TESIS DOCTORALES DEFENDIDAS EN EL AÑO 2007.

METODOLOGÍA PARA EL ESTUDIO DE LAS CAUSAS DE ROTURA DE CIGÜEÑALES EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS Y COMPRESORES ALTERNATIVOS. APLICACIÓN EN UN MODELO DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO.

Directores: Francisco Jiménez-Espadafor Aguilar y Antonio Muñoz Blanco

Doctorando: José Antonio Becerra Villanueva

Resumen: Los ejes cigüeñales son una parte fundamental en el funcionamiento de los motores de combustión interna alternativos y compresores volumétricos alternativos. El fallo de un cigueñal no es uno de los problemas más frecuentes, sin embargo el fallo de este componente puede tener consecuencias muy importantes tanto en la integridad de las instalaciones como en la disponibilidad de estas, por no nombrar los costes asociados a su reparación, agravados por su difícil accesibilidad.

En la mayoría de los casos el diseño de los ejes cigüeñales, por estar sometidos a cargas cíclicas, se realiza con coeficientes de seguridad muy altos buscando alejarse lo más posible del límite de fatiga del material. En un porcentaje muy alto de los casos la fatiga esta detrás de las roturas en ejes cigueñales, por lo que es clara la positiva incidencia que tendría la detección precoz de grietas en el componente.

El objetivo de la tesis es el desarrollo de una metodología para el análisis dinámico a torsión de sistemas accionados a través de motores de combustión interna alternativos que permita establecer las condiciones de trabajo del cigüeñal del motor impulsor así como establecer la evolución de las características dinámicas del cigüeñal a medida que se produce el desarrollo de grietas en él, permitiendo detectar con antelación al fallo catastrófico, el deterioro del componente.

La metodología presentada será aplicada a varios casos prácticos de análisis de las causas de rotura en un sistema moto-bomba, un compresor volumétrico de embolo, un motor diesel de generación, y un motor gasolina de 3 cilindros de automoción.

Con el fin de establecer la idoneidad de los modelos dinámicos desarrollados en el trabajo se llevarán a cabo diversos ensayos experimentales para establecer la validez de los mismos.

 

APORTACIONES AL PROCESO DE COMBUSTIÓN HOMOGÉNEA (HCCI) EN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS DE CUATRO TIEMPOS ALIMENTADOS CON GASÓLEOS

Directores: Francisco Jiménez-Espadafor Aguilar y Tomás Sánchez Lencero

Doctorando: Miguel Torres García

Resumen: La preocupación de las emisiones contaminantes procedentes de los motores de combustión interna alternativos ha supuesto un replanteamiento de los procesos de combustión en busca de minimizar las emisiones y maximizar el rendimiento, todo ello conlleva la búsqueda de nuevos procesos de combustión.

En esta tesis se realiza un estudio teórico-experimental de un nuevo proceso de combustión llamado a convertirse en la tercera alternativa a los convencionales motores de combustión interna alternativos. La combustión homogénea HCCI siglas en inglés   de "Homogeneous Charge Compresión Ignition" como más corrientemente se la conoce presenta una serie de ventajas significativas con respecto a los motores convencionales. Concretamente esta tesis se encarga de profundizar en el conocimiento de la combustión HCCI alimentada con gasóleos comerciales y adquiere un valor añadido adicional por el escaso conocimiento que se tiene de ella.

El trabajo se basa en   conversión del motor diesel convencional monocilíndrico FL1 906 de Deutz Diter en uno HCCI y en el desarrollo de un modelo predictivo de la TLC de la combustión HCCI.

El primer paso en el presente trabajo es el desarrollo de un modelo cinético-químico del punto de autoignición validado por un amplio estudio fenomenológico de la combustión HCCI, desarrollado en el capítulo 3. El estudio de un nuevo proceso de combustión irrefutablemente requiere de un planteamiento experimental del mismo. Este proceso fenomenológico y experimental del motor se desarrolla en el capítulo 4 donde se describe el camino seguido y las técnicas utilizadas para la obtención de unas prestaciones aceptables del motor en combustión HCCI.

El capítulo 5 contiene el estudio teórico del EGR y como éste afecta al inicio de la combustión. La aplicación del EGR se presenta como una técnica muy útil para la estabilización de la combustión HCCI.

