Aportación al estudio y modelado termodinámico en motores de combustión interna

En la actualidad, debido a la innovación en motores de combustión interna y el uso de nuevos combustibles se hace necesario realizar secuencias extensas de pruebas experimentales, con el fin de verificar el desempeño, emisiones e identificar potenciales mejoras en este tipo de máquinas térmicas. Este compromiso de mejora ha conllevado a que los motores Diésel se conviertan en la alternativa preferida para aplicaciones de automotrices. Lo anterior se ve reflejado en el crecimiento continuo de las ventas de vehículos equipados con dicho motor, sobre todo en aplicaciones de alta potencia. Muchos estudios de caracterización de motores de combustión interna tienen como resultado final la caracterización de una variable en particular. En la presente tesis doctoral se integra un modelo de diagnóstico de la combustión con un modelo predictivo, lo cual va a permitir que tenga capacidad de predicción. Con el fin de hacer más robusto el modelo termodinámico diagnóstico-predictivo implementado, se desarrolló un modelo mejorado para la caracterización de deformaciones y holguras del mecanismo biela – manivela, el cual afecta directamente la capacidad de predicción y es una de mayores fuentes de incertidumbre en el modelado termodinámico de motores de combustión interna. De igual manera, como resultado de la presente tesis doctoral se desarrolló un modelo de inyección mejorado, el cual tiene la capacidad de estimar los retrasos electromecánicos y la tasa de combustible inyectado en función del tipo de inyector, tiempo de energización y presión de inyección. La integración de los modelos descritos anteriormente con el modelo diagnóstico-predictivo implementado permite una descripción un poco más completa de los fenómenos en estudio.DoctoradoDoctor en Ingeniería Mecánic

Nueva metodología para la detección de fallas en rodamientos en motores de inducción trifásicos

This study shows a methodology for the detection, classification, and location of bearings that presented ball faults, cage faults, and outer race faults. For this study, a three-phase induction motor was used, in which the stator current and voltage signals were measured. By calculating the total harmonic distortion and using the Stockwell Transform, different characteristics were obtained in the electrical signals that allowed defining fault conditions in the bearing, classification of the type of fault, and the location of the defective bearing (fan side or load side). By calculating the difference between the total harmonic distortion of the current and voltage signal, it is possible to identify a threshold value of 0.004 that separates a healthy condition and a fault condition. The joint use of the Stockwell Transform and the Fisher Scoring Algorithm allows us to classify the fault conditions with an average precision of 92.5%. The location of a bearing with defects on the load side generates a greater amplitude in the signal compared to those located on the fan side. This behavior allows establishing a threshold value of 1.6 for ball faults and 0.001 for cage faults and outer race. Due to the results obtained, the algorithm proposed in the study is considered to be a tool with a high degree of reliability for the diagnosis of bearings in induction motors.Este estudio expone una metodología para la detección, clasificación y ubicación de fallas en rodamientos de bola, en la jaula y la pista exterior. Para este estudio se utilizó un motor de inducción trifásico, en el que se midieron las señales de tensión y corriente del estator. Calculando la distorsión armónica total y utilizando la Transformada de Stockwell, se obtuvieron diferentes características en las señales eléctricas que permitieron definir las condiciones de falla en el rodamiento, la clasificación del tipo de falla y la ubicación del rodamiento defectuoso (lado ventilador o lado carga). Calculando la diferencia entre la distorsión armónica total de la señal de corriente y voltaje, es posible identificar un valor de umbral de 0.004 que separa una condición de operación normal y una condición de falla. El uso de la Transformada de Stockwell y el algoritmo de puntuación de Fisher nos permite clasificar las condiciones de falla con una precisión promedio del 92.5%. La ubicación de un rodamiento con defectos en el lado de carga genera una mayor amplitud en la señal, en comparación con los ubicados en el lado del ventilador. Este comportamiento permite establecer un valor umbral de 1.6 para fallas de bola y 0.001 para fallas en la jaula y en la pista exterior. Por los resultados obtenidos, el algoritmo propuesto en el estudio se considera una herramienta con un alto grado de confiabilidad para el diagnóstico de rodamientos en motores de inducción

Estudio de la influencia de las propiedades del material en el proceso de conversión de energía de generadores termoeléctricos para aplicaciones de recuperación de calor

