estudio experimental de los conceptos de combustiÓn ... · estudio experimental de los conceptos...

ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LOS CONCEPTOS DE COMBUSTIÓN DETONANTE EN UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

JULIO 2016

Carmen Hervás Lara

DIRECTOR DEL TRABAJO FIN DE GRADO:

Jesús Casanova Kindelán

Carm

en

He

rvás

La

ra

TRABAJO FIN DE GRADO PARA

LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE

GRADUADO EN INGENIERÍA EN

TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES

A mi padre. Mi ejemplo a seguir,mi fuente de inspiracion.

Se non e vero, e ben trovato.

II Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)

Estudio experimental de los conceptos de combustion detonante en un motor MEP

AGRADECIMIENTOS

Al Ministerio de Educacion, Cultura y Deporte por otorgarme la Beca de Colaboracion. Gracias aella he podido desempenar un analisis mas profundo del tema abordado al disponer de mas recursos.

A Jesus, mi tutor, por darme la oportunidad de realizar este trabajo, permitirme gran libertad en larealizacion del mismo, y dedicarme el tiempo necesario para la correcta consecucion del mismo. Tambiena Natalia por toda la ayuda que me ha brindado durante el analisis de los resultados.

A todo el personal del Laboratorio de Motores Termicos por hacer mas llevadera mi estancia allıdurante todo el curso academico. Gracias a Pedro, Juan Antonio y Adrian por ayudarme a solventartodas 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 mencion especial a Manuel por estar ahı cuando maslo necesitaba, a Fernando por persuadirme, y a Rafael por hacerme ver el mundo desde otro punto devista. Tampoco puedo olvidarme de los quımicos y de mi grupo de amigos desde primero, por estar tantoen los momentos malos como en los de relax.

A todos mis companeros de Galp Energıa, en especial a los del fondo del ala izquierda de la terceraplanta, por acogerme y tratarme tan bien durante los seis meses que duro mi estancia allı.

A Marıa Dolores Agra y a Jose Sebastian Trocolı, los dos docentes que mas me han influido a lo largode mi vida academica y de los que mas cosas he aprendido.

A mis dos Lauras, los dos mejores descubrimientos que pude hacer el ano pasado, por escucharme ypor poder hablar con vosotras de cualquier cosa.

Y por ultimo y mas importante a mis primos Julia y David. Gracias por ser el lugar al que siemprevuelvo, del que cada vez me cuesta mas irme.

Carmen Hervas Lara III

AGRADECIMIENTOS

IV Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)


RESUMEN

El presente trabajo fin de grado, realizado en el Laboratorio de Motores Termicos de la Escuela TecnicaSuperior de Ingenieros Industriales de Madrid, documenta el trabajo de experimentacion realizado sobrelos conceptos de combustion detonante en un motor de combustion interna alternativo.

Para ello se ha partido de un estudio teorico profundo sobre el proceso de combustion de los motoresde combustion interna alternativos de encendido provocado y sobre el numero de octano, parametroestandarizado que cuantifica la tendencia de los combustibles a la autodetonacion.

El banco de ensayos utilizado ha sido el motor CFR de encendido provocado del laboratorio, motorespecıficamente disenado para el estudio del numero de octano y que presenta caracterısticas tales comoalta resistencia a la detonacion y relacion de compresion variable. Ha debido ser modificado, con diseno,sustitucion y adicion de dos elementos funcionales claves: sistema de encendido electronico y sistema deregulacion del grado de carga.

La instrumentacion del banco de ensayos ha sido revisada y calibrada en su totalidad. Se ha invertidogran parte del tiempo dedicado al proyecto en esta fase por ser clave para el exito del mismo que esterealizada de manera correcta.

Para la adquisicion y tratamiento de datos se han renovado y creado nuevas herramientas en Labviewy MatLab que suponen un salto de calidad al permitir almacenar mayor cantidad de datos de una formamas eficiente, y permitir un analisis rapido y preciso de los mismos.

Durante la fase de experimentacion se ha ensayado bajo las condiciones del metodo de obtencion delnumero RON etanol y gasolina 95. Para ello se ha trabajado con tres relaciones de compresion, una laindicada por la norma y dos escogidas arbitrariamente, y seis condiciones de dosado diferentes, suponiendoun total de dieciocho ensayos para cada combustible.

En la fase de analisis se han estudiado las senales de presion en camara en funcion de tres parametros:salto de presion provocado por el inicio de la combustion, numero de oscilaciones de la onda despues dedicho salto, e ındice de detonacion.

Finalmente, se ha concluido que el parametro ındice de detonacion es el que mejor caracteriza estefenomeno y que el dosado de maxima detonacion es un dosado rico.

Palabras clave: Detonacion, ensayo, ındice de detonacion, motor CFR, presion en camara, RON.

110204 Lenguaje formalizado110501 Metodo cientıfico221404 Calibracion de unidades330306 Tecnologıa de la combustion330402 Convertidores analogico-digitales331108 Equipo de laboratorio331313 Motores de combustion interna

Tabla 1: Codigos UNESCO

Carmen Hervas Lara V

RESUMEN

VI Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)


Indice general

AGRADECIMIENTOS III

RESUMEN V

1. INTRODUCCION 11

2. OBJETIVOS, ALCANCE Y PLANIFICACION 13

3. FUNDAMENTOS TEORICOS 17

3.1. Motores de combustion interna alternativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.1. Parametros caracterısticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.1.2. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2. Combustion en motores de encendido provocado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.1. Introduccion general a la combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.2. Combustion normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2.3. Combustion anormal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3. Numero de octano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.1. Combustibles de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.2. Metodos estandar de ensayo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.3.3. Motor ASTM-CFR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3.4. Operacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3.5. Procedimientos de medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.3.6. Metodos alternativos de medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4. BANCO DE ENSAYOS 39

Carmen Hervas Lara VII

INDICE GENERAL

4.1. Motor CFR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.1.1. Sistema de distribucion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.1.2. Regulador electronico de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.1.3. Sistema de variacion de la relacion de compresion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.1.4. Sistema de admision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.1.5. Sistema de inyeccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.1.6. Sistema de encendido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.1.7. Sistema de escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.1.8. Sistema de refrigeracion del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.1.9. Sistema de lubricacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1.10. Panel de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.2. Instrumentos de medida y adquisicion de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.2.1. Caudalımetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.2.2. Sensores de presion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 adquisicion 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 regulacion del grado de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.2. Sistema de encendido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.3. Codificacion ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.4. Programa de adquisicion de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

VIII Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)


7. CALIBRACION DE LOS EQUIPOS 69

7.1. Caudalımetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

7.2. Sensor de presion en camara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

7.3. Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

7.4. Punto de inyeccion de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

7.5. Juego de las valvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

7.6. Relacion de compresion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

7.6.1. Calibracion segun la norma ASTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

7.6.2. Obtencion de la ecuacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

7.7. Inyector de combustible lıquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

8. ENSAYOS 81

8.1. Preparacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

8.2. Ejecucion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

8.3. Post-tratamiento de los datos obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

9. RESULTADOS 85

9.1. Analisis previo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

9.2. Obtencion de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

9.3. Analisis de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

10.CONCLUSIONES 95

10.1. Conclusiones particulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

10.2. Conclusiones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

11.LINEAS FUTURAS 97

12.PRESUPUESTO 99

BIBLIOGRAFIA 99

ANEXOS 102

A. SUB-VI AUXILIARES 105

Carmen Hervas Lara IX

INDICE GENERAL

B. PROGRAMAS DE MATLAB EMPLEADOS 109

B.1. Calibraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

B.2. Tratamiento de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

B.3. Estudio de la detonacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

X Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)


CAPITULO 1

INTRODUCCION

Desde hace mas de un siglo, los motores de combustion interna alternativos (MCIA) han contribuidode forma muy importante al desarrollo del transporte, las comunicaciones y la generacion de energıa.Con el paso del tiempo se han adaptado a las necesidades del ser humano y actualmente no hay ningunatecnologıa que sea capaz de sustituirlos por completo en un corto periodo de tiempo. Sin embargo, sufuturo vendra determinado por su capacidad de adaptacion y mejora en aspectos tales como su impactoambiental y el uso de otras fuentes de energıa, siendo el mas apremiante el primero.

Por tanto, se deberan seguir reduciendo las emisiones contaminantes que afectan a la salud y a lacalidad del aire, ası como tomar medidas para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero.Esta reduccion de CO2 no solo pasa por emplear motores mas eficientes que reduzcan el consumo decarburante, sino por el cambio hacia combustibles que generen menos emisiones globales de este gas. Eldesarrollo 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 dependenciaenergetica. Sin embargo, su produccion es muy compleja y la viabilidad economica y medioambiental desu produccion depende en gran medida del grado de pureza que deba alcanzar el biocombustible. Porello, el estudio de la combustion y del comportamiento de los biocombustibles y de sus impurezas en unmotor CFR es esencial para hacer sostenible energetica y ambientalmente la produccion y uso de estosbiocombustibles.

En este contexto, el Laboratorio de Motores Termicos de la Escuela Tecnica Superior de IngenierosIndustriales de Madrid lleva anos trabajando en el estudio de los biocombustibles. Se han realizadoinvestigaciones sobre parametros relativos a la combustion, lımites de inflamabilidad, diferencias en elrendimiento o comparativas entre las emisiones contaminantes de distintos biocarburantes, ya sean denaturaleza lıquida o gaseosa.

En este proyecto se pretende continuar con dichas investigaciones. Para ello va a estudiarse el fenomenode la detonacion con el fin de poder obtener cual es el parametro que lo caracteriza y ası poder iniciarla busqueda de un nuevo metodo de determinacion del numero de octano basado en caracterısticasintrınsecas de los combustibles, con el consecuente ahorro economico que supondrıa.

Carmen Hervas Lara 11

INTRODUCCION

12 Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)


CAPITULO 2

OBJETIVOS, ALCANCE YPLANIFICACION

Este trabajo tiene como principal objetivo determinar la relacion entre la resistencia a la detonacionde un combustible y los parametros de picado, medidos con la curva de presion en camara, como son elsalto de presiones provocado por el inicio de la combustion, el numero de oscilaciones de la onda despuesde dicho salto y el analisis frecuencial de la onda mediante el ındice de detonacion.

El alcance del mismo incluye:

- Revision bibliografica sobre el fenomeno de combustion normal y anormal en motores de encendidoprovocado, haciendo enfasis en los efectos de la detonacion y sus parametros influyentes.

- Revision bibliografica de los metodos normalizados usados para la determinacion del numero deoctano (RON Y MON).

- Modificacion y actualizacion del banco de ensayos empleado, ası como de la calibracion de susequipos.

- Realizacion de ensayos con combustibles de numero de octano conocido para las condiciones deto-nantes indicadas por el metodo RON.

- Estudio de las curvas de presion en camara obtenidas, comparando los datos entre los distintoscombustibles y condiciones obtenidos, y extrayendo correlaciones de los mismos con respecto alındice de octano.

El desarrollo del proyecto ha exigido una planificacion previa del mismo. Sin embargo, pese a quese ha tratado de seguir la planificacion inicial, algunas tareas tuvieron que ser alargadas debido a fallostecnicos en el material del banco de ensayos, y aparecieron nuevas tareas que obligaron a modificar dichaplanificacin inicial.

La duracion total ha sido de 8 meses, incluyendo un paron de aproximadamente un mes por losexamenes de enero. Se estima la dedicacion total en 800h distribuidas a lo largo de los 180 dıas deduracion del proyecto.

Las tareas en las que se ha divido el proyecto se pueden agrupar en los siguientes seis paquetes detrabajo:

1. Preparacion del proyecto. Comprende todas las tareas involucradas en la ampliacion de los co-nocimientos teoricos sobre el tema abordado, los sistemas de los que esta compuesto el motor y elsoftware del programa de adquisicion de datos.


OBJETIVOS, ALCANCE Y PLANIFICACION

2. Modificaciones. Comprende todas las tareas necesarias para la modificacion de los equipos y lacreacion del programa de tratamiento de datos.

3. Calibraciones. Comprende todas las tareas involucradas en la calibracion de los equipos, desde labusqueda de las hojas tecnicas hasta la obtencion de las correspondientes curvas.

4. Ensayos. Comprende todos los ensayos realizados en el motor ası como su preparacion previa.

5. Resultados. Comprende la creacion de todos los programas con los que son tratados y analizados losdatos recogidos de los ensayos as como el analisis de los mismos.

6. Redaccion de la memoria. Comprende la creacion del presente documento.

En la imagen 2.1 se pueden observar las principales tareas y subtareas de las que ha estado compuestoel trabajo, teniendo ya en consideracion los desvıos y modificaciones que se tuvieron que realizar.



Figura 2.1: Diagrama de Gantt del trabajo


OBJETIVOS, ALCANCE Y PLANIFICACION



CAPITULO 3

FUNDAMENTOS TEORICOS

En este capıtulo se van a tratar los conceptos teoricos que competen al motor utilizado, un motorde combustion interna alternativo de encendido provocado, y al fenomeno que se pretende estudiar, ladetonacion. Se hara un barrido de los conceptos claves necesarios para su compresion y en el caso de ladetonacion tambien se trataran las distintas formas de las que se puede investigar dicho efecto. Habra,por tanto, varios conceptos que si bien son importantes desde un punto de vista general en este tipo demotores no se trataran por no estar dentro de los objetivos del trabajo.

3.1. Motores de combustion interna alternativos

Desde el primer motor con uso practico creado por Lenoir en 1859 hasta nuestros dıas, los motoresde combustion interna alternativos han evolucionado de manera rapida y continua. Parametros como elrendimiento, el par y la potencia se han multiplicado gracias a los desarrollos de la termodinamica, de losmateriales utilizados en los motores, y a los sistemas electronicos y mecanicos que acompaan al motor.

El campo de aplicacion de los motores de combustion interna alternativos es muy amplio: desde grandesmotores diesel de dos tiempos utilizados para generacion electrica hasta pequenos motores empleados enaeromodelismo. Sin embargo, es en los vehıculos automoviles donde se encuentra su principal aplicaciondada su alta potencia especıfica.

Figura 3.1: Clasificacion de los motores termicos[1]



Los motores de combustion interna alternativos pueden definirse como:

- Motores termicos por estar formado por un conjunto de elementos mecanicos que permiten obtenerenergıa mecanica a partir del estado termico generado del fluido que lo atraviesa.

- Motores de combustion interna por producirse la reaccion de combustion y el estado termico sobreel fluido de trabajo. Por tanto, son siempre motores de ciclo abierto al ser el fluido que atraviesa elmotor renovado en cada ciclo.

- Motores de movimiento alternativo por utilizar el mecanismo biela-manivela para la transformaciondel movimiento lineal en rotativo.

Dentro de los motores de combustion interna alternativos se puede realizar una clasificacion atendiendoa varios parametros, siendo el motor CFR utilizado en los ensayos un motor de encendido provocado decuatro tiempos, monocilındrico, de inyeccion indirecta y aspiracion natural.

3.1.1. Parametros caracterısticos

Los motores de combustion interna alternativos pueden poseer en su constitucion uno o mas cilindros.Dentro de cada cilindro, el elemento fundamental es el piston. La distancia que recorre el piston entre elpunto mas elevado (PMS) y el punto mas bajo (PMI) de denomina carrera s.

El volumen que desplaza el piston en una carrera se denomina cilindrada unitaria VC , y para calcularsu valor se necesita conocer el area de la cabeza del piston Ap, que se obtiene directamente del diametro del

cilindro mediante la expresion Ap =π×D2

p

4 , quedando entonces la cilindrada unitaria como VD = Ap × s.Al tener el motor un unico cilindro, este valor coincide con el de cilindrada total VT .

El volumen que queda en la parte superior de la cabeza del piston cuando este se encuentra en elPMS se denomina volumen de la camara de combustion VCC .

Si se quiere conocer el volumen para cada posicion del piston se debe utilizar la siguiente formula:

Vα = sα = R ·(

(1− cosα) +1

λ·(

1−√

1− λ2 sin2 α))·

(D2p

4· π

)(3.1)

Un parametro clave obtenido a partir de los volumenes caracterısticos del motor es la relacion decompresion volumetrica, la cual se obtiene a partir de la siguiente expresion:

rc =VCC + VC

VC(3.2)

Dejando a un lado los parametros propiamente mecanicos, otra parametro fundamental que influyeen el funcionamiento de los motores de combustion interna es el dosado. Este puede ser considerado en suforma absoluta, estequiometrica o relativa, obteniendo para cada una de ellas las siguientes definiciones:

- Dosado absoluto: Es la relacion entre el caudal masico de combustible y el de aire que entra almotor.

F =mf

ma(3.3)



- Dosado estequiometrico: Es el cociente entre el caudal masico de combustible y el de aire parauna reaccion de combustion completa estequiometrica.

Fe =

(mf

ma

)e

(3.4)

- Dosado relativo: Es el cociente entre el dosado absoluto y el estequiometrico.

Fr =F

Fe=

mfma(mfma

)e

(3.5)

3.1.2. Funcionamiento

Su funcionamiento puede resumirse en cinco procesos fundamentales que se suceden de forma se-cuencial: admision, compresion, combustion, expansion y escape. Los procesos de admision y escapese corresponden con el llamado ciclo de renovacion de carga mientras que los procesos de compresion,combustion y expansion forman el ciclo de trabajo.

Figura 3.2: Procesos de un motor MEP de 4T

1. Admision: Entra por la valvula de admision una cantidad de mezcla aire-combustible.

2. Compresion: Una vez cerrada la valvula de admision, el movimiento ascendente del piston generauna disminucion del volumen disponible con el consiguiente aumento de presion y temperatura.

3. Combustion: Cuando el piston se encuentra en el PMS, se inicia la combustion mediante una chispagenerada por la bujıa.

4. Expansion: El aumento de presion que genera la combustion hace que durante el movimiento debajada los gases realicen un trabajo positivo sobre el piston. Es en este proceso en el que se obtienela energıa mecanica.

5. Escape: Los gases residuales provenientes de la combustion abandonan el cilindro. Consta de dossubprocesos: escape espontaneo, aquel en el cual el gas residual abandona el cilindro al abrir la valvulade escape por la diferencia de presiones existente, y escape forzado, donde el movimiento ascendentedel piston desplaza los gases fuera del cilindro.

Es importante recalcar que al final del proceso de escape siempre queda en el interior del cilindro unacierta parte de gases residuales, siendo practicamente imposible vaciarlo por completo.



En la practica, las valvulas no se abren y cierra en el PMI y en el PMS, sino que se aprovechan delas inercias y la compresibilidad de los fluidos para realizar el ciclo. Tampoco la chispa tiene lugar en elPMS, sino que se atrasa o adelanta segun la carga y el regimen del motor. Estas diferencias se puedenapreciar en la imagen mostrada a continuacion.

Figura 3.3: Diagrama de distribucion teorico y real

La apertura de la valvula de admision se adelanta ligeramente (AAA), teniendo lugar en la fase deescape del ciclo anterior, con el piston cercano al PMS. De esta manera se aprovecha la inercia del flujosaliente de los gases de escape para admitir la mezcla. Ademas, el cierre de la misma se retrasa (RCA)hasta el inicio de la fase de compresion, aprovechando la compresibilidad del fluido, hasta que el flujo deadmision se invierta, con lo que se consigue un mejor llenado del cilindro.

En la valvula de escape tambien se realizan adelantos y retrasos. El adelanto de la apertura del escape(AAE) se realiza al final de la carrera de expansin, dando lugar al ya mencionado escape espontaneo,gracias al cual es necesario realizar menos trabajo para expulsar los gases en la carrera de escape. Porotro lado, la valvula no cierra hasta el principio de la carrera de admision (RCE), para aprovechar lainercia de la vena fluida de los fases de escape que permite una continuidad en la salida de los gases deescape, provocando que las valvulas de admision y escape puedan estar abiertas simultaneamente, lo quese conoce como cruce de valvulas.

3.2. Combustion en motores de encendido provocado

3.2.1. Introduccion general a la combustion

El proceso fundamental en los MCIA es la combustion. La combustion es el proceso de oxidacion quesufre el combustible por efecto del aire, que aporta oxıgeno como elemento oxidante, dando lugar a laaparicion de la llama.

En los MCIA existen dos tipos de combustion: la combustion premezclada y la combustion por difusion.La combustion premezclada es aquella que se produce en una mezcla de aire y combustible previamenteformada y por tanto practicamente homogenea. La combustion por difusion, por el contrario, es aquella enla que se produce la combustion a medida que se mezcla el aire con el combustible de manera progresiva.

En los MCIA se tiene combustion premezclada en los siguientes casos:

- En la combustion normal en MEP, estructurada por el frente de llama y la propagacion dela misma a velocidades menores a la del sonido (frente de llama subsonico), lo que se conoce porcombustion por deflagracion.

- En la detonacion en MEP, donde se autoinflama la premezcla y se obtiene un frente de llamasupersonico.



- En la fase de combustion premezclada en MEC, donde se autoinflama la premezcla formadadurante el tiempo de retraso o de pre-reacciones.

Por otro lado, la combustion por difusion solo tiene lugar en la fase de combustion por difusion enMEC.

A continuacion se explican los dos tipos de combustion premezclada que se pueden encontrar en losMEP: combustion normal y combustion anormal.

3.2.2. Combustion normal

El estudio de la combustion normal se centra en el estudio del movimiento del frente de llama. Estefrente de llama, originado por la chispa que produce la bujıa, barre la camara de combustion separandoproductos quemados y sin quemar. Anormalmente puede ocurrir que el frente de llama se origine en unpunto distinto, por ejemplo en un punto caliente de la camara de combustion, o en varios, hecho qeu esindeseable porque conduce a la detonacion de la mezcla.

Figura 3.4: Evolucion de la combustion normal en un MEP[2]

Geometricamente el frente de llama se asemeja a una superficie esferica. Realmente no es una superficielisa, sino que esta rota por la microturbulencia que hace avanzar la zona de reaccion. A esta zona dereaccion es a la que se denomina frente de llama.

El frente de llama avanza por las reacciones quımicas que se dan en esta zona, ayudadas por laturbulencia y por la dilatacion de los productos quemados que empujan el frente de llama.

Figura 3.5: Posicion del dente de llama en un instante t de la combustion[1]



Se distinguen dos velocidades del frente de llama: velocidad de combustion normal cc o velocidad de lallama (velocidad del frente de reaccion respecto a la mezcla sin quemar) y la velocidad de llama aparentecF o velocidad del frente de llama (velocidad del frente respecto a un observador situado en la camarade combustion).

La velocidad del frente de llama cF sera en cada instante la velocidad de combustion cc mas la debidaal desplazamiento del frente de llama por dilatacion de los productos quemados, denominada velocidad dearrastre ca. La velocidad de arrastre se hace nula al final de la combustion debido al aumento de presionde los productos sin quemar comprimidos por el frente de llama.

En la superficie del frente de llama pueden producirse plegamientos, originados por variaciones delas componentes de la velocidad que modifican la direccion y el modulo de la misma, dando lugar a unfrente arrugado o microturbulento. En este punto es necesario diferenciar entre dos velocidades: velocidadlaminar y velocidad turbulenta.

Velocidad de combustion laminar

La velocidad de combustion laminar esta ligada al movimiento de un frente de llama, que en ausenciade turbulencia, se desplaza por efecto de la difusion molecular y termica.

