SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE MOTORES INTERCOOLER EN OTTO

FÁBRICA ORIGINAL

Anderson Moreira da Silvaandersonmsp@hotmail.com

CurrículumEste trabajo muestra el funcionamiento del intercambiador de calor intercooler que actualmente equipa varios motores de combustión interna que tiene sobrealimentación. Aquí está el estudio del caso de un motor de gasolina de Otto con turbo alimentación y baja capacidad. Soporte aquí es la eficiencia de los equipos, lo que resulta en una mejor combustión de combustible en la cámara de combustión, además de la ganancia de potencia y par motor equivalente al motor de desplazamiento más grande. A través de simulaciones numéricas y el uso de datos de publicaciones especializadas, estudiamos un automóvil que tiene dos motores diferentes (aspirado y turbo). Espera que llegue a las conclusiones para el motor equipado con el intercambiador de calor, y fomentar más estudios de estas condiciones.

Palabras clave: motores de turbina, los intercambiadores de calor (simulación por ordenador), motores de combustión interna, compresores térmicos.

1. IntroducciónCon la publicación de mercado hay muy pocos, por no decir las publicaciones raras relativas a el motor turbo y sus componentes, por ejemplo, el intercooler. En el ámbito académico hay pocos estudios sobre este tema, pero cuando hay, que se dedican a analizar el comportamiento de los motores diésel, relegando a los motores Otto.

En la industria automotriz, como Volkswagen y Fiat, por ejemplo, cuando la producción de un modelo de coche turboalimentado, no revele datos técnicos sobre la base de "fábrica de secreto". Y las empresas que fabrican el intercooler en Brasil, por lo general para los motores diésel, producen y especifican su equipo a través de los datos empíricos.

Este trabajo tiene como objetivo, además de analizar numéricamente el comportamiento de un motor turbo intercooler Otto, fomentar el estudio en el trabajo futuro con el fin de mejorar el rendimiento y Mejorar el equipo.

2. El turbocompresor y su operaciónEl turbocompresor es un aparato que, en un motor de combustión interna, tiene que tomar la energía o entalpía del gas de escape de flujo residual para mover la turbina en un eje, gira un compresor que se instala en el colector de entrada. El compresor, a su vez, aumenta la presión de aire y que puede mejorar la potencia en la cámara de combustión del motor.

Figura 1. El turbocompresor y su funcionamiento.

El funcionamiento del turbo se produce en tres fases: la carga parcial inferior, donde el aire sólo es aspirado por el motor, ya que el aire atmosférico no está comprimido por el compresor debido a la baja energía de los gases de escape no se mueven los álabes de la turbina; la carga parcial media, donde el aire es pre-comprimido por el compresor por una presión de cerca o ligeramente por encima, atmosférico, ya que las cuchillas de una velocidad de impresión más alta, haciendo así que el motor sobrealimentado; a plena carga, el aire aspirado es comprimido soportar la presión máxima para el equipo, debido al aumento del flujo de gas de escape para hacer girar la turbina y limitada por la válvula de compuerta de descarga.

3. IntercoolerIntercooler es un intercambiador de calor de flujo transversal. Compacta en los líquidos no se mezclan (aire-aire o Agua).

Este equipo está aumentado junto con los motores turbo, diésel o Otto, que tiene la función de enfriar el aire siguiente en la cámara de combustión.

Debido a la estructura de los rotores del turbocompresor de trabajo que tienen la caliente (de escape) y fría (admisión) montado sobre un solo eje y cerca el uno al otro, el volumen de la cámara de combustión está ocupado por un aire más caliente que la densidad atmosférica, o menor en peso y resulta en un menor rendimiento del combustible que se quema. Con el intercooler, aire, después de pasar a través del compresor se enfría antes de entrar en la cámara de combustión (cilindro) mediante el aumento de su densidad aparente. En consecuencia, hay una mejor rendimiento de la combustión de combustible y el motor.

Figura 2. El motor con turbocompresor e intercooler.

Su estructura básica se compone de canales y tuberías, a través del cual el aire caliente desde el compresor pasa. Entre estos productos son aletas zigzag que hacen que el intercambio de aire caliente para el aire de refrigeración en un flujo transversal con el aire ambiente o con cualquier fluido.