The present study analyzed the effect of material properties in the energy conversion process of Thermoelectric Generators (TEGs). For the development of the study, two materials whose properties vary with respect to temperature (Bi0.4Sb1.6Te3 and Cu11NiSb4S13) and a material with constant properties (Bi2Te3) were analyzed. Through numerical simulation processes, each material was subjected to different temperature differences to monitor the effect on the electrical output power, heat flux, and energy conversion efficiency. The results showed that neglecting the temperature dependence produces higher or lower performance estimations depending on the temperature levels experienced by the TEG.  Overall, the material Bi2Te3 displayed 35% more electrical power output and conversion efficiency compared to the Bi0.4Sb1.6Te3 material. Therefore, considering the variability of thermoelectric materials demonstrated to be essential to obtain realistic process performance. Also, the heat flux produced by the Fourier effect presents the most significant impact on the electrical power generation of the TEG. Among materials with variable properties, the Bi0.4Sb1.6Te3 increases the conversion efficiency up to 25% compared to the Cu11NiSb4S13. In conclusion, the study of material properties using numerical simulations emerged as a robust and practical tool to evaluate TEG performance.En el presente estudio, se propone un análisis del efecto de las propiedades del material en el proceso de conversión de energía de generadores termoeléctricos (GTE). En el desarrollo del estudio, se analizaron dos materiales cuyas propiedades varían con respecto a la temperatura (Bi0.4Sb1.6Te3 y Cu11NiSb4S13) y un material de propiedades constantes (Bi2Te3). A través del proceso de simulación, cada material se sometió a variaciones de temperatura para monitorear su efecto en variables tales como la generación eléctrica, flujo de calor y eficiencia de conversión energética. Los resultados obtenidos mostraron que, al considerar la dependencia de la temperatura del material se obtienen estimaciones mayores o menores dependiendo en el nivel de temperatura experimentado por el GTE. De manera general, el material Bi2Te3 incrementó la generación de electricidad y la eficiencia hasta en un 35 % comparado al material Bi0.4Sb1.6Te3. De tal forma, se demostró que considerando la variabilidad del material del GTE es esencial para obtener resultados realistas del proceso de conversión energético. Por otro lado, el flujo de calor producido por el efecto de Fourier mostró el mayor impacto en la generación de electricidad del GTE. Dentro de los materiales con propiedades variables, el material Bi0.4Sb1.6Te3 incrementó la eficiencia de conversión hasta en un 25% en comparación con el Cu11NiSb4S13. Finalmente, el estudio de las propiedades de los materiales para la construcción de GTEs usando simulaciones numéricas demostró ser una herramienta robusta y práctica para evaluar el desempeño de este dispositivo

Experimental evaluation of low-displacement compression ignited engines operating with hydroxy gas as a supplementary gaseous fuel

A large proportion of annual production of worldwide greenhouses gases results from the use of internal combustion engines. This experimental work evaluates the influence of dual-fuel operation on the overall emissions of a low-displacement compression-ignition engine based on operational conditions such as torque, rotational speed, and load. Hydroxy gas is used as a supplementary gaseous fuel while using pure diespel or palm oil biodiesel as baseline fuels. The CO, CO2, NOx, and HC emissions levels were carefully characterized through experimental measurements and statistical analysis. The influence of hydroxy enrichment was also examined on the engine's fuel consumption. The study incorporates an in-house hydroxy generator to store and supply the gas in the intake air system using an electrolyzer. The results demonstrated that the ANOVA analysis provides accurate predictions compared to experimental measurements with less than 5% relative error. The use of hydroxy reduces the SFC by up to 25%, which represents an economic advantage of dual-fuel operation, additionally it decreases CO, HC, and CO2 emissions. However, with hydroxy enrichment, NOx emissions levels escalate at medium and high loads. Overall, hydroxy enrichment demonstrates to be a robust alternative from an environmental and economic perspective. Future research will be focused on evaluating the biodiesel – hydroxy dual operation, broadening the spectrum of biodiesel concentration percentages, and selecting different raw materials for biofuel production

Optimización CFD de un intercambiador de calor para la recuperación energética en un motor diésel monocilíndrico estacionario

