Informe de Proyecto
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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE
"CHIMBORAZO"
FACULTAD DE MECÁNICA
ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
TRABAJO DE CONTROL DE CALIDAD.
TEMA: ESTUDIO Y ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS
GASES DE ESCAPE PARA MOTORES MEC EN ANSYS.
TUTOR:
ING. MIGUEL AQUINO.
REALIZADO POR:
MANOTOA LABRE WILLIAM VINICIO.
CHIMBO CHIMBO DARWIN VINICIO.
QUINATOA PAÚL.
Riobamba – Ecuador.
2015
1. TEMA:
Estudio y Análisis del comportamiento de los gases de escape
para motores MEC en ANSYS.
2. OBJETIVOS:
a. GENERAL:
Realizar un análisis de temperatura y flujo de gases de
escape en un headers.
b. ESPECÍFICO:
Realizar el estudio de transferencia de calor por
convección en un headers.
Realizar la simulación del comportamiento del headers con
los gases de escape.
3. MARCO TEÓRICO:
HEADERS
Los Headers sirven para una eficiente salida de gases, para que haya
una salida más directa. Ahora si bien sabemos para que un vehículo
tenga un mejor impulso y desarrolle un poco más de velocidad, esto
tiene que ver también con la manera como se expulsen los gases de la
combustión. Las tuberías estándares de nuestros vehículos restringen
un poco esto además de que crean contraflujo y restringen un poco la
salida de gases. Al momento de implementar los headers, es
recomendable cambiar por completo el sistema de escape.
El motor de explosión de cuatro tiempos necesita mezclar con el
combustible una cierta cantidad de oxígeno para permitir que la
combustión se realice eficientemente en el interior de la cámara del
cilindro.
El aumento de potencia solo puede conseguirse aumentando el consumo de
aire mezclado con su respectiva proporción de combustible, y las
formas de obtener esto son:
1. Aumentando la cilindrada
2. Aumentando el redimen de giro (alivianando piezas)
3. Por el aumento de la presión media efectiva (que es en el que
trabajaremos para aumentar la entrada y salida de gases del
motor)
Entonces para aumentar la potencia de un motor hay muchísimas formas
pero me parece a mí que la primera que se debe hacer es la del diseño
de Intakes.
a. Tuberías para la instalación de un filtro de alto
flujo.
Cambian el sonido del motor de una manera y es la primera moda se
deben diseñar de un modo en el que queden tomando el aire frio y sin
pasar muy cerca del motor para evitar el calor a su vez usando el
menor número de curvas para que el aire entre más rápido
b. TIPOS DE HEADERS.
c. Conceptos generales.
Química de los gases de escape.
La temperatura de los gases de escape de motores de encendido
provocado varía entre unos 300-400 °C en ralentí a unos 900 °C a plena
carga, pero en motores Diesel las temperaturas son menores,
normalmente entre 200 y 600 °C. Los gases de escape contienen
nitrógeno en porcentajes superiores al 75 %, CO2 y H20 provenientes de
la combustión, algo de O2 en MEC o si la mezcla es pobre en MEP y
otros compuestos contaminantes que provienen de problemas en terminar
el proceso de combustión o de aditivos del combustible o del aceite
lubricante. La cantidad de contaminantes que salen del cilindro en la
carrera de escape es muy variable según el tipo de motor, el grado de
carga o la temperatura de la cámara de combustión. Parte de estos
gases contaminantes, como se explica en el capítulo 20, están en
desequilibrio químico por congelación de las reacciones de equilibrio
al enfriarse los gases, y otros son productos de fallos en la
combustión, oxidación parcial del combustible y partículas de
pirolisis y des hidrogenación. Por todo el Ho, nos encontramos en los
gases de escape compuestos oxidantes como el O2 y los NO" y otros
reductores como el CO, el H2 y los He.
Reactores térmicos.
Estos reactores tienen por objeto oxidar el monóxido de carbono (CO) y
los hidrocarburos (HC) contenidos en el gas de escape. Reacciones de
postcombustión en el sistema de escape pueden oxidar estos productos a
CO2 y H20, si existe una alta temperatura durante suficiente tiempo y
el gas contiene suficiente oxígeno. Esta reacción de oxidación del CO
y de los HC (y del H2 en mezclas ricas) es exotérmica, lo que permite
mantener la temperatura del reactor.
Para conseguir un rendimiento de la conversión de los HC superior al
90% en un tiempo de 50 ms, la temperatura de los gases debe estar por
encima de 850 °C, pero si se encontraran a 750 °C serían necesarios
más de 100 ms. En condiciones de carga parcial, el rendimiento puede
llegar a ser muy bajo si la temperatura de los gases no es suficiente.