Los capítulos 6 y 7 contienen el desarrollo de los modelos fenomenológico y predictivo respectivamente. El modelo fenomenológico proporciona la caracterización de la combustión HCCI determinando la ley funcional que define la tasa de liberación de calor (TLC) y como ésta difiere de la TLC convencional de la combustión diesel. El modelo predictivo proporciona una herramienta que permite obtener las magnitudes indicadas de la combustión HCCI, la presión en cámara y el consumo específico sin necesidad de recurrir a datos fenomenológicos. Por último, en el capítulo 8 se exponen las conclusiones finales del trabajo desarrollado.

A juicio del autor, el trabajo realizado en esta tesis representa una aportación más en el conocimiento de la combustión HCCI con gasóleos susceptible de trasladarse a otros motores e indica el camino a seguir en el estudio de la combustión HCCI con otros combustibles alternativos.

 

TESIS DOCTORALES DEFENDIDAS EN EL AÑO 2006.

ANÁLISIS DE METODOLOGÍAS DE OPTIMIZACIÓN INTELIGENTES PARA LA DETERMINACIÓN DE LA PRESIÓN EN CÁMARA DE COMBUSTIÓN DE MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTIÓN INTERNA POR MÉTODOS NO INTRUSIVOS.

Director: Prof. Dr. Francisco Jiménez-Espadafor Aguilar

Autor: Fernando A. Cruz Peragón

Resumen: El objetivo de este trabajo es el desarrollo de una metodología basada en la medida de la velocidad angular instantánea del motor, para obtener la presión instantánea en cada cilindro del mismo y los parámetros asociados al proceso de combustión en cada uno de ellos, a través de un modelo completo del sistema. Con el objeto de salvar los inconvenientes asociados a la elevada no linealidad de los modelos existentes, se analizará la utilización de técnicas de optimización inteligentes tales como algoritmos genéticos y redes neuronales artificiales como elementos básicos para la metodología buscada. De ellas, la técnica más efectiva resulta ser la de redes neuronales artificiales con método de aprendizaje no supervisado, que a la hora de generar resultados es muy rápida, con una fiabilidad notoria, aunque insuficiente para su aplicación inmediata en la estimación de la curva de presión y parámetros asociados a todos los cilindros del motor. Esto se debe a la gran cantidad de combinaciones de parámetros necesarias para llevar a cabo un entrenamiento eficaz y que asegure un nivel de confianza superior al 95%. Para evitar este inconveniente, se reduce su aplicación a diagnosticar fallos de combustión en cilindros, lo que abre un horizonte muy esperanzador, ya que el número de patrones puede reducirse drásticamente y ser compatible con la capacidad computacional de los equipos informáticos existentes en la actualidad.

TESIS DOCTORALES DEFENDIDAS EN EL AÑO 2005.

APORTACIONES AL ANÁLISIS DE PILAS DE COMBUSTIBLES DE ÓXIDO SÓLIDO (SOFC) PARA INTEGRACIÓN EN SISTEMAS HÍBRIDOS PILA DE COMBUSTIBLE-TURBINA DE GAS.

Director: Prof. Dr. Tomás Sánchez Lencero

Autor: David Sánchez Martínez

Resumen: El sistema de producción de energía eléctrica está envuelto en un proceso de transformación en su configuración y en las tecnologías empleadas. Desde una concepción tradicional, en la que grandes centros de generación abastecían a los lugares de consumo por medio de redes de distribución de gran capacidad y distancia, se está evolucionando hacia lo que se ha dado en denominar “sistema de generación distribuida”. En esta nueva concepción, los puntos de producción y consumo se encuentran más próximos y las pérdidas de distribución disminuyen significativamente.

En este panorama es necesario desarrollar tecnologías que permitan la integración de los dos extremos de la cadena energética (producción y consumo) de manera armónica. En este sentido, la pila de combustible se adapta perfectamente a este requerimiento por sus características de alto rendimiento (bajo consumo), nula rumorosidad y mínimas emisiones contaminantes. En concreto, estos sistemas destacan por no generar agentes destructores de la capa de ozono (óxidos de nitrógeno), siendo agua y dióxido de carbono los únicos productos emitidos a la atmósfera.

En esta tesis se realiza un estudio detallado del funcionamiento de las pilas de combustible de óxido sólido, caracterizadas por su electrolito cerámico y su elevada temperatura de funcionamiento, próxima a los 1.000 ºC. Esta temperatura es una de las propiedades más interesantes de las pilas cerámicas por cuanto genera una corriente de gases de escape de alto contenido energético, susceptible de ser aprovechada en una máquina térmica. En este sentido, la integración de una turbina de gas (de pequeño tamaño) con una pila de este tipo presenta un potencial muy elevado desde el punto de vista de la generación de energía, donde rendimientos de hasta el 70% a largo plazo parecen posibles. En el capítulo 2 de este trabajo se describen el estado del arte de las pilas de combustible de óxido sólido y de los sistemas híbridos, al tiempo que se revisan los estudios realizados previamente en este campo.

