3_diagnóstico de la combustión a partir de la presión

Documento I. MemoriaCapítulo 3. Diagnóstico de la combustión a partir de la presión

Capítulo 3

DIAGNÓSTICO DE LA COMBUSTIÓN A PARTIR DE LA

PRESIÓN

3.1. Introducción ......................................................................................34

3.2. Parámetros del motor-instalación ................................................34

3.2.1. Características geométricas .........................................34

3.2.2. Relación de compresión................................................35

3.2.3. Deformaciones mecánicas............................................36

3.2.4. Desfase presión-volumen..............................................36

3.2.5. Transmisión de calor ......................................................38

3.3. Variables instantáneas.....................................................................39

3.3.1. Etapa adquisición de la señal de la presión ............40

3.3.1.1. Captadores de presión........................................40

3.3.1.2. Acondicionamiento de la señal de presión . .41

3.3.1.3. Codificador angular ............................................42

3.3.1.4. Convertidor analógico digital ..........................42

3.3.1.5. Ordenador..............................................................42

3.3.2. Etapa de tratamiento de la señal de presión ...........43

3.3.2.1. Obtención del ciclo medio................................43

3.3.2.2. Filtrado...................................................................43

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3.3.2.3. Referencia del nivel de la presión .................44

3.4. Variables medias...............................................................................44

3.4.1. Variables control .............................................................44

3.4.2. Variables medidas...........................................................46

3.5. Modelo termodinámico existente (CALMEC) ..........................46

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3.1. INTRODUCCIÓN

Los modelos de diagnóstico de la combustión basado en la medida de la presión permiten observar el desarrollo de la combustión a partir de la ley de liberación de calor. Gracias a la medida de la presión se obtiene, mediante el planteamiento del primer principio de la termodinámica, la dFQL. No obstante, se necesitan una serie de submodelos auxiliares que reproducen fenómenos que se producen de forma simultánea a la combustión, como pueden ser la transferencia de calor a las paredes, las perdidas por blow-by y las deformaciones en el cilindro.

Para la obtención de la señal de presión se requiere de un instrumental específico. Se necesita captadores para la adquisición de la señal de presión dentro de la cámara de combustión, una serie de instrumentos para filtrar y acondicionar la señal y un dispositivo de salida para el análisis y proceso de los datos.

Además de la señal de presión, para realizar el diagnostico de la presión se necesitan otras variables que se miden (como el par, gasto de combustible…) y variables de control (régimen de giro, temperaturas, presiones en los colectores…). Todos estos parámetros, más la mencionada señal de presión, proporcionarán la información necesaria para la obtención de la ley de liberación de calor.

En este capítulo se explicará la metodología utilizada en el diagnóstico de la combustión, así como el modo de obtención de las diferentes señales y las variables consideradas durante el análisis.

3.2. PARÁMETROS DEL MOTOR-INSTALACIÓN

Sin una buena definición del motor-instalación resulta difícil la obtención de unos buenos resultados, ya que estos parámetros intervienes de forma directa o indirecta en el cálculo de todas las variables de salida. La obtención de estos datos presenta una incertidumbre baja, ya que usualmente resultan de medidas directas bastante precias (normalmente las geométricas) aunque hay algunas medidas que se han de calcular de forma indirecta. A continuación se describen los parámetros que constituyen las incertidumbres más importantes del modelo.

3.2.1 Características geométricas

En el modelo de diagnóstico CALMEC los datos geométricos que se introducen para MEC son la longitud de la biela, manivela, diámetro del cilindro, distribución, número de cilindros, etc. No obstante, en los motores de encendido por compresión se requieren unos parámetros extra, como puede ser el descentrado de la bujía y el tipo de cámara.

El descentrado de la bujía indica la distancia de la ésta al centro del cilindro, siendo esencial a la hora del cálculo del radio del frente de llama y de la superficie de contacto de las zonas con las paredes.