Por ello, los reactores deberían situarse muy cerca del motor, aunque
la propia reacción de oxidación ayuda a mantener la temperatura. Si
los gases provienen de una combustión en mezcla rica, es necesario
inyectar aire entre la salida del motor y el reactor para disponer de
suficiente oxígeno. En mezclas pobres, el rendimiento de la conversión
de CO y de HC es muy bajo.
4. PROCEDIMIENTO PARA EL ANÁLISIS DEL HEADERS PARA UN
MOTOR MEC EN ANSYS.
1. Geometría del headers en SolidWorks.
2. Importar a ANSYS y empezamos el análisis en Steady-State
Thermal.
3. Aplicamos Virtual Topology y Body Sizing en las caras para
mejorar la Discretizacion de la malla.
4. Generación del mallado de la geometría del headers obteniendo
una malla adecuada para empezar el análisis.
5. Aplicamos las temperaturas en cada una de los tubos por
separado:
TEMPERATURA REVOLUCIONES
300°C 700RPM
Ralentí
900°C 5530 RPM
A plena carga
400 - 600°C 2400 RPM.
Trabajo normal
de vehículo
6. Aplicamos convección en cada uno de los tubos por separados.
ANALISIS DE RESULTADOS.
Las condiciones utilizadas para el análisis son las siguientes:
Temperatura ambiente 16°c en Riobamba.
K coeficiente convectivo de transferencia de calor.
Aire*Convección forzada 100W/m^2°K.
Tiempo de análisis 15 segundos.
En la siguiente grafica se puede apreciar las diferentes temperaturas
que alcanza el elemento tomando en cuenta los colores. Rojo.- zona
donde se concentra el calor máx. Naranja.- zona donde el calor se
reduce ya que la concentración no es Max. Y así sucesivamente cuando
el color cambia de forma descendente hasta llagar ala color azul que
representa la zona donde el calor es min.
COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA EN EL ELEMENTO ANALIZADO:
TOTAL HEAT FLUX.
COMPUTADOR UTILIZADO:
Dell inspiron 15 intel core i7
12 Gb RAM
64 BITS
500 series
Velocidad 2.06 Ghz
Tiempos de ejecucion:
o Mallado 12min.
o Tiempo de Ejecucion para la solucion 30 min.
ANALISIS DE FLUJO DE GASES DE ESCAPE.
Datos reales utilizados para el analisis.
1.- Generamos el elemento en ANSYS.
2.- Analisi en Fluid Flow CFX.
3.- Elemento generado para comenzar con el analisis en Geometry.
5. CONCLUSIONES.
Se concluye que mientras más fina sea la discretización de la
malla más memoria computacional ocupara en el momento de la
ejecución del ejercicio.
La transferencia de calor utilizada en el ejercicio es por
convección para la cual se utilizó un coeficiente convectivo de
transferencia de calor del fluido en este caso el aire con una
convección forzada de 100w/m^2°k.
En base a los resultados se puede identificar claramente la
distribución de la temperatura de los gases escape en todo el
conjunto, llegando a observar una elevada temperatura en la
junta del headers que va unido al motor.
En base a la distribución de colores se puede apreciar que la
parte de la junta la cual se una al block del motor presenta un
color rojo, el cual indica la zona donde se concentra la más
alta temperatura para luego ser distribuido por cada uno de los
conductos del headers
El análisis se lo debería realizar por estado transitorio
considerando el orden de encendido de un motor de cuatro tiempos
(1 3 4 2) y los tiempos de evacuación de gases de escapes por
cada uno de los conductos de salida, por lo tanto no se tomó
estas consideraciones y se realizó el análisis en estado
estacionario considerando la salida de los gases constante en
los cuatro orificios y al mismo tiempo.
6. RECOMENDACIONES:
Se recomienda obtener un mallado lo más fino posible para
obtener resultados que se acerquen a la realidad del
comportamiento del elemento, esto es posible pero debido a las
características del ordenador en que se realizó el análisis se
trabajó con la malla por defecto generado por el programa para
generar exceso de memoria computacional durante la solución.
Seleccionar cuidadosamente cada una de las caras internas del
elemento para indicar la temperatura de los gases de escape.
Tener claro cómo se produce la transferencia de calor por
convención para no tener problema durante la selección de
elementos que realiza dicha operación.
7. BIBLIOGRAFIA:
Motores de PAYRE, pág. 648(Regulación y Control de Emisiones).
CUADRADO PEÑA Ilba Geonime, AGUDELO SANTAMARIA Jhon Ramiro,
SANCHEZ LOPEZ Carlos Andrés; ¨Flujo Comprensible en Múltiples de
Motores¨, Editorial Universidad de Antioquia.
http://www.todomotores.cl/competicion/multiple_admision.htm
http://www.todomotores.cl/competicion/flujo_culata.htm
http://www.gassattack.com/articulos%20tecnicos/escapes.pdf.