ETS de Ingenie os Indus iales y
de Telecomunicación.
Uni e sidad de Can ab ia
XVIII Cong eso Uni e si a io de Inno ación Educa i a en las Enseñanzas Técnicas
Escuela Técnica Supe io de Ingenie os Indus iales y de Telecomunicación. Uni e sidad de Can ab ia
San ande , 6 a 9 de julio de 2010
SOFTWARE EDUCACIONAL PARA LA SIMULACIÓN DE
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS
Miguel To es, Amalia San ana , F ancisco José Jiménez-Espada o ,
José An onio Bece a, Elisa Ca ajal, Tomás Sánchez
Escuela Supe io de Ingenie os, Uni e sidad de Se illa, A da. Camino de los
Descub imien os, s/n. 41092 SEVILLA. Telé ono: 0034954486111, FAX:
0034954487243, miguel_ o e[email p o ec ed]
Resumen
Se desc ibe una he amien a i ual que pe mi e la simulación de allada del uncionamien o
de un mo o diesel, así como un análisis pa amé ico y de sensibilidad de es os mo o es. Ello
es debido a la con inua necesidad pa a un ingenie o de en ende y aplica modelos
ma emá icos en la simulación de mo o es. La he amien a se ha desa ollado en lenguaje
MATLAB y el empleo de la he amien a puede ayuda a ealiza simulaciones en luga de
ensayos di íciles de lle a a cabo en el labo a o io. El empleo de la he amien a pe mi e
en ende el uncionamien o de los mo o es diesel en dis in as condiciones ope a i as. Los
esul ados de la simulación son isualizados median e el uso de “g aphical use in e ace
(GUI)”. Se han ob enido muy buenos esul ados po pa e de los alumnos con el uso de es a
he amien a.
Palab as Cla e: Simulación, Combus ión, Mo o Diesel.
Abs ac
This a icle desc ibes a i ual ins umen ha allows a de ailed diesel engine simula ion
pe o mance and pa ame ic analysis o he combus ion p ocess. The s imulus o
de eloping his compu e -aided educa ional ool de i es om he con inuing need o he
enginee o unde s and and apply ma hema ical models in engine simula ion. Common
p og amming language Ma lab is selec ed o de elop he so wa e and in e aces. The
applica ion o so wa e in eaching in e nal combus ion engines can help s uden s o
imp o e hei pa ame ic analysis and make hem unde s and diesel combus ion be e .
Simula ion and pa ame ic analysis a e isualized on he designed g aphical use in e ace
(GUI). The so wa e has been used by s uden s who ha e achie ed excellen esul s by
using his eaching ool.
Keywo ds: Simula ion, Combus ion, Diesel Engine
1. In oducción
La di icul ad del ap endizaje de los Mo o es de Combus ión In e na Al e na i os (MCIA)
adica, además de en la complejidad de las ecuaciones ma emá icas que gobie nan
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és os, en la necesidad de ecu i a la expe imen ación pa a que el alumno en ienda y
isualice el compo amien o de los mo o es al e na i os an e el cambio de un
pa áme o de uncionamien o en un análisis de sensibilidad.
Los labo a o ios de mo o es al e na i os son escasos, cos osos y di íciles de equipa .
Po ello, el desa ollo de un so wa e educacional que pe mi a al alumno el es udio
cuali a i o e incluso cuan i a i o de las p es aciones de los mo o es de combus ión
al e na i os puede ep esen a una he amien a muy ú il pa a complemen a el
ap endizaje de alumnos que cu sen asigna u as de mo o es al e na i os, así como la
aplicación de nue as ecnologías en las enseñanzas écnicas.
El so wa e educacional desa ollado po el depa amen o de Ingenie ía Ene gé ica de
la Uni e sidad de Se illa, ealizado en lenguaje MATLAB, p opo ciona a los alumnos de
úl imos cu sos de enseñanzas écnicas un complemen o ideal en el análisis de los
mo o es de o ma ápida y desc ip i a: el alumno puede ealiza análisis de los
pa áme os que in luyen en la combus ión desde su p opia casa con sólo dispone de
un o denado , el p og ama dispone de lib e ías desde las que se pueden simula las
ca ac e ís icas de odo ipo de mo o es, odo ipo de eglajes o condiciones
ambien ales con un en o no g a ico ácil y ag adable pa a su manejo que, jun o con
unas p ác icas de labo a o io, acili a la comp ensión de los MCIA.