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Fig. 3.1 Descentrado de la bujía

Actualmente, CALMEC tiene definidas las tres tipologías de cámaras más abundantes en el parque automovilístico (fig.3.2). Cada una de ellas tendrá asociados una serie de parámetros geométricos característicos. Esto está más detallado en el apartado 6.3.1

Fig. 3.2 Parámetros de cámaras

3.2.2 Relación de compresión

En el desarrollo de este proyecto uno de los parámetros más sensibles a la hora de la obtención de los resultados, según Martín [3] es la relación de compresión, ya que ésta es uno de los factores que más afecta a la dFQL. Normalmente, la relación de compresión viene proporcionada por el fabricante, pero por dispersión durante la fabricación puede variar ligeramente de un cilindro a otro. Además, también puede verse afectada por la instrumentación debido a la introducción de captadores o de elementos auxiliares dentro del cilindro. Su ajuste se realiza mediante ensayos sin combustión (arrastre), mediante el empleo de un método termodinámico de ajuste que

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considera la influencia de la relación de compresión en el calor transmitido a las paredes, calculado a partir del exponente politrópico (Armas [4]).

3.2.3 Deformaciones mecánicas

Las deformaciones mecánicas son difíciles de precisar y habitualmente se desprecian. No obstante, según en el submodelo considerado en el anexo 1, a plena carga y en el punto muerto superior estas deformaciones pueden llegar hasta un 3%. Este submodelo presenta un coeficiente de deformaciones (Kdef), el cual se asumirá como una característica del motor al estar relacionado con la geometría y las propiedades mecánicas del material. Al igual que la relación de compresión, su ajuste se realizará mediante ensayos en arrastre.

3.2.4 Desfase presión-volumen

El volumen instantáneo se calcula a partir del mecanismo biela-manivela en función del ángulo de giro del cigüeñal. Debido a las deformaciones producidas durante la combustión o al arrastre el volumen mínimo en condiciones dinámicas y estáticas no coincide. No obstante el orden de magnitud de la desviación es inferior a la precisión con la que se realiza la medida, asumiéndose que la posición angular que corresponda a la posición de volumen mínimo será constante.

Por su parte, la presión instantánea es una señal experimental que proviene de un sistema de adquisición en el que la posición relativa entre la presión y el volumen presenta cierta incertidumbre. La señal que determina el inició de la adquisición se denomina trigger. El trigger se dispara en cada giro del motor cada vez que en el codificador angular solidario al cigüeñal se localiza una determinada marca fija. En este mecanismo la precisión del calado de esta marca es insuficiente, induciendo errores no asumibles en el cálculo de la presión media indicada a baja carga.

En el caso de un arrastre en un motor ideal (adiabático y sin perdidas de blow-by) la presión máxima coincide con el ángulo de volumen mínimo. No obstante, en un motor real no coinciden debido a un desfase termodinámico provocado, principalmente, por la transmisión de calor a las paredes y, en menor medida, por las pérdidas de masa por blow-by.

En este trabajo se ha situado el punto muerto superior en el punto en el que el volumen es mínimo (aunque haya otros autores que los sitúan en el punto en que la presión es máxima). Ello permite considerar que el punto muerto superior no difiere considerablemente de situaciones dinámicas a estáticas, siendo independiente del punto de funcionamiento. Por lo tanto, se puede definir el desfase total entre el trigger y el PMS (αtot) como una característica del motor. No obstante el desfase (αt) de la presión máxima respecto al punto muerto superior varía en función de cada ensayo, dependiendo de la transmisión de calor a las paredes y del blow-by.

Por tanto, según la fig. 3.3, se sitúa el PMS y el volumen mínimo a partir de la señal del trigger utilizando αtot (constante). Posteriormente, considerando el desfase

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asociado al estado termodinámico αt se calcula el desfase existente entre la presión máxima y el volumen mínimo. Sustrayendo el desfase termodinámico al desfase total se obtiene el desfase geométrico αgeo.

