12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA
Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015MODELADO TÉRMICO DE UNA CÁMARA DE COMBUSTIÓN PARA CONTROLAR UN TURBOCARGADOR
José Ricardo Bermudez S1, Ramón Molina Valle2, Rafael Santos Luque1, José Mautorie Barros2, Addison Ríos Bolívar1
1-Universidad de los Andes, Mérida, República Bolivariana de Venezuela, e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
2-Universidad Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil, e-mail: [email protected],[email protected]
RESUMEN
En este trabajo de investigación se construyó un prototipo en la Universidad Federal de Minas Gerais en los
laboratorios del Centro de Tecnología de Movilidad “CTM”, cuyo propósito es controlar un turbocargador y así
poder detectar y diagnosticar sus fallas. Para identificar las características que nos presentan estas fallas (mapas del compresor), una de las condiciones es mantener constante la velocidad del eje rotativo del turbocargador según las condiciones de trabajo (Flujo del compresor). Para poder tener esta condición constante se diseñó un sistema de control por razón, que mantendrá la relación aire combustible a la entrada de la cámara de combustión, ajustando las características del proceso térmico que controlan a la turbina. Esta cámara de combustión es la esencia fundamental del prototipo, por tal razón se le dio gran interés y dedicación, así, se procedió a desarrollar su modelo matemático basado en su balance de masa y energía. Al obtener el modelo matemático se procedió a implementarlo, utilizando la herramienta informática Simulink®. Donde se obtuvo grandes aportes, para futuros diseños térmicos. El modelo matemático de esta cámara de combustión nos aporta una herramienta que nos permite modificar las diversas condiciones del turbocargador para poder analizar sus fallas, también nos proporciona exactitud y verificabilidad. En este modelo térmico se realizó la metodología de modelización, teniendo en cuenta su identificación, calibración, validación, simulación y sensibilidad.
INTRODUCCION
En los motores de combustión existe un elemento fundamental que permite aumentar su potencia, este es el llamado turbocargador, conformado por tres etapas (Turbina, Compresor y Eje de Transmisión de energía). Su funcionamiento se origina por el aprovechamiento de los gases de escape que se genera por el motor, estos alimentan la etapa turbina que desarrolla un par mecánico que es transmitido por el eje rotativo hacia la etapa compresor que impulsa aire comprimido hacia el colector de admisión para la cámara de combustión [1]. El turbocargador es un elemento que contribuye al aprovechamiento de la energía y aporta al favorecimiento del medio ambiente, también podemos afirmar que por el uso continuo y descuidos de su mantenimiento tiende a fallar y causar su deterioro, ocasionado daños destructivos hasta quedar inactivo y generar mal funcionamiento al motor de combustión en actividad. Por tal razón se procede solucionar este inconveniente, desarrollando un banco de pruebas para turbocargadores [2], con el objetivo de proporcionar un diagnóstico y detección de fallas. Este banco de prueba está conformado por un proceso que reemplaza al motor, como lo es la cámara de combustión, alimentada por una relación de aire combustible, que es controlada por una estrategia de relación, donde se toma como variable manipulada el flujo de gas y se establece la relación correspondiente a la mezcla de aire. Esta cámara de combustión es la encargada de generar los gases de combustión que controlada la etapa turbina, para mantener el régimen de velocidad en el eje de trasmisión constante, con el fin de realizar el mapa característico del compresor, donde se detectará las diversas anomalías o fallas del turbocargador. Por tal razón el elemento principal en este banco de pruebas es la cámara de combustión, por tal motivo se diseñó, modelo, implemento con las metodologías precisas para su desarrollo y se realizó un control avanzado de relación completa, manipulando la velocidad del ventilador y la apertura de la válvula de control que gobierna el flujo de gas.
DISEÑO EXPERIMENTAL DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN
La cámara de combustión se diseñó por metodología experimental [3], teniendo en cuenta las siguientes partes: Cuerpo de la cámara, mezclador y boquilla.
Cuerpo de la cámara de combustión
Para el diseño de este proceso se tomó como referencia el flujo proporcionado por la fuente que suministra el aire, en este caso una válvula de control neumática, con un flujo másico de diseño de 0.4 kg/s, que es manipulado dependiendo de la relación aire combustible (16,5). Otro aspecto importante es la permanencia del aire en la cámara, se realizaron medidas sucesivas y se obtuvo un promedio del cual arrojo un valor de (1.63673 seg). Con este dato se obtuvo el volumen efectivo correspondiente a la cámara de combustión. Ya obteniendo el volumen se procedió a dimensionar la carcasa y darle a la cámara de combustión su forma geométrica según la disposición de los turbocargadores, ver Fig. 1.
Fig. 1: Cámara de combustión.
