Análisis experimental del efecto del aislamiento térmico sobre las emisiones, el rendimiento y la evacuación de calor en un motor diesel de gran cilindrada de automoción

Abstract

En el presente proyecto se han desarrollado pruebas y análisis experimentales para conocer el efecto del aislamiento térmico en varios componentes de un motor Diesel de gran cilindrada destinado al transporte, sobre las emisiones, el rendimiento y la evacuación de calor. En primer lugar se han realizado ensayos sobre el motor con la finalidad de establecer una base de referencia sobre la que comparar. Se han fijado los reglajes del motor que se aplicarán durante el resto del proyecto, esto es, para cada uno de los 13 modos de funcionamiento del “Ciclo Estacionario Europeo”, se han elegido los valores adecuados de las variables que controlan el funcionamiento del motor: El ángulo de comienzo de la inyección (SOI) y el ángulo de presión de apertura de la aguja (NOP) para la combustión y los porcentajes de apertura de la válvula de recirculación de gases de escape (EGR) y de la turbina para la renovación de la carga. Tras establecer la mencionada base de comparación, se han ido instalando en el motor diferentes configuraciones de elementos aislados térmicamente: 1º) Pistones aislados: Pistones cuya cabeza ha sido rebajada y posteriormente se ha proyectado sobre ella una capa de material cerámico aislante. 2º) Pistones aislados + Colectores de escape aislados: Sobre la configuración anterior, se cubrieron los colectores de escape con una manta de fibra de vidrio. 3º) Conductos de escape aislados: Tras sustituir los pistones y colectores aislados por los originales, se cambió la culata estándar por otra en la que los conductos de escape estaban aislados con la misma proyección cerámica que en los pistones. Con cada una de estas configuraciones de motor se han realizado: Pruebas de rendimiento: 13 modos del Ciclo Estacionario Europeo: Según la normativa europea aplicable a vehículos industriales para ensayos estacionarios, se establecen unos valores de régimen y carga para las pruebas de rendimiento. Se ensayan así estos 13 modos de funcionamiento y se comparan los valores de las variables más importantes que determinan el comportamiento del motor. Simulación de los parámetros de la combustión: Con los valores medidos en la sala de ensayos del motor operando según los reglajes mencionados, se ha realizado una simulación mediante el programa CALMEC, desarrollado por el CMT, con el objetivo de disponer de una estimación de los parámetros de la combustión y establecer así una referencia de comparación. Pruebas de evacuación de calor: Otras pruebas que tienen especial interés para este proyecto son las de evacuación de calor, en las que se somete al motor a unas condiciones especiales de temperatura del líquido refrigerante y de temperatura del aire de la sala de ensayo y se evita la recirculación del refrigerante por el motor mediante un termostato especial. Optimización del motor: La optimización del motor consiste en realizar un barrido de los valores de los parámetros de renovación de la carga en primer lugar (válvula de EGR y turbina) y de los parámetros de la combustión después (ángulo de comienzo de la inyección y ángulo de presión de apertura de la aguja), con el fin de obtener unos reglajes adecuados para un equilibrio entre rendimiento, emisiones y consumo. Además de los resultados experimentales obtenidos, se detallan las características fundamentales del motor y de la sala de ensayos, así como de los instrumentos de medición utilizados. Así mismo, se ha añadido en el apartado de impacto ambiental, una reseña de los aspectos fundamentales de la normativa europea vigente sobre las emisiones contaminantes de los motores de encendido por compresión. También se incluye un apartado en el que se recogen, de forma simplificada, los costes de puesta en marcha de la sala de ensayos y de operación y mantenimiento durante el proyecto. Por último, se pueden encontrar dos anexos; uno con las fórmulas empleadas para calcular las magnitudes que no se podían obtener directamente de la sala de ensayo o del programa de simulación, y otro con algunas fichas de características técnicas de instrumentos de medición y componentes del motor.