Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre

Na cajtw Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Carrera Grado en Ingeniería Aeroespacial Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Autor: Francisco Javier Casas Peña Tutor: Francisco José Jiménez-Espadafor Aguilar iii Proyecto Fin de Carrera Grado en Ingeniería Aeroespacial Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Autor: Francisco Javier Casas Peña Tutor: Francisco José Jiménez-Espadafor Aguilar Catedrático de Universidad Dpt. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 v Proyecto Fin de Carrera: Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Autor: Francisco Javier Casas Peña Tutor: Francisco José Jiménez-Espadafor Aguilar El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis amigos ix Agradecimientos En primer lugar, quisiera mostrar mi agradecimiento a la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla por la oportunidad que me ha brindado estos años de poder formar parte del Grado de Ingeniería Aeroespacial. También me gustaría agradecérselo a todas las personas que han estado a mi alrededor, por el apoyo que he recibido, no solo en la realización de este trabajo, sino también en el tiempo que ha durado mi formación en la escuela, en especial a mis padres, por su total e incondicional comprensión, confianza y cariño, a mis amigos, a mis compañeros, y al cuerpo docente que me ha transmitido tanto conocimientos para mi futuro como valores para mi persona. Francisco Javier Casas Peña Sevilla, 2019 6 Comportamiento térmico del motor 58 6.1. Rango de temperatura de trabajo del motor 58 6.2. Efecto frenado del vehículo 60 6.3. Efecto termostato 62 6.4. Efecto temperatura ambiente 62 7 Validación del modelo 65 7.1. Metodología seguida para validar el modelo 65 7.2. Reproducción histórica del modelo 66 7.2.1. Incorporación del delay 66 7.2.2. Análisis de la sensibilidad del modelo con la temperatura ambiente 69 7.2.3. Obtención del valor nominal de cada uno de los parámetros 70 7.3. Curvas resultantes 72 8 Aplicaciones 90 9 Desarrollos futuros 92 Referencias 94 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2-1. Características del modelo MAN NL 243 F/GNC [2] 12 Tabla 2-2. Datos técnicos básicos transmisión 18 Tabla 5-1. Conversión unidades gas natural comprimido 41 Tabla 5-2. Valores máximos y mínimos para cada uno de los parámetros que conforman el modelo 54 Tabla 7-1. Valores máximos y mínimos para los parámetros referentes al delay 64 Tabla 7-2. Valores de los parámetros para diferentes temperaturas ambientes 66 Tabla 7-3. Valores definitivos de los diferentes parámetros 67 xix ÍNDICE DE FIGURAS Ilustración 2-1. Modelo de vehículo 10 Ilustración 2-2. Modelo motor E2876LUH 11 Ilustración 2-3. Potencia desarrollada en función del régimen de giro 12 Ilustración 2-4. Par motor en función de la velocidad de giro del cigüeñal 12 Ilustración 2-5. Curva consumo específico en función de la velocidad de giro del cigüeñal 15 Ilustración 2-6. Esquema bloque motor 16 Ilustración 2-7. Ecolife transmisión [1] 18 Ilustración 2-8. Válvula del termostato 20 Ilustración 2-9. Esquema radiador 21 Ilustración 2-10. Modelo turbocompresor 22 Ilustración 2-11. Modelo ventilador 23 Ilustración 3-1. Estructura eléctrica CAN bus 25 Ilustración 3-2. Esquema extracción de datos 26 Ilustración 3-3. Ejemplo mensaje J1939 27 Ilustración 3-4. Localizacion de los SPN en el sistema de refrigeración 30 Ilustración 3-5. Localización de los SPN en la caja de cambios 30 Ilustración 4-1. Modelo esquemático sistema se refrigeración 33 Ilustración 5-1. Modelo esquemático motor 40 Ilustración 5-2. Potencia par motor (𝑇𝑎= 15ºC) 42 Ilustración 5-3. Potencia par motor (𝑇𝑎 = 20ºC) 42 Ilustración 5-4. Potencia par motor (𝑇𝑎 = 25ºC) 43 Ilustración 5-5. Potencia par motor (𝑇𝑎= 30ºC) 43 Ilustración 5-6. Símbolo bomba hidráulica de caudal variable 44 Ilustración 5-7. Curva representativa del comportamiento de la bomba hidráulica 45 Ilustración 5-8. Curva representativa del comportamiento de la vávula del termostado 46 Ilustración 5-9. Modelo esquemático radiador agua-aire 47 Ilustración 5-10. Curva del coeficiente de convección en función de la temperatura del refrigerante 49 Ilustración 5-11. Representación de los caudales en la caja de cambios 51 Ilustración 5-12. Modelo representativo del turbocompresor 52 Ilustración 5-13. Modelo representativo del radiador aire-aire 53 xxi Ilustración 6-1. Rango de temperatura del refrigerante a la salida del motor (23/01/2018) 59 Ilustración 6-2. Rango de temperatura del refrigerante a la salida del motor (25/02/2018) 60 Ilustración 6-3. Rango de temperatura del refrigerante a la salida del motor (31/07/2018) 60 Ilustración 6-4. Rango de temperatura del refrigerante a la salida del motor (01/08/2018) 61 Ilustración 6-5. Evolución temperatura del aceite a la salida del retarder (23/01/2018) 62 Ilustración 6-6. Evolución temperatura del aceite a la salida del retarder (01/08/2018) 62 Ilustración 6-7. Evolución temperaturas (23/01/2018) 63 Ilustración 6-8. Evolución temperaturas (01/08/2018) 64 Ilustración 7-1. Diagrama de bloques de la metodología desarrollada 66 Ilustración 7-2. Curva resultante 23/01/2018 73 Ilustración 7-3. Curva resultante 23/01/2018 73 Ilustración 7-4. Curva resultante 23/01/2018 74 Ilustración 7-5. Curva resultante 23/01/2018 74 Ilustración 7-6. Curva resultante 25/02/2018 75 Ilustración 7-7. Curva resultante 25/02/2018 75 Ilustración 7-8. Curva resultante 31/07/2018 76 Ilustración 7-9. Curva resultante 31/07/2018 76 Ilustración 7-10. Curva resultante 31/07/2018 77 Ilustración 7-11. Curva resultante 01/08/2018 77 Ilustración 7-12. Curva resultante 01/08/2018 78 Ilustración 7-13. Curva resultante 01/08/2018 78 Ilustración 7-14. Curva resultante 02/08/2018 79 Ilustración 7-15. Curva resultante 02/08/2018 79 Ilustración 7-16. Curva resultante 02/08/2018 80 Ilustración 7-17. Curva resultante 02/08/2018 80 Ilustración 7-18. Evolución temperaturas 23/01/2018 81 Ilustración 7-19. Evolución par frenado 23/01/2018 82 Ilustración 7-20. Evolución velocidad de giro del motor 23/01/2018 82 Ilustración 7-21. Evolución potencia par motor 23/01/2018 83 Ilustración 7-22. Evolución temperaturas 31/07/2018 83 Ilustración 7-23. Evolución par frenado 31/07/2018 84 Ilustración 7-24. Evolución velocidad de giro del motor 31/07/2018 84 Ilustración 7-25. Evolución potencia par motor 31/07/2018 85 Ilustración 7-26. Evolución temperaturas 01/08/2018 85 Ilustración 7-27. Evolución par frenado 01/08/2018 86 Ilustración 7-28. Evolución velocidad de giro del motor 01/08/2018 86 Ilustración 7-29. Evolución potencia par motor 01/08/2018 87 Ilustración 7-30. Evolución temperaturas 02/08/2018 87 Ilustración 7-31. Evolución par frenado 02/08/2018 88 Ilustración 7-32. Evolución velocidad de giro del motor 02/08/2018 88 Ilustración 7-33. Evolución potencia par motor 02/08/2018 89 xxiii Notación h Entalpía T Temperatura 𝑐𝑝 γ Calor específico Coeficiente de dilatación adiabática 𝑇𝑎 Temperatura ambiente 𝑃 𝑎 Presión ambiente 𝑐𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 Calor específico del agua 𝑐𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒 Calor específico del aire ρ𝑎𝑔𝑢𝑎 Densidad del agua πc Relación de compresión del aire en el turbocompresor ηc 𝑚󰇗 𝑎𝑖𝑟𝑒 Rendimiento del turbocompresor Flujo de aire 𝐻𝑝 Poder calorífico del combustible 𝑚󰇗 𝑓 Consumo instantáneo de combustible 𝑄󰇗𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 Calor disipado en el motor durante la combustión 𝑚󰇗 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 Gasto de refrigerante líquido que circula por el interior del motor 𝑇𝑀 Temperatura media del líquido refrigerante en el motor 𝑇𝑀2 Temperatura del líquido refrigerante a la salida del motor 𝑇𝑅2 Temperatura del líquido refrigerante a la entrada del motor Q Caudal del líquido refrigerante que bombea la bomba hidráulica 𝑄𝑣𝑎 𝑇𝑅𝑠 Caudal del líquido refrigerante que circula a través de la válvula del termostato Temperatura del líquido refrigerante a la salida del retarder 𝑇𝑡𝑠 Temperatura del líquido refrigerante a la salida del sistema de transmisión 𝑇𝑅𝑠𝑎𝑐 Temperatura del aceite a la salida del retarder 