2. Me odología
En la asigna u a denominada “Mo o es de Combus ión In e na Al e na i os” de cua o
cu so de la ac ual i ulación de Ingenie o Indus ial de la Uni e sidad de Se illa, Plan
98 [1], se incluyen las siguien es p ác icas de labo a o io:
1. Combus ión Diesel
2. Combus ión MECH
3. Pé didas Mecánicas
4. Cálculo del Swi l
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5. Desmon aje y mon aje
6. Emisiones
Dichas p ác icas es án dis ibuidas a lo la go del cua imes e co espondien e según
desa ollo del ema io a azón de una sesión de es ho as po p ác ica.
En la co espondien e a la combus ión en mo o es diesel, los alumnos, en g upos
educidos, asis en a la moni o ización de un MEC en una celda de ensayo ob eniendo
como medidas di ec as las siguien es:
1. el ai e de admisión a a és de una obe a calib ada;
2. el consumo de combus ible a a és de un medido de caudal;
3. la p esión en cáma a y en la inyección a a és de cap ado es de p esión;
4. el inicio de la inyección de combus ible a a és de senso es de le an amien o
de aguja;
5. pa y égimen de gi o.
Con es os da os expe imen ales, jun o con los da os geomé icos del mo o ensayado,
el alumno puede ep esen a , en las condiciones de e minadas de uncionamien o en
las que se ealiza el ensayo, la cu a p esión-ángulo gi ado po el cigüeñal, la cu a de
p esión media e ec i a y el consumo especí ico de combus ible, así como iden i ica las
ases de la combus ión y es ima el iempo de e aso en la misma.
Sin emba go, en el iempo dedicado a es a p ác ica en el labo a o io, no es posible
ealiza un análisis de sensibilidad del mo o ensayado: el iempo necesa io pa a pasa
de unas condiciones de uncionamien o a o as dis in as y es abiliza an o el mo o
como las mediciones de los di e sos cap ado es es supe io al disponible. Además, los
cos es necesa ios pa a ealiza median e ensayo el análisis de sensibilidad se ían
inasumibles po el p esupues o del GMTS.
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Sin enuncia a la isi a al labo a o io, se ha desa ollado un so wa e educacional en
lenguaje MATLAB [2-4] que supone una aplicación de nue as ecnologías en la
enseñanza de los MCIA.
2.1. Desc ipción del Modelo
A con inuación se desc iben las simpli icaciones ealizadas en el diseño del modelo que
pe mi e al alumno en ende la alidez del mismo. El modelo conside ado es
e modinámico y unizona, en el que la aplicación del p ime p incipio de la
e modinámica pa a sis emas abie os, la ecuación de es ado y la ecuación de
con inuidad se ealizan bajo las siguien es hipó esis simpli ica i as:
1. la ca ga en el in e io del cilind o es una mezcla homogénea [5] de gases con
compo amien o de gas ideal modelados según las co espondien es ablas de
Jana [6];
2. las p opiedades e modinámicas del luido son uni o mes en oda la cáma a;
3. el es ado de la mezcla en cada ins an e puede se desc i o po la p esión,
empe a u a, F
(dosado ela i o) y acción de masa quemada [5, 7]
4. du an e la inyección de combus ible se conside a el lujo del mismo a a és del
o i icio del inyec o como es aciona io, incomp esible y unidimensional [8];
5. pa a iden i ica las ases de la combus ión en un mo o diesel se emplea á el
diag ama Tasa de Libe ación de Calo (TLC) en e al ángulo gi ado po el
cigüeñal, como mues a la Figu a 1;
6. no se conside an ni la disociación de especies químicas ni anomalías en la
eacción de combus ión;
7. no se conside a la apo ización del combus ible;
8. las pé didas de calo a a és de las pa edes del cilind o se modelan median e
la co elación de Woschni [9, 10];
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9. la uga de masa del lujo de gases a a és de los segmen os se modela
conside ando es e p oceso como isen ópico y cuasies aciona io;
10. las ecuaciones di e enciales que esul an se esuel en median e Runge Ku a de
4º g ado eligiendo un paso de in eg ación, ela i o a la a iación del ángulo del
cigüeñal, según un comp omiso que ga an ice un ajus e adecuado con un
iempo compu acional acep able;
Figu a 1: Diag ama TLC
2.2. Desc ipción del P og ama de Simulación
A con inuación se desc iben las ca ac e ís icas a ni el usua io del p og ama de
