Resumen
El transporte terrestre es uno de los principales contribuyentes a las emisiones y tiene un impacto en los cambios climáticos y los peligros para la salud. Para abordar estos problemas, la industria automotriz se está movien- do hacia la movilidad sostenible, donde se están evaluando nuevas tecnologías como vehículos híbridos y vehículos eléctricos. Sin embargo, dado la falta de competencia en alternativas libres de combustibles fósiles para la producción de electricidad, se está abordando la dependencia de motores de combustión interna (ICEs) para ser utilizados como extensores de autonomía y producción de electricidad. Estos extensores de autonomía son generalmente motores de dos tiempos. Debido a su diseño y rango de operación, estos ICE pueden ser compactos, tener una gran reducción de tamaño y producir menos emisiones. Por lo tanto, es esencial comprender el rendimiento de estos nuevos conceptos de ICE, mostrar beneficios potenciales y ayudar en mejoras adicionales.
Con el objetivo anterior en este trabajo de tesis, se evalúa un concepto de motor de dos tiempos de barrido uniflow. Se obtienen datos experimentales de una celda de prueba de motor utilizando dos disposiciones de escape, tres velocidades de motor y dos condiciones de carga. Se desarrolla y valida un modelo gasodinámico 1D con respecto a todos los puntos probados. Se mo- dela una réplica en 3D del motor y se utiliza en una simulación CFD en 3D. Los resultados del modelo 1D validados fluidodinámicamente se utilizan como condiciones iniciales y de contorno para evaluar las métricas térmicas y de barrido de este motor en particular. Al comparar los resultados 1D y CFD, se observó que la temperatura y el cortocircuito de aire no se capturaron bien utilizando modelos de transferencia de calor y barrido de última generación durante el proceso de barrido. Esto llevó a la propuesta de un nuevo modelo de transferencia de calor y una curva sintética de barrido.
La transferencia de calor en el cilindro es un fenómeno que afecta la tem- peratura de los gases quemados y el aire fresco en un motor de combustión interna. En comparación con las unidades de cuatro tiempos, esta influencia es más crítica en los motores de dos tiempos durante el proceso de barrido, ya que el campo de velocidad del gas dentro del cilindro evoluciona rápidamente en el espacio y el tiempo. Este estudio propone un nuevo modelo de coeficiente de transferencia de calor convectivo más allá de aquellos basados en el cálculo del número de Reynolds con la velocidad media del pistón. El modelo utiliza ecuaciones semiempíricas con números adimensionales ya que debe integrarse en el marco de un modelo físico de motor, donde las propiedades termo y fluidodinámicas de los gases dentro del motor se resuelven mediante enfoques 0D o 1D. En esta aplicación particular, la desviación de temperatura llevó a una predicción deficiente de la masa atrapada en el cilindro. El coeficiente propuesto se calcula utilizando una pseudo-velocidad de los gases dentro del cilindro basada en las tasas de flujo de masa en los puertos de admisión y escape durante el barrido. El barrido en un motor de dos tiempos presenta un proceso complejo, dis- tinto del ciclo de cuatro tiempos, ya que los procesos de admisión y escape ocurren simultáneamente durante una parte significativa del período de inter- cambio de gases. Debido a esta naturaleza superpuesta y a la duración más corta del intercambio de gases en comparación con un motor de cuatro tiempos, modelar con precisión la dinámica de gas dentro del cilindro se vuelve crucial. Este proceso de modelado tiene como objetivo garantizar la retención efectiva de la carga fresca suministrada y la extracción eficiente de los gases residuales del ciclo de motor anterior durante la fase de intercambio de ga- ses. Este modelado es particularmente crucial en motores avanzados de dos tiempos para obtener estimaciones confiables de la composición de la mezcla atrapada y predecir con precisi.