𝑇𝑡𝑠𝑎𝑐 Temperatura del aceite a la salida del sistema de transmisión 𝑘1 Diferencia de temperatura entre el aceite y el líquido refrigerante de salida en el sistema de transmisión 𝑘2 Diferencia de temperatura entre el aceite y el líquido de refrigerante de salida en el retarder 𝑇𝑠𝑐 Temperatura media a la salida de la caja de cambios 𝑄𝑅 Porcentaje del caudal dirigido a la caja de cambios que circula por el retarder 𝑞𝑐𝑐 Porcentaje del caudal bombeado por la bomba que circula por la caja de cambios 𝑄𝑐𝑐 Caudal que circula por la caja de cambios 𝑚𝑡 Gasto de refrigerante que circula por el sistema de transmisión 𝑚𝑅 Gasto de refrigerante que circula por el retarder 𝑊𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 Par de la transmisión 25 𝑊𝑅𝑒𝑡 Par de frenado del retarder 𝑇1 Temperatura del aire a la salida de las aletas del radiador aire-aire 𝑇2 Temperatura del aire a la salida de las aletas del radiador agua-aire ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒 Coeficiente de película del aire 𝑇𝑅1 Temperatura del líquido refrigerante a la salida del radiador agua-aire 𝑚󰇗 𝑅 Gasto de refrigerante que circula por el radiador agua-aire 𝑇𝑅𝑀 Temperatura media del líquido refrigerante en el radiador agua-aire 𝑇𝑅𝑇 Temperatura media del aire en el radiador aire-aire 𝑇𝑅3 Temperatura del aire a la salida del turbocompresor 𝑇𝑅4 Temperatura del aire a la salida del radiador aire-aire rpm Velocidad de giro del motor 𝑉𝑀 Volumen de refrigerante motor 𝑉𝑅𝑀 Volumen de refrigerante radiador agua-aire 𝑄𝑚𝑎𝑥 Valor nominal máximo del caudal permitido por la válvula k Factor de conversión del consumo instantáneo de combustible a calor disipado en el motor durante la combustión 𝐴𝑅𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 Área del radiador agua-aire en contacto con el aire movido por el ventilador 𝐴𝑇𝑢𝑟𝑏𝑜 Área del radiador aire-aire en contacto con el aire movido por el ventilador 𝜂𝑅𝑇 Rendimiento del radiador aire-aire 𝜂𝑅𝑀 Rendimiento del radiador agua-aire 𝑑1 Diámetro de la tubería que conecta salida de motor y entrada caja de cambios 𝑑2 Diámetro de la tubería que conecta salida caja de cambios y entrada motor 𝐿1 Longitud de la tubería que conecta salida de motor y entrada caja de cambios 𝐿2 Longitud de la tubería que conecta salida caja de cambios y entrada motor 𝑡1 Tiempo de retraso del refrigerante entre salida de motor y entrada caja de cambios 𝑡2 Tiempo de retraso del refrigerante entre caja de cambios y entrada motor Descripción del vehículo 12 12 A modo de ejemplo, se puede mencionar el caso de un autobus real, perteneciente a la companía TUSSAM de Sevilla, cuyo modelo MAN NL 243 F/GNC se ajusta a las propiedades anteriormente nombradas, tal y como podemos ver en la tabla 2-1 específica para el vehículo en cuestión: 2.2. Características del motor En lo referente al motor empleado por un autobús urbano de transporte público como el anterior, podría presentar uno con unas características similares al mostrado en la ilustración 2-2: Dimensiones Motor Combustible 12 x 2.5 m 310 CV GNC Tabla 2-1. Características del modelo MAN NL 243 F/GNC [2] Ilustración 2-2. Modelo motor E2876LUH [4] 13 13 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Se trata del motor E2876LUH, un motor de combustión interna de 6 cilindros y unos 310 CV (228kW) de potencia máxima desarrollada para una velocidad de giro del motor de unas 2000 r.p.m. El comportamiento real de la potencia puede verse reflejado en la ilustración 2-3: La gráfica que representa el par motor en función de la velocidad de giro del cigüeñal del propio motor es la representada en la ilustración 2-4: Ilustración 2-4. Par motor en función de la velocidad de giro del cigüeñal [5] Ilustración 2-3. Potencia desarrollada en función del régimen de giro [5] Descripción del vehículo 14 14 Como puede comprobarse, el perfil de esta curva es ascendente en su inicio, alcanza un cierto límite que se mantiene un cierto tiempo (entre las 1000 y las 1600 r.p.m.) y luego empieza a decaer. Ese límite, el par motor máximo, tiene un valor de 1250 Nm. Al tratarse de un motor térmico, en él se produce una combustión del fluido del motor, transformando su energía química en energía térmica, a partir de la cual se obtiene energía mecánica. En este caso en concreto el motor es del tipo CNG, que es un gas de origen natural con un poder calorífico de valor típico en torno a los 54211 KJ/kg. Está compuesto fundamentalmente de metano (CH4 ), que es su componente principal (81-98 % según donde haya sido extraído), además de etano, propano, butano, dióxido de carbono y nitrógeno. El tanque de combustible encargado de almacenar dicho fluido tiene una capacidad máxima de entre 280-360 L. A continuación, se incluye la ilustración 2-5, la cual representa el consumo específico del motor presentado: Además, en la ilustración 2-5 se puede observar que el consumo específico mínimo es de 208 g/kWh y que se alcanza para un rendimiento motor del 38%. Cabe destacar que el consumo específico es mínimo en el régimen de revoluciones en el que el par motor alcanza su valor más alto. 2.3. Sistema de refrigeración Este sistema es el objeto de estudio y análisis de este proyecto, por lo que tras la caracterización del tipo de vehículo y algunas de sus propiedades, junto al modelo de motor empleado, se dispone a realizar una breve introducción al sistema de refrigeración, resaltando su objetivo principal y enumerando a cada uno de los elementos asociados al intercambio de energía térmica que se produce durante el proceso de refrigeración de la planta propulsiva. Ilustración 2-5. Curva consumo específico en función de la velocidad de giro del cigüeñal [5] 15 15 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre A continuación se adjunta la ilustración 2-6, que representa al bloque motor del vehículo en cuestión, y en el cual se representan los componentes que intervienen en la refrigeración: La descripción detallada del sistema se deja para un capítulo posterior, centrándonos en este apartado en presentar los circuitos que lo integran y sus respectivos componentes. El sistema de refrigeración presenta dos circuitos los cuales utilizan agua y aire como medio refrigerante. El de agua se ocupa de evacuar la energía térmica del bloque motor transferida por el proceso de combustión, así como de refrigerar la caja de velocidad y el retarder. Por otro lado, el aire reduce la temperatura del aire de entrada al motor después del compresor. Además, en la ilustración 2-6 aparece representada el tubo de escape de los gases procedentes de la combustión, que son los encargados de accionar la turbina que mueve el compresor, el cuál permite aumentar la presión del aire ambiente del primer circuito mencionado. Ilustración 2-6. Esquema del bloque motor [4] Descripción del vehículo 16 16 2.3.1. Función La refrigeración en motores de combustión interna es imprescindible para disminuir el calor generado por la quema del combustible, que no es transformado en energía mecánica, durante el funcionamiento de estos. El principal objetivo de la refrigeración es mantener todos los componentes dentro del rango de temperaturas de diseño del motor, evitando así su destrucción por deformación y agarrotamiento, permitiendo al vehículo alcanzar la propulsión óptima en cada momento. Algunas partes del motor que requieren enfriarse constantemente son: el cilindro, las cabezas del pistón, la cámara de combustión y las válvulas de escape y combustión. Además, se encarga de mantener a los lubricantes a una temperatura ideal para que no pierdan sus características, como son el aceite en la caja de cambios, el aceite del retarder y el aceite de lubricación del motor. En la ilustración 2-7, aparecen representados cada uno de los componentes que integran la totalidad del sistema de refrigeración. El circuito que emplea agua como refrigerante dispone de una bomba hidráulica, un termostato a la salida del motor, un radiador agua-aire y una caja de cambios que incorpora el sistema denominado retarder. El circuito de aire lo componen un filtro de aire, un turbocompresor y un radiador aireaire. Todos estos componentes serán analizados independientemente en el apartado siguiente, detallando su función y comportamiento. 