simulación ealizado:
1. el desa ollo del in e ace se ha desa ollado en inglés ya que es en es e idioma
en el que puede encon a se la mayo ía de la documen ación écnica e e en e
a es e ema y el alumno debe amilia iza se con es os é minos;
2. la in e ace de salida de esul ados es á desa ollada en un en o no “G aphical
Use In e ace (GUI)”, ambién implemen ado en MATLAB;
3. el desa ollo del empleo del p og ama se mues a en la Figu a 2;

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S a
Design
pa ame e s
inpu
Idle speed
analysis
Choose he
ype o
analysis
Pa icula analysis
G a ical esul s
-P essu e-c ank angle g aphic
-P essu e-cylinde olume g aphic
-Tempe a u e-c ank angle g aphic
-Accumula ed eleased ene gy-c ank angle g ahpic
-Hea ans e a e-c ank angle g aphic
-Mass con ained a he cylinde -c ank angle g aphic
On sc een esul s
-Design pa ame e s
-Resul s
P ope ies by engine speed
G a ical esul s
-Volume ic e iciency-engine speed g aphic
-Delay angle-engine speed g aphic
-B ake powe -engine speed g aphic
-B ake o que-engine speed g aphic
-Mean e ec i e p essu e-engine speed g aphic
-E ec i e e iciency-engine speed g aphic
-Speci ic uel cocomsup ion-engine speed g aphic
On sc een esul s
-Design pa ame e s
P ope ies by injec ion angle
G a ical esul s
-Volume ic e iciency-injec ion angle g aphic
-Delay angle-injec ion angle g aphic
-B ake powe -injec ion angle g aphic
-B ake o que-injec ion angle g aphic
-Mean e ec i e p essu e-injec ion angle g aphic
-E ec i e e iciency-injec ion angle g aphic
-Speci ic uel cocomsup ion-injec ion angle g aphic
On sc een esul s
-Design pa ame e s
Figu a 2: Diag ama de Flujo GUI
2.3 Desa ollo de la simulación
En la misma Figu a 2 se pueden obse a cuáles son las cu as de salida que
p opo ciona el p og ama de simulación. Pa a ello el alumno debe p opo ciona
in o mación inicial ace ca de las siguien es a iables independien es: elocidad de gi o,
EGR, pun o de inyección y ca ga.
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A a és de las di e sas pan allas de salida según el ipo de simulación ealizada, el
alumno ob iene in o mación g á ica ace ca de:
1. “Pa icula analysis": p esión en el in e io del cilind o, empe a u a en el
in e io de la cáma a de combus ión, TLC, ene gía o al acumulada, pé didas de
calo a a és de las pa edes del cilind o y masa con enida en el in e io del
cilind o, odo ello en e al ángulo gi ado po el cigüeñal, así como el diag ama
P-V (Figu a 3);
Figu a 3: Ven ana “Pa icula analysis"
2. “P ope ies by engine speed": análisis en unción del égimen de gi o pa a
de e minados g ado de ca ga, EGR y ángulo de inyección ob eniendo pa a esas
condiciones ope a i as en unción de la elocidad de gi o las cu as de
endimien o olumé ico, ángulo de e aso, po encia, pa mo o , p esión media
e ec i a, endimien o e ec i o y consumo especí ico de combus ible (Figu a 4)
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Figu a 4: Ven ana de análisis “P ope ies by engine speed"
Figu a 5: Ven ana de análisis “P ope ies by inyec ion angle”
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3. “P ope ies by inyec ion angle”: análisis simila al an e io e e enciando las
a iaciones de los pa áme os ci ados es a ez en e a la e e encia de la
inyección de combus ible espec o del pun o mue o supe io (Figu a 5)
3. Análisis de esul ados
An e odo se p ocede a la alidación del so wa e c eado. Pa a ello, se ha ecu ido a la
compa ación con esul ados expe imen ales en el labo a o io. En conc e o, con es
mo o es diesel dis in os cuyas ca ac e ís icas se indican a con inuación en la Tabla 1
Tabla 1. Ejemplo de Tabla inse ada en el Tex o.
En la Figu a 6 se ep esen an la po encia, pa y consumo especí ico de cada mo o y se
obse a lo siguien e:
1. las di e encias en e la simulación y los da os expe imen ales de cada mo o
es án comp endidas en e el 10% y el 16%, disc epancias asumibles en un
so wa e educacional que se ajus a su icien emen e bien a las endencias
cuali a i as de uncionamien o;
2. los esul ados se ajus an mejo cuan o mayo es el amaño del mo o pues con
su aumen o aumen a ambién su e iciencia;
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