informe de proyecto

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.