Depende de la temperatura y de todos los factores que afectan a la misma y es independiente dela presion. Siempre que exista un gradiente de temperaturas en una mezcla gaseosa, existira difusiontermica.

En cada instante de la combustion, el frente de llama separa productos quemados de productos sinquemar. Para cada uno de estos instantes se cumple que para la presion y temperatura de los productosquemados y sin quemar:

PPQ = PPSQ y TPQ > TPSQ

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 aparicion del frente de llama. La zona 1 representael umbral de elevacion de temperatura, la zona 2 es la zona de calentamiento, la zona 3 es la zona decombustion y en la zona 4 se dan las prereacciones quımicas.



Velocidad de combustion turbulenta

La turbulencia es el parametro que, de forma mas directa, condiciona el proceso de combustion elimplicar un incremento del ritmo de propagacion del frente de llama. Los parametros fundamentales dela turbulencia son dos: intensidad y escala de la turbulencia.

La intensidad de la turbulencia es un parametro estadıstico definido como la media cuadratica de lasfluctuaciones que experimenta la velocidad instantanea del fluido en torno a su valor medio.

La escala de la turbulencia representa el tamano de los torbellinos o vortices. Dependiendo de la escalade la turbulencia se podra tener macroturbulencia o microturbulencia. La macroturbulencia acelera eltirmo de la combustion debido al aumento de la superficie del frente de llama por el arrugamiento delmismo. Al aumentar la superficie del frente de llama, aumenta el area donde ocurre la combustion y portanto se tardara 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 combustion es del orden de0,5m/s, mientras que la velocidad turbulenta de combustion es del orden de 10m/s.

Fases de la combustion

En un motor de combustion interna con encendido provocado se pueden diferenciar tres fases princi-pales, cuya duracion total en grados girados por el ciguenal recibe el nombre de angulo de combustionαc. Las tres fases son las siguientes:

Figura 3.8: Fases de la combustion normal



1. Fase de combustion laminar. Tramo que comprende desde el salto de chispa hasta que la curvade presion del motor arrastrado se separa de la curva de presion del motor con combustion. Esta faseocupa aproximadamente un 10 % del αc y en ella predomina la combustion laminar.

2. Fase de combustion turbulenta. Tramo que se caracteriza por un gradiente de presion creciente.Ocupa un 85 % del αc y en ella predomina la combustion turbulenta.

3. Fase de combustion laminar. Este ultimo tramo de la combustion es practicamente despreciabley en el predomina la combustion laminar.

La imagen 3.8 muestra las tres fases de la combustion. La lınea negra representa la presion de lacamara de combustion en funcion del angulo del ciguenal para el motor en modo arrastrado, mientrasque la lınea azul representa la presion de la camara de combustion en funcion del angulo de ciguenal parael motor con combustion.

Se puede relacionar el angulo 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 combustion normal

Los factores que afectan a la combustion normal son numerosos y estan la gran mayorıa interrelacio-nados entre sı, de tal manera que la variacion de uno de ellos puede afectar al resto.

- Regimen de giro. Un aumento del regimen de giro supone un aumento de la velocidad mediade piston y por tanto de los angulos de combustion. Sin embargo, el aumento del regimen degiro aumenta la turbulencia aumentando la velocidad del frente de llama turbulento y por tantodisminuyendo el angulo asociado a esa fase. La suma de ambos efectos provoca un aumento delangulo de combustion.

- Grado de carga. Una disminucion del grado de admision (disminucion de la apertura de la mari-posa) provoca una disminucion del rendimiento volumetrico, un aumento de la presencia de gasesresiduales, una reduccion de la temperatura de combustion y, por tanto, una diminucion de lavelocidad de combustion laminar, con lo que aumenta su angulo de combustion.

- Dosado. Dosados cercanos al estequiometrico producen mayores temperaturas y, por tanto, mayoresvelocidades del frente de llama haciendo mınimo el angulo de combustion.

- Presion exterior. Variaciones de la presion exterior al motor afectan a la presion de combustionen el mismo sentido1, variando la capa termica lımite en las paredes del cilindro y afectando a latemperatura de combustion y, por tanto, al angulo de combustion. Este efecto es poco apreciable.

- Temperatura exterior. Variaciones de la temperatura exterior hacen variar la temperatura decombustion en el mismo sentido, variando la velocidad del frente de llama. Como ya se senalo, elaumento de la temperatura de combustion aumenta la velocidad del frente de llama disminuyendoel angulo de combustion. Al igual que con la presion exterior, este efecto es poco apreciable.

- Humedad. La humedad presente en el ambiente tiene un efecto semejante al de la presencia de gasesresiduales en la camara de combustion, disminuyendo la temperatura de combustion, disminuyendola velocidad del frente de llama laminar y, por tanto, aumentando el angulo de combustion.

- Caracterısticas geometricas de la camara de combustion. Si la geometrıa de la camara decombustion favorece la turbulencia disminuira el angulo de combustion. Si la camara de combustiontiende a ser compacta, el recorrido de llama sera menor y, por tanto, tambien se tendera a disminuirel angulo de combustion.

1Solo en motores de aspiracion natural.



- Posicion y numero de bujıas. Haran mınimo el angulo de combustion las posiciones que mini-micen el recorrido de llama, esten en la zona de mayor turbulencia y/o esten cerca del punto mascaliente de la camara de combustion. Introducir mas de una bujıa en la camara favorece la dismi-nucion del angulo de combustion al disminuir los recorridos de llama pero la combustion se hacemas compleja por la interaccion de los frentes de llama, aumentando las emisiones contaminantes.

- Punto de encendido. Un avance del punto de encendido hace que se queme mas masa antes delPMS y que sea mayor la presion maxima que se alcance en la camara de combustion. Por tanto, latemperatura del cilindro aumentara globalmente y la combustion sera mas rapida.

Figura 3.9: Evolucion de la presion mxima segun el avance del punto de encendido[1]

Dispersion cıclica

En un motor de encendido provocado, como el empleado para la realizacion de los ensayos en esteproyecto, se observa que hay una importante dispersion entre ciclos cercanos en el tiempo aun cuandopermanecen constantes las condiciones de operacion.

Figura 3.10: Ejemplo de irregularidad cıclica

Estas diferencias dependen fundamentalmente de la evolucion en la primera fase de la combustion,dominada por el regimen laminar. En esta fase temprana de la combustion, la variacion del dosado y eldiferente grado de turbulencia entre los electrodos de la bujıa produce variaciones en la propagacion delfrente de llama. Es muy complicado eliminar este efecto debido al caracter aleatorio del movimiento dela mezcla dentro del cilindro.



En mezclas alejadas de las proporciones estequiometricas que se encuentran cerca de los lımites deinflamabilidad, como es el caso de la figura 3.10 de dosado pobre, la dispersion cıclica es aun mayor debidoa los problemas de apagado de llama.

3.2.3. Combustion anormal

En los procesos de combustion anormal, los dos fenomenos mas relevantes son la autoinflamacion yel encendido superficial. Si son severos pueden ocasionar danos en el motor, como grandes averıas enla culata o en el piston, y pasan a denominarse combustion detonante o detonacion. Adicionalmente,generan un ruido caracterıstico que puede llegar a resultar desagradable, debido a que la onda de presioncreada por la autoinflamacion viaja a velocidad supersonica, y aumentan las temperaturas locales de lacamara de combustion, pudiendo llegar a provocar fusiones en los materiales y roturas por fatiga termica.

Este ruido generado se conoce con el nombre de picado, el cual viene del termino ingles knocking alser el sonido que se genera muy similar al que hace una persona al llamar a la puerta golpeando con losnudillos.

Encendido superficial

El encendido superficial sucede cuando la presencia de una zona en la camara de combustion que seencuentra a alta temperatura provoca por sı misma el inicio de un frente de llama. Esto puede sucederantes del salto de chispa, lo que se conoce como pre-encendido, o despues del salto, post-encendido.

Las zonas que pueden generar esta combustion anormal suelen ser los electrodos de la bujıa o depo-siciones en la cabeza del piston o en la culata debidas a ciertas sustancias presentes en el aceite o en elcombustible.

Autoinflamacion

Para que ocurra la autoinflamacion de la mezcla es necesario que se den una serie de reaccionesquımicas, las cuales requieren de un cierto tiempo que se denomina tiempo de retraso tr. Para podermedirlo se utilizan maquinas de compresion rapida, donde se efectua una compresion extrarapida de lamezcla para situar esta en las condiciones de presion y temperatura deseadas para el estudio. Este metodopermite 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 existircombustion en otra zona de la camara. Si la temperatura supera la temperatura de inflamacion, esto es,si su tiempo de retraso es inferior al tiempo de combustion normal tc (inferior al tiempo desde el salto dechispa hasta que el frente de llama barre toda la camara de combustion) la reaccion sera explosiva y lasubida brusca de presion provocara una onda de choque que rebotara por la camara.

En todas las mezclas aire-combustible que se encuentren dentro de los lımites de inflamabilidad sepuede producir la autoinflamacion (con velodidades de reaccion muy pequenas a temperatura ambiente).Sin embargo, la detonacion no siempre es posible para todas las mezclas.

Visualmente se observa que existe detonacion cuando la curva de presion presenta un elevado numerode oscilaciones una vez iniciada la combustion, como puede verse en la tercera imagen de la siguientefigura, siendo la primera perteneciente a una combustion normal y la central a una combustion condetonacion incipiente.



Figura 3.11: Diagramas P-α en funcion del grado de detonacion

Factores influyentes

A continuacion se enumeraran los factores que afectan directa o indirectamente a la detonacion y seexplicara en que consiste dicha influencia, de cara a predecir la tendencia detonadora de una mezcla.

- Naturaleza del combustible. A medida que el numero de octano crece, el combustible aumentasu capacidad para evitar la detonacion. Para numeros de octano pequenos, el tiempo de retrasodel combustible tambien lo es y tendra lugar la detonacion si se encuentra la mezcla dentro delos lımites de inflamabilidad con el aire. Esta es la razon por la que se desean numeros de octanoelevados en los combustibles de los MEP.

- Regimen de giro. Si se aumenta el regimen de giro de un motor la temperatura dentro de lacamara de combustion aumenta, la turbulencia aumenta y el rendimiento volumetrico disminuye.De estos tres efectos el mas significativo es el segundo, de manera que un aumento del regimen degiro disminuye la tendencia detonadora.

- Grado de carga. Un aumento del grado de carga conlleva un aumento del rendimiento volumetrico,una disminucion de la turbulencia, y una disminucion de las perdidas de carga. De estos tres factoesel mas importante es el tercero por lo que se puede concluir que un aumento del grado de cargahace aumentar el caracter detonante de la mezcla.

- Presion exterior. Aumentar la presion exterior en el colector de admision significa aumentar ladensidad de la mezcla, por lo que para el mismo volumen constante entra mayor masa de mezclaen la admision y provoca un aumento de la presion final de combustion, con el logico incrementode tendencia detonadora.

- Humedad. La humedad disminuye la tendencia a la detonacion ya que baja la temperatura decombustion.

- Punto de encendido. Al avanzar el encendido, la mezcla se hace mas detonante ya que se produceun aumento de la presion maxima de combustion como se vio en la figura 3.9.

- Dosado. Los dosados que mas propensos a ocasionar detonacion son los estequiometricos ya quesuponen mayores temperaturas y presiones maximas de combustion.

- Depositos en la camara de combustion. La formacion de sustancias carbonosas en la camarade combustion, en especial sobre las paredes del cilindro, crea una disminucion del volumen y unadisminucion del area de transferencia de calor por las paredes del mismo, por lo que la temperaturainterior aumenta, aumentando la tendencia a la detonacion.

- Turbulencias. El efecto de la turbulencia trae consigo una disminucion del tiempo de combustionpor lo que la tendencia a detonar es menor.



- Relacion de compresin. Si la relacion de compresion es mayor, el volumen en la parte superiordel piston al final de su carrera de subida es mas pequeno, lo que supone que la presion maximaalcanzada en la camara y la temperatura tambien son superiores por lo que la detonacion se hacemas probable.

- Fraccion de inquemados. Un aumento de temperatura de la fraccion de productos que no hanreaccionado en la combustion trae consigo una mayor tendencia a la detonacin, por lo que esimportante refrigerar bien las paredes del cilindro en especial las zonas donde se acumulan estosproductos sin quemar. Tambien es conveniente el empleo de materiales con buena capacidad derefrigeracion por transmision de calor y/o geometrıas que generen fracciones de inquemados consuperficies grandes para favorecer el intercambio calorıfico.

- Geometrıa de camara. Es necesario un diametro de cilindro reducido, limitado superiormente,para que la llama recorra la camara en el menor tiempo posible, disminuyendo el tiempo de com-bustion y con ello la tendencia a la detonacion. Por esta misma razon se tiende a hacer camarascompactas.

3.3. Numero de octano

En el ao 1922, el Cooperative Fuel Research Committee se formo para responder a la necesidadde las refinerıas y constructores de motores para desarrollar un metodo de medicion y definicion delas caracterısticas de combustion de la gasolina. En 1926, y de manos de Graham Edgar de la EthylCorporation[3], se desarrollo una primera clasificacion en funcion del knock, entendiendo este parametrocomo medida de la resistencia a la detonacion de un combustible.

En 1928 llegaron a la conclusion de que necesitaban un motor monocilındrico estandarizado parapruebas como primer paso para desarrollar un metodo de test para medir las caracterısticas antidetonantesde la gasolina. Finalmente en 1931, un motor estandarizado, combustibles de referencia especıficos y unprocedimiento estandarizado de test se hicieron realidad.

Entre 1932 y 1934 se llevaron a cabo estudios de correlacion comparando ratings de knock de motoresen laboratorio con aquellos obtenidos en vehıculos automoviles probados en carretera. Los resultadosobtenidos condujeron a la aceptacion de los metodos de ensayo propuestos para testar los combustibles.

A continuacion se procedera a explicar los metodos estandar existentes para su obtencion, ası comolos combustibles utilizados, el motor CFR y la operacion 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 elno ramificado (n-heptano) y 100 para el hidrocarburo de cadena ramificada(2,2,4-trimetil pentano o iso-octano). Estos combustibles de referencia pueden tener tetraetilo de plomo diluido segun se indique enlas especificaciones, compuesto que aumenta la resistencia a la detonacion.

Se asigno 0 al n-heptano por ser un combustible que tiene un tiempo de retraso muy pequeno y porende baja temperatura de autoinflamacion y enorma tendencia al picado, y 100 al iso-octano por tenerlas propiedades opuestas.

La mezcla de iso-octano con n-heptano tiene un numero de octano igual al porcentaje en volumen deiso-octano en la mezcla. Por tanto, una mezcla con 90 % de volumen de iso-octano y 10 % de n-heptanose dice que tiene un numero de octano de 90.

Por comodidad a la hora de realizar los ensayos existe una mezcla calibrada por el ASTM de 80 % deiso-octano, la cual se puede remezclar con iso-octano o n-heptano para obtener combustibles de referencia



con numero de octano entre 0 y 100.

Como se vera mas adelante, el numero de octano de un combustible depende del metodo usado. Lasdistintas condiciones del motor afectan al combustible y a las mezclas de iso-octano y n-heptano de formadiferente, al diferir el combustible y las mezclas en sus caracterısticas quımicas.

Ademas de la mezcla creada por el ASTM, existe otro combustible de referencia utilizado en estosmetodos: mezclas estandar de tolueno. Al ser altamente sensibles a las condiciones de test de knock, seutilizan unicamente para determinar si el motor es adecuado para evaluar combustibles.

3.3.2. Metodos estandar de ensayo

Los dos principales metodos utilizados son el RON, que representa de manera aproximada el com-portamiento en ciudad: bajo regimen con numerosas aceleraciones, y el MON, que determina el octanajeprobado en un motor estatico, ya que intenta reproducir la situacion en carretera: alto regimen y con-duccion regular. Se denomina sensibilidad a la diferencia entre ambos.

Metodo RON (Research Octane Number)

Este metodo comprende la determinacion de las caracterısticas de picado de las gasolinas, para usoen motores de encendido provocado, en terminos de ASTM-IP Research Octane Numbers.

El ASTM-IP Research Octane Number de un combustible es determinado comparando su tendencia ala detonacion con la de mezclas de combustibles de referencia ASTM de numero de octano conocido, bajocondiciones estandar de operacion. Esto se logra variando la relacion de compresion para la muestra conel fin de obtener una intensidad estandar de knock, medida por un medidor de detonacion electronico.Para su obtencion se pueden utilizar dos procedimientos: bracketing o compression ratio, los cuales seranexplicados en su apartado correspondiente.

Los test de laboratorio requieren de un ajuste crıtico del ratio aire-combustible y de la relacion decompresion para producir condiciones de intensidad de knock estandar[4]. Se explicara como llevarlo acabo en el apartado de operacion.

Metodo MON (Motor Octane Number)

Este metodo sirve para la determinacion de las caracterısticas de knock de las gasolinas y gasolinasde aviacion, para su uso en motores de encendido provocado, en terminos de ASTM-IP Motor OctaneNumbers.

El Motor Octane Number de un combustible es determinado comparando su tendencia al picado conla de mezclas de combustibles de referencia ASTM, de numero de octano, bajo condiciones estandar deoperacion. Se varıa la relacion de compresion del motor hasta obtener una intensidad estandar de knockmedida por un medidor de detonacion electronico. Para su obtencion, al igual que para el metodo RON,se pueden seguir dos procedimientos: bracketing o compression ratio.

La principal diferencia con el RON es que se sobrecarga mas el motor durante el ensayo al utilizarseuna mezcla precalentada, el motor mas revolucionado y tiempos de ignicion variables, de ahı que elmetodo MON se correlacione con el rendimiento antidetonante del MEP a alta velocidad. Tıpicamente,y dependiendo de la composicion del combustible, el MON de una gasolina moderna puede estar unos 10puntos por debajo del RON.

Debido a la diferencia existente entre ambos numeros se suele utilizar el concepto rendimiento anti-



detonante, que en su version simplificada tiene la siguiente ecuacion:

Antinock index =RON +MON

2(3.6)

Para finalizar este subapartado se muestra la siguiente tabla comparativa a modo de resumen:

CONDICIONES

OPERACIONMETODO RESEARCH METODO MOTOR

Regimen de giro [rpm] 600 900Avance de encencido [◦] 13◦BTDC VariableFormacion de la mezcla Carburador CarburadorTemperatura de la mezcla[◦C/◦F]

Variable 148.9±8.3 / 300±15

Ratio aire/combustible Incontrolado (max. Knock) Incontrolado (max. Knock)Temperatura aire admision[◦C/◦F]

35-52.7 / 95-115 37.8±2.8 / 100±5

Tabla 3.1: Comparativa entre los distintos metodos de ensayo de medicion 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 ensayoentre ambos metodos son diferentes entre si. Por tanto, cuando fueron desarrollados2 se introdujeroncambios 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 ASTMD2699; 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 requeri-mientos de ambos metodos, ASTM D2699 y ASTM D2700.

El motor CFR Waukesha del que se dispone en el laboratorio es de combinacion F1/F2, por loque esta respaldado por los metodos de test de ASTM D2699, D2700, IP237 e IP236, y globalmentereconocido como el estandar para la determinacion y certificacion de las caracterısticas antidetonantesde combustibles para el motor. Esta unidad puede ser configurada para realizar tanto el metodo researchcomo el metodo motor, descritos anteriormente, con solo unas pequenas modificaciones en el equipamiento.Con ambos metodos, las pruebas cumplen un amplio rango, de 40 a 120, en el numero de octano.

Gracias a proporcionar una plataforma estable para definir con precision la calidad antidetonantedel combustible, este motor ha mejorado la capacidad de las industrias del motor y del petroleo paraadaptar sus respectivos productos a funcionar conjuntamente de forma mas efectiva, lo que ha conducidoal desarrollo de mejores combustibles y mejores tecnologas en los motores.

Descripcion del motor

En un motor de un slo cilindro con tecnologıa de doble valvula y posicion lateral de bujıa. Al ser unmotor normalizado, tiene que ser fabricado y calibrado bajo unas condiciones especıficas, siendo el ’unico

2Por el Cooperative Fuel Research Committee CFRC en colaboracion con el American Society for Testing MaterialsASTM



fabricante autorizado de este motor The Waukesha Engine Division.

Las peculiaridades de este motor en cuanto a parametros clave de diseno son las siguientes:

- Cilindro de relacion de compresion variable. Principal elemento distintivo de estos motores.La variacion de la relacion de compresion se consigue manipulando la altura del cilindro con unamanivela, lo que implica una modificacion del volumen de la camara de combustion. La variedadde compresion disponible es de 4:1 a 18:1, permitiendose de este modo la realizacion de ensayos enuna amplia gama de combustibles.

- Avance de encendido variable. Permite modificar el punto donde se produce la ignicion de lamezcla en el cilindro, lo cual anade una variable a los ensayos muy interesante como es el avance oretraso al encendido.

- Carburador. La unidad CFR se equipa con un carburador de nivel variable de cuatro tanques. Estetipo de carburador le da al operador la flexibilidad para utilizar cualquiera de los procedimientosde prueba en los metodos ASTM D2699 y D2700.

- Sistema de control de humedad del aire de entrada. El sistema de control de la humedadclasico utiliza una torre de hielo. El aire en combustion 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 untubo. La torre de hielo proporciona aire saturado a unos 32◦F(0◦C), que resulta en un contenidoen humedad de 25 − 50gr gramos per pound (0,00356 − 0,00712kg de agua por kg de aire seco).Tambien existe una unidad de refrigeracion de admision como alternativa a la torre de hielo.

Instrumentacion

La intensidad del knock se determina utilizando un sistema multicomponente de instrumentos. Estoscomponentes incluyen el modelo D-1 del Detonation Pickup, que se enrosca en el cilindro del motor CFR,el modelo 501-C del Medido de Detonacion, un suministro de energıa, y un Knockmeter, modelo Weston,con una division de 0-100 de indicador analogo.

El knock producido en el motor provoca el aumento de las variaciones de presion, las cuales actuan enla unidad de pickup. Se genera una senal en el pickup, que es modificada por el medidor de detonaciony transmitida al knockmeter. Las lecturas de este ultimo instrumento indican el grado relativo de laintensidad de knock. La secuencia de medida queda reflejada en la siguiente imagen:

Figura 3.12: Sistema de medicion de intensidad de knock



A continuacion 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 lamayorıa de los instrumentos necesarios para la operacion 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 bujıa.

- Controlador de tension de la baterıa.

- Control de temperaturas.

- Medidor de presion en el circuito de aceite.

- Medidor de presion en el carter.

En la siguiente figura se observa la cantidad de controles e indicadores disponibles en el panel, asıcomo 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 elcilindro del CFR. El diafragma del pickup se flexiona con la fuerza ejercida por las pulsaciones delknock en la camara de combustion. Una varilla en el centro del nucleo de aleacion magnetostructiva,con una bobina de hilos de cobre enrollada alrededor de esta, es sometida a la tension de la flexiondel diafragma, e induce un voltaje en la bobina que conecta con una clavija coaxial en la parte dearriba del pickup. La senal output generada es proporcional al ratio de cambio de la presion de lacamara de combustion, y varıa en amplitud y forma con la intensidad del knock y la composiciondel combustible. A continuacion, es transmitida al medidor de detonacion.