2.3.2. Componentes del sistema de refrigeración Como ya se ha comentado anteriormente, debido a la existencia de dos circuitos dentro de la composición del sistema de refrigeración, distingueremos entre los componentes de ambos circuitos. En primer lugar se mencionarán a los componentes asociados al intercambio de energía térmica en el caso del circuito por el cual circula el refrigerante líquido (agua). Entre ellos se encuentran: • Bomba hidráulica Se halla instalada en el bloque del motor y se encarga de hacer circular el fluido refrigerante a través de los conductos habilitados para este fin y alrededor del bloque motor, el radiador y la caja de cambios, con el objetivo de mantener el equilibrio térmico del motor. Además, debe asegurar un aislamiento óptimo para que no haya pérdidas de líquido refrigerante que puedan ocasionar calentamientos del motor. Su función principal es, por tanto, asegurar una circulación constante del refrigerante y hacer posible que el sistema de refrigeración pueda mantener el equilibro térmico del motor. Este proceso garantiza las condiciones adecuadas de funcionamiento del conjunto para poder completar de manera óptima la combustión, elevando el rendimiento del vehículo. La combustión que se produce en el interior de un motor térmico somete a las piezas mecánicas a temperaturas muy elevadas que aceleran su desgaste y acortan su vida útil, como ya se ha comentado. Si la bomba de agua dejara de funcionar, esa subida brusca de la temperatura podría convertirse en una avería que comúnmente se conoce como ‘motor gripado’. 17 17 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre • Caja de cambios La caja de cambios o caja de velocidades es el elemento que se ocupa de transmitir la potencia del motor a las ruedas propulsivas. Por otro lado, incorpora el sistema denominado retarder que cuando se activa complementa los dispositivos de frenado del vehículo. En la ilustración 2-7, aparece representado el sistema de enfriamiento dual con dos intercambiadores de calor, uno para la transmission integrada, que es conocido como TOC (Integrated transmission heat exchanger) y otro para el retarder o ROC (Mounted retarder heat exchanger). Ilustración 2-7. Ecolife transmisión [1] Descripción del vehículo 18 18 En lo que respecta a la transmisión, sus datos técnicos básicos son los siguientes: Par o torque Máx. de 2000 Nm Número de velocidades 6 Peso 346-379 kg, sin aceite Volumen de aceite Aprox. 42 L Ratios 3.36 ∙ 1.91 ∙ 1.42 ∙ 1.00 ∙ 0.72 ∙ 0.62 ∙ 𝑅 4.24 (fuerza de tracción máx. como en 1ª marcha) Cabe destacar que el frenado por parte del retarder se logra mediante dos ruedas tipo turbina que se encuentran enfrentadas (rotor y estator). El rotor se encuentra conectado al eje de salida de la transmission y el estator a la carcasa o cuerpo del retarder. En el modo de frenado, el aceite es enviado del depósito al conjunto retarder mediante presión neumática. La potencia de frenado estará determinada por el volume de aceite que ingrese al conjunto. El aceite se acelera en el rotor y se desacelera en el estator, el cual no presenta movimiento. Esto también desacelera el rotor, por lo que el vehículo es frenado. El calor generado en el retarder se disipa gracias al intercambiador de calor presente en el mismo, que forma parte del sistema de refrigeración del vehículo. • Termostato El termostato es un elemento esencial que forma parte del circuito de refrigeración y que se encarga de regular la temperatura en el mismo. Su principal función es la de adecuar el suministro de refrigerante que es necesario, mediante una válvula que se abre o cierra en función de la temperatura a la que trabaja el motor. Debido a su función principal, el termostato se encuentra localizado a la salida del líquido refrigerante del motor, apareciendo representado en la ilustración (2.7) mediante la siguiente simbología: Tabla 2-2. Datos técnicos básicos transmisión [1] 19 19 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Esta válvula controla principalmente el paso de fluido del sistema motor al radiador. En la ilustración 2-8 se representa la estructura interna de la válvula del termostato. Cuando el motor está frío, el objetivo del termostato consiste en impedir que el refrigerante circule entre el motor y el radiador, como se muestra a la izquierda en la ilustración 2-10, de modo que permita al motor alcanzar en menor tiempo la temperatura adecuada para un óptimo funcionamiento. De este modo el liquido refrigerante procedente de la salida motor (correspondiente a la primera de las referencias en dicha ilustración) se bifurca hacia la entrada motor (indicación número 2) y hacia la caja de cambios (tercera de las referencias). Una vez el motor alcanza su temperatura ideal, el termostato empieza a dejar pasar el refrigerante caliente hacia el radiador, donde nuevamente es enfriado. Este caso se corresponde con el del termostado abierto de la ilustración 2-8. En concreto, la válvula reguladora empleada está diseñada para que empiece a abrirse en torno a los 84ºC, alcanzando su máxima apertura al llegar a los 94ºC. En este caso, en la ilustración 2-8 la referencia número 2 indica la salida de refrigerante de la válvula del termostato con dirección hacia el radiador. Las otras dos indicaciones se corresponden con las ya mencionadas anteriormente. • Radiador agua-aire Generalmente, en estos autobuses se encuentra situado en un lateral de la parte trasera del vehículo, junto al motor, y su principal función es enfriar el agua procedente del motor. Un esquema de dicho radiador puede ser el representado en la ilustración 2-9: Ilustración 2-8. Válvula del termostato [7] Descripción del vehículo 20 20 Este elemento está formado, tal y como se representa en la ilustración 2-9, por dos depósitos, uno superior y otro inferior, unidos entre sí por una serie de tubos finos rodeados por numerosas aletas de refrigeración, o por una serie de paletas que aumentan la superficie de radiación de calor. El depósito superior se comunica con la salida de agua caliente del motor, mientras que al depósito inferior va el líquido ya refrigerado. Su funcionamiento es el siguiente, los tubos reciben el refrigerante caliente que proviene del motor, y éste se enfría mediante el aire que circula por el exterior de las aletas mediante el impulso de un ventilador que eleva el coeficiente de película enfriando así el agua del motor que circula por el interior del radiador. A continuación se mencionarán a los componentes asociados al intercambio de energía térmica en el caso del circuito por el cual circula el aire. Entre ellos se encuentran: • Filtro de aire Se localiza previo al turbocompresor y es un dispositivo que se encarga de eliminar partículas sólidas que pudieran provocar un desgaste mecánico en el motor, debido a que este aire alcanza los cinlindros del motor al final de su recorrido. Ilustración 2-9. Esquema radiador [7] 21 21 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre • Turbocompresor El turbocompresor consiste en una turbina accionada por los gases de escape del motor, en cuyo eje se fija un compresor centrífugo que toma el aire a presión atmosférica después de pasar el filtro de aire, y lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presión que la atmosférica. El aire entra al compresor axialmente, saliendo radialmente, con el efecto secundario negativo de un aumento de la temperatura que se corrige en cierta medida con un nuevo radiador, siendo en este caso del tipo aire-aire. • Radiador aire-aire Se suele encontrar situado en la parte trasera del vehículo, junto al radiador aire-agua, de modo que al igual que el anterior recibe directamente el paso de aire a través de sus paneles y aletas refrigerantes durante el desplazamiento de este y donde se enfría el aire procedente del turbocompresor. Este elemento posee la misma estructura que el anterior, con la diferencia de que el depósito superior se comunica con la salida del aire procedente del turbocompresor que ha adquirido un aumento de temperatura. • Ventilador Es el elemento encargado de activar el paso de aire a través del radiador, con el objetivo