Creación de modelo matemático para estimación de pérdidas mecánicas en MCIA

Abstract

Los motores de combustión interna alternativos (MCIA) continúan siendo una tecnología fundamental para la obtención de energía en el sector automovilístico. En el contexto actual de estrictas normativas ambientales, la optimización energética de estos sistemas es crucial para reducir el consumo de combustible y las emisiones contaminantes. Este Trabajo de Fin de Grado desarrolla un modelo matemático con Microsoft Excel enfocado en la predicción de las pérdidas mecánicas en los MCIA, partiendo de la base del modelo existente establecido por Patton y Heywood. Para abarcar distintos tipos de motores se analizan cinco grupos diferenciados de MCIA: motores de gasolina y diésel de aspiración natural, motores de gasolina y diésel sobrealimentados mediante un turbocompresor, y motores de gasolina sobrealimentados con dos turbocompresores. En el modelo se dividen las pérdidas mecánicas totales en tres componentes principales: pérdidas por fricción, pérdidas por bombeo y pérdidas por el accionamiento de elementos auxiliares. Mediante el uso de la herramienta Solver de Excel, se ha optimizado el modelo existente ajustando sus coeficientes y constantes para garantizar que el peso porcentual de cada tipo de pérdida se adecue con los valores aproximados de motores reales. El modelo requiere únicamente variables geométricas y constructivas del motor, como la cilindrada, carrera, diámetro, número de cilindros, válvulas, segmentos y cojinetes, junto con valores base como viscosidad del lubricante o presiones internas. Finalmente, se han desarrollado las curvas de rendimiento volumétrico para cada grupo y se han obtenido las curvas de potencia efectiva y potencia de pérdidas mecánicas para varios motores. La validación del modelo se ha realizado mediante la comparación directa de estas curvas con las curvas de potencia reales de los fabricantes, demostrando una alta precisión y capacidad de ajuste.

Internal combustion engines (ICE) continue to be a fundamental technology for obtaining energy in the automotive sector. In the current context of strict environmental regulations, the energy optimization of these systems is crucial to reduce fuel consumption and polluting emissions. This Final Degree Project develops a mathematical model with Microsoft Excel focused on the prediction of mechanical losses in ICEs, based on the existing model established by Patton and Heywood. To cover different types of engines, five different groups of ICEs are analysed: naturally aspirated gasoline and diesel engines, gasoline and diesel engines supercharged by a turbocharger, and gasoline engines supercharged with two turbochargers. In the model, the total mechanical losses are divided into three main components: friction losses, pumping losses, and auxiliary drive losses. By using the Excel Solver tool, the existing model has been optimized by adjusting its coefficients and constants to ensure that the percentage weight of each type of loss is matched to the approximate values of actual motors. The model requires only geometric and constructive variables of the engine, such as displacement, stroke, bore, number of cylinders, valves, rings and bearings, along with base values such as lubricant viscosity or internal pressures. Finally, the volumetric performance curves for each group have been developed and the effective power and mechanical loss power curves have been obtained for several engines. The validation of the model has been carried out by directly comparing these curves with the real power curves of the manufacturers, demonstrating high accuracy and adjustability.