Medidor de detonacion. El modelo 501-C consta de dos ensamblajes: la seccion de acondiciona-miento de la senal y el amplificador. El medidor de detonacion se monta en una placa para instalarseen el panel de control de la unidad CFR. Todos los controles de operacion para el medidor de de-tonacion se encuentran en la placa del amplificador. La sensibilidad del medidor de detonacion sedenomina spread, y se mide en terminos de divisiones del knockmeter por numero de octano.



Figura 3.14: Medidor de detonacion

Knockmeter. Es un instrumento indicador electrico analogico, que sirve como lectura de la inten-sidad del knock reproducida por el medidor de detonacion. Tiene una escala de division de 0 a 100y representa un rango definitivo de senal de voltaje, que es el output del medidor de detonacion.La placa tiene una rueda de ajuste a cero. Los valores de knock que se obtengan en las medicionesdeberan estar comprendidos entre 20 y 80 para que sean fiables, ya que por encima y por debajode esos lımites el knockmeter no tiene un comportamiento lienal.

Figura 3.15: Knockmeter marca Weston

3.3.4. Operacion

Las clasificaciones del octanaje de las gasolinas se determinan operando el motor ASTM-CFR bajolas condiciones de operacion especıficas para RON o MON, y creando una intensidad de knock estandar,la cual depende de la relacion de compresion y del ratio aire-combustible.

Esta intensidad de knock estandar se define como una lectura de media escala en el knockmeter, siendoel valor tıpico utilizado 50. Sera necesario modificar el ratio aire-combustible y la relacion de compresiondel motor para conseguir dicha lectura, la cual es especıfica para cada uno de los valores de la escala deındice de octano.

En este subapartado se describen exhaustivamente todas las indicaciones necesarias para entenderlos procedimientos de medida del octanaje, para los cuales son necesarios los ajustes que se explican acontinuacion:

1. Ajuste general de la relacion de compresion

- Establecimiento de la altura del cilindro. Todos los knock ratings se hacen a una intensidadde knock estandar independientemente del numero de octano del combustible. Por ejemplo:combustibles de 90 octanos se prueban con un mayor ratio de compresion (menor lectura demicrometro o mayor del contador digital) que los de 80 octanos.



La relacion de compresion se cambia cuando el cilindro se mueve arriba o abajo accionado porun engranaje sin fın, operado por una manivela de arranque o por un motor controlado enpanel. El ratio de compresion se cambia de la siguiente forma: para aumentar el ratio hay queaflojar la pinza y girar la manivela en sentido antihorario. Para disminuir el ratio se gira ensentido horario.

- Calculo de la relacion de compresion. Se puede determinar con la posicion del cilindro. Laaltura del cilindro se mide con el micrometro o el contador digital. Para motores equipadoscon un micrometro, el ratio de compresion se puede determinar con la lectura del micrometrousando la tabla de conversion correspondiente.

Figura 3.16: Tabla de conversion micrometro - relacion de compresion

O con la formula:

C =4,50 + 0,30 +m

0,30 +m(3.7)

Donde C es el ratio de compresion y m la lectura del micrometro.

Del mismo modo, para motores equipados con contadores digitales la relacion compresion sepuede determinar utilizando la tabla de conversion y/o formula correspondiente.

2. Ajuste general de relacion aire-combustible para maximo knock

Todos los knock ratings se realizan con una relacion de aire-combustible que proporcione la maximaindicacion posible en el knockmeter. Esto es aplicable tanto a la muestra por determinar como alas mezclas de referencia usadas para acotarla. Este ratio se ajusta aumentando o disminuyendo elnivel de combustible, girando la valvula debajo de cada tanque del carburador. Para obtenerlo sehace un barrido de medidas anotando ratio y la lectura del knockmeter, escogiendo el ratio que lamaximice.

3. Ajuste de intensidad de knock estandar para la mezcla

Una vez se calienta el motor segun las condiciones de operacion para cada metodo, se ajusta de lasiguiente forma:

Se prepara la mezcla de referencia con un numero de octano aproximado al de la muestra aevaluar, y se meter en uno de los tanques del carburador. Se gira la valvula del selector parautilizar el fuel de este tanque, y se ajusta la relacion aire-combustible para maximo knock.

Metodo Research:

- Se debe ajustar la altura del cilindro para la intensidad de knock estandar. Para ello sebusca la lectura del contador digital o micrometro en las tablas guıa (figura 3.17), parael numero de octano de la mezcla de referencia que esta usando, y se corrige este lecturamediante el uso de la tabla de correcion de presiones (figura 3.18). Se ajusta el cilindropara obtener este valor corregido.



Figura 3.17: Tabla guıa: lecturas del micrometro - RON

Figura 3.18: Tabla de correcciones: lectura micrometro/contador digital - RON

- Bajo estas condiciones especıficas, se ajustan los controles del medios de detonacion paraobtener una lectura de 50 en el knockmeter.

Metodo Motor

Se procede de la misma formas solo que utilizando las tablas correspondientes.

4. Obtencion de intensidad de knock estandar y maxima relacion aire-combustible parala muestra

- Ajuste preliminar de la altura del cilindro: Se vierte la cantidad de muestra enfriada reque-rida para realizar el test en uno de los tanques del carburador. Se establece la relacion aire-combustible estimada para el maximo knock, y se gira la valvula del selector de ese tanquepara operar con este combustible. Una vez se alcanza el equilibrio en el motor, se ajusta laaltura del cilindro para una lectura del knockmeter de 45 a 47 (el ideal es 50).

- Ajuste del ratio aire-combustible para maximo knock: Se determina el nivel de combustiblepara una lectura maxima 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 paramaximo knock, si es necesario se vuelve a ajustar la altura del cilindro para una lectura delknockmeter de 50.



3.3.5. Procedimientos de medida

Una vez se han explicado todos los ajustes necesarios para la correcta operacion del motor, se continuacon los procedimientos de medida del octanaje. Los procedimientos para la evaluacion del numero deoctano siguen los mismos pasos tanto para el metodo RON como para el MON, variando unicamente enlas condiciones de operacion del motor, expuestas previamente en la tabla 3.1. Cuando el motor alcanzalas condiciones de operacion para cada metodo, y las mezclas de referencia se encuentra entre los lımitesrequeridos, se pueden evaluar las muestras.

Procedimiento Bracketing

En este procedimiento se intenta acotar o hacer coincidir la tendencia al picado de la muestra con latendencia de las mezclas de referencia. Para lo cual, una vez obtenida la medida de tendencia al picadode la muestra se procede de la siguiente forma:

- Creacion de la primera mezcla de referencia: Se crea una mezcla de referencia con un numerode octano cercano al estimado de la muestra, y se vierte en uno de los tanques del carburador. Seestablece el nivel de combustible estimado para maximo knock, y se gira la valvula del selector paraoperar con este combustible. Cuando la aguja del knockmeter esta en equilibrio, se ajusta el nivelde combustible para maximo knock y se anota la lectura del knockmeter.

- Creacion de la segunda mezcla de referencia: Se crea una segunda mezcla de referencia, conla que se espera acotar la lectura del knockmeter de la muestra. Se vierte esta mezcla en el tercertanque del carburador, llevando a cabo el mismo proceso que para la primera mezcla. Si las lecturaspara las dos mezclas acotan la de la muestra, o si la lectura de la muestra coincide con una de lasde las mezclas se puede continuar con el proceso. De lo contrario, se debera comprobar con unatercera mezcla de referencia.

Una vez obtenidas las lecturas de la muestra y de cada mezcla, se realiza un calculo preliminar delnumero de octano de la muestra. Con este octanaje, se comprueba la lectura del micrometro o contadordigital ya corregida, para la muestra, con el valor de las tablas de las figuras 3.17 y 3.18 correspondientesal metodo utilizado. Si esa lectura corregida esta dentro de la tolerancia permitida mostrada en la figura3.19 para ese primer numero de octano, se continua con el test, hasta alcanzar valores coherentes yacotados para todas las medidas, y cumpliendo todas las especificaciones.

Figura 3.19: Tolencias para la intensidad de knock estandar - Bracketing

Para obtener el numero de octano de la mezcla ensayada, una vez se cumplen con las condiciones yadescritas, 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 vuelvena realizar las mediciones en este orden: muestra, segunda referencia, y primera referencia.



En cuanto al numero de lecturas se pueden dar dos situaciones:

- Dos lecturas para la muestra y dos para cada referencia constituyen un test, siempre y cuando ladiferencia entra la primera serie y la segunda serie no sea mayor de 0.3 numeros de octano, y quela lectura media de la muestra entra dentro de los lımites de 50± 5.

- Tres lecturas para la muestra y tres para cada refencia constituyen un test, siempre y cuando ladiferencia entre la primera serie y la segunda no sea mayor de 0.5 numeros de octano, que la terceraserie este entre los valores de la primera y segunda, y que la lectura media de la muestra entradentro de los lımites de 50± 5.

Procedimiento Compression Ratio

En este procedimiento se parte del ajuste final de la altura del cilindro para obtener la intensidad deknock estandar de la muestra. Se obtiene la lectura del micrometro o contador digital para esta alturacorriegiendola con la presion barometrica como se ha indicado en los ajustes previos. Haciendo uso de lastablas correspondientes al metodo utilizado, se obtiene el numero de octano para ese valor corregido. Elnumero de octano de la muestra no sera aceptable si existe una variacion mayor que los valores expuestos acontinuacion con respecto el numero de octano de la ultima mezcla de referencia utilizada para establecerla intensidad de knock estandar:

Rango de numerode octano

Maxima diferencia permitida

<90 290 - 100 1100 - 102 0.7102 - 105 1.3>105 2

Tabla 3.2: Tolencias para la intensidad de knock estandar - Compression Ratio

Si se cumplen estos lımites, se redondea el valor obtenido para el numero de octano de la muestra aldecimal mas proximo, igual que para el anterior procedimiento.

3.3.6. Metodos alternativos de medida

Los ya mencionados y conocidos metodos estandar para medir el octanaje no son continuos, requierenmucho tiempo o no son demasiado precisos. Ademas, su manipulacion y mantenimiento en optimascondiciones es costoso. Estos inconvenientes han motivado el estudio y desarrollo de nuevos metodoscontinuos y constantes para la medicion del numero de octano como el que se describe a continuacion.

Espectroscopıa infrarroja IR

A finales de los anos 80, Kelly et al.[5], de la Universidad de Washington, Seattle, descubrieron que losnumeros de octano se podıan predecir del espectro infrarrojo cercano en el rango de 660-1215 nanometros.Encontraron que la mejor correlacion entre la absorbancia y el numero de octano ocurrıa entre 898 y1164 nm para el RON, y 930 y 1012 nm para el MON. Sin embargo, usaron un numero muy limitado demuestras y restringieron sus medidas al rango ya mencionado.

En 1990, Steven Maggard [6], midiendo la absorbancia en un rango cercano pero mayor al de Kellyet al., demostro una mejorıa notable en la correlacion, comparado con las mediciones de longitud de



onda usados por Kelly et al. Segun su invencion, cualquiera de los numeros de octano (RON, MON o lamedia) se puede medir y predecir midiendo la absorbancia (NIR), en el rango 1200-1236 nm. Este rangose correlaciona lo suficiente para permitir mediciones en lınea, es decir, para controlar los sistemas demezcla que permiten producir gasolinas con un octanaje deseado, con bastante precision.

Una de las grandes ventajas de utilizar la espectroscopia de absorcion infrarroja3 es su versatilidad, yaque permite estudiar practicamente cualquier muestra con independencia del estado en el que se encuentre.Ademas, la obtencion del espectro se hace de una forma rapida y no es necesario un pretratamiento dela muestra, lo que facilita el acoplamiento de esta tecnica a la lınea de produccion.

La transformada de Fourier se usa como metodo matematico para el desarrollo en serie de la curvaobtenida conocida como interferograma. La transformada esta constituida por el sumatorio de senos ycosenos de las distintas frecuencias opticas que componen la radiacion. Las ventajas en la utilizacion dela transformada de Fourier son varias. La mas significativa es la mejor relacion senal/ruido.

La metodologıa consiste en utilizar la tecnica FT-IR para determinar los valores de RON y MON delos combustibles, y compararlos con los obtenidos a partir del metodo estandar. El analisis estadıstico delos datos se realiza mediante el metodo PLS de calibracion multivariada. El numero optimo de varibleslatentes de los modelos y la deteccion de las muestras discrepantes se determinan por validacion cruzada.El modelo optimo es seleccionado tomando en consideracion el error estandar de prediccion mınimo [7].De esta forma se establecen equivalencias entre ambos metodos, y la viabilidad del uso indistinto de losmismos en el analisas de muestras de combustibles.

Figura 3.20: Comparacion de resultados de la prediccion del numero de octano[7]

3La region IR del espectro electromagnetico se encuentra entre 12800-10 cm-1.



CAPITULO 4

BANCO DE ENSAYOS

En este capıtulo se va a realizar una descripcion detallada de los diferentes sistemas de los que estacompuesto el motor empleado en el proyecto ası como del resto de elementos y equipos que componen elbanco de ensayos.

Figura 4.1: Banco de ensayos


BANCO DE ENSAYOS

4.1. Motor CFR

Como ya se ha explicado en el capıtulo anterior el motor Waukesha nacio de la necesidad de disponerde una herramienta estandar para la realizacion de experimentos sobre detonacion. Por tanto, fue diseadopara poder variar tanto relacion de compresion como punto de encendido de manera rapida y sencilla,y para que fuera duradero, ya que cuando existe detonacion en la mezcla las presiones obtenidas sonbastante mas elevadas que durante su funcionamiento normal.

Las principales caracterısticas del motor son las siguientes:

Caracterısticas del motor CFRCarter CF-48Cilindrada 611,74cm3

Diametro del piston 8,255cmCarrera 11,43cmRelacion de compresion 4 - 18Longitud de la biela 25,4cmPeso aproximado 400kg

Tabla 4.1: Caracterısticas del motor CFR

El uso que se le ha dado en el laboratorio a este motor no ha estado siempre centrado en el estudiode la detonacion, por lo que se han ido modificando partes del mismo para poder aprovechar al maximotodas las ventajas que ofrece. Las modificaciones mas importantes han sido la sustitucion del sensor dedetonacion por un sensor de presion, pudiendose de este modo recoger la presion existente en la camarade combustion en cualquier punto del ciclo, y la sustitucion del carburador por un sistema de inyecciondual lıquido-gas. Las modificaciones realizadas durante el presente trabajo vienen recogidas en el capıtulocorrespondiente.

Otra caracterıstica importante a destacar es el funcionamiento estable del mismo. A pesar de tenerelevadas perdidas mecanicas que obligan a mantener el regimen de giro por debajo de las 1200 rpm, per-mite 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 almotor electrico asıncrono que lleva acoplado y mantiene el regimen de giro constante.

4.1.1. Sistema de distribucion

El motor dispone de una valvula de admision y una valvula de escape. Ambas valvulas son accionadasmediante el arbol de levas, integrado en el bloque motor, transmitiendo los esfuerzos a traves del balancın.

Figura 4.2: Esquema del sistema de distribucion y valvula de admision



En la iamgen se puede observar que la valvula de admision incorpora un deflector. El objetivo deeste elemento adicional es generar turbulencia en el flujo proveniente de la admision para favorecer lahomogeneidad de la mezcla aire-combustible y por tanto de la combustion.

El sistema de distribucion ha tenido que ser reglado como se vera en el apartado shdjsa y el resultadoes el siguiente:

Figura 4.3: Diagrama de distribucion

4.1.2. Regulador electronico de velocidad

En uno de los extremos del motor se encuentra acoplado mediante una transmision por correas unmotor electrico asıncrono de induccion cuya finalidad, como ya se ha sealado, es la de mantener el regimende giro constante. Esta posibilidad permite eliminar la influencia del regimen de giro sobre el resto devariables y ası poder centrarse en otros aspectos a la hora de analizar los resultados de los ensayos.

Cuando no existe combustion en el cilindro el motor electrico arrastra al motor CFR y lo mantienegirando a un regimen de vueltas concreto, lo que se conoce como modo de funcionamiento arrastrado omotored. Este modo de funcionamiento es muy util para realizar calibraciones y obtener datos para hallarparametros tales como la fraccion de masa quemada.

Cuando el motor funciona con combustion el motor electrico actua como freno, consiguiendo quelas condiciones del ensayo permanezcan estables. Es muy importante esta funcion por la irregularidadcıclica existente y tambien evita la parada del motor en el casos en los que falle la combustion, situacionfrecuente durante el cambio de parametros.

El motor electrico asıncrono se controla mediante un variador de frecuencia situado en un panelelectrico proximo al motor CFR, desde donde se puede aumentar o disminuir el regimen de giro, cambiarel sentido de giro del motor, y encender y apagar este dispositivo.

4.1.3. Sistema de variacion de la relacion de compresion

La caracterıstica fundamental del motor CFR es la posibilidad de variar su relacion de compresion demanera manual, incluso con el motor en marcha.

Esta se modifica mediante una manivela que reduce o aumenta la altura de la culata y por tantomodifica directamente el valor de Vcc. Esta modificacion de altura se mide gracias al reloj comparadorinstalado y una vez obtenido el dato se introduce se mira en la tabla que corresponda de la normaASTM[4]. En la practica se usara una curva de calibracion como viene reflejado en el apartado 7.6.


BANCO DE ENSAYOS

Figura 4.4: Reloj comparador y manivela

4.1.4. Sistema de admision

El sistema de admision es el encargado de conducir el aire al interior del cilindro y estformado por elcaudalımetro, el conducto de admision, el apagallamas, la mariposa y el colector de admision.

En el colector de admision el aire se mezcla con el combustible proveniente de los inyectores, y lamezcla se introduce en el cilindro durante la carrera de admision.

Figura 4.5: Sistema de admision



- Caudalımetro: Dispositivo situado al inicio del conducto de admision que genera una perdida decarga directamente proporcional al caudal de aire que lo atraviesa. Para poder medir dicha perdidade carga es necesario utilizar un sensor de presion diferencial, el cual tiene como salida una sealamplificada que es recogida por la tarjeta de adquisicion de datos.

- Conducto de admision: Tuberıa que comunica el caudalımetro con el colector de admision delmotor. Se trata de una tuberıa de plastico recubierta y reforzada con alambre. Fue diseada paraminimizar las perdidas de cargas, esto es, tuberıa no excesivamente larga, curvatura suave, seccionde paso amplia . . .

- Apagallamas: Tuberıa de cobre, de mayor seccion que el conducto de admision, rellena de lana deacero cuya funcion es evitar el retroceso de llama o backfiring. Esta situada al final del conductode admision y gracias a la alta concentracion de finos hilos de acero se crea un efecto de ”paredfrıa”que apagarıa una hipotetica llama que pudiera producirse por un reflujo de mezcla desde elcilindro que entrara en combustion.

Figura 4.6: Apagallamas

- Valvula de mariposa: Dispositivo encargado de regular la cantidad de aire que entra al motormediante una disminucion o aumento de la seccion de paso de la tuberıa. Despues de atravesar lamariposa, el flujo de aire llega al colector donde se mezcla con el combustible proveniente de losinyectores y entra al cilindro al abrirse la valvula de admision.

El movimiento de la valvula se controlaba con una varilla extensible graduada situada en el panelde control del motor CFR. Dicha calibracion se realizo midiendo el caudal por ciclo que entraba enel cilindro a distintas posiciones de la varilla y comparandolo con el caudal a plena carga y sacandola correlacion entre ambas variables.

Figura 4.7: Sistema de regulacion antiguo de la apertura de la mariposa

Como se puede observar es un sistema primitivo que tiene poca precision y repetibilidad por lo quefue sustituido por un sistema mecanico como se vera en el capıtulo de modificaciones.

4.1.5. Sistema de inyeccion

El sistema clasico de carburador fue sustituido hace bastantes anos por un sistema electronico deinyeccion dual regulado mediante la centralita ETU 427 de la empresa AVL.


BANCO DE ENSAYOS

Hay dos lıneas principales de combustible: la lınea de combustible lıquido (channel 2) y la lınea decombustible gaseoso (channel 1). Ambas son independientes, pudiendo operar el motor unicamentecon combustible lıquido, gaseoso o una mezcla de ambos. Las dos lıneas confluyen en un mismopunto, el colector de admision, donde van instalados sendos inyectores para formar la mezcla de loscombustibles con el aire e introducirse esta en el cilindro.

La centralita esta conectada al ordenador y se maneja a traves de el mediante el software especıficoproporcionado por el fabricante.

Durante la realizacion de este trabajo solo se han utilizado combustibles lıquidos, por lo que unica-mente se procedera a la explicacion de dicha lınea.

Lınea de combustible lıquido

Los elementos principales de la lınea de combustible lıquido estan unidos por una tuberıa de PVCde 5 mm de diametro interno y son los siguientes:

- Depositos de combustible: Existen dos depositos de combustible para alimentar el motor:uno principal y uno secundario. La existencia de dos depsitos esta motivada por la dificultadde limpiar el deposito principal. Hay que tener la precaucion de no abrir las dos valvulas almismo tiempo puesto que se mezclarıan los dos combustibles y habrıa que limpiar todo elcircuito, ası como de poner el latiguillo de retorno en el deposito que se este utilizando en esemomento.

- Bomba de inyeccion: Bomba comercial alimentada por la baterıa del motor CFR. La dife-rencia de presion generada por la bomba entre la punta del inyector y el conducto de admisiones de dos bares.

- Inyector: El inyector empleado es uno convencional de gasolina. Permite atomizar en finasgotas el combustible, aumentando la superficie de contacto y mejorando la evaporacion delcombustible. El inyector se comunica con la centralita y con una fuente de alimentacion a 12V y 1.5 A que suministra la energıa necesaria para la apertura y cierre del mismo.

Este es el elemento que ha ocasionado mas inconvenientes, como se vera en el apartado decalibraciones.

- Regulador de presion y retorno: La bomba de combustible no permite establecer unapresion concreta en el circuito por lo que se le anadio un regulador mecanico para controlar lapresion de inyeccion, que recibe el nombre de valvula de tarado.

Esta valvula va conectada por una parte al colector de admision, donde la presion es ligera-mente superior a la atmosferica en la inyeccion, y por otro lado a la tuberıa que sale de labomba y va al inyector donde queremos controlar la presion, devolviendo el combustible so-brante por el conducto de retorno al deposito del combustible que se este empleando. Cuandola presion en la tuberıa que va al inyector es mayor que la del colector de admision, se accionala valvula interna del regulador y se deriva parte del caudal de esta tuberıa al retorno hastaque las presiones se igualan, momento en el cual la valvula se cerrarıa.

- Conducto de purga: Ademas del conducto de retorno, posee una valvula conectada a unatuberıa por la cual se puede vaciar parte del circuito de combustible. Este conducto resulta degran utilidad cuando se cambia de combustible ensayado al facilitar la limpieza de la lınea.

4.1.6. Sistema de encendido

Hasta el presente trabajo se habıa venido trabajando con el sistema original de encendido porplatinos, si bien habıa existido algun intento de controlar esta variable mediante el mismo softwareque controla la inyeccion.