de disminuir la temperatura del refrigerante. Dicho ventilador puede ser accionado por un motor térmico o un motor eléctrico específico para dicho cometido. Su función destaca por estar directamente relacionada con el consumo de combustible. Ilustración 2-10. Modelo turbocompresor 3 Descripción del sistema de datos 28 28 7. SPN183: Engine Fuel Rate - Descripción: Consumo instantáneo de combustible del motor. No se trata de una magnitud medida, sino derivada por la unidad lógica del motor de un mapa almacenado, a partir de magnitudes adicionales como la velocidad de giro del motor (SPN190) y las condiciones termodinámicas en el colector de motor (SPN102 y spn105). - Unidad: [L/h] - Resolución: 0.05 L/h - Periodicidad: ≃ 0.1s - PGN: 65266 8. SPN190: Engine Speeed - Descripción: Velocidad de giro del motor medido en el eje del cigüeñal. - Unidad: [r.p.m.] - Resolución: 0.125 r.p.m. - Periodicidad: ≃ 0.01s - PGN: 61444 9. SPN191: Output Shaft Speed - Descripción: Velocidad de giro del eje de transmisión de salida. - Unidad: [r.p.m.] - Resolución: 0.125 r.p.m. - Periodicidad: ≃ 0.01s - PGN: 61442 10. SPN513: Actual Engine-Percent Torque - Descripción: Par de salida motor. Al igual que la magnitud de consumo instantáneo de combustible (SPN183), se trata de una señal que está calculada por la unidad lógica del motor (ECU) mediante señales medidas de temperatura y presión de mezcla a la entrada del motor y la velocidad de giro de este. - Unidad: [%-Porcentaje respecto al valor de par motor de referencia (2000 Nm)] - Resolución: 1% - Periodicidad: ≃ 0.01s - PGN: 61444 - 11. SPN520: Actual Retarder-Percent Torque - Descripción: Par de frenado del retarder. Se trata de otra señal calculada en la unidad lógica del motor (ECU). - Unidad: [%-Porcentaje respecto al valor de par de frenado de referencia (2000 Nm)] - Resolución: 1% - Periodicidad: ≃ 0.01s - PGN: 61440 29 29 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre A continuación, se presenta la ilustración 3-4, donde pueden verse localizados en el esquema motor con la que se acaban de mencionar: En lo referente a la caja de cambios representada en la ilustración 3-4, los sensores presentes en esta se localizan en la ilustración 3-5, que muestra su composición interior. Ilustración 3-4. Localizacion de los SPN en el sistema de refrigeración Ilustración 3-5. Localización de los SPN en la caja de cambios [2] 3 Descripción del sistema de datos 30 30 3.3. Tratamiento de los SPN En este último apartado del capítulo 3, se presentará el tratamiento seguido para el uso de la información aportada por los diferentes SPN mencionados anteriormente. Este tratamiento se debe al hecho de que no todos los SPN forman parte del mismo PGN y por tanto no tienen la misma base de tiempo. Además, para la resolución del modelo que se detallará en capítulos posteriores, es preciso disponer de los datos de entrada en cualquier instante de tiempo. Para alcanzar este objetivo, se empleará el comando spline en el software informátivo MATLAB, que permite realizar una interpolación de datos de forma cúbica. Es importante resaltar que se identificarán los tramos donde los SPN no reciben información durante un tiempo determinado, para no obtener extrapolaciones absurdas. 31 31 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre 4 Modelado 32 32 4 MODELADO n este capítulo se realizará una presentación al modelado del sistema de refrigeración, tratando a los diferentes componentes que intervienen en el intercambio energético como entidades independientes y examinándolos desde el punto de vista de una caja negra, donde el estudio se realiza en base a las entradas y salidas del elemento, sin tener en cuenta su funcionamiento interno. Conviene empezar presentando un modelo esquemático del sistema, en el que se muestran las diferentes entidades asociadas a la refrigeración de la planta propulsiva y las conexiones presentes entre ellas: Basándonos en la ilustración 4-1, detallaremos el procedimiento de enfriamiento llevado a cabo en el sistema: 1. En el interior del motor se produce la combustión del gas natural comprimido al reaccionar con el oxígeno del aire aportado, proceso que genera altas temperaturas en dicho componente, poniendo en riesgo a su propia estructura. Por este motivo, se precisa de una bomba hidráulica, que bombea agua la cual circula a través del motor con el objetivo principal de intercambiar energía con dicho motor, de forma que absorba el calor generado durante la combustión, reduciendo así su temperatura. E Ilustración 4-1. Modelo esquemático sistema se refrigeración 33 33 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre 2. Como resultado de este intercambio energético entre el motor y el líquido refrigerante, este último sale a una temperatura superior a la de su entrada. Si esta temperatura alcanza un valor determinado, la válvula presente en el termostato comienza a abrirse, dejando circular un cierto caudal del refrigerante por el radiador (𝑄𝑣𝑎). El resto del refrigerante que sale del motor toma otras dos direcciones, una parte de él circulará por la caja de cambios (𝑄𝑐𝑐), mientras que la restante se redirige nuevamente hacia la entrada del motor. 3. El caudal de refrigerante aportado al radiador es enfriado mediante transferencia de calor por convección. Este proceso consiste en enfriar el refrigerante caliente procedente del motor, que es recogido por los tubos del radiador, mediante el aire que proviene de las aletas, y es impulsado a través del ventilador. 4. En cuanto al caudal de refrigerante que se dirige a la caja de cambios, su objetivo es intercambiar energía con el aceite caliente procedente del empleado en el sistema de transmisión del vehículo o bien del destinado a la frenada por parte del retarder. 5. Previa a la entrada del motor, se vuelven a agrupar los caudales de refrigerante procedentes de la caja de cambios, de la salida del motor y del radiador, en caso de que este proceda. 6. En lo que respecta al segundo de los circuitos presentes, tal y como ya se ha comentado anteriormente por este circula aire succionado por el compresor. El fin último de este aire es alcanzar los cilindros del motor a una presión superior a la presión ambiente con motivo de mejorar la combustión. De este modo, se aumenta la presión del aire a través del turbocompresor, con el efecto negativo de un aumento en la temperatura de este. 7. Por este motivo, el aire que sale del compresor pasa por un radiador encargado de enfriar el aire caliente mediante el aire que es empujado por el ventilador y que circula entre las aletas del radiador. Cabe destacar que las flechas de la ilustración 4-1 reflejan el sentido seguido por el flujo en el sistema de refrigeración, acorde a la descripción realizada anteriormente. En cuanto a los puntos representados en dicha ilustración, es necesario precisar que se trata de puntos característicos del sistema. • M2: Es el punto donde calcularemos la temperatura de refrigerante de salida del motor, que será preciso comparar con la temperatura medida, empleándola como herramienta de control del modelo. • R2: Es el punto correspondiente a la entrada de refrigerante del motor, donde su temperatura es desconocida y para la cual se establecerá una relación entre los caudales que convergen previa a su entrada en el motor y sus respectivas temperaturas. • R1: Determina la temperatura del refrigerante líquido a la salida del radiador, la cual es una de las variables a obtener, pues se desconoce. • R4: Se corresponde con la temperatura del aire a la salida del turbocompresor y que es proporcionada a través del CAN bus (SPN_105). • R3: Es el punto posterior al turbocompresor, que refleja la temperatura del aire tras pasar por el compresor y que también es desconocida. • A: Se corresponde con las variables pertenecientes al medio ambiente, que son conocidas y proporcionadas por el SPN_171. • 1: Es el punto localizado tras la transferencia de calor por convección en el radiador aire-aire. La temperatura en él es desconocida y se precisará calcular. • 2: Es el punto localizado tras la transferencia de calor por convección en el radiador agua-aire. Nuevamente, la temperatura en él es desconocida y se precisará calcular. 