El desfase termodinámico se calcula según la ecuación Ec.3.1 como sigue

Ec.3.1

Siendo K1una constante que depende de la geometría del motor.

Los métodos termodinámicos usados para la determinación del desfase en el diagnostico de la combustión coinciden en el uso de algún criterio de simetría al ciclo de compresión-expansión del gas analizado en el diagrama del indicador.

Fig. 3.3 Desfases volumen-presión

3.2.5. Transmisión de calor

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En el funcionamiento habitual del motor se produce un gran incremento de la temperatura dentro del cilindro debido a la compresión y a la energía liberada por la combustión. Ello origina un flujo de calor desde el gas a las paredes, mucho más frías debido al refrigerante.

En el caso de que no exista combustión la transmisión de calor se produce prácticamente de forma exclusiva por convección gas-pared. En el caso de que haya combustión además de convección existirá también radiación. No obstante, en el modelo a desarrollar no se considerará la aportación por radiación.

Para el cálculo de la transmisión de calor por convección del gas a las paredes se parte de la correlación entre los números de Nusselt y Reynolds, obtenida de

Ec.3.2

Las constantes son, típicamente, a=0.023, b=0.8 y Prc=1, pero se suelen ajustar con ensayos experimentales para cada sistema en concreto. Para el número de Reynolds se considera el diámetro y la velocidad media del pistón. Esta ecuación es válida para transmisión de calor estacionario en flujo turbulento en conductos cerrados.

A partir de esta expresión se desarrollan expresiones semiempíricas más o menos complejas. La que se va considerar a partir de ahora para considerar la transmisión de calor es la ecuación de Woschni (Ec.3.3) con las consideraciones que se detallan en el capítulo 4.

Ec.3.3

Donde C es una constante, D el diámetro del pistón, p la presión en cámara, T la temperatura y vg la velocidad característica del gas. Las constantes C y las que determinan vg son reajustadas por cada autor a partir de las propuestas inicialmente por Woschni. Algunas de estas son características del motor que se deben ajustar mediante la realización de ensayos en arrastre.

Otro factor importante en la transmisión de calor es el cálculo de la temperatura de las paredes, La variación de temperatura de las paredes de un ciclo a otro es despreciable respecto a la variación local de la temperatura de un punta a otro de la cámara (de orden de cientos de grados), la cual se ha de considerar. Por ello se consideran las temperaturas promediadas del pistón, culata y cilindro. Debe tenerse en cuenta que errores grandes en el cálculo de las temperaturas de las paredes afectan poco al cálculo de la dFQL.

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Las técnicas utilizadas para la medida de la temperatura de las paredes son la medida experimental (método difícil y caro), el uso del cálculo numérico (tiempo de cálculo y precisión excesiva) y el uso de correlaciones empíricas (medida rápida, que puede ser ajustada por la técnicas anteriores). No obstante, en el modelo se emplea un cálculo basado en un modelo nodal a medio camino entre las correlaciones y el cálculo numérico.

3.3. VARIABLES INSTANTÁNEAS

De las variables instantáneas que usualmente se utiliza en el diagnóstico de la combustión la fundamental es la presión. Otra de las variables que se suelen considerar es la señal de inyección, la cual no se tendrá en cuenta, ya que en el modelo se considera que en el retraso del cierre de la admisión toda la masa ya está inyectada.

La presión es el elemento imprescindible para la obtención de la ley de liberación de calor en el motor. El conjunto de los dispositivos electrónicos que adquieren y tratan las señales instantáneas se denomina cadena de medida. Una breve descripción de lo que es una cadena de medida se muestra en la fig.3.4.

Fig. 3.4 Cadena de medida Las funciones básicas de una cadena de medida son:

- medida de presión en cámara y, de forma opcional, otras señales- sincronizar la adquisición de la señal con la evolución del ángulo del cigüeñal- almacenar las señales de forma digital en tiempo real- ha de poseer capacidad para almacenar gran cantidad de medidas consecutivas- ha de ser capaz de gestionar diversas señales simultáneas, por lo que deberá

incorporar un controlador.- ha de permitir el control por parte del usuario del proceso, así como facilitar el

tratamiento de la información.