En el mercado existen varios formatos conductos: estriado con forma rectangular y bordes redondeados y soldada, pared gruesa y menos eficiente en el intercambio de calor; tubos expandido con tubos redondos en los cuales fluye el aire sin turbulencias por el núcleo en contacto con las paredes del intercambiador de calor; laberintos rectangulares y soldada con paredes delgadas escalonados y aletas para una máxima eficiencia de intercambio de calor.

4. Estudio de casoEntre los diversos modelos disponibles en el mercado para ejemplificar la simulación de motor en marcha con intercooler numéricamente, fue elegido el modelo VW Gol 1000 16V Turbo. Entre los muchos atributos, se pueden destacar:

- Para ser el coche más vendido en el país;

- El aumento de la potencia del motor con la adición del sobrealimentador (motor de 62 hp aspirado, 112 hp en turbo);

- En combinación con un alto rendimiento, el coche tiene un bajo consumo de combustible.

4.1. Datos técnicos del motorLos datos publicados por el motor Volkswagen EN 1000 16V Turbo:

- Longitudinal de cuatro cilindros, cuatro válvulas por cilindro;

- Bloque de hierro fundido en la cabeza en aluminio;

- Inyección multipunto secuencial;

- Garrett GT12 turbocompresor: nominal 0,4 bar (40 kPa) y el pico de 1,2 bar (120 kPa);

- Intercooler;

- Árbol de levas dobles con inversor de fase;

- Diámetro x carrera: 67,1 mm x 70,6 mm;

- Relación de compresión: 8.5: 1;

- Cilindrada: 999 cm3;

- Potencia máxima: 112 CV (82,38 kW) a 5.500 rpm;

- Par máximo: 15,8 Nm (155 Nm) a 2000 rpm.

Figura 3. VW motor a 1000 16V Turbo.

5. Estudio de las características operacionales del turbocompresor.

La posesión de los datos técnicos del motor descritos por la fábrica y el modelo utilizado turbocompresor, que se utiliza para asignar el compresor específico para el equipo, necesario para los cálculos en los que es la eficiencia del compresor y la temperatura de salida del compresor, que será la temperatura de entrada del intercooler.

Figura 4. Mapa de compresor Garrett GT12.

Para estos cálculos iniciales, que no podíamos usar el Sistema Métrico Internacional (SI), debido a las unidades del fabricante turbocompresor.

5.1. Cálculo de la relación de presiónLa relación de presión viene dada por:

Considerando pn como la presión de sobrealimentación nominal y Patm presión atmosférica como (1 bar = 100 kPa), relación de presión (1) es igual a 1,4.

5.2. Cálculo del flujo de masa de airePara el cálculo realizado los siguientes cálculos:

- Cálculo del desplazamiento en pulgadas cúbicas:

Como el número de cilindros en el motor es el cilindro 4 y es 999 cm3, el resultado de la ecuación (2) fue de 243,84 in3.

- El cálculo del caudal volumétrico de aire:

Sabiendo que la velocidad es de 5500 rpm y teniendo en cuenta la eficiencia volumétrica de este cuatro válvulas por cilindros igual a 0,96, tenemos (3) igual a 372.53 m3 / min.

Por lo tanto:

Considerando que la densidad del aire de 0,076 libras / pie3, la ecuación (4) da lugar a 28,31 libras / min.

Puesto que no hay intersección entre los puntos en el mapa de compresor, se determinó que la eficiencia mínimo era de 60%.

Para la presión gráfico razón frente a la temperatura de salida del compresor, tenemos:

Figura 5. Gráfico relación x presión de temperatura de salida del compresor.

Por el gráfico mostrado, que se encuentra temperatura de salida del compresor fue de aproximadamente 180 ° F, que es igual a 82,22 ° C (355,37 K). Este resultado es la temperatura de entrada intercooler.

6. Estudio de las características operativas de la intercoolerUso de la eficiencia intercooler siguiente ecuación:

En los coches modernos, de acuerdo con los sitios web de las empresas especializadas en la preparación de la eficiencia de los motores intercooler es entre el 65 y el 75%. Para este caso, la eficiencia se considera igual a 65% y temperatura ambiente de 27 ° C (300 K), el resultado de la ecuación (5) es igual a 46,33 ° C (319,47 K), la cual es la temperatura de entrada del aire en la cámara de combustión.