4 Modelado 34 34 Conocida la circulación del refrigerante en el sistema, se va a proceder a examinar a los componentes representados en la ilustración 4-1 de manera aislada, tratándolos como entidades independientes, evaluando sus entradas y salidas. 4.1. Motor Comenzaremos con el motor, en el cual las variables de entrada y salida giran en torno al refrigerante líquido que circula por su interior y que intercambia energía con el mismo. Debido a esto, los datos de entrada y salida que caracterizan a este elemento serán la temperatura y el caudal del refrigerante. Cabe destacar que la temperatura del refrigerante de salida juega un papel importante en el modelo, pues no solo es el responsable de controlar la apertura o cierre de la válvula del termostato, si no que además es la herramienta de control que usaremos para la posterior validación del modelo. Además de estas temperaturas y caudales, en el modelado del motor intervienen otros datos representativos como son la potencia, velocidad de giro y consumo de combustible motor. En concreto, del último de los factores dependerá el calor disipado en el motor durante la combustión, cuyo efecto se refleja en un aumento de la temperatura de este. Por otro lado, los parámetros que definen al motor y cuyo valor exacto es desconocido a priori se corresponden con magnitudes físicas del propio motor, como es el volumen de refrigerante capaz de albergar en su interior y con el parámetro que relaciona el consume instantáneo de combustible con el calor liberado en la combustion. 4.2. Bomba hidráulica Para el caso de la bomba hidraúlica, será preciso tener como variables de entrada las revoluciones del motor, así como la temperatura del líquido refrigerante a la salida del motor, que determinará si la válvula del termostato está abierta o cerrada, en función de lo cual, este elemento suministrará un caudal mayor o menor. Los parámetros desconocidos son aquellos que definen la ley de la bomba para aportar el mayor caudal posible, así como el parámetro que define la cantidad de caudal aportado en base a la temperatura del líquido refrigerante de salida. 4.3. Termostato Del mismo modo que con el motor, las variables de entrada y salida están relacionadas con el refrigerante líquido. En concreto, la entrada que caracteriza a este elemento es la temperatura del refrigerante a la salida del motor, en base al cual la válvula del termostato se encontrará abierta o cerrada. Como salida, dicho componente nos proporciona el caudal de agua que circulará por el interior del radiador, con el objetivo de disminuir su temperatura. El único parámetro incognita del termostato se corresponderá con el caudal máximo capaz de atravesar la válvula, ya que la temperatura de apertura de la válvula se locarizará en torno a los 83-84ºC. 35 35 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre 4.4. Caja de cambios Considerando a la caja de cambios como una caja negra, las variables de entrada pertinentes serán la temperatura y el caudal de refrigerante procedente de la salida del motor y que circulará por ella, debido a que hay que diferenciar entre el porcentaje de dicho caudal que se redirige al intercambiador de calor del retarder en caso de frenada del vehículo y el que circula por el intercambiador de calor de la transmisión. Como variables de salida tendremos la temperatura del líquido refrigerante tras el intercambio energético con el aceite caliente procedente de la transmisión. Además, en el modelado de este elemento interviene la potencia mecánica transferida a la transmisión, que nos permitirá establecer una relación con el caudal de refrigerante que circula por la misma. Los parámetros incognita presentes en dicha entidad, será la diferencia de temperatura entre el líquido refrigerante y el aceite así como el caudal de agua que circula por la transmisión. 4.5. Retarder Al igual que en el caso anterior de la caja de cambios, las variables de entrada pertinentes serán la temperatura y el caudal de refrigerante procedente de la salida del motor y que circulará por su interior, así como la carga mecánica transferida a este elemento. Como parámetros desconocidos de su modelado, nuevamente tendremos uno que establece la diferencia de temperatura entre el líquido refrigerante y el aceite procedente del retarder, además del porcentaje del caudal del agua de salida de motor que circula por su interior. 4.6. Radiador agua-aire Al tratarse de un dispositivo que permite el intercambio energético entre dos fluídos, sus variables de entrada y salida estarán relacionadas con ambos. En este caso en concreto, uno de los fluidos será el líquido refrigerante procedente del motor, y el otro se corresponde al aire del exterior que es movido po un ventilador para hacerlo circular a través de las aletas del radiador. Por tanto, como variable de entrada del primero de los fluidos, se dispondrá de la temperatura y el gasto de agua que circula por el radiador y como salida la temperatura final de dicho agua una vez producido el intercambio energético. Respecto al segundo fluido, las variables de entrada y salida serán la temperatura a la que se encuentra el aire. Los parámetros desconocidos a priori son el volumen de líquido refrigerante que es capaz de almacenarse en el interior del radiador, así como el rendimiento alcanzado por este. Además, como magnitud física cuyo valor debemos preestablecer, se encuentra el área del radiador en contacto con el aire movido por el ventilador, donde se produce el intercambio energético entre ambos fluidos. 4.7. Turbocompresor En lo referente a dicho elemento, las variables de entrada y salida giran en torno al aire ambiente. Este aire es filtrado del exterior, a temperatura y presión ambiente, y debido al paso por este componente, incrementará tanto su presión como temperatura. Todo turbocompresor permite ser caracterizado por dos variables, la relación de compresión que es capaz de administrar al aire, y su rendimiento. Estos parámetros son presentados como incógnitas, pues no se dispone de un valor exacto para el caso tratado, a excepción del límite establecido para la relación de compresión por el valor aportado a través del SPN_102 del CAN bus. 4 Modelado 36 36 4.8. Radiador aire-aire Nuevamente se trata de un dispositivo que permite el intercambio energético entre dos fluídos, sus variables de entrada y salida estarán relacionadas con ambos. En este caso en concreto, uno de los fluidos será el aire procedente del turbocompresor, y el otro se corresponde al aire del exterior que es movido po un ventilador para hacerlo circular a través de las aletas del radiador. Por tanto, como variable de entrada del primero de los fluidos, se dispondrá de la temperatura y el gasto de aire que circular por el radiador y como salida la temperatura final de dicho aire una vez producido el intercambio energético. Respecto al segundo fluido, las variables de entrada y salida serán la temperatura a la que se encuentra el aire. Los parámetros desconocidos a priori son el gasto de aire que circula por el interior del radiador, así como el rendimiento alcanzado por este. Además, como magnitud física cuyo valor debemos preestablecer, se encuentra el área del radiador en contacto con el aire movido por el ventilador, donde se produce el intercambio de energía entre ambos fluidos. 37 37 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre 5 Descripción del modelo integral de intercambio de energía térmica del motor 44 44 A continuación, consideramos el efecto que tendrá dicha temperatura en la ecuación, convirtiendo a la función (1.8) en una función a trozos tal que: 2 2 2 83 ( ( ( )) ( ( )) () ( ( ( )) ( ( )) M A rpm t B rpm t C Qt TA rpm t B rpm t C  +   =  +   (1.13) Donde C es otro de los parámetros a determinar y el que permite que la bomba aporte más o menos caudal de refrigerante en función de si la válvula del termostato se encuentra abierta o cerrada, siendo mayor en el caso en el que se encuentra abierta. Finalmente se mostrará el comportamiento general que seguirá la bomba hidráulica en el modelo a través de la ilustración 5-7, donde representaremos el caudal aportado por la bomba frente a la velocidad de giro del motor para diferentes temperaturas del refrigerante de salida del motor. 