Una de las grandes modificaciones realizadas ha sido su sustitucin por un sistema electronico. Aunası, se ha mantenido el original por el valor historico que tiene y como vıa alternativa en el caso deque el encendido electronico falle, por lo que se dispone de dos alternativas no simultaneas de saltode chispa.

Independientemente de que sea lo que provoca el salto de chispa, el sistema de encendido funcionade la misma forma para ambos sistemas.



Figura 4.8: Esquema electrico del sistema de encendido

1. El mecanismo que rige el salto de chispa provoca un corte de intensidad en el circuito primarioo de baja tension. En el caso del encendido mecanico este corte viene provocado por la aperturade los platinos debida al movimiento del sistema de levas.

Figura 4.9: Sistema de salto de chispa mecanico - Ruptor

2. El corte de intensidad en el primario provoca un pico de tension en el circuito secundario o dealta tension. Debido a su brusquedad, es necesaria la presencia de un condensador en paralelopara evitar el salto de chispa.

3. El salto de tension amplificado provoca que la bobina, alimentada por la baterıa, se descarguea traves del circuito de la bujıa.

4. La descarga a traves del circuito de la bujıa crea una diferencia de potencial entre los electrodosde la misma, consiguiendo que salte la chispa.

La modificacion del punto de encendido con el motor en marcha y de manera continua se realizamanipulando una palanca situada en la parte externa del motor, la cual hace girar una abrazaderaentorno al sistema de platinos o al actual, pudiendo adelantar o retrasar el punto de encendidolibremente.

Gracias a que el motor tiene grabados en su volante de inercia los angulos de giro del mismo, siendoel 180◦el PMI y el 0◦/360◦el PMS, se puede comprobar el punto exacto donde se esta produciendoel salto de la chispa mediante una lampara estroboscopica conectada al cable de la bujıa.

En el trabajo anterior al presente[8] se mejoro la visualizacion del angulo del salto de chispa, quehasta entonces se realizaba leyendo directamente de la lampara estroboscopica, por lo que hacıa faltados personas para realizar los ensayos y suponıa mucho tiempo si los ensayos a realizar consistıanen la modificacion de dicho parametro.

Como fruto de esa mejora se obtuvo la siguiente plantilla graduada:


BANCO DE ENSAYOS

Figura 4.10: Panel de visualizacion del angulo de salto de chispa

4.1.7. Sistema de escape

Figura 4.11: Sistema de escape

Una vez completada la combustion, los gases de escape abandonan el cilindro por el colector deescape. Estos gases, que salen a elevadas temperaturas (400◦- 500◦), atraviesan un intercambiador decalor donde se enfrıan gracias a un serpentın por el que circula agua de red y que enrolla al colectorde escape. Una vez enfriados se mandan a un deposito de remanso, desde donde son succionados yexpulsados al exterior por un extractor de gases.

El sistema de escape presenta la posibilidad de hacer recircular los gases provenientes de la com-bustion de nuevo al colector de admision y al cilindro, lo que se conoce Exhaust Gas Recirculationo EGR. Este sistema se encuentra desconectado en la actualidad pero fue utilizado en el pasado ypudiera ser utilizado en futuras investigaciones si se estima oportuno.

4.1.8. Sistema de refrigeracion del motor

A pesar de ser un sistema indeseable, termodinamicamente hablando, es clave para el buen funcio-namiento del motor, mas si cabe teniendo en cuenta la antiguedad del mismo.



Posee dos sistemas de refrigeracion:

Principal o por evaporacion

Funciona mediante un intercambiador de calor cilındrico situado en la parte superior del motor,donde por un lado circula el lquido refrigerante y por el otro agua de la red.

El lquido refrigerante es una mezcla de agua destilada y anticongelante que en condiciones normalesde funcionamiento trabaja a una temperatura ligeramente superior a los 100◦C. Despues de atravesarlas distintas partes del motor sube en estado vapor por el serpentn del cambiador, y al encontrarsecon el agua inyectada de la red se condensa. Dicha agua de red sirve tambien para enfriar los gasesde escape antes de ser expulsados al exterior como ya se ha mencionado.

Figura 4.12: Intercambiador de calor

Secundario

Debido al gran tamao del carter, es necesario considerar la transferencia de calor entre este y elambiente como otra forma de refrigeracion.

4.1.9. Sistema de lubricacion

El motor CFR esta lubricado por aceite SAE 30 que es impulsado por una bomba situada en laparte inferior derecha del frontal del motor. Esta bomba gira engranada al movimiento del ciguenaldel motor e impulsa el aceite continuamente a las distintas zonas del motor mientras este esta enfuncionamiento.

En la parte inferior del carter, el motor posee una serie de resistencias elecricas para calentar elaceite hasta la temperatura optima de lubricacion. Desde el panel de control se puede controlar elencendido de estas resistencias ası como su intensidad mediante un interruptor analogico de cuatroposiciones.

Antes de poner en marcha el motor es necesario que el aceite se encuentre a una temperatura de120◦F y que esta se mantenga durante la realizacion de los ensayos.

Debido a que el motor tiene una edad avanzada y muchas horas de funcionamiento es fundamental nodescuidar el control de la lubricacion. Para ello es necesario llevar a cabo labores de mantenimientopreventivo, cambiando el aceite y el filtro cuando sea oportuno, y controlando los niveles de aceite,ademas de engrasar las partes moviles accesibles (balancines, varillas y arbol de levas) que no tienen


BANCO DE ENSAYOS

circuito de lubricacion propio. De no llevarse a cabo dichas acciones surgirıan graves averıas talescomo el gripado de piezas.

4.1.10. Panel de control

El panel de control del motor CFR mantiene toda la instrumentacion antigua, estando algunosmandos, comparadores, y actuadores en desuso, e incorpora nuevos dispositivos.

Figura 4.13: Panel de control original del CFR

Los elementos usados durante la realizacion de los ensayos son los siguientes:

1. Medidor de la temperatura del aceite: Cuando marca 120◦F el aceite esta a la tempera-tura adecuada para arrancar el motor.

2. Control resistencias electricas: Consiste en un interruptor y en una ruleta giratoria quepermite elegir la velocidad de calentamiento del aceite. Tambien incluye un indicador luminosogracias al cual podemos confirmar que el calentamiento se esta llevando a cabo.

3. Control de chispa: Interruptores mediante el cual se activa uno y otro sistema para elencendido de la mezcla. Para que sea efectivo el cambio previamente se debera haber cambiadode circuito la conexion de la bujıa puesto que es compartida.

Figura 4.14: Interruptores de los sistemas de encendido

4. Control de la tension de la baterıa: Esta instalado un cargador de baterıas para mantenera un nivel de tension adecuado la del motor al carecer este de un mecanismo que la recarguedurante su funcionamiento.



5. Medidor de presion el circuito de aceite: Para que la lubricacion del motor sea adecuadaesta presion debe ser siempre positiva y cercana a los 22 psi.

6. Medidor de presion en el carter: Debe mantenerse siempre ligeramente inferior a la at-mosferica para que no se produzca un descebado de la bomba de aceite. Esta presion oscila enfuncion de la posicion del piston y de la apertura o cierre de la valvula de ventilacion positivadel carter o PCV. Esta valvula es accionada segun la presion existente en cada momento en elcarter y permite sacar fuera de el los vapores nocivos generados por la oxidacion y degradaciondel aceite y otro tipo de vapores que lleguen al mismo (vapor de agua o combustible), los cualespueden actuar de forma negativa sobre el propio aceite y el funcionamiento normal del motor.

Figura 4.15: Valvula de ventilacion positiva del carter

En el motor CFR esta salida de gases nocivos se hace hacia la atmosfera cuando el piston bajay la presion en el carter aumenta, abriendose la valvula PCV. Sin embargo, en los motores deautomovil dicha salida se conduce nuevamente hacia la admision del motor, disminuyendo elperjuicio ecologico.

4.2. Instrumentos de medida y adquisicion de datos

En este apartado se procedera a describir los dispositivos y sistemas empleados en la obtencion deinformacion sobre las distintas variables caracterısticas de los motores de combustion interna quehan sido objeto de estudio. Se tratan de elementos ajenos al motor CFR que han sido instaladosadicionalmente para la monitorizacion de diversas variables.

En distintas partes del motor se colocan captadores y/o sensores que detectan y miden un deter-minado parametro fısico y sus variaciones en el tiempo, generando una senal electrica consecuentecon estas. La senal se transmite por cable hasta los aparatos encargados de amplificarla para, acontinuacion, ser enviada a diferentes dispositivos que transforman la senal electrica a la magnitudque se desea estudiar. Por ultimo se visualizan mediante un ordenador, el cual recibe las diferentessenales de los captadores a traves de una tarjeta de adquisicion de datos.

Al tratarse de equipos muy sensibles y precisos, es de vital importancia mantener el sistema deadquisicion de datos en perfectas condiciones para que los valores obtenidos de las distintas varia-bles de estudio sean fiables y precisos. Esto ha supuesto que se haya tenido mucho cuidado en larealizacion de las calibraciones de los mismos, descritas en el capıtulo 7.

4.2.1. Caudalımetro

Dispositivo encargado de medir la cantidad de aire que entra en cada ciclo al cilindro. Este datojunto con la cantidad de combustible inyectado permite obtener el dosado, parametro clave en elestudio de la combustion.

La medida del caudal de aire que entra en el colector de admision se realiza mediante un caudalımetrode flujo laminar de la marca Meriam. La salida de este aparato es la perdida de carga generada enmbar, por lo que para poder recoger este dato es necesario el uso de un sensor de presion diferencialque lo convierta a voltios. En este caso se ha utilizado el modelo DPS100 200-0500-2-3-5-Y00-0 dela marca BD Sensors.


BANCO DE ENSAYOS

Figura 4.16: Caudalımetro y su sensor de presion diferencial

A traves de las calibraciones realizadas sobre cada aparato por separado es posible transformar latension medida en caudal instataneo y despues, mediante integracion, en cantidad de aire que haentrado en cada ciclo.

4.2.2. Sensores de presion

En este motor hay instalados actualmente tres sensores de presion pero solo se recoge la seal de dosde ellos, quedando sin captar la medida de presion en el escape.

(a) Admision (b) Combustion (c) Escape

Figura 4.17: Sensores de presion

(a) Sensor de presion en la admision: Es un sensor de presion absoluta de la marca Kistlermodelo 4045A2 ubicado en la camara de admision que puede medir hasta 2 bar. La presionde admision es practicamente la atmosferica salvo en el momento de apertura de la valvulade admision, situacion en la que se crea una ligera depresion. Esta depresion se hace mayor amedida que se cierra la valvula de mariposa.

(b) Sensor de presion en la camara de combustion: Es un sensor piezoelectrico de presionrelativa de la marca Kistler modelo 7061B capaz de medir diferencias de presion de hasta 250bar. Es el sensor mas importante de todo el banco de ensayos, por lo que hay que tener muchocuidado en su uso y manipulacion.



(c) Sensor de presion en el escape: Es un sensor de presion manometrica de la marca Kistlermodelo 4045A10 capaz de medir hasta 10 bar. No se recoge la seal de este sensor por no serun dato requerido para los estudios realizados

Los dos sensores utilizados necesitan de amplificadores de carga para ser alimentados y transformarsu seal a seales comprendidas en el rango 0-10V. Ademas deben trabajar por debajo de los 50◦C porlo que disponen de un sistema de refrigeracion independiente de su misma marca, concretamente elmodelo 2621C.

Figura 4.18: Amplificadores de senal y sistemas de refrigeracion

4.2.3. Termopares

El banco de ensayos posee seis termopares que miden la temperatura en distintas partes del motory 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 esta basado en efectoSeebeck, esto es, originan una diferencia de potencial proporcional a la diferencia de temperaturaentre la zona de union de dos aleaciones metalicas de distinta conductividad. En este caso se tratade un par Cromel-Alumen.

Figura 4.19: Display de temperaturas y selector de canales

Los canales del display son los siguientes:

1. Temperatura del colector de admision: Mide la temperatura de la mezcla de aire y com-bustible antes de entrar en el cilindro con la finalidad de poder estimar las condiciones decombustion. Su temperatura suele ser la atmosferica o ligeramente superior debido al calenta-miento general del motor durante su funcionamiento.


BANCO DE ENSAYOS

2. Temperatura en el escape: Mide la temperatura de los gases de salida y puede tener quellegar a soportar temperaturas de hasta 1200◦.

3. Temperatura en la lınea de gas: Mide la temperatura de la lınea de inyeccion gaseosa. Noha sido utilizado durante este proyector al no haber trabajado con combustibles gaseosos.

4. Temperatura del intercambiador de calor: El termopar esta situado en la parte inferiorde dicho intercambiador y permite conocer la temperatura en la zona de condensacion delrefrigerante. Es la medida mas importante de temperatura ya que cuando marca 100◦C escuando se considera que el motor esta caliente y listo para realizar los ensayos.

5. Temperatura del agua de refrigeracion a la entrada del intercambiador: Mide latemperatura del agua tomada de la red que entra al serpentın del intercambiador de calor,y ası se puede conocer cual es la diferencia entre la temperatura de entrada y la de salida,parametro necesario para el calculo de la transferencia de calor.

6. Temperatura del agua a la salida del intercambiador: Mide la temperatura del aguaque sale del intercambiador despues de haber extraıdo calor al fluido refrigerante y haberlocondensado.

Es muy importante que la punta de los termopares este bien colocada, ya que si esta esta muy cercade las paredes del conducto o incluso en contacto con ellas el valor de la temperatura no sera elque realmente lleva el flujo en ese punto. Debido a esto fue necesario volver a recolocar el termoparsituado en el colector de admision, al observar durante los ensayos preliminares que la medida quedaba no era correcta.

4.2.4. Analizador de gases

Se trata de un dispositivo que se conecta a traves de una toma y un pequeno tubo al escape delmotor CFR con el objeto de tomar una muestra de los gases resultantes de la combustion paraconocer su composicion volumetrica.

En los experimentos realizados se ha utilizado para hallar el pulso de inyeccion que correspondeal de dosado estequiometrico y ası terminar de calibrar la recta de inyeccion para cada uno de loscombustibles ensayados, como se detallara en el capıtulo 7.

Se ha utilizado un analizador de gases de la marca AVL modelo Ditest DIGAS 440. Es un modelosencillo que a pesar de estar optimizado para combustibles convencionales cumple a la perfeccioncon la tarea para la cual ha sido empleado. Para su conservacion es conveniente no tenerlo midiendodurante mucho tiempo, purgarlo con el aire ambiente entre medida y medida, e introducir los gasesen base seca. Para conseguir esto ultimo se dispone de un decantador a la salida de la toma delescape.

Figura 4.20: Analizador de gases AVL Ditest DIGAS 440

Se puede medir el contenido en CO, HC y NO en ppm, CO2 y O2 en porcentaje volumetrico, y elparametro inverso al dosado relativo λ, el cual solo es valido para la gasolina.



4.2.5. Encoder

Paralelo al eje del ciguenal esta acoplado mediante una correa el codificador angular de la marcaHeidenhain modelo 426. El acoplamiento mediante la correa se realiza doblando el diametro del ejesituado en el ciguenal, de este modo, cuando el ciguenal da dos vueltas, el disco del encoder da una.Las senales obtenidas se conectan tanto a la centralita que rige la apertura de los inyectores comoa la tarjeta de adquisicion de datos y son las siguientes:

- Senal de Trigger: Genera un pulso por cada vuelta del encoder. Se utiliza para enviar lasenal de apertura al inyector y para contabilizar el numero de ciclos realizados.

- Senal de Clock: Genera 3600 pulsos por cada vuelta del encoder. Sirve para indicarle al pro-grama del ordenador cuando debe adquirir los datos de los sensores de presion en la admision,presion en la camara de combustion, y caudalımetro. La resolucion con la que se obtienen losdatos es por tanto de 720◦

3600 = 0,2◦.

Figura 4.21: Senales del encoder

4.2.6. Ordenador y tarjeta de adquisicion de datos

Para recoger y visualizar los datos necesarios del motor se dispone de un ordenador Pentium III de512MB de memoria RAM a 800Hz. Es el elemento final de la cadena de adquisicion de datos. Parapermitir la conexion de los sensores al ordenador y que este ultimo reciba la informacion de maneracorrecta, es necesario disponer de una tarjeta de adquisicion de datos.

Figura 4.22: Ordenador y elementos auxiliares


BANCO DE ENSAYOS

La tarjeta empleada es de la marca National Instruments modelo BNC-2110. Posee varios canalespara senales tanto analogicas como digitales, senal de reloj y trigger. Se compone de una tarjetainterna, conectada a la placa base del ordenador en uno de sus slots, y una placa de conectoresexterna unida mediante un cable especıfico, en la cual se conectan los cables de las senales a recogermediante conectores BNC.

Figura 4.23: Tarjeta de adquisicion de datos

Los canales utilizados son los siguientes:

- Canal A1 0: Sensor de presion en la camara de combustion.

- Canal A1 1: Caudalımetro.

- Canal A1 2: Sensor de presion en la admision.

- Canal A1 3: Senal de posicion de la valvula de mariposa.

- Trigger/Counter PFI 0: Senal de trigger.

- User 2 PFI9: Senal de reloj.

Los datos se gestionan a traves de una aplicacion especificamente creada para ese fin con el programaLabView 2012, desarrollado por el mismo fabricante que la tarjeta de adquisicion de datos. Estaaplicacion permite visualizar los datos, introducir datos adicionales y grabar un numero determinadode ciclos a eleccion del operador. Todas sus funcionalidades seran explicadas mas adelante en unapartado 6.4.

El otro programa que se manipula durante la realizacion de los ensayos es el ETU Remote deAVL. Este programa permite controlar la centralita ETU 427, donde van conectados los inyectores.A traves de este software se puede establecer la cantidad de los distintos combustibles que soninyectados al motor, asıc como otras variables interesantes como el punto y modo de inyeccion.



(a) Panel principal (b) Canal de inyeccion lıquida

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 esnecesaria la existencia de los siguientes elementos en el espacio dedicado a la experimentacion:

� Extractor de humos: Su funcion es eliminar los gases contaminantes de la combution. Comoya se comento, este succiona los gases que se acumulan en el deposito de remanso conectadoal tubo de escape del motor y los expulsa al exterior del recinto.

Es necesario revisar el sistema periodicamente y comprobar que se encuentra en buen estadoya que de no ser ası los gases, toxicos para el ser humano, se concentrarıan en la zona detrabajo.

� Detectores de gases: Su funcion es avisar al operador de los ensayos de la existencia de unaconcentracion 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 sonindicativo de que la combustion es deficiente y falta oxıgeno en el ambiente. Una medidafundamental de seguridad para evitar este gas es mantener bien ventilado el banco deensayos.

- Detector de gases combustibles: Al tener el motor la posibilidad de funcionar medianteinyeccion de combustibles gaseosos es necesario tener un dispositivo que detecte posiblesfugas de los mismos al ser gases facilmente inflamables. El detector del que se dispone essensible a la presencia de hidrogeno y metano.

- Detector de hidrocarburos gaseosos: Es sensible al gas natural, propano y butano. Tienemas sensibilidad que el anterior y se instalo como medida de seguridad adicional para queen caso de fallo hubiera otro elemento capaz de alertar.

� Otros elementos: Extintores, uso de rejillas de ventilacion, elementos aislantes de corrienteo 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 Labo-ratorio de Motores Termicos para trabajar siempre en condiciones de seguridad a la vez que paraasegurar un correcto funcionamiento y conservacion del banco de ensayos.


BANCO DE ENSAYOS

Procedimiento de arranque

1. Comprobar el nivel de aceite y combustible. Anadir aceite y/o combustible si es necesario.

2. Encender el equipo de refrigeracion de los sensores de presion.

3. Enceder las resistencias electricas para calentar el aceite hasta que alcance los 120◦F.

4. Verificar la carga de la baterıa del banco de ensayos y ponerla a cargar si fuera necesario.

5. Arrancar el analizador de gases: puesta a cero, comprobar que no hay condensacion y realizarel test de fugas.

6. Encender el ordenador, los amplificadores de los sensores y el caudalımetro.

7. Fijar la relacion de compresion del motor con la manivela y el comparador analogico.

8. Abrir el agua de refrigeracion del motor, tanto la toma que va al cilindro del intercambiadorde calor como la que va al escape.

9. Encender el extractor de humos.

10. Arrancar el motor electrico y acelerar progresivamente hasta la velocidad de giro deseada.Llevar a cabo este paso solo si la temperatura del aceite son 120◦F.

11. Comprobar la presion del circuito de aceite y la presion en el carter.

12. Controlar la temperatura de las distintas partes del motor y ver que esta en los valores ade-cuados.

13. Abrir la valvula selectora del deposito de combustible a emplear, colocar el latiguillo de retornoen dicho deposito, y encender la bomba de combustible.

14. Activar el sistema de encendido e inyeccion en sendos interruptores. Fijar el punto de encendido.Es conveniente empezar la combustion empleando un dosado cercano al estequiometrico conuna cierta riqueza en la mezcla.

15. Cuando la temperatura del intercambiador de calor es superior a los 105◦C el motor ya estalisto para realizar los ensayos deseados. En esta situacion se pueden desconectar las resistenciasque calentaban el aceite.

Procedimiento de parada

1. Apagar el sistema de inyeccion, encendido y bomba de combustible.

2. Desconectar la toma de los gases de escape que alimenta al analizador de gases, en el caso deque se estuviera utilizando dicho dispositivo.

3. Parar de forma progresiva el motor electrico, esto es, reduciendo lentamente la velocidad antesde pararlo por completo. Esto provoca el paro del CFR.

4. Apagar el ordenador, los amplificadores de los sensores y el caudalımetro.

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 refrigeraciony desconectar el sistema refrigerador de los sensores de presion.

8. Apagar el cargador de la baterıa.

9. Desconectar las regletas del banco de ensayos.



CAPITULO 5

COMBUSTIBLES

Se define como combustible a aquel material capaz de liberar energıa cuando se oxida de forma violentacon desprendimiento de calor. Esta liberacion se da al pasar de su forma de energıa potencial quımica(energıa de enlace) a energıa termica o mecanica, como es el caso de los motores de combustion interna.Este proceso de reaccion tiene como productos adicionales unos residuos quımicos y dioxido de carbonoentre otros.

Los combustibles pueden clasificarse atendiendo a varias caracterısticas. La clasificacion mas im-portante de cara al desarrollo de este proyecto es la que hace referencia al origen y formacion de loscombustibles, clasificandose entonces en combustibles fosiles y en biocombustibles.

Se ha utilizado un combustibles de cada tipo, los cuales se describen a continuacion.

5.1. Bioetanol

El etanol o alcohol etılico es un compuesto organico con formulacion quımica C2H6O que puede usarsecomo combustible por si mismo o bien mezclado en distintas proporciones con la gasolina, siendo dosmezclas comunes la E10 y la E85 con contenidos de etanol del 10 o del 85 % respectivamente. Tambien seutiliza cada vez en mayor medida como aditivo oxigenante de gasolinas, papel que ha ido reemplazandoprogresivamente al del MBTE (eter metil tert-butılico) debido a la contaminacion del suelo y de aguassubterraneas que este produce.