7. Modelado y Simulación del motorEn este trabajo se decidió hacer un modelado computacional para simular el comportamiento del motor en su ciclo completo en cuatro fases: admisión, compresión, combustión y escape. Las siguientes situaciones se simuló:

- Motor con aspiración forzada;

- Motor con turbocompresor sin intercooler;

- Motor turboalimentado con intercooler;

Para esta simulación se utilizó el programa de automovilista, que está escrita originalmente en FORTRAN, desarrollado por el Instituto Superior Técnico (IST) en Lisboa, Portugal. Consta de un programa principal y las subrutinas, tiene la función de simulación numérica de un motor de combustión de cuatro tiempos, los resultados de que permiten una operación global motor de análisis, además de detallar su comportamiento durante sus ciclos de compresión, combustión y escapar.

8. Los datos iniciales y ResultadosLos datos iniciales de la simulación fueron:

- La velocidad de rotación y la velocidad máxima;

- Motivo de la sobrealimentado y con;

- Número de cilindros;

- Diámetro cilindros y por supuesto, las válvulas de admisión y de escape;

- Índice de compresión;

- Incremento de ángulo del cigüeñal para los cálculos;

- Coeficiente de exceso de aire;

- La temperatura atmosférica de los gases de escape y de la mezcla (más combustible del aire);

- Presión atmosférica

- Número de átomos de carbono y de combustible de hidrógeno;

- Número de octano del combustible;

- Avance apertura de escape;

- Retardo de cierre de admisión;

- Imposición de volumétrica y ganancias mecánicas;

- Número de válvulas de admisión;

- Encendido anticipada impuesta;

- Cálculos de disociación;

- Tipo de motor.

Después de la simulación para las tres situaciones mencionadas en el capítulo 6, los resultados se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Resultados de rendimiento del motor.

Siguiendo la evolución de la presión (Figura 1) y la temperatura (Figura 2) debido al ángulo de rotación durante la fase de combustión.

Figura 1. Fase de combustión: Presión X Giro del cigüeñal.

Figura 2. Fase Combustión: Temperatura X Giro del cigüeñal.

9. Discusión de los ResultadosLas principales diferencias entre los motores con turbo aspiración forzada y están en parámetros de eficiencia volumétricos y masa de combustible admitidos en el cilindro, cuyos valores son superiores al motor con sobrealimentación.

Específicamente el análisis de los motores turboalimentados, con y sin el intercooler, se ve que los valores de potencia y par motor son más altos que en la situación que tiene el equipo de enfriamiento por aire. Superioridad aún mayor cuando se compara el motor con intercooler con motor aspirado.

En los gráficos, aunque los motores turbo alcanzar la misma temperatura durante toda la fase de combustión, la presión dentro de la cámara es más grande en el motor que tiene el intercooler que la situación no lo hace.

10. ConclusiónAl comparar un motor aspirado y con cargo para el mismo desplazamiento más pequeño, la ventaja es superior a esta última, ya que hay una ganancia en potencia y par motor, así como aumento en el rendimiento. También se demostró que la ganancia será equipado además con el intercooler motor, debido a un aire frío (densidad más alta) que entra en la cámara de combustión, lo que garantiza una mejor combustión del combustible.

11. Bibliografía

Bell, C. "Boost máxima: Proyectos, Pruebas e instalación de sistemas de turbocompresor," Bentley Publishers, 1ªed 1997.

Incropera, F., Dewitt, DP, "Fundamentos de Calor y Masa Transfer", Editora LTC, 5 ed.

Lopes Mendes, J.M.C.; Blancard, D.; Cordero, A.; Mega, J.; Salgado, T. motorista - Simulación de un ciclo real de un

explosión de motor de 4 tiempos, el Instituto Superior Técnico (Departamento de Ingeniería Mecánica), Lisboa, Portugal,

2002.

"Automotriz y Aeroespacial Revista" SAE BRASIL, Año 7, Nº 31, São Paulo, Brasil, pp. 24-26.

Van Wylen, G.; Sonntag, R.; Borgnakke, C. Fundamentos de Termodinámica Clásica, Editora LTDA Edgard Blücher,