The implementation of thermoelectric generators (TEG) has been a promising response to the energy problem in internal combustion engines, which has motivated the study of the potential for energy recovery in the exhaust gas stream of a single-cylinder diesel engine using a thermoelectric generator, analyzing the importance of the heat exchanger geometry in the performance of the TEG. Considering many investigations, 3 different heat exchanger geometries were developed; the behavior of the exhaust gases was simulated with the OpenFOAM ® software, using a realizable  model, where a good quality mesh was established. In addition, a mesh independence study was performed, where stability was achieved from 1’000,000 elements. Experimental validation was carried out, and an average relative error of 2.23% was obtained, with which the results were classified as reliable. The simulations allowed the analysis of variables such as heat transfer, voltage, and current generated by thermoelectric modules, pressure drop, turbulence kinetic energy (TKE), and turbulence eddy dissipation rate (TEDR). Finally, it was obtained that the geometry with parallel paths had a better performance with respect to the analyzed variables, allowing a generation of 63.56 W, a pressure drop 92% lower than the other proposals, and better performance in the TKE and TEDR.La implementación de generadores termoeléctricos (TEG) ha sido una respuesta prometedora para la problemática energética en motores de combustión interna, lo cual ha motivado el estudio del potencial de recuperación energética en la corriente de gases de escape de un motor diésel monocilíndrico mediante un generador termoeléctrico, analizando la importancia de la geometría del intercambiador de calor en el desempeño del TEG. Tomando en cuenta diferentes investigaciones se desarrollaron 3 geometrías diferentes de intercambiador de calor; el comportamiento de los gases de escape se simuló mediante el software OpenFOAM ® empleando un modelo  realizable, donde se estableció un mallado de buena calidad al que, además, se le realizó un estudio de independencia de malla en donde se alcanzó estabilidad a partir de 1’000,000 de elementos. Se hizo una validación experimental, con la que se obtuvo un error relativo promedio de 2.23%, con lo cual se calificaron los resultados como confiables. Las simulaciones permitieron el análisis de variables como la transferencia de calor, el voltaje y la corriente generado por los módulos termoeléctricos, la caída de presión, la energía cinética de turbulencia (TKE) y la tasa de disipación de la turbulencia (TEDR). Finalmente se obtuvo que la geometría con caminos paralelos tuvo un mejor desempeño con respecto a las variables analizadas, permitiendo una generación de 63.56 W, una caída de presión 92% menor a las otras propuestas, y un mejor desempeño en la TKE y TEDR

Optimización CFD de un intercambiador de calor para la recuperación energética en un motor diésel monocilíndrico estacionario

The implementation of thermoelectric generators (TEG) has been a promising response to the energy problem in internal combustion engines, which has motivated the study of the potential for energy recovery in the exhaust gas stream of a single-cylinder diesel engine using a thermoelectric generator, analyzing the importance of the heat exchanger geometry in the performance of the TEG. Considering many investigations, 3 different heat exchanger geometries were developed; the behavior of the exhaust gases was simulated with the OpenFOAM ® software, using a realizable  model, where a good quality mesh was established. In addition, a mesh independence study was performed, where stability was achieved from 1’000,000 elements. Experimental validation was carried out, and an average relative error of 2.23% was obtained, with which the results were classified as reliable. The simulations allowed the analysis of variables such as heat transfer, voltage, and current generated by thermoelectric modules, pressure drop, turbulence kinetic energy (TKE), and turbulence eddy dissipation rate (TEDR). Finally, it was obtained that the geometry with parallel paths had a better performance with respect to the analyzed variables, allowing a generation of 63.56 W, a pressure drop 92% lower than the other proposals, and better performance in the TKE and TEDR.La implementación de generadores termoeléctricos (TEG) ha sido una respuesta prometedora para la problemática energética en motores de combustión interna, lo cual ha motivado el estudio del potencial de recuperación energética en la corriente de gases de escape de un motor diésel monocilíndrico mediante un generador termoeléctrico, analizando la importancia de la geometría del intercambiador de calor en el desempeño del TEG. Tomando en cuenta diferentes investigaciones se desarrollaron 3 geometrías diferentes de intercambiador de calor; el comportamiento de los gases de escape se simuló mediante el software OpenFOAM ® empleando un modelo  realizable, donde se estableció un mallado de buena calidad al que, además, se le realizó un estudio de independencia de malla en donde se alcanzó estabilidad a partir de 1’000,000 de elementos. Se hizo una validación experimental, con la que se obtuvo un error relativo promedio de 2.23%, con lo cual se calificaron los resultados como confiables. Las simulaciones permitieron el análisis de variables como la transferencia de calor, el voltaje y la corriente generado por los módulos termoeléctricos, la caída de presión, la energía cinética de turbulencia (TKE) y la tasa de disipación de la turbulencia (TEDR). Finalmente se obtuvo que la geometría con caminos paralelos tuvo un mejor desempeño con respecto a las variables analizadas, permitiendo una generación de 63.56 W, una caída de presión 92% menor a las otras propuestas, y un mejor desempeño en la TKE y TEDR