El primer paso para de la caracterización de los sistemas de pila de combustible es un análisis termodinámico de los procesos que los gobiernan. Este análisis, realizado en el capítulo 3, permite concluir que la energía libre de Gibbs es el potencial termodinámico que mejor describe las transformaciones que ocurren en el interior de la pila. Esta función será empleada en los desarrollos posteriores.

Los capítulos 4 y 5 contienen la descripción pormenorizada de todos los fenómenos involucrados en el funcionamiento de la pila, divididos en dos bloques por comodidad pero inseparables desde el punto de vista termodinámico. Estos bloques analizan por separado los procesos de naturaleza electroquímica y térmica, procesos que están ligados por el efecto conjunto de composiciones y temperaturas.

Todos los estudios previos permiten el desarrollo de una herramienta de cálculo caracterizada por su robustez y estabilidad. Esta herramienta, cuya validez se contrasta en el capítulo 6, será la base del análisis de comportamiento presentado en el capítulo 7, en el que se emplea una metodología sistemática para estudiar el efecto de los parámetros operativos de la pila sobre su funcionamiento.

A juicio del autor, el trabajo realizado en esta tesis describe con gran rigor el funcionamiento de una pila de combustible y deja el camino despejado para acometer el estudio de su integración con una turbina de gas

CONTRIBUCIÓN AL ESTUDIO NUMÉRICO DE FLUJOS EN TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS.

Director: Prof. Dr. Tomás Sánchez Lencero

Autor: Ricardo Chacartegui Ramírez

Resumen: Con el creciente avance en las tecnologías de los computadores los métodos de análisis de flujos en turbomáquinas mediante técnicas numéricas han crecido en importancia, convirtiéndose en indispensables en los procesos de diseño y análisis del comportamiento de diferentes configuraciones y situaciones. Se ha evolucionado de métodos simples y eficientes de bajo coste computacional y gran dependencia experimental, como pueden ser los métodos unidimensionales para la predicción del comportamiento de turbomáquinas térmicas, a métodos altamente complejos y de gran coste computacional como pueden ser los métodos de análisis numéricos de flujo tridimensional viscoso

Del análisis de las diferentes líneas de investigación actuales asociadas al estudio numérico de flujos aplicados al campo de las turbomáquinas térmicas, se detectaron una serie de carencias en el uso directo de códigos CFD comerciales, principalmente asociado a la no posiblidad de acceso al código fuente del mismo, dificultando su acoplamiento efectivo con códigos estructurales o de optimización, o bien modificaciones que permitieran una mejor adaptación, en el modelado de la física del problema o desde el punto de vista computacional, al problema a estudiar.

Por ello se plantea la necesidad del desarrollo de una herramienta numérica propia, orientada inicialmente al análisis del comportamiento global de turbomáquinas térmicas, que permitiera un adecuado conocimiento de las pérdidas presentes en las mismas, bien para el proceso de diseño de diferentes componentes bien para su uso en métodos simplificados más eficientes desde el punto de vista computacional.

En esta tesis se ha abordado el desarrollo de una herramienta computacional propia que permitiera abordar de manera eficiente el estudio detallado de la evolución del flujo en turbomáquinas térmicas y por consiguiente de las pérdidas presentes en las mismas. Esta herramienta se convierte en herramienta base para desarrollo de líneas de investigación futuras asociadas a estudios de aeroelasticidad o resolución de problemas inverso o de diseño

Presenta el tratamiento de las ecuaciones de Navier Stokes para flujo compresible con la introducción de turbulencia mediante un promediado de las ecuaciones según Reynolds, RANS (Reynolds Average Navier Stokes). Con ello se consigue un adecuado modelado de las características globales del flujo en cascadas de turbomáquinas térmicas para un completo rango de condiciones de flujo, tanto en condiciones de flujo adherido al perfil como en condiciones de desprendimiento.

Esta herramienta numérica define con precisión la evolución del flujo en cualquier geometría bidimensional lo cual a su vez permite análisis prácticamente inmediatos de la transferencia de calor en cascadas de turbina, o estudio de geometrías no vinculadas a turbomáquinas como perfiles de automóviles o geometrías de válvulas en motores de combustión interna alternativos.