Mezclador
Es el encargado de hacer la mezcla del aire y el combustible (GLP), con una eficiencia alta, Fig. 2.
Fig. 2: Mezclador de aire-combustible.
Inyector
Es un elemento construido por dos partes fundamentales: el cuerpo y el dispersor, manufacturados en acero inoxidable. Cumplen con la función de inyectar el combustible (GLP) dentro del mezclador. El inyector, es el encargado de realizar la distribución homogénea del combustible, Fig. 3, está diseñado con un ángulo de convergencia de 45 ° concéntrico a la tubería del combustible.
Fig. 3: Inyector de combustible.
MODELO MATEMÁTICO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN
Al realizar los diseños anteriores de la cámara de combustión, se procedió a modelar matemáticamente estos elementos. Este modelo matemático se basa en los balances de masa y energía [4]. Las etapas que conforman el proceso de la cámara de combustión son: Suministro de aire y combustible, Cámara de combustión y Carga (turbina).
Suministro de aire
El diseño del modelo matemático del sistema de ventilación que suministra aire a la cámara de combustión se fundamenta en los siguientes escritos: [5], [6].
= ∗ ∗ (1)
Suministro de flujo de combustible
Su modelo matemático se representa a través de una válvula de control y se representa a través de la Ec.(3):
= . . (3)
Cámara de combustión
Este modelo matemático se basa de las siguientes investigaciones, [7],[8], [9].
= + (4)
= . . + . (5)
= . (6)
= (7)
1) Energía que genera el combustible en la cámara de combustión.
= . ( + ). (8)
= (9)
= . (10)
= . (11)
2) Balance estequiométrico para hallar el componente de oxígeno.
+ 3 + ==== 3 + (12)
+ + ==== 3 + (13)
3) Energía que genera el aire en la cámara de combustión.
= + (14)
= ( − ) ( − ) (15)
= (29,1 + 1,158 ∗ 10 ∗ − 0,6076 ∗ 10 ∗ + 1,311 ∗ 10 ∗ )/32 (16)
= ( − ) ( − ) (17)
4) Energía que genera los gases de combustión en la cámara de combustión.
= ∗ ∗ ( − ) (19)
= + + + + +
(20)
= ∗ ∗ 44 (21)
= − ∗ ∗ 3 − − ∗ ∗ 0,2 ∗ 3 ∗ 44 (22)
= − ∗ ∗ 0,2 ∗ 3 ∗ 28 (23)
= − ∗ ∗ 4 ∗ 18 (24)
= − ∗ ∗ 3 − − ∗ ∗ 0,2 ∗ 3 ∗ 2 − − ∗ ∗ 0,2 ∗ 3 −
− ∗ ∗ 3 ∗ 4 ∗ 2 ∗ 32 (25)
= ( ∗ ) (26)
= ∗ 0,018 + ∗ 0,7461 + ∗ 0,002779 + ∗ 0,12667 + ∗ 0,02015 + ∗ 0,086768 (27)
= , , ∗ , ∗ ∗ , ∗ (28)
= , , ∗ , ∗ ∗ , ∗ (29)
= , , ∗ , ∗∗ , ∗ (30)
= , , ∗ , ∗∗ , ∗ (31)
Turbina
Es el elemento que tiene como función el de conducir el flujo de los gases de combustión producidos por la cámara de combustión y así obtener un torque que genera la rotación en el eje compresor, sus ecuaciones representativas son:
= . . + . (32)
= ( ( − ) + ( − ) + ) (33)
= (34)
IMPLEMENTACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO
El software utilizado para realizar la implementación y validación del modelo matemático de la cámara de combustión es el Simulink ®, [10].
Sistema general de la cámara de combustión
Se implementó el modelo de la cámara de combustión según la Fig. 4, con base en las ecuaciones Ec.(1) a Ec.(35). Teniendo en cuenta que la salida de los gases de combustión afectan la característica de operación de la turbina del turbocargador. La Fig. 4 nos presenta el proceso principal para mantener constante la variable a controlar (N). Este sistema está conformado por los procesos de manipulación y de carga, como son el sistema de aire, gas, turbina ydepuración de los gases de combustión “catalizador”. Se tiene como control de los flujos a la entrada de la cámara de combustión a través de válvulas de control manipuladas neumáticamente.
Fig. 4: Implementación de la cámara de combustión.
Cámara de combustión
Fig. 5: Proceso termodinámico de la cámara de combustión.
Reacción química de la cámara de combustión
En este proceso se implementan las Ec. (12) y (13), se establece la relación estequiometrica y real del aire-combustible. El valor de referenciaes el factor “a > 1” o equivalente a una combustión completa, según Ec. (8) a (11).
Fig. 6: Relación estequiometrica cámara de combustión.
Simulación y sensibilidad de la cámara de combustión
Fig. 7: Estrategias de control.