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3.3.1 Etapa de adquisición de la señal de presión

Comprende la etapa en la que se capta la señal y se transforma a digital para su almacenado y posterior procesado. Los elementos de la cadena de medición y los procesos que se suceden se presentan a continuación.

3.3.1.1 Captadores de presión

Los captadores forman parte de los instrumentos que se utilizan para la adquisición de la señal, los transductores. Éstos poseen una serie elementos sensores (diafragmas, membranas, capsulas y fuelles o tubos de sección elíptica) para la captación de la presión y una electrónica asociada para la alimentación, el acondicionamiento, amplificación de la señal etc. El captador puede ser inductivo, capacitivo, extensiométrico, piezoeléctrico o piezorresistivo, pero solo se hará referencia a los mas empleados para la adquisición de la señal de presión en cámara.

Captadores piezorresistivos. Son elementos pasivos ya que si no hay alimentación el captador no genera ninguna salida. Se basa en la deformación de un semiconductor a consecuencia de la presión, lo que se traduce en una variación de su resistencia eléctrica. Normalmente se encuentra un semiconductor dopado en un diafragma de silicio (monocristal) y cuatro pares de resistencias que proporcionan componentes radial y circunferencial. El diafragma está separado de la membrana por aceite de silicona. Poseen un elevado rango de medida (0-350bar) y de frecuencia (0Hz -1MHz), además de proporcionar una señal de salida referenciada y bastante elevada. Su principal inconveniente es que son sensibles a la temperatura, por lo que se suelen usar más para la medida de la presión en los colectores que en la cámara.

Captadores ópticos. Es una tecnología en desarrollo hoy en día. Se basa en la medida mediante un haz de luz reflejado en la parte posterior de una membrana, de la deformación producida por el gas en ella. Ofrece resultados de alta calidad, aunque no tan buenos como los proporcionados por el captador piezoeléctrico.

Captadores piezoeléctricos. Son los captadores más empleados para la medida de la presión en cámara. Éstos proporcionan una señal eléctrica proporcional al parámetro a medir sin necesidad de ningún tipo de alimentación. Se basa en el efecto piezoeléctrico que existe en ciertos cristales, en los que una deformación se traduce en la aparición de cargas no compensadas. Este efecto puede ser longitudinal, en el que las cargas aparecen en las caras donde se aplica la fuerza, dependiendo la carga de la fuerza, o transversal, donde las cargas aparecen en las caras perpendiculares a donde la fuerza es aplicada, dependiendo la carga, además de la fuerza, de la dimensión.

Los captadores piezoeléctricos se pueden representar como un sistema oscilante de un grado de libertad, el cual se asimila a un circuito RLC alimentado por una tensión proporcional a la fuerza aplicada que genera una respuesta dinámica y estática. Ésta última viene dada por su sensibilidad, es decir, relación entre señal de salida (tensión) y entrada (presión). Se mide en pC/bar. La respuesta dinámica indica como se comporta en función de la frecuencia de vibración. Se habrá de evitar aplicar el captador en frecuencias cercanas a su frecuencia natural, con tal de no provocar resonancia. Un buen

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captador, salvo en frecuencias cercanas a la de resonancia, debe mostrar un comportamiento plano.