Lo interesante de este combustible es la posibilidad de su obtencion a partir de biomasa, pasandose allamar bioetanol. Debido a su caracter renovable, suscita un gran interes su investigacion como alternativaa los combustibles fosiles utilizados convencionalmente.

La mayor parte su produccion mundial procede de materia de origen renovable como la cana de azucar,remolacha, cereales o demas plantas con azucares en forma de almidon, sacarosa, hemicelulosa y celulosa.El proceso mas utilizado para su obtencion es la fermentacion.

Una alternativa a las cosechas orientadas a la produccion de energıa son los materiales lignocelulıticosde alto potencial productivo de bioetanol, y los residuos de procesos agrıcolas, forestales o industrialescon alto contenido en biomasa. Dichos residuos pueden ser pajas forestales, residuos solidos urbanos ocascaras de cereales. Tambien pueden usarse otros residuos producto de industrias tales como la papelera,la hortofrutıcula o la fraccion organica de residuos solidos industriales.


COMBUSTIBLES

Propiedades

El etanol se encuentra en condiciones estandar en estado lıquido, con apariencia incolora, y con unpeso molecular de 46,07 g/mol. En cuenta al punto de fusion y ebullicion, sus valores son de -114.3◦Cy 78.4◦C respectivamente. Tiene un poder calorıfico inferior de 26952 kJ/kg[1] que comparado con loscombustibles convencionales resulta significativamente menor a ellos. Es altamente volatil, con caracteracido, y fuertemente miscible.

La principal caracterıstica por la que ha sido escogido, ademas de por el hecho de poder obtenerse demanera sostenible y renovable, es que poseer un numero RON constante de 108.6[9], un MON de 89.7, yser facil de adquirir con un grado de pureza alto. Sin embargo presenta ciertas desventajas como el hechode tener un menor rendimiento, tener gran afinidad por el agua, y necesitar mucha agua para su cultivoentre otras.

Si se quiere que el bioetanol contribuya a las necesidades de combustible para el transporte, se ne-cesitara tener un balance energetico neto positivo. Esta energıa neta hay que considerarla a partir decuatro variables: la energıa que esta contenida en el producto final del bioetanol, la cantidad de energıaconsumida directamente para su produccion, la calidad del etanol resultante comparado con la calidadde la gasolina refinada y la energıa que se requiere para generar la planta productora de bioetanol. De locontrario no tendra sentido su uso.

Reaccion de combustion

La reaccion de combustion completa del etanol es la siguiente:

C2H6O + 3(O2 + 3,76N2) −→ 2CO2 + 3H2O + 11,28N2 (5.1)

por lo que el dosado estequiometrico segun la formula 3.4 es:

Fe =mf

ma=

12× 2 + 1× 6 + 16× 1

3(16× 2 + 3,76× 14× 2)= 0,11169 (5.2)

y el porcentaje volumetrico de CO2 de los gases de escape en base seca, parametro que sera utilizadodurante la calibracion del inyector, es:

%CO2 =2

2 + 3× 3,76× 100 = 15,06 % (5.3)

5.2. Gasolina 95

La gasolina es una mezcla de hidrocarburos obtenida del petroleo por destilacion fraccionada que seutiliza como combustible de diversas maquinas. Su composicion quımica aproximada es C7H13,6O0,15, suRON 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, combustibleactual de avanzada formulacion. Se ha escogido este combustible por su bajo coste y por el hecho de notener un numero de octano fijo, ya que 95 denota el numero mınimo de octanos, por lo que es muyinteresante para ensayar como se vera mas adelante.



La reaccion de combustion completa de la gasolina es la siguiente:

C7H13,6O0,15 + 10,325(O2 + 3,76N2) −→ 7CO2 + 6,8H2O + 38,822N2 (5.4)

el dosado estequiometrico es:

Fe =mf

ma=

12× 7 + 1× 13,6 + 16× 0,15

10,325(16× 2 + 3,76× 14× 2)= 0,07055 (5.5)

y el porcentaje volumetrico de CO2 de los gases de escape en base seca:

%CO2 =7

7 + 38,822× 100 = 15,28 % (5.6)


COMBUSTIBLES



CAPITULO 6

MODIFICACIONES Y MEJORASDEL BANCO DE ENSAYOS

6.1. Sistema de regulacion del grado de carga

El sistema existente para la regulacion de la mariposa era impreciso y de escasa repetibilidad comose vio en el subapartado 4.1.4, por lo que se decidio sustituirlo por uno nuevo. Este nuevo sistema debıadar solucion a dos preguntas: como medir la posicion? y como cambiar de una a otra?

Para medir la posicion se decidio utilizar un potenciometro comercial. Concretamente uno de la marcauna Pierburg modelo 5.02319.00 que habıa por el laboratorio y perteneciıa a otra valvula de mariposaque se encontraba inutilizada.

En vez de buscar su calibracion en la hoja tecnica se opto por calibrarlo en el taller. Para ello, con elpotenciometro ya unido a la mariposa del motor CFR y fuera del motor, se fueron tomando los datos dela senal de posicion para cada angulo girado y se graficaron para obtener la recta de ajuste, obtuviendolo siguiente:

Figura 6.1: Grafica voltios - angulo de apertura de la mariposa


MODIFICACIONES Y MEJORAS DEL BANCO DE ENSAYOS

Se observa que no es lineal, como se esperaba, sino que esta dividida en tres tramos. Esto vienejustificado por la constitucion interna del potenciometro, el cual esta formado por dos potenciometrosque trabajan en paralelo para distintos campos angulares. En la practica, y para este potenciometro enparticular, se traduce en una mayor precision para los valores comprendidos entre 40-50◦.

Las ecuaciones que rigen el comportamiento en cada uno de los tramos son:

α1 = 53,888V − 8,9688 V < 0,9 (6.1)

α2 = −2,2569V 2 + 16,984V + 15,88 V ε[1, 4] (6.2)

α3 = 56,408V − 181,49 V > 4 (6.3)

Para modificar la posicion de la mariposa se ha colocado un pequeno motor electrico de corrientecontinua, el cual transmite su movimiento al eje de la mariposa a traves de un tren de engranajes simple.

En primer lugar se penso en regular su movimiento desde el ordenador. Hubo que que descartar estaidea al no poder proporcionar la tarjeta de adquisicion de datos la suficiente potencia. Se opto entoncespor disenar un sencillo circuito cuyo esquema electrico es el siguiente:

Figura 6.2: Esquema electrico del regulador de posicion

Gracias a este circuito se pueden regular la velocidad, modificando la cantidad de intensidad que lellega al motor electrico mediante una resistencia variable, y el sentido de giro del motor, al accionar elconmutador de dos circuitos.

El montaje final queda de la siguiente forma:

Figura 6.3: Montaje final de la valvula de mariposa



Para poder saber en que posicion esta la mariposa se llevara la senal de posicion a la tarjeta DAQ. Enel programa de LabView que se explicara mas adelante, se utilizara la recta de calibracion antes halladapara transformar el valor de voltios a angulo. Por tanto, accionando el potenciometro y el conmutadormientras se observa el dato transformado en Labview, se puede conseguir la posicion que se desee.

6.2. Sistema de encendido

El sistema de encendido que tenıa el motor CFR era el original y se intuıa que contribuıa a la dispersioncıclica, al estar controlado el salto de chispa por un sistema mecanico muy desgastado por el paso deltiempo. A pesar de funcionar sin ocasionar problemas se decidio cambiarlo por un sistema electronicoy ası conseguir unas mejores condiciones en terminos de reproducibilidad y repetibilidad a la hora derealizar los ensayos.

Despues de sopesar las distintas opciones posibles y queriendo mantener el mismo sistema de cambiode angulo de encendido, visto en la figura 4.10, se opto por el uso de un sensor de efecto Hall y un iman.

El sistema se encuentra montado en el mismo lugar que el del encendido mecanico de tal forma queno afecte al funcionamiento de este, y los pasos llevados a cabo para su fabricacion y colocacion fueronlos siguientes:

1. Colocar y sujetar una arandela metalica al eje del ciguenal para que gire de forma solidaria a el.

Figura 6.4: Posicion arandela

2. Colocar el iman sobre la arandela. Al hacer esto se conseguira que pase dos veces por delante delsensor Hall para cada ciclo de del motor1. La posicion final se ajustara una vez este todo el montajehecho.

3. Fabricar el circuito del sensor y colocarlo en la tapa de plastico del sistema de encendido. Esnecesario invertir la senal obtenida del paso del iman al trabajar la bobina con pulsos de baja.

4. Montar la tapa y ajustar la posicion final del iman con ayuda de la lampara estroboscopica paraque sirva la escala de angulos del panel.

1El salto de chispa extra generado no afecta al funcionamiento del motor al producirse durante la carrera de escape.



(a) Esquema electrico

(b) Cicuito en construccion (c) Posicion final

Figura 6.5: Circuito de encendido electronico

Figura 6.6: Sistema de encendido electronico



6.3. Codificacion ensayos

Para poder identificar toda la informacion recogida en los ensayos de una manera rapida y eficaz hasido necesario crear un codigo. Este sera asignado a los archivos de datos en el momento de su adquisiciony hara visibles las condiciones fundamentales en las que fue recogido. Ademas se mantendra a lo largo detodos los archivos que se generen durante su procesamiento, a excepcion de la terminacion, con lo que seconsigue identificar rapidamente todos los archivos pertenecientes a un mismo ensayo.

Las cuatro variantes de nombre de archivo posibles son:

AADDD EXRPM arrastradoDPCM ±AD NNDXXX.txt

AADDD EXRPM LXPPPDPCM ±AD NNDXXX.txt

AADDD EXRPM GXPPPDPCM ±AD NNDXXX.txt

AADDD EXRPM LXPPPGXPPPDPCM ±AD NNDXXX.txt

donde cada parte significa:

AADDD: Ano y dıa de la realizacion del ensayo. Incluye las dos ultimas cifras del ano y el numerode dıa sobre 365.

EX: Tipo de ensayo.

- E1 Calibracion.

- E2 Repetibilidad.

- E3 Definitivo.

- E4 Practicas.

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 lıquido. Tipo de combustible lquido y pulso engrados de giro del ciguenal.

- GXPPP: Funcionamiento con combustible gaseoso.Tipo de combustible gaseoso y pulso engrados de giro del ciguenal.

- LXPPPGXPPP: Funcionamiento con combustible lıquido y gaseoso.

DPCM: Posicion del reloj comparador (pulgadas multiplicado por 1000).

± AD: Angulo de encendido. Signo positivo o negativo segun sea de adelanto o retraso respecto alPMS.

NN: Numero de ensayo realizado en ese dıa. Sirve para no sobreescribir los ensayos en caso de quese tomen dos con las mismas caracterısticas en el mismo dıa.

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.

2Los tres primeros se generan en el momento de la adquisicion de datos y el resto durante el postprocesamiento y analisisde los mismos

3Contiene la misma informacion que DG e incluye un parrafo final para los datos del analizador de gases. Solo se generauno de los dos, o DG o DE.



- 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 detonacion de los DSCF.

6.4. Programa de adquisicion de datos

El programa que se venıa usando anos atras cumplıa de forma muy limitada su funcion, por lo que sedecidio hacer una renovacion profunda del mismo.

El software utilizado para su desarrollo es LabView[10], programa ampliamente utilizado para este tipode aplicaciones y del mismo fabricante que la tarjeta DAQ, asegurandose ası una completa compatibilidadentre ambos. Este software es muy util al poseer dos entornos distintos de programacion para un mismoprograma: front panel y block diagram. Atendiendo a esta clasificacion se procedera a la explicacion decada una de ellas:

Front Panel

Constituye el HMI del programa. En la parte superior se muestran las graficas a tiempo real de losdatos obtenidos por los sensores y en la parte inferior se encuentra una zona destinada a la introduccionde datos. En esta pantalla solo se modifico la parte inferior, aumentando el numero de datos que debeintroducir el usuario y ası .obligandole.a registrar las condiciones en las que realizo el ensayo. Con esosdatos se genera el archivo DG y el codigo identificador cada vez que se pulsa el boton de grabar datos,previa eleccion del numero de ciclos que se desea registrar.

Dicho panel queda de la siguiente forma:

Figura 6.7: Detalle de la zona de grabacion de datos

Block Diagram

En esta parte es donde se centro el grueso de las modificaciones[11], ya que ademas de tener quegestionar todos los datos introducidos en el panel de la figura 6.7 se procedio a restructurar y optimizarel poco codigo existente.



Se partıa de un codigo sin comentar y poco intuitivo. Se reagruparon los cables y se procedio a agruparlas nuevas areas funcionales creadas ad hoc en distintos sub.vi. Gracias a esto se crea una estructura sobrela que podran 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 el se aplican las curvas de calibracion para la visualizacion de losdatos por pantalla.

- subvi nombre archivos.vi En el se crea el nombre de los dos archivos que se generan cada vezque se pulsa el boton de grabar (DG/DE y DS).

- subvi datos condicionesgenerales.vi En el se forma la parte del archivo DG que contiene datoscomo tipo de ensayo, fecha . . .

- subvi datos condicionesoperacion.vi En el se forma la parte del archivo DG que contiene losdatos propios del ensayo como posicion del micrometro, combustible utilizado . . .

- subvi datos temperaturas.vi En el se forma la parte del archivo DG que contiene las tempera-turas que muestra el display situado encima del panel de control del CFR.

- subvi datos emisiones.vi En el se forma la parte del archivo DE que contiene los datos quemuestra el analizador de gases.

- subvi guardar datos.vi En el se mantiene la senal de grabacion de datos activa durante el numerode ciclos que se indique por pantalla.

Todos estos archivos deben ir en una carpeta junto al archivo principal, ya que de lo contrario dara pro-blemas el programa. En dicha carpeta y por el mismo motivo tambien debera ir el archivo angulos Vc.txt,en el que figuran el angulo en grados correspondiente a cada posicion del encoder4 y el volumen asociadoa dicha posicion (sin contar con el de la camara de combustion).

En la figura 6.8 se han destacado las siguientes partes:

- Circulos negros. Rodean los sub-vi del programa. Su block diagram correspondiente queda reflejadoen el anexo A.

- Recuadro morado. Parte que se encarga de la configuracion de la adquisicion de datos en terminosde frecuencia, modo, senales a recoger. . .

- Recuadro verde. Parte que se encarga de crear los graficos.

- Recuadro rojo. Parte que se encarga de generar el codigo de identificacion y de guardar los datosen los archivos DG/DE.txt y Ds.txt

4Considerando el resultado de la calibracion del PMS realizada



Figura 6.8: Block diagram



CAPITULO 7

CALIBRACION DE LOS EQUIPOS

Con el paso del tiempo los equipos de medida sufren variaciones en los valores que marcan con respectoa los que deberıan marcar segun su hoja tecnica. Este hecho provoca que sea necesario calibrarlos cadacierto tiempo para asegurarse de que las medidas que se utilicen provenientes de ellos sean correctas.

7.1. Caudalımetro

La calibracion de este aparato de medida esta compuesta por dos calibraciones: la correspondiente alpropio equipo de medida caudal-diferencia de presion y la del sensor de presin diferencial diferencia depresion - voltios.

La calibracion del caudalımetro viene detallada por el fabricante en la hoja tecnica entregada juntocon el equipo en el momento de su compra, y que cumple con la siguiente ecuacion

Q = 154,35DPI − 1,333DPI2 (7.1)

donde el caudal Q esta en lmin y la diferencia de presion DPI esta en inchwater.

Al venir dada en unas unidades poco habituales de presion, es importante realizar la siguiente con-version:

DPI =1

2,49∆P (7.2)

Por otra parte esta la calibracion del sensor de presion diferencial. Se decidio volver a calibrarlo al serla ultima calibracion realizada en 2013 y ser este tipo de sensores extremadamente sensibles1.

Hubo que calibrarlo creando varias referencias de presion concretas entre las dos secciones del sensor.Para conseguir esto se emplearon dos columnas de agua milimetradas paralelas y conectadas por la parteinferior (tubo en U), y se fue midiendo on un voltımetro el voltaje de salida que enviaba a la tarjeta deadquisicion de datos.

Introduciendo los datos obtenidos en MatLab y ajustando la ecuacion a la de un polinomio de gradouno en el rango de presiones en el que se trabajara se obtiene el siguiente grafico:

1Incluso el mas mınimo cambio de posicion puede hacer variar su medida.



Figura 7.1: Curva del sensor de presion diferencial del caudalımetro

Por lo que su ecuacion queda:

∆P = 5,576V (7.3)

No se va a tener en cuenta el termino independiente ya que en este tipo sensores el cero del mismoes flotante. Lo que se hara sera utilizar el voltaje medio de una zona donde se sabe que el caudal tieneque ser nulo, en este caso un ancho de 20◦situado 16◦antes de la apertura de la valvula de admision, yrestarselo a los valores de ese ciclo de manera que se tenga valor nulo en las zonas en las que la valvulade admision esta cerrada.

Una vez corregido el cero flotante2 se puede aplicar la ecuacion final del caudalımetro, la cual seobtiene juntando las ecuaciones (7.1), (7.3) y (7.2):

Q = 345,6448V − 6,6846V 2 (7.4)

7.2. Sensor de presion en camara

Se decidio volver a calibrar este sensor, pese haber sido calibrado el ao pasado, al detectar que en elprograma antiguo utilizado para la adquisicion de datos figuraba una recta incorrecta (incluıa terminoindependiente) y ser este sensor el mas importante del motor.

Se calibro mediante el dispositivo calibrador de sensores de presin Bourdon Haenni disponible en ellaboratorio. Este calibrador consiste en un circuito cerrado de aceite donde en un extremo se coloca elsensor y en el otro se colocan pesas calibradas con distintos valores conocidos de presion. Esta presion setraslada a traves del aceite fluido hasta el sensor y se mide la seal electrica producida con un voltımetro.

Con los datos obtenidos y ajustandolos a un polinomio de grado uno queda la siguiente ecuacion:

∆Pc = 10,188 V (7.5)

Al igual que con el sensor de presion del caudalımetro, por ser un sensor basado en el efecto piezo-electrico, es necesario corregir el cero. En este caso se va a considerar presion nula3 en el punto RCA

2Esta correcion hay que hacerla para cada ciclo.3Nula al ser un sensor de presion diferencial



(32◦despues el PMI) por ser ahı la presion igual a la atmosferica siempre y cuando este la mariposaabierta.

Para obtener la presi’on absoluta en cada punto del ciclo habra que restarle el valor correspondienteal RCA, aplicarle la ecuacion (7.5) y sumarle el valor de la presion ambiente.

Nota: Para que este dato sea correcto es fundamental que la precision del amplificador de senal estecolocada en -82.24pC/bar, al ser con la que se realizo la calibracion.

7.3. Encoder

El encoder es el dispositivo que coordina la adquisicion de datos de parte de los sensores instaladosen el motor CFR. Es un disco de 3600 divisiones que da una vuelta completa por cada dos vueltas delciguenal y por tanto el sistema de adquisicion de datos sera 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 lasposiciones angulares del motor y las divisiones del mismo, por ello es necesaria la realizacin de estacalibracin. A pesar de haber sido realizada hace un ao, se ha decidido recalibrarla debido a la importanciade este parametro en todos los calculos posteriores.

Para encontrar la posicion del encoder correspondiente al PMS se realiza el siguiente ensayo: con elmotor funcionando en arrastrado se han grabado 30 ciclos con la mariposa completamente abierta a 9posiciones del micrometro diferentes. Al disponer de tantos datos se ha cambiado el modo de analisisque se venıa utilizando en aos anteriores y se ha realizado un analisis de dispersion de las posiciones deencoder a las que se daba el pico maximo de presion en cada ciclo.

Representando estos valores en un histograma se observo que ajusta a una distribucion normal cuyamedia es 2713.

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Presion máxima

2705

2710

2715

2720

2725

Pos

ició

n en

code

r

Posición encoder en función de la presión máxima de la cámara de combustión

2704 2706 2708 2710 2712 2714 2716 2718 2720 2722

Posición encoder

0

10

20

30

40

50

Núm

ero

de v

eces

que

se

repi

te

Histograma posición encoder

Figura 7.2: Graficas ensayos



No es completamente cierto que la presion maxima de un ciclo se de en el PMS, por la existencia delllamado angulo de perdidas termodinamicas investigado por Hohenberg[12]. En dicho estudio se indicaque el punto de presion maxima ocurre de 0.2 a 1◦aproximadamente antes del PMS debido a las fugasdel aire y a la transferencia de calor ocurridos durante el funcionamiento real del motor. El valor delangulo se reduce al aumentar la velocidad de giro del motor, ya que al motor le da menos tiempo a tenerperdidas producidas por estos fenomenos.

Como la precision de medida de la que se dispone es de 0.2◦y el punto de presion maxima es algoincierto, se va a considerar que el maximo de presion se da exactamente en el PMS. Ademas, como lacombustion real ocupa valores de 30-40◦aproximadamente en un motor de encendido provocado, el errorintroducido es despreciable.

Por tanto se hace corresponder la posicion 2713 con 360◦y a partir de ahı se completa el resto sabiendoque cada posicion del encoder que se aumente corresponde con un aumento de 0.2◦.

αi = (i− (PMS − 1800))× 0,2 ∀i ∈ 1 : 3600 (7.6)

7.4. Punto de inyeccion de combustible

Una vez se tuvo calibrado el PMS hubo que cambiar consecuentemente dicho valor en el programaETU Remote encargado de regular la cantidad de combustible inyectado.

Es muy importante cambiar este dato ya que el programa se vale de el para establecer su propiosistema de tiempos, indicando luego el usuario en el canal de combustible con el que este trabajandocuando debe comenzar a inyectar (en grados de giro del ciguenal) en escala relativa. Es decir, indicandocuantos grados mas 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 valvulas

Al ir a medir los angulos de apertura y cierre tanto de la valvula de admision como la de escape seobservo que tenıan mucho juego. Al necesitar tener la certeza de estos angulos, sobre todo el retraso decierre de la admision, se procedio a calibrarlo.

Segun el manual de mantenimiento del motor, el reglaje hay que hacerlo con el motor en caliente y laholgura maxima permitida, igual para ambas valvulas, es de 0.054 pulgadas.



En la foto que aparece a continuacion se puede observar como con el destornillador se va ajustando laposicion mientras se comprueba con el calibre si el ajuste es el deseado. Una vez obtenido, es necesarioapretar la contratuerca del tornillo y comprobar de nuevo que el ajuste no se ha modificado.

Figura 7.4: Procedimiento de ajuste de valvulas

Una vez ajustadas, se procede a medir sus angulos de cierre y apertura. Para poder conseguirlo esnecesario realizar el siguiente montaje, el cual tiene que ir asegurado a alguna parte fija del motor al sermuy sensible al movimiento:

Figura 7.5: Montaje para la medida del angulo

A continuacion se va girando el volante de inercia de la parte de atras del motor hasta observar uncambio de posicion del reloj comparador, momento en el cual se anota el angulo que se encuentra talladoen el propio volante de inercia.

Las desviaciones en esta medida son como mucho de ±2◦, ya que es muy difıcil ajustar el punto justoen el que se mueve la valvula una altura suficiente como para considerar que esta abierta.

El resultado final es el ya mostrado en la figura 4.3.