5.1.3. Termostato Al tratarse de un dispositivo cuyo objetivo principal es el de regular el suministro de refrigerante necesario al radiador, mediante una válvula que se abre o se cierra en base a la temperatura a la que trabaja el motor, la ley que rige su comportamiento debe depender de la temperatura de salida del refrigerante de este. Se podría modelar haciendo uso de una función a trozos, pero para evitar discontinuidades, se seleccionará una función del tipo sigmoide, que muestra una progresión temporal desde unos niveles bajos al inicio, hasta acercarse a un máximo transcurrido un cierto tiempo; la transición se produce en una región caracterizada por una fuerte aceleración intermedia. Para la obtención de la ecuación, se ha considerado que la válvula del termostato comienza a abrirse cuando la temperatura del refrigerante de salida del motor alcanza un valor Ilustración 5-7. Curva representativa del comportamiento de la bomba hidráulica 45 45 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre cercano a los 84ºC, y se encuentra totalmente abierta al sobrepasar los 90ºC. De este modo la función resultante es: 2 max 1.5( ( ) 86) 1 () 1M va Tt Q t Q e−−  =  +  (1.14) Donde Qmax es el parámetro cuyo valor define el caudal máximo que la válvula es capaz de suministrar al radiador para reducir la temperatura del refrigerante. A priori, se desconoce el valor exacto de dicho parámetro, por lo que será uno de los que se pondrá a estudio para definir un valor estimativo. A continuación, se muestra la ilustración 5-8, que representa la forma de la función del termostato. En ella se puede apreciar que la válvula empieza a dejar pasar refrigerante al alcanzar un valor cercano a los 84ºC, y que alcanza el valor máximo al llegar a los 90º, tal y como se mencionó anteriormente. 5.1.4. Radiador agua-aire Al igual que en el caso del motor y como ya se comentó en el capítulo 4, consideraremos al radiador como una caja negra, estudiándolo desde el punto de vista de las entradas que recibe y las salidas que produce. Ilustración 5-8. Curva representativa del comportamiento de la vávula del termostado 5 Descripción del modelo integral de intercambio de energía térmica del motor 46 46 De este modo, quedará caracterizado a través de la ilustración 5-9, donde el subíndice M2 corresponde a las variables de entrada y R1 a las de salida del refrigerante líquido del radiador, mientras que 1 y 2 representan la entrada y salida del aire en el mismo, respectivamente. Los colores de dichos subindices hacen referencia a la diferencia de temperaturas presente entre las entradas y salidas. Como ya se comentó en capítulos anteriores, la función principal de este elemento es enfriar el líquido refrigerante procedente del motor, a través del aire procedente del intercambio de calor con el radiador aireaire. Este proceso de enfriamiento se realiza mediante transferencia de calor por convección, por lo que será preciso hacer uso de la ley de enfriamiento de Newton: 21 ( ) ( ( ) ( )) aire RMotor dQ h t A T t T t=   − (1.15) Además, dicha transferencia de calor puede relacionarse con variables propias del radiador por medio de la primera ley de la termodinámica, resultando: 12 ( ) ( ) pagua R R M Q m c T m h h t  =    +  −  (1.16) Desarrollando la expresión anterior: 12 () ( ( ) ( ) ) ( ( ) ( )) M MM R pagua R R agua R pagua R R M Tt Q c m t T t V c m T t T t t   =   +   +   −  (1.17) 1 2 M2 R1 Ilustración 5-9. Modelo esquemático radiador agua-aire 47 47 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Combinando las ecuaciones (1.16) y (1.17): 12 21 ( ) ( ) ( ) M MM R aire RMotor pagua R R agua R pagua R R M T h A T T c m T V c m T T t     − =   +   +   −  (1.18) De la ecuación anterior se debe resaltar la presencia de otros dos parámetros de valor desconocido y que ya fueron mencionados en el capítulo anterior, como son el área del radiador que interviene en el intercambio de enegía por convección entre los dos fluidos ( RMotor A ) y el volumen de refrigerante capaz de almacenar el radiador ( M R V ). Cabe destacar que al igual que se hizo con el motor, se ha supuesto que la temperatura del refrigetante en el interior del radiador es la media de la temperatura de entrada y de la temperatura de salida del propio refrigerante. De esta forma tenemos: 21 1 ( ) ( ( ) ( )) 2 M R M R T t T t T t=+ (1.19) En lo que respecta al coeficiente de película, coeficiente de convección o coeficiente de transmisión superficial, representado como aire h , y que cuantifica la influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia de calor por convección, depende de una gran variedad de parámetros relacionados con el propio flujo. Entre ellos se encuentran el tipo de convección (forzada o natural), del régimen, velocidad, viscosidad y otras propiedades del fluido, de la forma y rugosidad de la superficie de intercambio, así como de la temperatura de esta. Debido al gran número de variables, establecer una ley presenta cierta dificultad. En este proyecto, nos encontramos ante un caso de convección forzada, en el que el ventilador del autobús mueve una cantidad de aire obtenida directamente del ambiente para realizar la transferencia de calor con el aire que se dirige a la cámara de combustión del motor y que circula por los cilindros del radiador, cuya temperatura se ha visto incrementada como consecuencia segundaria del aumento de la presión en el turbocompresor, y con el líquido refrigerante contenido en los cilindros del radiador, procedentes del motor, donde se ha aumentado su temperatura como resultado del enfriamiento de los componentes de este. En base a los valores típicos para el coeficiente de transferencia de calor por convección para el caso de convección forzada con el aire como medio, y considerando que dicho coeficiente varía linealmente con la temperatura del refrigerante de salida del motor, obtenemos la siguiente relación: 2 22 2 0 84º ( ) 50 ( ) 4200 84º 90º 300 90º M aire M M M si T C h t T t si C T C si T C    =  −       (1.20) De la ecuación anterior cabe destacar que se ha tomado un coeficiente de convección nulo para valores en los que la válvula del termostato se encuentra cerrada, con el fin de que se anule la ecuación del radiador agua-aire y no se produzca enfriamiento en él. 5 Descripción del modelo integral de intercambio de energía térmica del motor 48 48 En la ilustración 5-10 puede verse representada dicha función: Por último, para conocer el gasto de refrigerante del radiador, es necesario realizar la conversión del caudal suministrado por la válvula del termostato mediante, donde nuevamente el 0.017 representa el factor de conversión para el caso del agua.: .( ) 0.017 ( ) RVa m t Q t= (1.21) Por otro lado, se ha establecido una relación entre las temperaturas de ambos fluidos, tanto en el que circula por el interior del radiador, como el que procede de enfriar al radiador aire-aire con el objetivo de definir un rendimiento del propio radiador: 1 21 1 ( ) ( ) ( ) ( ) M R R T t T t T t T t  − =− (1.22) Dicho rendimiento también se supondrá a priori de valor desconocido, entrando a formar parte, junto con el par de parámetros anteriormente mencionados, del paquete de datos a optimizar. 