Los cristales piezoeléctricos pueden ser naturales, como el cuarzo (SiO2) o sintéticos, como podría ser el titanato de bario. En el caso de los captadores de cuarzo, estos poseen una alta resistencia a la presión, una alta temperatura de trabajo, elevada linealidad, ausencia de histéresis y una buena sensibilidad. No obstante, aparte del inconveniente de medir únicamente presión relativa, puede presentar problemas de estabilidad a largo plazo, la posibilidad de la aparición de parásitos eléctricos y cierta influencia de la aceleración y la temperatura. La temperatura puede provocar variación de la sensibilidad (que se suele solucionar electrónicamente) o puede incrementar la carga en el cristal y producir dilataciones en la carcasa debido a un choque térmico. Estos fenómenos distorsionan la señal, dependiendo su efecto del fabricante del captador. No obstante su mayor problema reside en su alta impedancia a altas frecuencias, por lo que se requiere un circuito amplificador

3.3.1.2. Acondicionador de la señal presión

El acondicionador es, básicamente, un circuito eléctrico que amplifica la carga, proporcionando una señal proporcional a la señal medida. Además, éste posee una impedancia de salida adecuada para la conversión analógico-digital.

En el captador se identifica, como se ha mencionado anteriormente, una respuesta dinámica y una estática. La calibración de la primera es bastante compleja, por lo que en los motores solo se suele calibrar la segunda, tarando todo el conjunto formado por el captador, el cable y el acondicionador.

Normalmente la calibración consiste en la medición mediante el transductor la presión real ejercida por unos pesos calibrados en un fluido hidráulico. Para cada no se obtiene una presión que verifica Ec.3.4.

Ec.3.4

Donde rA es la relación entre la unidad mecánica y la tensión obtenida del conjunto captador-cable-acondicionador. Ésta depende del nivel de presión máximo en la cámara y el rango de escala aceptable en el conversor analógico-digital, de tal manera que éste último no sea saturado.

A partir de los datos se obtiene una recta donde Kcap es el coeficiente de calibración del captador (Ec.3.5).

Ec.3.5

Otro parámetro a considerar es la constante de tiempo, que determina la frecuencia de corte por debajo la cual la amplificación cae. Normalmente ésta está situada por debajo del armónico fundamental, por lo que no debería verse afectada la

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medida. No obstante una mala elección de la frecuencia puede producir sesgo en la señal, en el caso de que sea demasiado grande, o la amplificación de señales parásitas, si es demasiado pequeña. Armas [4] propone el uso de una frecuencia de corte de 0.004 Hz para el modo medium en acondicionadores Kistler (los utilizados en CMT son de esa marca).

3.3.1.3. Codificador angular

El codificador angular proporciona la orden para que el convertidor analógico-digital realice el muestreo. Este muestreo se puede realizar de forma síncrona con el régimen del motor (incrementos angulares constantes) o asíncrona (periodos de tiempo constantes). Estas dos formas no son equivalentes debido a la variación instantánea de las revoluciones del motor. En función del proceso a considerar es adecuado un sistema u otro. Por ejemplo, para el diagnóstico de la combustión es más conveniente la medida en ángulo, mientras que para la medición del ruido es necesario el tiempo

El codificador angular puede ser magnético u óptico, y puede generar una señal de 1/vuelta o de n/vuelta. La señal 1/vuelta (o trigger) da inicio al proceso de muestreo y permite el referenciado angular de la presión (el ángulo entre la primera muestra y el PMS es constante), Además incorpora un acondicionador para eliminar uno de cada dos pulsos con el fin de tener siempre la misma referencia angular para todos los ciclos termodinámicos. La señal n/vuelta activa la tarjeta conversora analógico-digital de modo que para cada pulso se produce una lectura de la señal a la salida del acondicionador. En ella se suele trabajar con incrementos angulares de 0.2º y 0.5º.

3.3.1.4 Convertidor analógico-digital

Es un voltímetro cuya señal es leída por instrumentos digitales y está gobernado por las señales provenientes del codificador angular. El funcionamiento del conversor y el tráfico de información entre éste y la memoria de almacenamiento están gestionados por un controlador. El flujo de información hacia la memoria masiva se realiza a través de una memoria rápida o buffer, en la que se reciben y almacenan temporalmente los datos procedentes de la conversión antes de ser transferidos al ordenador, donde se almacenan en un fichero.

3.3.1.5 Ordenador

El ordenador tiene dos funciones principales, albergar el controlador y almacenar de forma permanente los datos obtenidos. Éste también nos permite realizar el postprocesado de los datos.