7.6. Relacion de compresion

7.6.1. Calibracion segun la norma ASTM

Antes de poder tomar ensayos es necesario comprobar que se cumple con la norma ASTM, la cualestablece que el micrometro debe marcar 0,352 in cuando el compresımetro, para una presion ambientede 0,94 bar, marque 188 psi ≡ 12,96 bar.

Para poder realizar este ensayo es necesario desmontar el sensor de presion en camara y montar en sulugar un compresımetro. Es preferible realizarlo con un compresımetro en vez de con el sensor de presionya que el compresmetro se queda marcado en la presion maxima medida mientras que con el sensor setiene inevitablemente cierta dispersion, que a pesar de ser despreciable en los ensayos que se llevaran acabo, no lo es para la calibracion. Se utilizo uno digital en vez del original que venıa con el motor CFRya que al tener este primero un fondo de escala mas cercano a la presion que se debe medir iba resultabamas preciso.

Ya con el compresımetro montado, se puso el motor en funcionamiento con combustion hasta quealcanzo la temperatura de trabajo habitual, 100◦C en el intercambiador de agua. Llegado ese punto sequito la inyeccion, y se ajusto con la manivela la posicion del piston hasta que se obtuvieron los 12,96 baren la camara. Dejando fija esa posicion de la manivela, se ajusto el micrometro para que marcase los0,352 in deseados.

(a) Compresımetro (b) Micrometro

Figura 7.6: Calibracion segun norma ASTM

7.6.2. Obtencion ecuacion que relaciona las decimas del comparador con larelacion de compresion

En la norma ASTM tambien viene la relacion de compresion que corresponde a las condiciones sea-ladas, es decir, para una presion en camara de 12,96 bar y una posicion del micrometro de 0,352 in sedebe tener una Rc = 7,9. Por tanto, en principio no harıa falta realizar mas ensayos, pudiendose sacar laecuacion matematicamente.



El problema radica en que no se tiene exactamente el mismo volumen de camara de combustion cuandose mide la presion con el compresımetro a cuando se mide con el sensor. Como se observa en la figura7.7, el sensor tiene una cavidad que el compresımetro no tiene y que supone un aumento de 1,597 cm3

de la camara de combustion.

Figura 7.7: Cavidad del sensor de presion de la camara de combustion

Al existir este volumen adicional, cuyos efectos son mas notables a mayor relacion de compresion,ha sido necesario hallar de manera experimental la ecuacion que relaciona las pulgadas medidas con elmicrometro con la relacion de compresion.

Se ha realizado el calculo de tres formas distintas:

1. Segun la norma ASTM: Cogiendo el valor que indica la norma para cada posicion del micrometro,hallando el Vcc al que se corresponde, sumandole el volumen adicional y volviendo a calcular larelacion de compresion. El valor obtenido debera ser menor al indicado por las tablas.

2. Segun el metodo geometrico: Calculando el volumen de la camara de combustion con el valorde la posicion del micrometro. Tambien se saco la presion maxima que le corresponderıa con elmotor funcionando en arrastrado.

3. Segun el metodo temodinamico: Es el metodo que se ha venido utlizando en anos anteriores ytoma como dato con el que realizar los calculos la presion maxima medida en ensayo.

Tomando como hipotesis que el proceso de compresion con el motor funcionando en arrastrado esadiabatico se tiene que:

rc =VD + VCVC

=

(PMAX

PATM

) 1γ

(7.7)

Sin embargo, no se puede utilizar directamente esta formula ya que la compresion no comienzahasta el cierre de la valvula de admision. Para tenerlo en cuenta se define la relacion de compresionefectiva como:

rc′ =Vc + Vcc − V32◦

Vcc=

(PMAX

PATM

) 1γ

(7.8)

Por tanto para calcular la relacion de compresion se metera el valor de presion maxima en laecuacion (7.8), de la cual se obtendra el Vcc. Entrando con ese valor en la ecuacion (7.7) se obtendrala relacion de compresion.

El resultado de todos estos calculos viene recogido en la siguiente tabla 7.1.



Posi

cio

nm

icro

metr

o[in

]

Norm

aA

ST

MM

eto

do

geom

etr

ico

Meto

do

term

od

inam

ico

Rc

Rc

corr

egid

oR

cP

max

con

γ6=

cte

Pm

ax

con

γ=

cte

Pm

ax

med

ida

en

en

sayo

Rc

conγ6=

cte

Rc

con

γ=

cte

016

15.4

3715

.430

35.6

3237

.217

0.1

12.2

511

.930

11.9

26

25.3

3426

.086

24.9

4611

.792

11.5

460.

134

11.3

711

.098

11.0

93

23.0

0323

.608

22.8

4011

.035

10.8

290.

163

10.7

210

.481

10.4

76

21.3

2221

.821

21.2

9810

.468

10.2

930.

197

10.0

59.

842

9.843

19.6

3220

.027

19.5

869.

827

9.68

50.

210

9.79

49.

791

19.4

9119

.882

0.23

89.

36

9.18

29.

184

17.8

9818

.205

17.9

409.

200

9.08

60.

288

8.65

8.50

18.

502

16.1

4616

.373

16.2

568.

544

8.45

70.

38.

58.

357

8.355

15.7

7215

.985

0.35

27.

97.

778

7.778

14.3

3514

.492

14.4

887.

839

7.77

70.

47.

43

7.32

47.

321

13.2

2013

.337

0.43

7.16

7.06

37.

066

12.6

0612

.702

12.7

827.

138

7.09

80.

56.

62

6.53

96.

543

11.3

7111

.433

0.53

86.

37

6.29

66.

295

10.7

9710

.844

10.9

716.

369

6.34

90.

66

5.93

65.

935

9.97

610

.005

0.68

85.

55

5.49

75.

501

9.00

89.

019

9.16

65.

571

5.56

60.

75.

55.

448

5.447

8.89

18.

899

0.8

5.09

5.04

75.

047

8.02

58.

020

0.9

4.75

4.71

44.

713

7.31

97.

306

14.

46

4.42

94.

430

6.73

46.

716

Tabla 7.1: Obtencion de la relacion de compresion



Para poder decir cual de los valores calculados se considerarıa como bueno se realizo la siguiente tablacalculando los errores relativos cometidos:

Rc ASTM Vs Pmax medida en ensayo Vs

Rc geometrico Rc conγ 6= cte Rc con γ = cte Pmax con γ 6= cte Pmax con γ = cte0.0490.037 1.161 3.227 1.555 4.5700.046 0.566 2.419 0.716 3.3650.039 0.124 1.786 0.115 2.4560.012 0.157 1.592 0.232 2.2490.0300.017 0.189 1.045 0.234 1.4790.009 0.506 0.514 0.676 0.7230.0250.000 0.779 0.020 1.055 0.0280.0400.040 1.061 0.495 1.378 0.6200.0560.019 1.153 0.832 1.580 1.1520.0160.068 1.344 1.258 1.714 1.6020.0150.0040.0120.023

Tabla 7.2: Errores relativos en %

Gracias a esto se decidio que los valores que se iban a utilizar como validos eran los obtenidos por elprimer metodo.

Para poder utilizar este dato con mayor comodidad en calculos posteriores y para su implementacion enLabView se extrajo la curva que relaciona dicho parametro con la posicion del micrometro, obteniendoselo siguiente:

Figura 7.8: Curva de calibracion de la relacion de compresion



Y por tanto la ecuacion a utilizar a partir de ahora sera:

rc = 45,16 pc6 − 169,2 pc5 + 261,9 pc4 − 22108 pc3 + 117,6 pc2 − 44,73 pc+ 15,43 (7.9)

7.7. Inyector de combustible lıquido

La correcta calibracion de este dispositivo es un aspecto fundamental en la realizacion de los ensayosal ser la forma mas comoda de calcular el dosado del ensayo al saber la cantidad de aire entrante en cadaciclo gracias al caudalımetro.

Es importante destacar que la masa inyectada dependera del combustible con el que se este trabajandoy del regimen de giro, al ser el pulso que se indica en el programa correspondiente a numero de angulosdel ciguenal girados. Por tanto, se sacara una recta de calibracion para cada combustible empleado y estasolo sera valida cuando el motor gire a 600 rpm.

Antes de proceder con la calibracion se comprobo que la senal que envıa el programa al inyector es lacorrecta. Se hizo esto ya que se viene observando mas dispersion cıclica que la estipulada teoricamente.

Midiendo la senal saliente de la centralita del ETU (antes del circuito amplificador) y la senal que lellega al inyector con un osciloscopio portatil se obtuvo lo siguiente:

Figura 7.9: Senal del inyector lıquido recogida por el osciloscopio

donde el canal en color azul corresponde a la senal que le llega al inyector y la amarilla la que saca elprograma.

Quedando descartada la opcion de un fallo eletronico, no tiene mas remedio que venir la dispersionjustificada por la cinetica de la apertura y cierre del inyector. Debido a esto en los ensayos se tomara comovalor asociado a cada ancho de pulso la media de cien ciclos, para ası obtener un valor lo suficientementerealista.

El procedimiento a seguir para realizar la calibracion del inyector es el siguiente:

1. Llenar una probeta con una cantidad importante del combustible a ensayar.

2. Desmontar el inyector lquido de su posicion del colector de admision.



3. Pesar en una bascula digital la probeta cargada y anotar el valor antes de inyectar.

4. Sumergir el inyector aproximadamente un milımetro en el combustible depositado en la probeta4 einyectar 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 ladiferencia entre ambos valores.

6. Repetir pasos 4 y 5 para los anchos de pulso que se hayan considerado.

7. Obtener la recta de calibracion con todos los puntos obtenidos.

8. Corregir la recta empleando el valor del pulso estequiometrico. Este se obtiene mediante el analizadorde gases cuando se consigue el porcentaje de CO2 calculado teoricamente a partir de la reaccion decombustion estequiometrica5.

Calibracion con etanol

La recta obtenida es la siguiente:

Figura 7.10: Recta de calibracion con etanol

Cuya ecuacion se corresponde con:

met = 0,0003518 pul + 0,001652 (7.10)

Ajustando la recta con el ancho de pulso estequiometrico, esto es, para que al introducir en la rectadicho ancho se obtenga la cantidad de masa teorica, se tiene que la recta final es:

met =0,06023

0,059699× (0,0003518 pul + 0,001652) = 0,0003549 pul + 0,001667 (7.11)

4De este modo se consigue que no se evapore. No sumergirlo mas de eso ya que sino la presion hidrostatica generadapuede falsear los datos.

5Ver capıtulo 5



Calibracion con gasolina 95

Procediendo del mismo modo con la gasolina se tiene que:

Figura 7.11: Recta de calibracion con gasolina 95

Cuya ecuacion es:

mg95 = 0,0003571 pul + 0,0008383 (7.12)

Y una vez corregida:

mg95 =0,0388

0,0419× (0,0003571 pul + 0,0008383) = 0,0003307 pul + 0,0007763 (7.13)



CAPITULO 8

ENSAYOS

En este capıtulo se procedera a describir todos los pasos seguidos para la obtencion de los datos conlos que se estudiara la detonacion. El metodo empleado sera el del numero RON y el procedimiento delde compression ratio.

Antes de continuar con la explicacion es necesario realizar las siguientes aclaraciones:

- Se trabaja con el concepto de posicion del micrometro en vez de con el de relacion de compresionpor ser este primero al que hace referencia la norma ASTM. Estan directamente interrelacionadosy son inversamente proporcionales entre sı.

- Se trabaja con pulso de inyeccion en vez de con dosado por ser un parametro mas comodo deusar durante la realizacion de los ensayos.

- Se entiende por ensayo la realizacion de un experimento en condiciones fijas, esto es, pulso deinyeccion y posicion del micrometro constantes.

- Cada ensayo estara compuesto por 100 ciclos. Es un numero lo suficientemente elevado como paratrabajar con valores medios realistas y manejable[8].

8.1. Preparacion

Siguiendo el procedimiento descrito en el apartado de medida, el primer paso que hay que llevar a caboes la obtencion de la posicion de micrometro correspondiente al numero 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 presion atmosferica Patm existente en el laboratorioinferior a 1 bar, para lo que es necesario consultar la tabla 4 de la misma norma. Esto supone uninconveniente ya que la presion del laboratorio varıa de un dıa a otro, por lo que los calculos de posiciondel micrometro a utlizar deben realizarse in situ el dıa que se realicen los ensayos.

Del analisis de la tabla cuatro se observo que el factor de correcion era lineal, siendo la ecuacion quelo parametriza:

factcorr = −0,5906× Patm + 0,598 (8.1)

donde el factor de correcion esta en pulgadas si la presion atmosferica Patm esta en bares.

El ultimo paso que hay que realizar es una correcion especıfica para el motor del laboratorio. Es nece-saria ya que como se vio en el apartado de calibraciones existe un pequeno volumen adicional introducido


ENSAYOS

por el sensor de presion de la camara de combustion, el cual a relaciones de compresion altas, como esen el caso de las que se ensayaran, supone una diferencia notable.

El procedimiento a seguir para obtener la posicion final del micrometro con la que se deben realizarlos ensayos es el siguiente:

1. Obtener el valor de la posicion del micrometro que se corresponde al numero RON del combustibleensayado de la tabla 2 de la norma ASTM.

2. Obtener el factor de correcion, una vez conocida la presion ambiente del dıa en el que se vayan arealizar los ensayos, utilizando la ecuacion 8.1.

3. Restar el valor obtenido en el punto 1 con el obtenido en el punto 2. Esta operacion tiene comoresultado la posicion a la que habrıa que realizar el ensayo en el caso de tener un motor original sinmodificar.

4. Obtener la relacion de compresion asociada a esa posicion de micrometro mirando en las tablasASTM del motor CFR original.

5. Obtener la posicion de micrometro que se corresponde a dicha relacion de compresion usando lacurva de calibracion del motor del laboratorio.

Ademas de para la posicion obtenida, se realizaran ensayos para una superior y otra inferior pudiendode esto modo estudiar el efecto de la variacion de la relacion de compresion en la tendencia de picado.

La otra variable que hay que determinar es el dosado con el que se ensayara. Como la norma noindica cual es el dosado de maximo knocking, se tomaran los siguientes seis anchos de pulso para cadacombustible1:

- Pulsos etanol: 135, 145, 155, 165, 175, 185

- Pulsos gasolina: 85, 95, 105, 115, 125, 135

8.2. Ejecucion

El procedimiento a seguir es el mismo independientemente del combustible ensayado. Los ensayos serealizaron en dos dıas ya que el cambio de un combustible a otro requiere cierto tiempo, al tener quevaciar todo el sistema de inyeccion y el deposito.

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 inyecciony rellenar el deposito con el combustible deseado. Tambien anotar los valores de presion y tempera-tura ambiente, y calcular las posiciones de micrometro con las que se realizaran los ensayos a partirdel procedimiento descrito en el apartado 8.1.

En la siguiente tabla se muestran los valores intermedios para su calculo, quedando el valor finalreflejado en la ultima columna.

1El pulso destacado es el correspondiente a dosado estequiometrico



Combustible RON Posicion ASTM Posicion corregida Rc Posicion motor

Etanol111.6 0.181 0.152 10.846 0.145108.6 0.215 0.186 10.234 0.175106 0.247 0.218 9.696 0.205

Gasolina 9597.1 0.409 0.387 7.635 0.36695 0.441 0.419 7.352 0.396

92.5 0.473 0.451 7.091 0.406

Tabla 8.1: Tabla resumen posiciones de micrometro ensayadas

Se considero oportuno estudiar valores de la posicion del micrometro de ±0,03 in. Para ellas secalculo el correspondiente valor de numero RON al ser un dato que puede resultar de interes a lahora de discutir los resultados.

3. Seguir el procedimiento explicado de arranque del motor y ajustar la velocidad su velocidad a 600rpm y el adelanto de salto de chispa en 13◦, como se indica en la tabla 3.2 para el metodo RON.

4. Una vez que el motor esta caliente, ajustar la relacion de compresion a la mınima de las ensayadas.

5. Grabar los ensayos variando el pulso de inyeccion de forma creciente. Una vez terminado este pasoy antes de variar la posicion, grabar un ensayo con el motor en arrastrado.

6. Repetir el paso 6 para las otras dos posiciones de micrometro calculadas.

7. Apagar el motor siguiendo el procedimiento estipulado.

8.3. Post-tratamiento de los datos obtenidos

Como se explico en el apartado de modificaciones del motor, los datos de los sensores se almacenansin 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 analisis, es necesario realizar las accionesque se detallan en el flujograma conjunto y que en la practica realiza el programa post procesamiento.m.

Figura 8.1: Comparacion de resultados de la prediccion del numero de octano[7]


ENSAYOS

Donde cada etapa del proceso implica lo siguiente:

1. Archivo 16XXX LX corregirarchivos.txt El procedimiento tiene como punto de inicio un archivoexcel donde vienen recogidos todos los datos necesarios para el calculo. Segun la tipologıa de datos decada columna se puede distinguir entre:

Columnas de datos. En ellas viene el dato que se utilizara tal cual llamandolo desde MatLab.Launica columna de este tipo es la de la presion ambiente, parametro fundamental para obtener elvalor de presion en la camara de combustion al ser el sensor que lo adquiere de tipo manometrico.

Columnas de rutas de archivos. En ellas vienen almacenadas las rutas de los archivos .txt que con-tienen 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 enMatLab.

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 departida para conseguir que la posicion 1800 dentro de las 3600 que componen un ciclo se correspondacon el PMS.

4. Correccion del cero flotante. Como ya se comento en el apartado de calibraciones es necesarioestablecer un cero para los sensores de presion diferencial por ser de tipo piezoelectrico. Este cero seestablece para cada ciclo.

5. Aplicacion de las curvas de calibracion.

6. Generacion del archivo . . . DSC.txt Almacenamiento de los datos centrados y corregidos en laruta indicada en la columna DSC.

7. Calculo del ciclo mediana. Obtencion del ciclo mediana.

8. Generacion del archivo . . . DSCM.txt Almacenamiento de los datos correspondientes al ciclomediana en la ruta indicada en la columna DSCM.

9. Filtrado de datos. Eliminacion del 10 % de los ciclos recogidos que presenten una mayor desviacioncon respecto al ciclo mediana. Es necesario realizar este paso para eliminar ciclos irregulares que hayanpodido venir ocasionados por un fallo de los sensores.

10. Generacion del archivo . . . DSCF.txt Almacenamiento de los datos centrados, corregidos y filtra-dos en la ruta indicada en la columna DSCF.

11. Calculo de la media de ciclos. Obtencion 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 representacion masfiel de la realidad.

12. Generacion del archivo . . . DSMC.txt Almacenamiento de los datos correspondientes a la mediade los ciclos, calculada en el paso anterior, en la ruta indicada en la columna DSMC.



CAPITULO 9

RESULTADOS

En el siguiente capıtulo se procedera a extraer los parametros a estudiar definidos en los objetivos delproyecto.

Los programas de MatLab utilizados para la obtencion de los resultados, los cuales han sido desarro-llados especıficamente para reducir el tiempo de analisis, vienen senalados en cada apartado, y su codigoy una explicacion mas profunda del mismo figura en el correspondiente anexo.

9.1. Analisis previo

Es necesario realizar un analisis preliminar de los datos post-procesados para comprobar que lascalibraciones realizadas sean correctas y para facilitar el desarrollo de los programas utilizados durante elestudio de la detonacion, ası como para conocer la magnitud de la dispersion cıclica con la que se trabaja.

Analisis visual

Se ha utilizado el programa graficas presion.m en conjunto con carga datos.m para obtener de manerarapida y sencilla los diagramas angulo girado - presion de la camara de combustion y ası poder saberbajo que condiciones se detecta mayor picado y la magnitud de la dispersion cıclica.

Las graficas mostradas a continuacion, una para cada combustible de las dieciocho posibles, han sidoescogidas por ser aquellas en las que a simple vista se detecta un mayor picado.

(a) Ciclo completo (b) Zona de combustion

Figura 9.1: Ejemplo graficas obtenidas en los ensayos con etanol.


RESULTADOS

(a) Ciclo completo (b) Zona de combustion

Figura 9.2: Ejemplo graficas 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 todoslos ciclos dentro de un mismo ensayo se observa detonacion. Este hecho es completamente normal segunlas referencias bibliograficas consultadas[2]y[1], donde recomiendan trabajar con valores medios de losparametros asociados a la combustion para estudiar este fenomeno siempre y cuando la muestra cogidatenga un numero substancial de ciclos.

Es importante aclarar que lo que recomiendan es trabajar con la media de los valores una vez queestos han sido hallados para cada ciclo, no trabajar con la curva de media de ciclos ya que, en este caso,provocarıa la desaparicion de los efectos del picado y supondrıa un falseamiento de los resultados.

Ademas, se sigue observando la existencia de dispersion cıclica. Aunque justo en estas graficas no esmuy acusada, en algunas de las que se quedan sin mostrar la presion maxima de un ciclo a otro puedevariar hasta 25 bar. Como se acaba de senalar esto sucede en parte por la existencia de ciclos en los queno existe picado, por lo que para salir de dudas sera necesario obtener y analizar las graficas de fraccionquemada.

Analisis de la fraccion quemada

Debido a que la irregularidad cıclica obtenida no se puede justificar exclusivamente con la existenciao no de picado y con la diferencia de composicion de la mezcla en las inmediaciones de la bujıa cuandosucede el salto de chispa, es necesario realizar este analisis para conocer que sucede.

Una vez descartado el hecho de que el inyector no inyectara la misma cantidad de combustible porproblemas electronicos, como se vio en el apartado de calibraciones, y estimada la variabilidad de lacantidad de aire admitido en cada ciclo en un 2 %1 se procedio a la obtencion de las graficas de fraccionde 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 dispersion segun quecondiciones de ensayo. Esto puede venir justificado por los siguientes motivos:

- El modelo utilizado para el calculo de la FMQ tiene como hipotesis que el rendimiento de lacombustion es del 100 %, hecho inverosımil en cualquier proceso real y mas si cabe por las condicionesa las que se lleva a cabo la combustion en los motores de combustion interna.

- El valor del gamma utilizado es muy difıcil de obtener por el mismo motivo, ademas de ser unparametro dependiente de la temperatura y el empleado se ha considerado constante para cadaensayo, cuando la temperatura cambia en funcion de la relacion de compresion.

1Valor obtenido calculando el caudal admitido de cada ciclo de cada ensayo y sacando su error respecto al valor medio.



- Al estar la presion directamente relacionada con la calidad de la combustion, la dispersion delprimer parametro se traslada al segundo.

Utilizando en este caso como ejemplo un ensayo de alto grado de dispersion se obtiene que ladispersion en las graficas de fraccion de masa quemada aumenta conforme aumenta la de la presionen camara.

(a) FMQ (b) Presion en la zona de combustion

Figura 9.3: Ejemplo para un ensayo realizado de etanol con dosado pobre.

- Dispersion de caudal inyectado en cada ciclo debido a irregularidades en el movimiento de cierre dela aguja del inyector.

Comparando la figura 9.3 con la figura 9.1 se puede observar como, aun habiendo sido realizadosestos dos ensayos bajo la misma relacion de compresion, el hecho de variar el dosado provoca una altadispersion. Esta diferencia ademas de ser explicada por la cantidad de ciclos en los que se observa picado,es muy probable que venga justificada por la cinetica del inyector, que segun que ancho de pulso se indiqueque se debe inyectar responda de mejor o peor manera.