5.1.5. Caja de cambios El objetivo principal del refrigerante en la caja de cambios es reducir la temperatura del aceite empleado tanto en el sistema de transmisión que modifica la velocidad de giro de las ruedas a través de los diferentes engranajes, como en el retarder, en caso de frenado del autobús. Ilustración 5-10. Curva del coeficiente de convección en función de la temperatura del refrigerante 49 49 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Debido a que en la caja de cambios se conocen como datos de entrada las temperaturas del aceite a la salida, tanto del retarder como de la transmisión, la ley que defina las temperaturas del refrigerante la escribiremos de la forma: 1 ( ) ( ) ts tsac T t T t k=− (1.23) 2 ( ) ( ) Rs Rsac T t T t k=− (1.24) Donde k1 y k2 son los parámetros que definen la diferencia de temperatura del refrigerante con respecto al aceite, a la salida de la transmisión y del retarder, respectivamente, una vez se ha efectuado el intercambio de calor entre ambos fluidos, como ya se había comentado en el capítulo anterior. Hay que resaltar que la ecuación (1.24) solo es aplicable para los casos en los que el vehículo se disponga a frenar, pues será el momento en el que el líquido refrigerante circule por el retarder. Para conocer la temperatura de salida final que alcanza el refrigerante cuando los diferentes caudales se unen, se ha hecho uso de la siguiente regla: Re Re ( ) ( ) 0 () ( ) ( ) (1 ( )) ( ) 0 ts t sc R Rsac R ts t T t si W t Tt Q t T t Q t T t si W =  =  + −    (1.25) Donde QR es el porcentaje del caudal de refrigerante que pasa a la zona del retarder respecto al total que recibe la caja de cambios, que se define a través del parámetro cc q , que entra dentro del paquete de parámetros desconocidos. ( ) ( ) cc cc Q t q Q t= (1.26) En lo que respecta al cálculo de dicho porcentaje, se dispone de la relación entre las potencias desarrolladas por el retarder y la transmisión, siempre que el retarder se encuentre en funcionamiento (frenada del vehículo) 2 2 Re ( ) ( ) () () ( ) ( ) ( ) ( ) Rs M tR trans t ts M T t T t Wt mt W t m t T t T t  − =   −  (1.27) Junto a esta ecuación, se dispone de la ecuación que relaciona el caudal del retarder y el de la transmisión, con el total que circula por la caja de cambios definidio en (1.26). De nuevo haremos uso del factor de conversión del agua para transformar L/min en kg/s. R( ) ( ) 0.017 ( ) t cc m t m t Q t+ =  (1.28) 5 Descripción del modelo integral de intercambio de energía térmica del motor 50 50 De este modo: () () ( ) ( ) R R Rt mt Qt m t m t =+ (1.29) Dichos caudales pueden verse reprentados en la ilustración 5-11 correspondiente a la caja de cambios empleada: 5.1.6. Turbocompresor Este elemento tiene como función principal comprimir el aire a presión atmosférica obtenido a través del filtro de aire para introducirlo en los cilindros del motor a mayor presión, permitiendo así tener mayor cantidad de oxígeno en la cámara de combustión. De este modo, se puede quemar más combustible y como consecuencia generar un par mayor. El funcionamiento del turbocompresor se puede caracterizar a través de dos parámetros, la relación de compresión y el rendimiento del turbocompresor. El valor nominal de estos dos parámetros se presupone desconocido tal y como se mencionó anteriormente, por lo que formarán parte de la estructura de optimización del sistema. De ellos si es posible establecer un rango de operación típico de ambos basado en datos reales. En lo que sigue modelaremos el turbocompresor y sus ecuaciones a partir de la ilustración 5-12, con sus correspondientes entradas, denotada por el subíndice A, y salidas, por R3: Ilustración 5-11. Representación de los caudales en la caja de cambios [1] 51 51 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre El aumento de presión resultado de la compresión del aire a presión atmosférica tiene como efecto secundario un aumento de la temperatura ambiente de dicho aire, de ahí que se remarque en el esquema anterior a través del color rojo de la salida dicho aumento de la temperatura del aire. Este cambio energético se modelará a partir de la definición del rendimiento isentrópico del propio turbocompresor: 3 3 s Ra c Ra hh hh  − =− (1.30) Donde: 3s R h : entalpía a la salida para la condición de compresión isentrópica a h : entalpía a la entrada del turbocompresor 3 R h : entalpía a la salida para la condición actual 33 1 RR c aa PT PT    −  ==   (1.31) Con: 𝛾 = 1.4 Haciendo uso de la definición de entalpía ( ℎ = 𝑐𝑝𝑇) y de la de relación de compresión (1.31), se puede transformar (1.30) en la siguiente ecuación: 3 1 ( ) ( ) ( ) ( ) a c a c Ra T t T t T t T t      −   − =− (1.32) A R3 Ilustración 5-12. Modelo representativo del turbocompresor 5 Descripción del modelo integral de intercambio de energía térmica del motor 52 52 Donde 𝜂𝑐 y 𝜋𝑐 son el rendimiento y la relación de compresión del turbocompresor, respectivamente. 5.1.7. Radiador aire-aire Del mismo modo que se hizo con el radiador agua-aire y en base a lo tratado en el acpítulo 4, considerarremos al radiador aire-are como una caja negra, que quedará caracterizado a través de la ilustración 5-13, donde el subíndice R3 corresponde a las variables de entrada y R4 a las de salida del aire que circula por el interior del radiador, mientras que A y 1 representan la entrada y salida del aire que circula entre las aletas del mismo. Los colores de dichos subindices hacen nuevamente referencia a la diferencia de temperaturas presente entre las entradas y salidas. Como ya se presentó anteriormente, la función principal de este elemento es enfriar el aire comprimido por el turbocompresor a través del aire exterior movido al interior del vehículo por medio del ventilador. Este proceso de enfriamiento se realiza nuevamente mediante transferencia de calor por convección, por lo que será necesario hacer uso de la ley de enfriamiento de Newton: ( ) 1 ( ) ( ) ( ) aire Turbo a dQ h t A T t T t=   − (1.33) Del mismo modo que para el caso del radiador agua-aire, dicha transferencia de calor puede relacionarse con variables propias del radiador por medio de la primera ley de la termodinámica, resultando: 43 ( ) ( ) paire aire R R Q m c T m h h t  =    +  −  (1.34) a 1 R4 R3 Ilustración 5-13. Modelo representativo del radiador aire-aire 53 53 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Desarrollando la expresión anterior: 43 () ( ( ) ) ( ( ) ( )) T TT R paire aire R aire R aire paire R R Tt Q c m T t V m c T t T t t   =   +   +   −  (1.35) En lo que sigue, debido al menor tamaño de este radiador con respecto al radiador agua-aire y a que el intercambio de calor es entre aire-aire, despreciaremos el término correspondiente a la inercia térmica, lo que nos proporcionará una mayor velocidad de cálculo en el código a desarrollar. De este modo, la ecuación (1.35) resulta: 43 ( ) ( ( ) ( )) T paire aire R aire paire R R Q c m T t m c T t T t=   +   − (1.36) Combinando las ecuaciones (1.21) y (1.24): ( ) 43 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( )) T aire Turbo a paire aire R aire paire R R h t A T t T t c m T t m c T t T t  − =   +   − (1.37) De la ecuación anterior resultan dos nuevos parámetros de valor desconocido, como son la masa de aire que circula por el interior del radiador ( aire m ) y la superficie de este que interviene en el intercambio de enegía entre ambos fluidos ( Turbo A ).El coefieciente de convección ( aire h ) asumiremos que es el mismo que el desarrollado en uno de los apartados anteriores, por lo que seguirá la misma ley. Por otro lado, se ha establecido una relación entre las temperaturas de ambos fluidos (tanto el aire que circula por el interior del radiador, como el que es movido por el ventilador) con el objetivo de definir un rendimiento del propio radiador: 3 1( ) ( ) ( ) ( ) T a R Ra T t T t T t T t  − =− (1.38) 5.2. Herramienta de control Todo simulador del comportamiento de cualquier sistema precisa de una herramienta de control para comprobar la validez del modelo. Es importante que dicha herramienta de control sea conocida para cualquier instante de tiempo. En este caso, debido a que se trata del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre, se ha decidido tomar como herramienta de control una de las temperaturas conocidas a priori, en concreto, la temperatura del liquido refrigerante a la salida del motor, que corresponde con uno de los datos aportados a través del CAN bus y su valor procede del SPN 110. Para representar gráficamente la evolución de dicho dato, se ha hecho uso del comando pchip del software informático MATLAB, a diferencia del que empleamos con el resto de SPN para conocer su valor en instantes de tiempo determinados. Esto se debe a que en este caso, pchip es más favorable a la hora de representar la medida real, evitando que ésta oscile tan libremente entre los puntos de medida, como si sucede en el caso del spline. Comportamiento térmico del motor 60 60 Los casos representados anteriormente concurren en diferentes días y se corresponden a un periodo de transición entre la mañana y la tarde, caracterizado por un ligero aumento de temperatura en el motor, que a su vez se refleja en el aumento de la temperatura del refrigerante a la salida del mismo. Como se puede comprobar el rango de temperatura de trabajo motor se encuentra entre los 76 y los 94 ºC, nunca excediendo esta última cifra, pues supondría una pérdida del rendimiento óptimo del motor. Es importante resaltar que en el estudio realizado no se han incluido las puestas en marcha del vehículo, en las que la temperatura del líquido refrigerante es realmente baja, pudiendo inducir a futuros errores en el modelo. Por ello las diferentes simulaciones se han realizado dentro del rango de temperatura de trabajo motor que se ha establecido en este apartado. 