En la etapa de acondicionamiento hay una serie de incertidumbres que hay que controlar. Éstas se han ido comentando a lo largo del proceso y, a modo resumen, serían.

- Calibración del captador de la que se obtiene Kcap

- La posición del captador- Parámetros conjunto captador-cable-acondicionador- Efectos térmicos sobre el captador

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- Precisión y velocidad del proceso de conversión analógico-digital

3.3.2 Etapa de tratamiento de la señal de presión

Comprende todos los procesos que transcurren desde que se ha obtenido la señal de salida del convertidor analógico-digital hasta que se obtienen unos datos adecuados para el diagnóstico de la combustión. Las etapas que comprende, además del referenciado angular comentado previamente, son las siguientes.

3.3.2.1 Obtención del ciclo medio

La señal de presión que se obtiene en los motores de encendido por compresión posee cierta dispersión cíclica debido a pequeñas variaciones de los procesos termofluidodinámicos que se producen en la cámara. Para ello es necesario realizar un promediado de una serie de ciclos para obtener un ciclo más representativo del motor y eliminar el ruido de la señal. No obstante, es conveniente realizar un estudio visual y estadístico del conjunto de los ciclos con el fin de detectar problemas de inestabilidad del motor o problemas de medida que pudiesen quedar enmascarados en el ciclo promedio.

El número de ciclos a considerar en motores gasolina varía en función del autor que se consulte entre los 40 y 300 ciclos. Esto también depende del punto de funcionamiento, a baja carga y bajo régimen la inestabilidad es mayor, y el punto del ciclo, durante la combustión es mas inestable que en el ciclo de bombeo. En la tesis de Oliver [5] se recomienda efectuar un estudio del motor previo para determinar el número de ciclos adecuado en función del motor, las condiciones de funcionamiento y la precisión requerida.

3.3.2.2 Filtrado

Las incertidumbres más importantes en la cadena de medida son debidas a errores en la transducción presión-tensión (efectos térmicos, falta de linealidad de los captadores, resonancia…), errores en la transmisión de la señal (interferencias eléctricas, conexiones defectuosas…) y errores en la conversión analógica-digital (errores en digitalización, limitación de bits…). Estos errores hacen que sea necesario filtrar la señal de presión promediada, principalmente para aquellos cálculos donde intervenga la derivada de la señal de presión.

Previamente a la conversión analógico-digital es necesario realizar un filtrado analógico para evitar el problema del aliasing, para el cual se aplica un filtro paso bajo Independientemente de este filtrado previo la mayora de los filtros se aplican en la etapa digital, para lo cual se pueden emplear varias técnicas, como el promediado de gran número de ciclos, la planificación de filtros digitales, la regresión mínimo cuadrática y el uso de splines.

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3.3.2.3 Referencia del nivel de presión

Los captadores piezoeléctricos proporcionan valores relativos de la presión, por lo que se habrán de referenciar de alguna forma antes de realizar cálculo alguno. Los procedimientos utilizados para ello pueden ser mediante el referenciado a algún valor conocido o por métodos termodinámicos.

Para referenciar la presión a partir de un valor conocido se suele asumir que la presión media en el colector de admisión coincide con la presión en el PMI. Eso presenta dos inconvenientes, que los efectos de ondas no son despreciables y que, para una medida precisa, se requiere la medida instantánea en el colector de admisión, lo que no es muy habitual. También se proponen otros métodos como hacer que la presión promediada en el PMI coincida con la presión promediada en el colector de admisión o mediante medidas experimentales.

Los métodos termodinámicos se basan en la evolución politrópica del gas (p·Vn=constante) de la cámara durante la compresión en combustión o durante la compresión y expansión en arrastre. En el modelo que se presenta en este PFC el procedimiento termodinámico de ajuste de la presión en el PMI se basa en el efecto que tiene este parámetro en el exponente politrópica en ensayos sin combustión, como se describe en las tesis de Armas [4] y Martín [3]. Para ello se calcula pref de tal manera que la liberación de calor sea nula en ensayos sin combustión.