A pesar de ser un problema que afecta a los resultados que se obtendran a continuacion, al no sercuantificable se adopta como hipotesis de calculo que la masa inyectada por el inyector para cada pulsoes la indicada segun cada recta de calibracion y que el dosado para cada condicion ensayada es constante,adoptando el valor medio de todos los ciclos que lo componen.


RESULTADOS

9.2. Obtencion de resultados

Una vez estudiados de forma preliminar los datos corregidos y determinadas las hipotesis de calculoque se utilizaran, se procede a la obtencion de los parametros necesarios para estudiar la detonacionutilizando el programa estudio completo detonacion.m cuyo funcionamiento viene descrito por el siguienteflujograma:

Figura 9.4: Flujograma de calculo de parametros para el estudio de la detonacion

Donde cada etapa del proceso comprende lo siguiente:

1. Archivo 16XXX LX.txt El procedimiento tiene como punto de inicio un archivo excel dondevienen recogidos todos los datos necesarios para el calculo. Segun la tipologıa de datos de cadacolumna se puede distinguir entre:

Columnas de datos. En ellas viene el dato que se utilizara tal cual llamandolo desde MatLab.Estas columnas son:

- Nombre.

- Numero identificador.

- Posicion del micrometro.

- Codigo 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 quecontienen los datos procesados que fueron recogidos de los sensores o donde se quiere almacenarlos 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 posicion del micrometrocon el motor funcionando en arrastrado.

- ED Estudio de detonacion de cada ensayo. En el se almacenan los datos obtenidos paracada uno de los ciclos de los que esta compuesto.

2. Carga de datos. Etapa previa al inicio de las operaciones. Mediante el subprograma carga datos.mse introducen todos los datos contenidos en el archivo excel a MatLab.



3. Calculo de masas y dosado. Calculo de la masa de aire introducida en cada ciclo, la masa decombustible inyectada, y el dosado relativo mediante el subprograma calculo masasydosado.m.

4. Calculo del salto de presion de inicio de la combustion. Calculo del salto mediante elsubprograma saltoP encendido.m.

5. Calculo de parametros despues del inicio de la combustion. Calculo del numero de oscila-ciones de presion significativas (de 368◦a 400◦), del mayor salto de presion dentro de ese intervalo,de la posicion del intervalo en la cual ha tenido lugar y de otros parametros auxiliares que facilitaranel analisis global de resultados mediante el subprograma estudio despues salto.m.

6. Calculo del ındice de detonacion. Clculo del sumatorio de las densidades espectrales compren-didas en el rango de 3000 a 9000Hz de la transformada de Fourier de la senal de presion de lacamara de combustion mediante el subprograma indice detonacion.m.

7. Agrupacion de los resultados obtenidos. Concatenacion de las matrices de resultados obtenidasen las etapas anteriores, obteniendose de esta forma una unica variable en la que quedan agrupadostodos los parametros de todos los ciclos de todos los ensayos.

8. Generacion de archivos ...ED.txt Almacenamiento de los resultados obtenidos de cada ensayoen la ruta indicada en la columna ED. Estos archivos tienen como finalidad dejar constancia deresultados obtenidos a la vez que sirven como copia de seguridad.

9. Calculo de medias de cada ensayo. Calculo del valor medio de los ciclos de cada ensayo enaquellos datos que finalmente se usaran para el estudio de la detonacion, los cuales son: salto depresion en el inicio de la combustion, numero de oscilaciones significativas e ındice de detonacion.

10. Generacion de archivo de estudio de detonacion. Almacenamiento de los valores mediosgenerados en la etapa anterior. El archivo generado esta formado por las siguientes columnas2:

1. Pulgadas de micrometro a las que fue realizado el ensayo.

2. Dosado relativo al que fue realizado el ensayo.

3. Salto de presion en el inicio de la combustion.

4. Numero de oscilaciones significativas.

5. Indice de detonacion.

2El numero se corresponde con la posicion que ocupan dentro del archivo.


RESULTADOS

Aplicando dicho programa a cada combustible ensayado se obtienen las siguientes tablas de resultados:

Pulgadascomparador

Dosadorelativo

Salto depresiones [bar]

Numero deoscilaciones

Indice dedetonacion

0.145 0.82 1.81571 3 0.4339220.145 0.88 2.02902 8 1.140980.145 0.94 2.25576 16 2.954530.145 1 1.56699 21 3.359890.145 1.06 1.2741 18 2.966410.145 1.12 0.935278 14 2.095520.175 0.82 1.23484 2 0.3491280.175 0.88 1.12479 5 0.6768670.175 0.94 1.74183 8 1.009790.175 1 1.36859 13 1.543190.175 1.06 0.861511 16 1.895720.175 1.12 0.967056 12 1.345750.205 0.82 0.3141 4 0.2769180.205 0.88 0.929122 2 0.3777750.205 0.94 0.801156 4 0.5469240.205 1 0.816878 6 0.6959460.205 1.06 0.408111 4 0.5590590.205 1.12 0.120433 4 0.518165

Tabla 9.1: Resultados de los ensayos con realizados con etanol.

Pulgadascomparador

Dosadorelativo

Salto depresiones [bar]

Numero deoscilaciones

Indice dedetonacion

0.366 1.17 0.306678 17 0.9910110.366 1.09 0.432744 21 1.378020.366 1 0.274356 19 1.310480.366 0.91 0.497956 14 0.970730.366 0.82 0.393244 4 0.3743860.366 0.73 0.0304 5 0.2691750.396 0.73 0.0377889 5 0.2734570.396 0.82 0.0360889 1 0.2716870.396 0.91 0.153478 8 0.492270.396 1 0.199256 11 0.640590.396 1.09 0.0689889 9 0.5318650.396 1.17 0.0298778 5 0.3640770.426 1.17 0.0241889 5 0.3049990.426 1.09 -0.00216667 3 0.3022760.426 1 -0.0229667 4 0.3190660.426 0.91 0.0981222 3 0.3006910.426 0.82 0.0154 2 0.2663590.426 0.73 0.0152889 4 0.272512

Tabla 9.2: Resultados de los ensayos realizados con gasolina 95.

9.3. Analisis de resultados

Para poder estudiar la existencia o no de tendencias de los parametros escogidos para el estudio dela detonacion es necesario graficar los resultados de las tablas 9.1 y 9.2.



Se ha procedido a realizar tres graficos por cada combustible utilizado, agrupando en cada graficolos ensayos de misma posicion de micrometro. Dentro de cada grafico el eje x representa los dosadosrelativos a los cuales fue realizado cada ensayo, quedando el eje y adimensional3 al representar tres datosdiferentes.

Figura 9.5: Graficos para el estudio de tendencias

De estas graficas se pueden deducir las siguientes conclusiones generales:

- Numero de oscilaciones significativas. Su valor aumenta, para cada combustible, conforme aumentala relacion de compresion ensayada4. Esto era de esperar puesto que a mayor relacion de compresion,mayor es la presion maxima alcanzanda en la camara de combustion y por tanto mayor sera lafrecuencia de las fluctuaciones de presion recogidas por el sensor[2].

Se observa que deja de seguir una tendencia clara para la menor de las relaciones de compresion

3Unidades senaladas en la leyenda de cada grafico segun corresponda.4La relacion de compresion es inversamente proporcional a la posicion del micrometro


RESULTADOS

ensayadas. Esto viene justificado por el hecho de que a esas relaciones de compresion el picado esleve y el concepto de oscilaciones significativas tal y como se ha definido no sea aplicable.

- Amplitud del salto de presiones de inicio de la combustion. Este es el parametro que se indica en eltexto de referencia consultado[2] como indicador mas preciso de la severidad del picado. Se observaque el maximo se obtiene para dosados ligeramente pobres, pero se descarta su uso por no observarseuna tendencia clara.

Para poder tenerlo en cuenta serıa necesario disponer de una mayor frecuencia de adquisicion dedatos ya que el tiempo que tarda la onda de presion en recorrer la camara de combustion es delmismo orden que la frecuencia de la que se dispone en el momento de realizacion del proyecto.Con este aumento de frecuencia se podrıan observar mejor los saltos de presiones en la zona decombustion y si se esta perdiendo datos significativos como se estima, pudiendose obtener entoncesuna tendencia mas clara de este parametro.

- Indice de detonacion. Se observa que el maximo se obtiene para dosados estequiometricos o ligera-mente ricos, manteniendose esa tendencia para cuatro de las seis graficas representadas. Este hechohace que se decida que este es el parametro que mejor representa el fenomeno de detonacion al serlas graficas que no lo cumplen las correspondientes a condiciones en las que practicamente no sedetecto picado durante el analisis visual.

Para poder estudiar mejor las implicaciones del parametro elegido, se representa el ındice de detonacionmedio de cada ensayo frente al dosado relativo obteniendose el siguiente grafico:

Figura 9.6: Indice de detonacion medio

Del estudio de este grafico pueden extraerse tanto tendencias ya previstas, el ındice de detonaciones inversamente proporcional a la posicion del micrometro, como nuevas, obteniendo que el dosado demaximo knocking es un dosado ligeramente rico.

Sin embargo, lo mas interesante de la grafica 9.6 es la gran similitud existente entre los resultadosobtenidos para los ensayos del etanol con posicion del micrometro de 0.175in y de gasolina 95 con po-



sicion del micrometro de 0.366in. Como se vio en el apartado de preparacion de ensayos, la posicionde micrometro del etanol es la determinada por la norma ASTM para su ensayo mientras que la de lagasolina es inferior a la estipulada. Esto se puede interpretar de dos formas:

- El numero de octano del etanol es inferior al senalado. Esto es poco probable ya que el etanol esun compuesto que puede ser obtenido con un grado de pureza del 99 %.

- El numero de octano de la gasolina 95 es superior al senalado. Opcion logica al ser 95 el mınimonumero RON que puede tener una gasolina para ser comercializada bajo esa denominacion.

Siendo la mas viable la segunda opcion, puede estimarse que el numero RON de la gasolina utilizadaen el ensayo es mas cercano a los 97.1 que a los 95 RON. El hecho de poder hacer esta afirmacion esun gran logro, ya que se comprueba que este parametro es el mas valido para el estudio del numero deoctano por permitir hacer esa hipotesis.


RESULTADOS



CAPITULO 10

CONCLUSIONES

Las conclusiones obtenidas de la realizacion del proyecto se dividiran en conclusiones particulares,aquellas extraıdas de los ensayos realizados, y conclusiones generales, donde se dara una vision globalfinal del conjunto del proyecto.

10.1. Conclusiones particulares

La principal conclusion extraıda de los ensayos es que es posible estudiar la tendencia a detonar deun combustible, y por tanto su numero de octano, mediante el empleo del parametro llamado ındice dedetonacion.

Este resultado es de gran importancia ya que abre la puerta al desarrollo de un nuevo metodo deobtencion del numero de octano basado en parametros propios del combustible en cuestion, lo que su-pondrıa una gran revolucion ya que desde que se definio el metodo de obtencion del numero de octano,este ha permanecido invariante. Ademas, al no tener que comparar el combustible ensayado con otros dereferencia, se reducirıan en gran medida los costes y tiempos de ensayo.

Sin embargo, aunque los datos obtenidos son prometedores, es necesario realizar mas ensayos, estavez con mezclas de combustibles de referencia para estar completamente seguros de los numeros deoctano ensayados. A este hecho hay que sumarle que, si como se prev que haga, el ındice de detonacioncorresponde a un numero fijo, este no podra ser obtenido en el laboratorio de la escuela ya que el motorutilizado no esta normalizado y, aunque es muy util para obtener tendencias, no es lo suficientementepreciso como para obtener resultados exactos.

Otra conclusion importante anteriormente senalada es la obcervacion de que el dosado de maximoknocking, ese que indica la norma ASTM que es con el que se debe obtener maximo picado pero noproporciona su valor exacto, es cercano al estequiometrico desde el lado de los dosados ricos, contrario alo que se pensaba al inicio del presente trabajo.

Este hecho es muy util para posteriores trabajos que se realicen ya que se podra focalizar el rango dedosados estudiado durante los ensayos a esa franja, obteniendo de esta forma resultados mas precisos.

10.2. Conclusiones generales

Este trabajo ha permitido profundizar en el conocimiento de los factores influyentes en la combustionanormal de los motores de combustion interna. Los resultados obtenidos contribuyen a continuar y mejorar


CONCLUSIONES

la lınea de investigacion que desde hace varios anos se desarrolla en el

Gracias a la realizacion del presente proyecto se ha podido profundizar en el estudio de los factoresinfluyentes en la combustion anormal de los motores de combustion interna y validar el ındice de detona-cion como metodo alternativo al numero de octano para el estudio de la detonacion de los combustiblesutilizados en motores de encendido provocado.

Este hecho supone la apertura de una nueva y prometedora lınea de investigacion en el laboratorio deMotores Termicos de la Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales.

Dejando a un lado los resultados obtenidos en los ensayos, gracias a la labor previa a estos se aseguraque los datos obtenidos de cualquier ensayo que se lleve a cabo en el banco utilizado, ya sean de conti-nuacion del estudio de la detonacion o del estudio de combustion de mezclas de varios combustibles endistintos estados de agregacion como se venıa haciendo en anos anteriores, seran:

- Repetibles y reproducibles. Las dos mejoras mecanicas introducidas, encendido electronico y ob-tencion de la posicion de la mariposa por lectura del valor del potencımetro que lleva integrado,permiten realizar los ensayos en las mismas condiciones.

- Precisos. Gracias a la extensa labor de calibracion de equipos se puede afirmar que los datos ahoraobtenidos son lo mas fieles a la realidad. Al quedar descritos los procedimientos empleados, quedaperfectamente detallado como se deben realizar las calibraciones en el caso de que se requiera enproyectos futuros.

- Completos. El nuevo programa desarrollado en LabView permite la grabacion de datos de sensoresque no van a la tarjeta DAQ y que de otro modo no serıan registrados.

- Identificables. El codigo de identicacion creado permite que cualquier persona ajena a la realizacionde ensayos pueda hacer uso de los datos obtenidos al quedar reflejado en el las principales condicionesen las que fueron obtenidos y el contenido del mismo.

Ademas, el desarrollo de una metodologıa de post-procesamiento de los datos obtenidos ha supuestouna enorme reduccion del tiempo empleado en el analisis de los datos obtenidos. Aunque no todo elcodigo pueda ser reutilizado, hecho que dependera de los parametros que se quieran estudiar, la idea deimportar datos desde Excel a MatLab con el uso de una varible table es perfectamente valida para lossiguientes proyectos.

La realizacion de este proyecto ha supuesto la aplicacion practica real de todo el conocimiento ad-quirido durante los anos pasados en la Escuela. Ha sido un proyecto transversal en el que se han tocadodisciplinas que van desde la mecanica de un motor hasta la programacion en diversos lenguajes pasandopor la termodinmica de la combustion, el analisis estadıstico de datos y la creacion de contenido de faciluso para un usuario no experto en el tema como puede ser el Front Panel de la aplicacion de adquisicionde datos.

Todo esto, sumado a los aspectos derivados de ser un trabajo de investigacion experimental, hace quesea la forma idonea de acabar esta etapa dentro de mi formacion como futura ingeniera.



CAPITULO 11

LINEAS FUTURAS

A pesar de haber sido comentadas las futuras acciones a realizar se ha decido agruparlas en este brevecapıtulo y clasificarlas segun el ambito en el que se encuadren.

Mejora del banco de ensayos

Se consideran precisas y urgentes las siguientes mejoras:

- Sustitucion del ordenador. El ordenador que se utiliza para la adquisicion, visualizacion y alma-cenamiento de los datos de los sensores ha quedado obsoleto y ocasiona muchos fallos durante suutilizacion. Aunque se realizo una limpieza de los archivos que contenıa, esta no ha sido suficiente.Serıa conveniente sustituir la torre por una nueva con mayor RAM y un sistema operativo masmoderno.

- Sustitucion del circuito amplificador de la senal de inyeccion. A pesar de funcionar perfectamentecomo se comprobo en el apartado de calibraciones, las condiciones en las que se encuentra, a merceddel polvo y golpes, hacen pensar que tardara poco en fallar. Se propone sutituir la protoboard por unaplaca en la que vayan los componentes soldados y que dicha placa tenga una cubierta transparente.

- Determinacion de la irregularidad de la inyeccion de combustible debida por la cinetica del inyector.Se ha eliminado la posibilidad de que dicha irregularidad venga determinada por la seal enviada delprograma por lo que es necesario cuantificar la irregularidad mecanica ya que como se vio en lasgraficas de fraccion de masa quemada la cantidad inyectada en cada ciclo no es constante.

Otra mejora importante a introducir, aunque inviable a corto plazo, serıa la automatizacion de laadquisicion de los datos auxiliares que en la actualidad tienen que ser tecleados en LabView. Para ello lomas probable es que hiciera falta otra tarjeta de adquisicion de datos que se usara en exclusiva para esefin.

Y por ultimo dentro de este apartado, serıa muy interesante conectar el programa ETU Remote conLabView, hecho viable ya que durante la investigacion sobre el programa de inyeccion se descubrio queel fabricante tiene modulos compatibles con dicho software.

Estudio de la detonacion

Como se ha comentado en el apartado de conclusiones particulares, los ensayos inmediatos que sedeben realizar son los correspondientes a mezclas de los combustibles de referencia, iso-octano y heptano,


LINEAS FUTURAS

de numeros RON iguales a los combustible ensayados para contrastar los resultados obtenidos y tambienuna mezcla con el numero RON que se ha estimado que podrıa tener la gasolina, esto es, 97.1.

Despues de estos ensayos y con los resultados obtenidos se tendrıa que desarrollar un metodo para ladeterminacion del numero de octano a partir del ındice de detonacion.

En el caso de que en dichos ensayos no se obtuviesen los resultados deseados, se podrıa continuar conel estudio de la detonacion y la idea de definir un nuevo concepto que lo parametrice de forma rapida yeconomica mediante el uso del parametro salto de presion en el inicio de la combustion.

Para ello serıa necesario modificar la frecuencia con la que se obtienen los datos teniendo que crear unaescala de tiempos ficticia para ello y solventando todos los problemas que se generaran ya que el motorCFR, a pesar de tener un motor electrico que actua para que gire a velocidad constante, el valor elegidooscila en ±5rpm. Este hecho no afecta a los datos obtenidos pero si puede suponer un grave problema detener que ir por esta vıa de analisis.



CAPITULO 12

PRESUPUESTO

Los costes incurridos en el material necesario para la realizacion del proyecto son los siguientes:

Concepto Precio eMaterial electrico 30Gasolina 95 25L 28Etanol 25 L 55Refrigerante 30TOTAL 143

Tabla 12.1: Costes en material

Su bajo importe es debido a que la mayorıa de las piezas que han hecho falta se han cogido de otrosmotores que habıa inutilizados en el taller.

A partir de la planificacion temporal se han establecido las horas promedio empleadas por cadacategorıa de los trabajadores que han colaborado en la realizacion del proyecto, lo que sumado al restode costes asciende a un total de 10863e.

Concepto Horas e/hora Total eIngeniero junior 800 5 4000Personal laboratorio 60 12 720Director de proyecto 40 20 800Materiales 143Amortizacion 650 8 5200Costes indirectos 1846.71TOTAL 10863

Tabla 12.2: Costes totales del proyecto

Aclaraciones:

- Se ha considerado una amortizacion de equipos de 8e/hora.

- La partida de costes indirectos se estima en un 17 % del total del resto de costes. En ella se incluyengastos de luz, electricidad, agua, internet. . .


PRESUPUESTO



BIBLIOGRAFIA

[1] F Payri, JM Desantes, et al. Motores de combustion interna alternativos. Reverte, 2011.

[2] John B Heywood et al. Internal combustion engine fundamentals, volume 930. Mcgraw-Hill NewYork, 1988.

[3] George E Totten, Steven R Westbrook, and Rajesh J Shah. Fuels and lubricants handbook: tech-nology, 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 gasolineoctane 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 Fernandez Fernandez, Marıa Dolores Ruiz Martınez, Mercedes Bal-mayor Moure, Mercedes Laza Noa, Jorge Enrique Ross Echavarrıa, Mirtha Otero de Zayas, andLeonardo Simeon Armada. La espectroscopia infrarroja y el metodo de calibracion multivariada demınimos cuadrados parciales en la prediccion del ındice de octano experimental de gasolinas. RevistaCENIC. Ciencias Quımicas, 37(1):3–7, 2006.

[8] Daniel Agudo Fernandez. Estudio experimental de la combustion hıbrida de n-butanol y metano enun motor de combustion interna alternativo. Proyecto final de carrera, Escuela Tecnica Superior deIngenieros Industriales - Universidad Politecnica 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 kolbenmas-chinen. Automobil-Industrie, 4:15–21, 1976.


BIBLIOGRAFIA



ANEXOS



ANEXO A

SUB-VI AUXILIARES

A continuacion se procede a mostrar el block-diagram de los distinto sub-vi que constituyen parte delprograma principal de adquisicion 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


SUB-VI AUXILIARES

subvi nombre archivos.vi

Figura A.3: Block-diagram de subvi nombre archivos.vi



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


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



ANEXO B

PROGRAMAS DE MATLABEMPLEADOS

Para el correcto funcionamiento de los programas que seran descritos a continuacion es fundamentalque se mantenga la nomenclatura de las columnas de los Excel utilizados en cada caso, ya que de locontrario los programas no funcionaran.

