de detonación
end
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if tabladatos.Combustible==1
%ETANOL
dlmwrite('C:\Users\hervás\Documents\Proyecto Fin de Grado\Ensayos\16141 ...
etanol\estudio detonacion etanol.txt',resultados,'delimiter','\t','newline','pc','precision',6);
else
%GASOLINA95
dlmwrite('C:\Users\hervás\Documents\Proyecto Fin de Grado\Ensayos\16145 gasolina ...
95\estudio detonacion gasolina95.txt',resultados,'delimiter','\t','newline','pc','precision',6);
end
Carmen Hervás Lara
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PROGRAMAS DE MATLAB EMPLEADOS
Los subprogramas utilizados son los siguientes:
carga datos.m
Este programa se encarga de guardar en variables tipo table el excel correspondiente a la ruta de
archivo introducida.
El resultado después del uso del programa es una hipermatriz de tantas dimensiones como filas tenga el
Excel importado, esto es, el número de ensayos, y tantas filas como 3600 × ciclos siendo ciclos el número
de ciclos almacenados en cada archivo .txt. En ella se almacenan los datos de los sensores centrados,
corregidos y filtrados.
También se obtiene una variable auxiliar en la que se almacenan el número de ensayos, número de
ciclos y número de columnas.
Esto se ha hecho ası́ para mantener la generalidad del código y que este pueda ser utilizado con
independencia del número de ciclos guardados.
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function [tabladatos, datos sensores, datos aux] = carga datos(filepath)
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%CARGA DE DATOS Y CÁLCULOS AUXILIARES
tabladatos=readtable(filepath); %Filepath del archivo maestro Excel
[m, n]= size(tabladatos);
%m: número de filas, n: número de columnas (del Excel importado)
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[md, nd] = size(load(char(tabladatos.Path datosccfiltrado(1)))); %md: número de filas, nd: ...
número de columnas (del txt)
ciclos=md/3600;
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%INICIALIZACIÓN DE VARIABLES
datos sensores=zeros(md,nd,m);
datos aux=zeros(3,1);
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%CARGA DE DATOS EN VARIABLES
for i=1:m
datos sensores(:,:,i)=load(char(tabladatos.Path datosccfiltrado(i))); %Carga de datos ...
archivo a archivo (.DSCF)
end
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datos aux(1)=m;
datos aux(2)=ciclos;
datos aux(3)=nd;
calculo masasydosado.m
Se encarga de calcular masa de aire, masas de combustible y dosado de cada ciclo de cada ensayo.
Calcula cada dato de la siguiente forma:
1. Masa de aire. Se calcula el volumen introducido por integración, mediante el método de mı́nimos
cuadrados, del caudal instatáneo recogdi opor ael caudalı́metro. Una vez obtenido ese dato se
multiplica por la densidad, valor sacado de la variable tabladatos.
2. Masa de combustible. Cogiendo el código identificativo del combustible que corresponda y el
ancho de pulso empleado calcula la masa de combustible inyectado utilizando la recta de calibración
correspondiente.
3. Dosado relativo. Al tener la masa de combustible y de aire de cada ciclo calculadas, obtiene el
dosado realizando su cociente y dividiéndolo entre el dosado estequiométrico, valor que también
está almacendado en la variable tabladatos
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Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)
Estudio experimental de los conceptos de combustión detonante en un motor MEP
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function [datos masasdosado1, datos comb]=calculo masasydosado(tabladatos, datos sensores, ...
datos aux)
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%INICIALIZACIÓN DE VARIABLES
datos masasdosado1=zeros(datos aux(2),3,datos aux(1));
datos comb=zeros(3,1);
dx=1/(18000*60);
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%CÁLCULOS
for i=1:datos aux(1)
%Datos auxiliares
rho aire=tabladatos.Densidad aire(i);
ancho pulso=tabladatos.Pulso inyectado(i);
comb=tabladatos.Combustible(i);
%Cálculo de la masa de aire aspirada en cada ciclo
for j=1:datos aux(2)
datos masasdosado1(j,1,i)=dx*trapz(datos sensores(3600*(j-1)+1:3600*j,3,i)); %OJO, está en ...
volumen
end
datos masasdosado1(:,1,i)=rho aire*datos masasdosado1(:,1,i); %Masa [g]
%Cálculo de la cantidad de combustible inyectado
switch comb
case 1 %Etanol
datos masasdosado1(:,2,i)=(0.060623/0.059699)*(ancho pulso*0.0003518+0.001652);
gamma=1.28;
Fe=0.11169;
PCI=26952; %kJ/kg
case 2 %Gasolina 95
datos masasdosado1(:,2,i)=(0.0388/0.0419)*ancho pulso*0.0003571+0.0008383;
gamma=1.32;
Fe=0.070551;
PCI=43400; %kJ/kg
otherwise
disp('No se ha introducido la recta de calibración para ese combustible')
break %Se corta la ejecución del programa por falta de datos
end
%Cálculo del dosado relativo - Primer método
datos masasdosado1(:,3,i)=(datos masasdosado1(:,2,i)./datos masasdosado1(:,1,i))/Fe;
datos comb(1)=gamma;
datos comb(2)=Fe;
datos comb(3)=PCI;
end
saltoP encendido.m
Para poder calcular la variación de presión en el inicio de la combustión es necesario primero filtrar
cada ciclo ya que de lo contrario serı́a imposible de calcular. Para filtrar los datos se utiliza el ciclo medio
de los mismos.