3.4. VARIABLES MEDIAS

Según la clasificación realizada por Fenollosa [6] se pueden distinguir dos tipos de variables medias, las variables de control, que son aquellas que se pueden imponer para variar el punto de funcionamiento del motor, y las variables de medida, las cuales son resultado del punto de funcionamiento del motor, siendo controladas a través de la modificación de las primeras.

3.4.1 Variables de control

Dependiendo del motor puede haber cierta variación de las variables de control. Las que se considerarán en este proyecto serán.

Régimen de giro medio. Su medida se realiza a través de un sensor magnético montado sobre el freno que va acoplado al cigüeñal. Éste freno absorbe la potencia del motor en el caso de ensayos en combustión y hace girar el motor en casos de ensayo en arrastre. Presenta una precisión bastante alta (entre +/- 1 o 2 rpm), la cual es independiente de la referente a la velocidad instantánea, que es mucho menor (como mínimo +/- 50 rpm).

Temperatura media del gas en el colector de admisión. Se mide mediante un termopar aguas abajo del punto de mezcla del E.G.R, para evitar tener que estimarla a partir de los gastos y temperaturas del aire fresco y del EGR. Los equipos de medida suelen tener precisiones del orden de +/- 1º. Su regulación suele hacerse mediante

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intercambiadores que acondicionan independientemente el aire y el EGR en los motores monocilíndricos de investigación, mientras que en los policilíndricos de serie no suele estar regulada, siendo dada.

Presión media del gas en el colector de admisión. Condiciona la densidad del gas admitido junto con la medida de la temperatura en el colector de admisión. Ésta afecta al cálculo del cortocircuito, al reflujo desde el escape y las perdidas por bombeo, por lo que también influye en el cálculo del rendimiento efectivo. En los motores de investigación se puede regular mediante un compresor independiente, mientras que en los motores de serie se puede realizar cierto control si poseen una TGV. La medida se realiza con captadores piezoresistivos, que proporcionan presión absoluta con una precisión de +/- 10 mbar.

Presión media del gas en el colector de escape. Se puede regular con una válvula de contrapresión en los motores de investigación y mediante una TGV en los motores de serie que la posean. Al igual que la presión en la admisión se mide mediante captadores piezoresistivos. Hay que tener en cuenta posibles efectos dinámicos que pueden producir variaciones instantáneas de +/- 0.5 bar.

Temperatura del refrigerante. Se mide mediante un termopar (precisión de +/-1º) y afecta a la transmisión del calor a las paredes del motor. Influirá sobre el rendimiento volumétrico y los parámetros indicados.

Temperatura del aceite lubricante. Se mide de forma análoga a la temperatura del refrigerante. Su labor es la de lubricar y de refrigerar. La temperatura afecta a su viscosidad y, por tanto, a su capacidad lubricante, por lo que se verán afectados parámetros efectivos del motor.

Gasto másico de EGR. Esta medida no suele ser directa en el motor. En los motores de serie se suele obtener a partir de la diferencia entre un gasto teórico de aire y gasto de aire fresco admitido medio, mientras que en los motores de investigación se usa un método más preciso a partir de medidas de concentración de CO2 en la admisión y en el escape mediante un analizador de gases Se puede calcular con Ec.2.6 y Ec.2.7.

Ec.2.6

Ec.2.7

3.4.2 Variables medidas

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Par. Para su medida se emplea una célula de carga situada en el freno que regula el régimen del motor. Se utiliza para el cálculo de parámetros efectivos del motor.

Gasto de aire. Se mide usualmente mediante un medidor de hilo caliente o, más raramente, mediante un medidor volumétrico (para el cual se requiere la medida simultánea de la presión y temperatura para la obtención de la densidad). Su precisión oscila entre +/-0.5% y +/- 5%. Una precisión elevada no asegura una incertidumbre baja en el cálculo de la masa retenida, ya que hay parámetros como el EGR y la masa residual que son más difíciles de calcular.