Modelo estadístico para la caracterización y optimización en bombas periféricas

Characterizing physical phenomena existing in rotodynamic pumps has open a new field of study for these machines, where the efficiency on the operating point is being investigated, without significantly affecting other parameters. Research in the peripheral pump made have experimentally proved that Euler’s equation does not model its hydraulic behavior because of the toroidal flow that is developed on them, which causes flow recirculation. Due to the above points, this paper develops a methodology for modeling the behavior of peripheral pumps, using a new criterion that was developed for predicting the characteristic curve of the pump and it is based on Euler’s equation, which includes two correction factors. The proposed model was validated experimentally to verify that it describes the phenomenon according to the mechanical, geometrical and hydraulic variables involved of the pump. An optimizing process was realized using the corrected Euler’s model, and the results are compared to actual pump curve thus is proved that the obtained hydraulic power is improved. The previous statement will allow predicting the gain on the performance of peripheral pumps without realizing expensive experimental test.La caracterización de los fenómenos físicos presentes en las bombas rotodinámicas ha abierto un nuevo campo de estudio para estas máquinas, en el que se investigan formas de optimizar la eficiencia en el punto de operación sin afectar, de manera significativa, otros parámetros. En estudios realizados en bombas periféricas se ha comprobado experimentalmente que la ecuación de Euler no modela su comportamiento hidráulico, pues el flujo toroidal presente en estas da lugar a la recirculación de fluido. En razón a lo anterior, en esta investigación se desarrolla una metodología que permite modelar el comportamiento de bombas periféricas al aplicar un nuevo criterio para la predicción de la curva característica de la bomba basado en la ecuación de Euler, e incluye factores de corrección. Experimentalmente se valida el modelo propuesto con el fin de verificar que describa el fenómeno en función de las variables geométricas, mecánicas e hidráulicas de la bomba. Con el modelo de Euler ajustado, se realiza un proceso de optimización y se comparan los resultados obtenidos contra la curva real de la bomba, con lo que se comprobó que se logra una mejora en la potencia hidráulica obtenida. Lo anterior permitirá predecir el aumento en el desempeño de las bombas periféricas, sin la necesidad de realizar costosos ensayos experimentales

Modelo de tasa de inyección en fase líquida para el inyector Isuzu 4JJ1 mediante dinámica de fluidos computacional

The following work develops a simulation-based model using computational fluid dynamics (CFD) for predicting the behavior of cold liquid injection of the ISUZU 4JJ1 injector. For this purpose, the current physical principles and technological trends are reviewed. For model validation, it was compared with a theoretical model, to which the model is adjusted by a correction factor, then a multifactorial variance analysis is performed to determine the influence of the different parameters on the injection rate.En el siguiente trabajo se desarrolla un modelo basado en la simulación mediante la dinámica de fluidos computacional (CFD) para la predicción del comportamiento de la inyección liquida fría del inyector ISUZU 4JJ1, para ello se revisan los principios físicos y la tendencia tecnológica actuales; con el objetivo de cimentar el modelo CFD. Para la validación del modelo, se comparó con un modelo teórico, al que se ajusta el modelo mediante un factor de corrección, luego se realiza un análisis de varianza multifactorial para determinar la influencia de los distintos parámetros sobre la tasa de inyecció

CFD analysis of turbulent flows transported by centrifugal pumps under low Re numbers

Numerical methodologies have presented an inexpensive solution of laminar and turbulent flows capable of predicting a wide range of mechanical devices in science and engineering. Computational tools have been employed in recent years to analyze the conservation equations behavior used to describe the interaction between turbulent and laminar flows used to transfer the energy needed to perform a complex mechanical system. Due to the above, this paper purpose the application of the numerical method linked to mathematical algorithms capable of generating an approximated solution of the partial differential equations system which determines pressure, and velocity values related to the centrifugal pump performance under low Re conditions in a virtual environment through OpenFOAM software, and Salome 8.3.0. An independence mesh analysis was computed to study the computational effort required to establish an approximated turbulence phenomena description performed by the centrifugal pump into the virtual environment supported by MRFSimpleFoam solver.Las metodologías numéricas han presentado una solución económica de flujos laminares y turbulentos capaz de predecir una amplia gama de dispositivos mecánicos en la ciencia y la ingeniería. En los últimos años se han empleado herramientas computacionales para analizar el comportamiento de las ecuaciones de conservación utilizadas para describir la interacción entre los flujos turbulentos y laminares utilizados para transferir la energía necesaria para operar un sistema mecánico complejo. Debido a lo anterior, este trabajopropone la aplicación del método numérico vinculado a algoritmos matemáticos capaces de generar una solución aproximada del sistema de ecuaciones diferenciales parciales que determina los valores de presión y velocidad relacionados con el rendimiento de la bomba centrífuga en condiciones de baja Re a través del software OpenFOAM y Salome 8.3.0. Se calculó un análisis de independencia de malla para estudiar el esfuerzo computacional requerido y así establecer una descripción aproximada de los fenómenos de turbulencia producidos por la bomba centrífuga en el entorno virtual que soporta el solver MRFSimpleFoam