Monitoreo y supervisión de la cámara de combustión
En este trabajo se desarrolló el sistema HMI en LabView ®, que genera el monitoreo y supervisión de los diversas variables que conforman el banco de pruebas, en el que se encuentra el proceso de la cámara de combustión. El sistema de monitoreo y supervisión está conformado por una interacción dinámica entre el modelo matemático implementado en Simulink y el HMI en la plataforma de LabView®, a través del protocolo de comunicación DDE.
UNIDADES Y NOMENCLATURA
Variable Característica Unidades
Flujo másico de los gases de combustión Kg/s
Flujo másico a la entrada a la cámara de combustión Kg/s Flujo másico de combustible a la cámara de combustión Kg/s
Flujo másico estequiométrico Kg/s
Flujo másico de oxigeno Kg/s
Flujo másico de entrada de aire Kg/s
Flujo másico del gas Kg/s
Flujo másico de la turbina Kg/s
Flujo másico del catalizador Kg/s
Masa almacenada en la cámara de combustión Kg
Masa almacenada en la turbina Kg
Masa almacenada en el catalizador Kg
Presión de la cámara de combustión Pa
Presión a la entrada de la válvula de control del aire Pa
Presión de la turbina Pa
Presión del plenum Pa
Temperatura de combustión K
Temperatura del aire a la entrada de la cámara de combustión K
Temperatura del gas K
Temperatura de la turbina K
Velocidad de rotación del ventilador rpm
Energía del combustible en la cámara de combustión J
Relación de combustión
-Exceso de aire
-Poder calorífico J
Oxígeno en el ambiente
-Energía del aire en la cámara de combustión J Energía de los gases de combustión en la cámara de combustión J
Perdidas de calor J/s
Valor de la velocidad del sonido a diversas T
-( ) Momento turbina
Eficiencia turbina
-Eficiencia compresor
-Relación de compresión
-Constante J/kg-K
CONCLUSIONES
En este trabajo se desarrolló una cámara de combustión que remplaza el motor de un automóvil, dando resultados ecológicos muy eficiente y gran sensibilidad para la manipulación de la velocidad a través de la turbina. El modelo matemático reúne características muy específicas de las condiciones reales de los fenómenos que se presentan en este proceso térmico, orientados a los turbocargadores. Con este modelo matemático se puede simular las diversas gamas de turbocargadores existente en el mercado.
REFERENCIAS
1 Roberto Argolini, Viviana Bloisi, “On optimal control of the wastegate in a turbochraged SI engine”, KIH
electrical engineering, Master´s Deggree proyect, Stockholm, Sweden June 2007, pp 228.
2 Jose Ricardo Bermudez S, Rafael Santos Luque, Addison Rios Bolivar, “Modelodinámico de turbocargadores para detecciónde fallas”, XX Congreso de laasociación chilena, ACCA, Santiago de chile, Noviembre 2012, Pag 123-130.
3 Giuliano Gardolinski Venson,“Desenvolvimento de um banco de ensaios e da metodología experimental para o levantamento das características operacionais de turbocompresores utilizando gas quente”, UniversidadFederal de 2007, Pag 133.
4 Felder Richard M, Rousseau Ronald W, “Principios elementales de los procesos químicos”, segunda edición, libro texto.
5 Per Anderson, “Air Change Estimation in turbocharged Spark Ignition Engines”, Linkopings Universiteet,
Thesis N° 989 Dpto de Electrical Engineering, ISBN 91-85457-77-9, ISSN 0345-7524, 2005 Sweden.
6 Fredrik Pettersson, “Simulation of a Turbo Charged Spark Ignited Engine”, Examensarbete utf ¨ort i
Fordonssystem vid Tekniska H¨ogskolan i Link¨opingav, Reg nr: LiTH-ISY-EX-3010.
7 Fany Méndez Vergara, “Control del sistema de combustión para una termoeléctrica convencional”, D.F México, Julio 2007, Instituto Politécnico Nacional, Tesis de grado, Pag 175.
8 Jordi Peñalba Galán, “Modelado y simulación de una caldera convencional”, Escola Tecnica Superior
Enginyeria, Universitat Rovira i Virgili, Dpto d´Enginyeria Electrónica eléctrica Automática, Septiembre de 2004, Pag 99.
9 Agustin Valverde G, Bienvenido Saria L, Jose P. Monteagudelo, “Evaluación de la eficiencia de un horno que utiliza como combustible cascarilla de arroz”, Scientia Et Technica, Diciembre, Vol XIII, número 037, Unniversidad Tecnológica de Pereira, Colombia, ISSN 0122-1701, Colombia.
10 Rodrigo Alem FernándezGranero, “Desarrollo de un simulador de caldera en Matlab-Simulink”, Universidad