Una vez obtenida la diferencia entre ambos ciclos, el que corresponda y el ciclo medio del ensayo del
ciclo estudiado, se busca la máxima variación de presión y se almacena en una variable.
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function [salto]=saltoP encendido(tabladatos, datos sensores, datos aux)
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%INICIALIZACIÓN VARIABLES
ejex=340:0.2:400;
rango=(340/0.2):(400/0.2);
tam=size(rango,2);
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presion=zeros(3600,1);
ciclo medio=zeros(3600,1);
presion filtrada=zeros(tam,1);
salto=zeros(datos aux(2),1,datos aux(1));
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%CÁLCULO DEL SALTO DE PRESIÓN
for i=1:datos aux(1)
ciclo medio=load(char(tabladatos.Path mediaciclos(i)));
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PROGRAMAS DE MATLAB EMPLEADOS
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for j=1:datos aux(2)
presion=datos sensores(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i);
presion filtrada=presion(rango)-ciclo medio(rango,2);
[pmax, pospmax]=max(presion filtrada);
[pmin, pospmin]=min(presion filtrada);
if pmax>abs(pmin)
salto(j,1,i)=pmax;
else
salto(j,1,i)=pmin;
end
end
end
estudio despues salto.m
Calcula el número de oscilaciones significativas, el mayor salto de presión, la posición de dicho salto
de presión, si es de subida o de bajada, la presión máxima del ciclo y si la presión máxima del ciclo se
corresponde con la mayor de las presiones del salto de presión.
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function [analisis parte1]=estudio despues salto(tabladatos, datos sensores, datos aux)
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presion=zeros(3600,1);
analisis parte1=zeros(datos aux(2),9,datos aux(1));
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rango=1840:1:1999; %En grados equivale de 368 a 400
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for i=1:datos aux(1)
for j=1:datos aux(2)
presion=datos sensores(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i);
Pmax=max(presion);
aux=1; cont=1;
for k=rango
derivP=(presion(k+1)-presion(k))/(k+1-k); %derivada por unidad de division del encoder
if sign(derivP)˜=sign(aux)
%Guardo la posición por si en algún momento me hace falta
puntos(cont,1)=k; %ası́ fuerzo a que sea un vector vertical
puntos(cont,2)=presion(k);
cont=cont+1;
else
end
aux=derivP;
end
filas=size(puntos,1);
for ii=1:filas-1
difP(ii)=abs(puntos(ii+1,2)-puntos(ii,2)); %Valor absoluto ya que puede haber valores ...
negativos
signo(ii)=sign((puntos(ii+1,2)-puntos(ii,2)));
end
[valor, pos]=max(difP);
%Para resolver indeterminaciones
if filas-1==0
valor=0;
pos=1;
end
%Archivo de datos analizados
analisis parte1(j,1,i)=tabladatos.Numero identificador(i);
analisis parte1(j,2,i)=j;
analisis parte1(j,3,i)=filas-1;
analisis parte1(j,4,i)=pos;
analisis parte1(j,5,i)=valor;
analisis parte1(j,6,i)=signo(pos);
if (signo(pos)==1)&((filas-1)>0)
analisis parte1(j,7,i)=puntos(pos+1,2);
else
analisis parte1(j,7,i)=puntos(pos,2);
end
analisis parte1(j,8,i)=Pmax;
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analisis parte1(j,9,i)=analisis parte1(j,7,i)==analisis parte1(j,8,i);
%Reseteo variables auxiliares
puntos(1:filas-1,:)=[];
difP(1:filas-2)=[];
signo(1:filas-2)=[];
end
end
indice detonacion.m
Se calcula el indice de detonación, entendido como la suma de densidades espectrales de la franja de
3000 a 9000Hz.
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function [analisis parte2]=indice detonacion(tabladatos, datos sensores, datos aux)
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%INICIALIZACIÓN DE VARIABLES Y CÁLCULOS PREVIOS
f muestreo=600/60*3600/2;
dt=1/f muestreo;
rf=0.1;
%Resolucion frecuencial deseada, en Hz
pfc=round(f muestreo/rf); %Puntos de frecuencia a calcular
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Pcc=zeros(3600,datos aux(3),datos aux(1));
TDFourier=zeros(pfc,1);
DEspectral=zeros(pfc,1);
analisis parte2=zeros(datos aux(2),1,datos aux(1));
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%CÁLCULO DEL INDICE DE DETONACIÓN
for i=1:datos aux(1)
for j=1:datos aux(2)
%Cada columna guarda la presión de la cámara de combustion del
%ciclo correspondiente al número de columna
Pcc(:,j,i) =datos sensores(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i);
%Cálculo de la transformada discreta de Fourier
TDFourier=fft(Pcc(:,j,i),pfc);
%Cálculo de la densidad espectral
DEspectral=(TDFourier.*conj(TDFourier))/pfc;
%Cálculo del ı́ndice de detonación
analisis parte2(j,1,i)=sum(DEspectral(30001:90000));
end
end
Carmen Hervás Lara
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