Gasto de combustible. Se mide mediante una balanza con un error del +/-1%. Esta variable junto con la masa de aire proporciona el dosado real del ensayo.

Gasto de blow-by. Esta variable sirve para comprobar la integridad de los segmentos y del estado del lubricante. En condiciones normales toma valores pequeños, pero a bajo régimen o arranque en frío puede llegar a alcanzar valores importantes (entre el 4% y el 10% de la masa atrapada). Se mide mediante una tobera calibrada tras recoger y remansar el flujo que atraviesa los segmentos. El error en la medida es inferior al 5%.

Temperatura media en los gases de escape. Esta variable depende del punto de funcionamiento, siendo afectada principalmente por el dosado y el régimen del motor. Usualmente se mide mediante un termopar, con una precisión de +/-1º.

3.5. MODELO TERMODINÁMICO EXISTENTE (CALMEC).

El modelo a partir del cual se ha desarrollado el modelo de dos zonas es el modelo de diagnóstico de la combustión CALMEC, una aplicación desarrollada por el CMT Motores Térmicos que se utiliza para obtener la ley de liberación de calor a partir de la medida de la presión en cámara. Este programa estaba diseñado para diagnosticar motores MEC, a lo largo del capitulos 4 y 5 se detallan los cambios y mejoras introducidas para su correcto uso en motores MEP.

La ley de liberación de calor se obtiene a partir de la aplicación de la ecuación de la conservación de la energía a una zona. En ella se considera que el calor liberado por la combustión se distribuye entre la variación de la energía interna del gas, la evaporación del combustible, el trabajo realizado por el fluido en el pistón y la transmisión de calor a las paredes. En los cálculos previos a la obtención de la liberación de calor se presentan también diversos submodelos referentes al cálculo de la transmisión de calor a las paredes (Woschni), blow-by, deformaciones etc. que serán tratados, al igual que la obtención de la ley de liberación de calor, de forma más detallada en el capítulo siguiente.

Los datos que se utilizan para realizar el diagnóstico provienen de tres fuente diferentes. Primeramente se encuentra una base de datos, la cual proporciona al sistema

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los datos característicos del motor-instalación, así como datos provenientes de ensayos en arrastre previos (caracterización) que sirven para el ajuste de diferentes submodelos existentes en el modelo (coeficientes de Woschni, constante de deformaciones…). Ello implica la introducción de los datos relativos a la geometría del motor (dimensiones del pistón, base y culata), a la cadena de medida (numero de puntos, parámetros a medir), la distribución, la configuración de los fluidos y una serie de ensayos de caracterización.

Otras variables que se han de introducir al programa CALMEC son la señal de presión y de levantamiento (ésta última es opcional) y las variables medias. Éstas últimas comprenden las variables comentadas en el apartado anterior más otras referentes a las medidas de los contaminantes (opcionales), las cuales se presentarán en una tabla. Las variables medias se introducen en formato .txt, mientras que la presión se obtiene a través de archivos .bin o .pre.

Los pasos que el usuario estándar ha de realizar para operar con CALMEC (fig.3.8) son los siguientes.

- configurar base de datos (con realización de caracterización o no)- definición de los archivos de variables medias y presión instantánea- selección de base de datos- selección de motor- selección de instrumentación- selección de caracterización- selección de variables medias- selección de archivos de presión- cálculo

Una vez realizado el cálculo del ensayo CALMEC proporciona resultados medios y resultados instantáneos. De los resultados que proporciona CALMEC destaca la dFQL (que nos proporciona información sobre el proceso de combustión), la FQL (acumulada de la anterior), la temperatura en la cámara, la composición instantánea etc. Un parámetro destacar es el parámetro CALMEC, que compara el calor total liberado durante la combustión con el calor teórico que puede liberar el combustible introducido.

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3_diagnóstico de la combustión a partir de la presión

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