B.1. Calibraciones

Para el calculo de la posicion del PMS y posteriormente para la relacion de compresion por el metodotemodinamico se han empleado los siguientes programas

Corregir datos

Programa precursor del complejo post procesamiento.m que se vera mas adelante, este programa seutilizo 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 datos=readtable(filepath); %Filepath del archivo maestro Excel4 [m, n]= size(datos); %m: numero de filas, n: numero de columnas (del Excel importado)5

6 [md, nd] = size(load(char(datos.Path(1)))); %md: numero de filas, nd: numero de columnas ...(del txt)

7 ciclos=md/3600;8

9 %Inicializacion de variables10 AAux=zeros(md,nd,m);11 BAux=zeros(md-3600,nd,m);12 PMI=913;13 PMS=2713;14 RCA=PMS-900+(32/0.2); %Posicion encoder del RCA: 32 despues del PMI15 rango=813:913; %Posiciones de encoder con las que se corrige el cero flotante del caudalımetro16 cero caudal=0; cero presion=0;17 media conducto=0;18

19 %Inicio calculos20 for i=1:m21 %Deshacer el cambio, resultados en Voltios22 AAux(:,:,i)=load(char(datos.Path(i))); %Carga de datos archivo a archivo


PROGRAMAS DE MATLAB EMPLEADOS

23 AAux(:,2,i)=(AAux(:,2,i)+0.4247)/10.223; %Deshace cambio sensor presion c.combustion24 AAux(:,3,i)=(AAux(:,3,i)-25)/295.5; %Deshace cambio caudalımetro25 for j=1:ciclos26 %Correcion voltios presion c.combustion27 cero presion=AAux(RCA+3600*(j-1),2,i);28 AAux(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i)=AAux(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i)-cero presion;29 %Correccion voltios caudalımetro30 cero caudal=median(AAux(rango+3600*(j-1),3,i));31 AAux(3600*(j-1)+1:3600*j,3,i)=AAux(3600*(j-1)+1:3600*j,3,i)-cero caudal;32 end33 %Aplicar rectas de calibracion correctas34 AAux(:,2,i)=AAux(:,2,i)*10.188+datos.P amb(i); %Teniendo en cuenta que P(RCA)=Pamb35 AAux(:,3,i)=345.6448*AAux(:,3,i)-6.6846*AAux(:,3,i).ˆ2;36 BAux(:,:,i)=AAux((PMI+1:PMI+3600*(ciclos-1)),:,i);37 dlmwrite(char(datos.Path corregido(i)),BAux(:,:,i),'delimiter','\t','newline','pc');38 end

Posicion del PMS

1 function PMS = posicion pms(filepath)2

3 %Carga de datos corregidos4 [AAux, ciclos, m, datos] = corregir datos(filepath);5

6 %Inicializacion de variables7 Pmax=zeros(m*ciclos,1); aux1=0;8 Encoder Pmax=zeros(m*ciclos,1); aux2=0;9

10 %Inicio calculos11 for i=1:m12 for j=1:ciclos13 [aux1, aux2]=max(AAux(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i));14 Pmax(ciclos*(i-1)+j)=aux1;15 Encoder Pmax(ciclos*(i-1)+j)=aux2;16 end17 end18

19 PMS=median(Encoder Pmax);20

21 %Graficos22 figure23 ax1=subplot(2,1,1);24 ax2=subplot(2,1,2);25 plot(ax1,Pmax,Encoder Pmax,'LineStyle', 'none','Marker','*', 'MarkerEdgeColor', [0.5430 0 ...

0]) %DarkRed26 title(ax1,'Posicion encoder en funcion de la presion maxima de la camara de combustion')27 xlabel(ax1,'Presion maxima')28 ylabel(ax1,'Posicion encoder')29 histogram(ax2,Encoder Pmax,'FaceColor',[0.5273 0.8047 0.9792]) %LightSkyBlue30 title(ax2, 'Histograma posicion encoder')31 xlabel(ax2, 'Posicion encoder')32 ylabel(ax2, 'Numero de veces que se repite')

Relacion de compresion - Metodo geometrico

1 function [res, datostxt]= relacion compresion (filepath)2

3 %Carga de datos corregidos4 [AAux, ciclos, m, datos] = corregir datos(filepath);5

6 %VARIABLES7 %Inicializacion de variables8 res=zeros(m,3); %En res(:,1) se guarda guardar la P del PMS (la media de todos los ciclos)9 %En res(:,2) se guarda la RC

10 %En res(:,3) se guardan las decimas del comparador11 rc prima=0; Vc=0; Pmax=0; PMS=2713;



12 datostxt=zeros(3600,2);13

14 % Parametros del motor - Longitudes en [cm]15 D=8.255; %Diametro del piston16 R=5.715; %Longitud de la manivela17 L=25.4; %Longitud de la biela18 lambda=R/L;19 alpha=32*(pi/180); %Angulo de cierre de la admision20

21 %Coeficiente adiabatico del aire22 %gamma=1.39;23

24 %CALCULOS PREVIOS25 %Correspondencia posicion angulo-encoder26 encoder=[1:3600]';27 angulos=zeros(3600,1);28 angulos=(encoder-(PMS-1800))*0.2;29 for i=1:360030 if angulos(i)<031 angulos(i)=angulos(i)+720;32 end33 datostxt(i,1)=angulos(i);34 angulos(i)=angulos(i)*(pi/180);35 s=R*(1-cos(angulos(i))+(1/lambda)*(1-sqrt(1-lambdaˆ2*(sin(angulos(i)))ˆ2)));36 datostxt(i,2)=((pi*Dˆ2)/4)*s;37 end38

39 %Cilindrada del motor40 V=((pi*Dˆ2)/4)*2*R; %Smax=2*R41

42 %Volumen barrido por el piston en alpha43 s alpha=R*(1-cos(alpha)+(1/lambda)*(1-sqrt(1-lambdaˆ2*(sin(alpha))ˆ2)));44 V alpha=((pi*Dˆ2)/4)*s alpha;45

46 %CALCULOS47 res(:,3)=datos.Decimas comparador(:);48 for i=1:m49 for j=1:ciclos50 Pmax=AAux(PMS+3600*(j-1),2,i)+Pmax;51 end52 Pmax=Pmax/ciclos;53 rc prima=(Pmax/datos.P amb(i))ˆ(1/datos.Gamma(i));54 Vc=(V-V alpha)/(rc prima-1);55 res(i,2)=(V+Vc)/Vc;56 res(i,1)=Pmax;57 Pmax=0; %Hay que igualarlo a cero ya que sino se irıa acumulando58 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 ellosvienen los datos generales del mismo y en otro los datos de los sensores en voltios y tal y como han sidoadquiridos por el programa.

Para poder utilizarlos es necesario centrarlos de modo que el PMS de compresion corresponda a la pos-cion 1800 del encoder, hallar la correcion de cero flotante ciclo a ciclo para los dos sensores piezoelectricosde los que se dispone (sensor de presion de la camara de combustion y sensor de presion diferencial delcaudalımetro) y finalmente aplicar las curvas de calibracion obtenidas mediante ensayo. De la realizacionde estos pasos se obtienen los archivos .DSC

Ademas se ha procedido a obtener otros conjuntos de datos que seran muy utiles durante su analisiscomo son la obtencion de los ciclos centrados, calibrados y filtrados .DSCF, el ciclo mediana .DSCM y lamedia de los ciclos recogidos .DSMC

1 function post procesamiento(filepath)



2

3 %CARGA DE DATOS Y CALCULOS AUXILIARES4 datos=readtable(filepath); %Filepath del archivo maestro Excel5 [m, n]= size(datos); %m: numero de filas, n: numero de columnas (del Excel importado)6

7 [md, nd] = size(load(char(datos.Path datosvoltios(1)))); %md: numero de filas, nd: numero ...de columnas (del txt)

8 ciclos=md/3600;9 ciclos reales=ciclos-1; %El archivo .DS incluye un ciclo mas del deseado por la config de ...

LabView10 ciclos eliminar=round(0.1*ciclos reales); %se decide quitar un 10% del numero real de ...

ciclos recogidos11

12 PMS esc=2713-1800; %El PMS de compresion de los datos sin centrar en 271313 RCA=1800-900+(32/0.2); %Posicion encoder del RCA: 32 despues del PMI14 rango=3500:3600; %Posiciones de encoder con las que se corrige el cero flotante del ...

caudalımetro15

16 %INICIALIZACION DE VARIABLES17 AAux=zeros(3600*ciclos,nd,m); %Se guardan los datos de los archivos .DS18 BAux=zeros(3600*ciclos reales,nd,m); %Se guardan los datos centrados y calibrados (futuro ...

.DSC)19 CAux=zeros(3600,nd,ciclos reales);20 DAux=zeros(3600,ciclos reales-ciclos eliminar,nd);21 Pmax ciclo=zeros(ciclos reales,1);22 ciclomediana=zeros(3600,nd);23 mediaciclos=zeros(3600,nd);24 ciclos ccfiltrados=zeros(3600*(ciclos reales-ciclos eliminar),nd);25 cero caudal=0; cero presion=0;26 media conducto=0;27

28 %INICIO CALCULOS29 for i=1:m30 AAux(:,:,i)=load(char(datos.Path datosvoltios(i))); %Carga de datos archivo a archivo31 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 posicion 1800 y el PMS esc a la 360032 %Calculo de las correcciones de cero flotante33 for j=1:ciclos reales34 %Correcion voltios presion c.combustion35 cero presion=BAux(RCA+3600*(j-1),2,i);36 BAux(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i)=BAux(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i)-cero presion;37 %Correccion voltios caudalımetro38 cero caudal=median(AAux(rango+3600*(j-1),3,i));39 BAux(3600*(j-1)+1:3600*j,3,i)=BAux(3600*(j-1)+1:3600*j,3,i)-cero caudal;40 end41 %Aplicar rectas de calibracion correctas42 BAux(:,1,i)=BAux(:,1,i)*0.2;43 BAux(:,2,i)=BAux(:,2,i)*10.188+datos.P amb(i); %Bajo la hipotesis de que P(RCA)=Pamb44 BAux(:,3,i)=345.6448*BAux(:,3,i)-6.6846*BAux(:,3,i).ˆ2;45 %Guardar los datos corregidos y centrados46 dlmwrite(char(datos.Path datoscalibradoscentrados(i)),BAux(:,:,i),'delimiter','\t','newline','pc');47 %CALCULOS PREVIOS PARA LA CREACION DE LOS ARCHIVOS RESTANTES48 for k=1:ciclos reales49 %Carga de datos para facilitar su manejo50 CAux(:,:,k)=BAux(3600*(k-1)+1:3600*k,:,i);51 %Calculo de Pmax de cada ciclo para luego calcular la mediana52 [aux1, aux2]=max(BAux(3600*(k-1)+1:3600*k,2,i));53 Pmax ciclo(k)=aux1;54 end55 %Ciclo mediana56 [Pmax ord, P indciclo]=sort(Pmax ciclo);57 ind ciclomediana=P indciclo((ciclos reales/2)+1);58 ciclomediana=CAux(:,:,ind ciclomediana);59 dlmwrite(char(datos.Path ciclomediana(i)),ciclomediana,'delimiter','\t','newline','pc');60 %Datos corregidos, centrados y filtrados61 Pmax aux=median(Pmax ciclo);62 desviacion presion=abs(Pmax ciclo-Pmax aux); %Calcula la desviacion con respecto a la mediana63 [Mat aux, index aux]=sort(desviacion presion); %Ordena desviaciones de menor a mayor64 index maxdesv=flip(index aux); %Cambia el orden de los ındices de las desviaciones de ...

mayor a menor65 elim=index maxdesv(1:ciclos eliminar); %Genera el vector de ındices a eliminar por ser los ...

que mas se desvıan



66 index bucle=1:ciclos reales;67 index bucle(elim)=[]; %Elimina los ındices de los ciclos elegidos68 m=1; %Inializacion variable. Necesario que se regenere en cada ciclo69 for z=index bucle70 ciclos ccfiltrados(3600*(m-1)+1:3600*m,:)=BAux(3600*(z-1)+1:3600*z,:,i);71 m=m+1; %Contador interno para que se guarden en orden en ciclos ccfiltrados72 end73 %Guardar los ciclos filtrados74 dlmwrite(char(datos.Path datosccfiltrado(i)),ciclos ccfiltrados,'delimiter','\t','newline','pc');75 %Media de los ciclos una vez filtrados76 for k=1:ciclos reales-ciclos eliminar77 DAux(:,k,1)=ciclos ccfiltrados(3600*(k-1)+1:3600*k,1);78 DAux(:,k,2)=ciclos ccfiltrados(3600*(k-1)+1:3600*k,2);79 DAux(:,k,3)=ciclos ccfiltrados(3600*(k-1)+1:3600*k,3);80 end81 mediaciclos(:,1)=mean(DAux(:,:,1),2);82 mediaciclos(:,2)=mean(DAux(:,:,2),2);83 mediaciclos(:,3)=mean(DAux(:,:,3),2);84 dlmwrite(char(datos.Path mediaciclos(i)),mediaciclos,'delimiter','\t','newline','pc');85 end

B.3. Estudio de la detonacion

Para la obtencion de los datos necesarios para estudiar el fenomeno de detonacion se ha utilizado elsiguiente codigo de MatLab:

1 function [resultados]=estudio completo detonacion(filepath)2 %CALCULOS PARAMETROS3 %Carga de los datos desde el Excel4 [tabladatos, datos sensores, datos aux] = carga datos(filepath);5 %Calculo del dosado de cada mezcla6 [datos masasdosado1, datos comb]=calculo masasydosado(tabladatos, datos sensores, datos aux);7 %Calculo del salto de presion provocado por el encendido de la mezcla8 [salto]=saltoP encendido(tabladatos, datos sensores, datos aux);9 %Calculo del numero de oscilaciones de la onda de presion (entre otros)

10 [analisis parte1]=estudio despues salto(tabladatos, datos sensores, datos aux);11 %Calculo del ındice de detonacion12 [analisis parte2]=indice detonacion(tabladatos, datos sensores, datos aux);13

14 %GUARDAR PARAMETROS DE CADA CICLO15 analisis=[analisis parte1 salto analisis parte2];16

17 for i=1:datos aux(1)18 dlmwrite(char(tabladatos.Path estudiodetonacion(i)),analisis(:,:,i),'delimiter','\t','newline','pc','precision',6);19 end20

21 %GUARDAR MEDIAS DE PARAMETROS22 %Calculo de las medias con las que se trabajara23 resultados=zeros(datos aux(1),5);24

25 for i=1:datos aux(1)26 resultados(i,1)=tabladatos.Pulgadas mic(i);27 resultados(i,2)=round(mean(datos masasdosado1(:,3,i),1),2); %Dosado relativo de la ...

condicion de ensayo28 resultados(i,3)=mean(salto(:,1,i)); %Salto de presion en inicio de la detonacion29 resultados(i,4)=round(mean(analisis parte1(:,3,i),1)); %Numero de oscilaciones30 resultados(i,5)=mean(analisis parte2(:,1,i),1); %Indice de detonacion31 end32

33 if tabladatos.Combustible==1 %ETANOL34 dlmwrite('C:\Users\hervas\Documents\Proyecto Fin de Grado\Ensayos\16141 ...

etanol\estudio detonacion etanol.txt',resultados,'delimiter','\t','newline','pc','precision',6);35 else %GASOLINA9536 dlmwrite('C:\Users\hervas\Documents\Proyecto Fin de Grado\Ensayos\16145 gasolina ...

95\estudio detonacion gasolina95.txt',resultados,'delimiter','\t','newline','pc','precision',6);37 end



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 dearchivo introducida.

El resultado despues del uso del programa es una hipermatriz de tantas dimensiones como filas tenga elExcel importado, esto es, el numero de ensayos, y tantas filas como 3600× ciclos siendo ciclos el numerode ciclos almacenados en cada archivo .txt. En ella se almacenan los datos de los sensores centrados,corregidos y filtrados.

Tambien se obtiene una variable auxiliar en la que se almacenan el numero de ensayos, numero deciclos y numero de columnas.

Esto se ha hecho ası para mantener la generalidad del codigo y que este pueda ser utilizado conindependencia del numero de ciclos guardados.

1 function [tabladatos, datos sensores, datos aux] = carga datos(filepath)2

3 %CARGA DE DATOS Y CALCULOS AUXILIARES4 tabladatos=readtable(filepath); %Filepath del archivo maestro Excel5 [m, n]= size(tabladatos); %m: numero de filas, n: numero de columnas (del Excel importado)6

7 [md, nd] = size(load(char(tabladatos.Path datosccfiltrado(1)))); %md: numero de filas, nd: ...numero de columnas (del txt)

8 ciclos=md/3600;9

10 %INICIALIZACION DE VARIABLES11 datos sensores=zeros(md,nd,m);12 datos aux=zeros(3,1);13

14 %CARGA DE DATOS EN VARIABLES15 for i=1:m16 datos sensores(:,:,i)=load(char(tabladatos.Path datosccfiltrado(i))); %Carga de datos ...

archivo a archivo (.DSCF)17 end18

19 datos aux(1)=m;20 datos aux(2)=ciclos;21 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 integracion, mediante el metodo de mınimoscuadrados, del caudal instataneo recogdi opor ael caudalımetro. Una vez obtenido ese dato semultiplica por la densidad, valor sacado de la variable tabladatos.

2. Masa de combustible. Cogiendo el codigo identificativo del combustible que corresponda y elancho de pulso empleado calcula la masa de combustible inyectado utilizando la recta de calibracioncorrespondiente.

3. Dosado relativo. Al tener la masa de combustible y de aire de cada ciclo calculadas, obtiene eldosado realizando su cociente y dividiendolo entre el dosado estequiometrico, valor que tambienesta almacendado en la variable tabladatos



1 function [datos masasdosado1, datos comb]=calculo masasydosado(tabladatos, datos sensores, ...datos aux)

2

3 %INICIALIZACION DE VARIABLES4 datos masasdosado1=zeros(datos aux(2),3,datos aux(1));5 datos comb=zeros(3,1);6 dx=1/(18000*60);7

8 %CALCULOS9 for i=1:datos aux(1)

10 %Datos auxiliares11 rho aire=tabladatos.Densidad aire(i);12 ancho pulso=tabladatos.Pulso inyectado(i);13 comb=tabladatos.Combustible(i);14 %Calculo de la masa de aire aspirada en cada ciclo15 for j=1:datos aux(2)16 datos masasdosado1(j,1,i)=dx*trapz(datos sensores(3600*(j-1)+1:3600*j,3,i)); %OJO, esta en ...

volumen17 end18 datos masasdosado1(:,1,i)=rho aire*datos masasdosado1(:,1,i); %Masa [g]19 %Calculo de la cantidad de combustible inyectado20 switch comb21 case 1 %Etanol22 datos masasdosado1(:,2,i)=(0.060623/0.059699)*(ancho pulso*0.0003518+0.001652);23 gamma=1.28;24 Fe=0.11169;25 PCI=26952; %kJ/kg26 case 2 %Gasolina 9527 datos masasdosado1(:,2,i)=(0.0388/0.0419)*ancho pulso*0.0003571+0.0008383;28 gamma=1.32;29 Fe=0.070551;30 PCI=43400; %kJ/kg31 otherwise32 disp('No se ha introducido la recta de calibracion para ese combustible')33 break %Se corta la ejecucion del programa por falta de datos34 end35 %Calculo del dosado relativo - Primer metodo36 datos masasdosado1(:,3,i)=(datos masasdosado1(:,2,i)./datos masasdosado1(:,1,i))/Fe;37 datos comb(1)=gamma;38 datos comb(2)=Fe;39 datos comb(3)=PCI;40 end

saltoP encendido.m

Para poder calcular la variacion de presion en el inicio de la combustion es necesario primero filtrarcada ciclo ya que de lo contrario serıa imposible de calcular. Para filtrar los datos se utiliza el ciclo mediode los mismos.

Una vez obtenida la diferencia entre ambos ciclos, el que corresponda y el ciclo medio del ensayo delciclo estudiado, se busca la maxima variacion de presion y se almacena en una variable.

1 function [salto]=saltoP encendido(tabladatos, datos sensores, datos aux)2

3 %INICIALIZACION VARIABLES4 ejex=340:0.2:400;5 rango=(340/0.2):(400/0.2);6 tam=size(rango,2);7

8 presion=zeros(3600,1);9 ciclo medio=zeros(3600,1);

10 presion filtrada=zeros(tam,1);11 salto=zeros(datos aux(2),1,datos aux(1));12

13 %CALCULO DEL SALTO DE PRESION14 for i=1:datos aux(1)15 ciclo medio=load(char(tabladatos.Path mediaciclos(i)));



16 for j=1:datos aux(2)17 presion=datos sensores(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i);18 presion filtrada=presion(rango)-ciclo medio(rango,2);19 [pmax, pospmax]=max(presion filtrada);20 [pmin, pospmin]=min(presion filtrada);21 if pmax>abs(pmin)22 salto(j,1,i)=pmax;23 else24 salto(j,1,i)=pmin;25 end26 end27 end

estudio despues salto.m

Calcula el numero de oscilaciones significativas, el mayor salto de presion, la posicion de dicho saltode presion, si es de subida o de bajada, la presion maxima del ciclo y si la presion maxima del ciclo secorresponde con la mayor de las presiones del salto de presion.

1 function [analisis parte1]=estudio despues salto(tabladatos, datos sensores, datos aux)2

3 presion=zeros(3600,1);4 analisis parte1=zeros(datos aux(2),9,datos aux(1));5

6 rango=1840:1:1999; %En grados equivale de 368 a 4007

8 for i=1:datos aux(1)9 for j=1:datos aux(2)

10 presion=datos sensores(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i);11 Pmax=max(presion);12 aux=1; cont=1;13 for k=rango14 derivP=(presion(k+1)-presion(k))/(k+1-k); %derivada por unidad de division del encoder15 if sign(derivP)˜=sign(aux)16 %Guardo la posicion por si en algun momento me hace falta17 puntos(cont,1)=k; %ası fuerzo a que sea un vector vertical18 puntos(cont,2)=presion(k);19 cont=cont+1;20 else21 end22 aux=derivP;23 end24 filas=size(puntos,1);25 for ii=1:filas-126 difP(ii)=abs(puntos(ii+1,2)-puntos(ii,2)); %Valor absoluto ya que puede haber valores ...

negativos27 signo(ii)=sign((puntos(ii+1,2)-puntos(ii,2)));28 end29 [valor, pos]=max(difP);30 %Para resolver indeterminaciones31 if filas-1==032 valor=0;33 pos=1;34 end35 %Archivo de datos analizados36 analisis parte1(j,1,i)=tabladatos.Numero identificador(i);37 analisis parte1(j,2,i)=j;38 analisis parte1(j,3,i)=filas-1;39 analisis parte1(j,4,i)=pos;40 analisis parte1(j,5,i)=valor;41 analisis parte1(j,6,i)=signo(pos);42 if (signo(pos)==1)&((filas-1)>0)43 analisis parte1(j,7,i)=puntos(pos+1,2);44 else45 analisis parte1(j,7,i)=puntos(pos,2);46 end47 analisis parte1(j,8,i)=Pmax;



48 analisis parte1(j,9,i)=analisis parte1(j,7,i)==analisis parte1(j,8,i);49 %Reseteo variables auxiliares50 puntos(1:filas-1,:)=[];51 difP(1:filas-2)=[];52 signo(1:filas-2)=[];53 end54 end

indice detonacion.m

Se calcula el indice de detonacion, entendido como la suma de densidades espectrales de la franja de3000 a 9000Hz.

1 function [analisis parte2]=indice detonacion(tabladatos, datos sensores, datos aux)2

3 %INICIALIZACION DE VARIABLES Y CALCULOS PREVIOS4 f muestreo=600/60*3600/2;5 dt=1/f muestreo;6 rf=0.1; %Resolucion frecuencial deseada, en Hz7 pfc=round(f muestreo/rf); %Puntos de frecuencia a calcular8

9 Pcc=zeros(3600,datos aux(3),datos aux(1));10 TDFourier=zeros(pfc,1);11 DEspectral=zeros(pfc,1);12 analisis parte2=zeros(datos aux(2),1,datos aux(1));13

14 %CALCULO DEL INDICE DE DETONACION15 for i=1:datos aux(1)16 for j=1:datos aux(2)17 %Cada columna guarda la presion de la camara de combustion del18 %ciclo correspondiente al numero de columna19 Pcc(:,j,i) =datos sensores(3600*(j-1)+1:3600*j,2,i);20 %Calculo de la transformada discreta de Fourier21 TDFourier=fft(Pcc(:,j,i),pfc);22 %Calculo de la densidad espectral23 DEspectral=(TDFourier.*conj(TDFourier))/pfc;24 %Calculo del ındice de detonacion25 analisis parte2(j,1,i)=sum(DEspectral(30001:90000));26 end27 end