6.2. Efecto frenado del vehículo La frenada del vehículo supone un cambio importante en el modelo termodinámico establecido, pues pasa a intervenir un componente esencial, el retarder. Este hecho supone un gran aumento en la temperatura de salida del aceite del mismo, que se traduce en segundo lugar en un aumento del líquido refrigerante que sale de la caja de cambios. A continuación representamos una evolución de la temperatura del aceite a la salida del retarder para varios días, donde los picos de temperatura más altos se corresponde a los momentos en los que el vehículo realiza la frenada: Ilustración 6-4. Rango de temperatura del refrigerante a la salida del motor (01/08/2018) 61 61 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Ilustración 6-5. Evolución temperatura del aceite a la salida del retarder (23/01/2018) Ilustración 6-6. Evolución temperatura del aceite a la salida del retarder (01/08/2018) Comportamiento térmico del motor 62 62 Como se ha comentado, este efecto resulta de gran relevancia en el modelo debido a la gran diferencia de temperatura presente en el aceite del retarder al producirse la frenada, alcanzándose temperaturas incluso superiores a 100ºC en los casos más extremos. 6.3. Efecto termostato Este elemento resulta de vital importancia en nuestro sistema debido a que es el encargado de hacer circular el líquido refrigerante por el radiador en caso de obtener una temperatura del mismo a la salida del motor superior a la que hemos asignado como temperatura de control de la válvula del termostato. Del funcionamiento correcto de este elemento en concreto dependerá gran parte del ajuste del modelo con el comportamiento real del sistema, pues traspasado la temperatura de apertura de la válvula, será esta la encargada de permitir el paso del líquido a través del radiador 6.4. Efecto temperatura ambiente En base a lo que se ha visto en el primero de los apartados de este capítulo, la temperatura del medio ambiente juega un papel importante en el comportamiento térmico del modelo, pues a temperaturas elevadas, mayor es la temperatura alcanzada en el interior del motor. Esto se ve traducido en un incremento en la temperatura del refrigerante líquido que circula por el interior del sistema de refrigeración. A priori, cabe pensar que este efecto podría modificar el valor óptimo alcanzado para ciertos parámetros en base al rango de temperatura ambiente empleado en la simulación. Por este motivo, se han desarrollado diversas simulaciones en base a diferentes temperaturas ambientes, con el fin ultimo de determinar que parámetros de aquellos cuyo valor nominal se desconoce dependen funcionalmente de ello. Los resultados obtenidos serán comentados en el siguiente capítulo. Para respaldar la idea de que el valor de parámetros como los que representan la diferencia de temperatura entre el aceite de transmisión o del retarder respecto de la temperatura del líquido de refrigerante, se muestra la ilustración 6-7: Ilustración 6-7. Evolución temperaturas (23/01/2018) 63 63 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre A partir de las ilustraciones 6-7 y 6-8, puede comprobarse como varían las temperaturas de aceite tanto del retarder como de la transmisión, así como la temperatura del agua refrigerante a la salida del motor, en base a la temperatura ambiente. Estas temperaturas son sensibles a la temperatura ambiente, pues un cambio en esta supone una variación de las otras. De este modo se puede mencionar el caso de la temperatura de agua a la salida de motor, que para una temperatura ambiente en torno a los 15-20ºC, ésta alcanza un valor medio de unos 80 ºC, mientras que para una temperatura ambiente dentro del rango de los 35-40ºC, la temperatura del refrigerante se sitúa alrededor de los 90ºC. En lo referente a la temperatura del aceite de refrigeración, para el caso correspondiente a la ilustración 6-7 presenta una variacón con el leve incremento de la temperatura ambiente, llegando a alcanzar unos 88 ºC. Para el caso de la ilustración 6-8 vemos como la temperatura del aceite en el retarder se sitúa en torno a los 95º C. Como la variación para el caso de la temperatura de refrigerante a la salida de motor es mayor que para el aceite tanto de retarder como de transmisión, se prevee que los parámetros ya mencionados presenten una correlación con la temperatura ambiente. Ilustración 6-8. Evolución temperaturas (01/08/2018) Comportamiento térmico del motor 64 64 65 65 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre 7 VALIDACIÓN DEL MODELO l objetivo principal de este capítulo comprende la metodología desarrollada para proceder a validar el modelo empleado, junto con una reproducción de cada uno de los pasos que se han llevado a cabo en la evolución del modelo. Además, se fijarán los valores de los parámetros que no tengan ninguna dependencia con alguna otra variable propia del modelo. Por último, se mostrarán las curvas resultantes al final del proceso de optimización. 7.1. Metodología seguida para validar el modelo En este primer apartado se va a desarrollar la metodología representada en la ilustración 7-1: E Ilustración 7-1. Diagrama de bloques de la metodología desarrollada Validación del modelo 66 66 Como se puede observer en la ilustración, para proceder al proceso de validación, es preciso realizar un número considerable de simulaciones del sistema de refrigeración, suministrando al modelo desarrollado en el capítulo 5 las bases de datos medidas y que son aportadas a través del CAN bus, junto a valores preestablecidos para cada uno de los parámetros desconocidos presentes en dicho modelo, estableciendo unos valores razonables basados en magnitudes típicas de otros modelos reales. El resultado de dichas simulaciones es la evolución temporal de la temperatura de refrigerante a la salida del motor ( 2 M T ). Dicho resultado es comparado con la medida real conocida, como ya se comentó en capítulos anteriores, a partir de cuya comparación se determina si el modelo sigue o no la dinámica del sistema. Para determiner el valor exacto de los parámetros ocultos con el fin último de obtener un modelo universal que simule el comportamiento térmico del motor para cualquier instante de tiempo, se ha introducido la ecuación (1.41) de la cual se pretender encontrar el mínimo. Esta minimización de la función se lleva a cabo a través de la variación del valor de los diferentes parámetros dentro del rango establecido previamente. Una vez se ha encontrado el mínimo, se dispondrá de un paquete de parámetros para los cuales la temperatura calculada es la que mejor simula el comportamiento real del sistema en el tiempo establecido. Debido a que se realizan diversas simulaciones para momentos del día en los que la temperatura ambiente es diferente, se obtienen resultados que deben ser analizados para comprobar si alguno de los parámetros tiene cierta dependecia con el ambiente. Este es el bloque correspondiente a la sensibilidad de los parámetros con la temperatura exterior representada en el diagrama de la ilustración 7-1. En caso de presentar correlación, se debe establecer una ley functional del parámetro con la temperatura ambiente, descartando a este parámetro del paquete de incógnitas y volviendo a realizar la simulación para comprobar si se produce o no mejora en el modelo. Tras este proceso y en base a las numerosas simulaciones realizadas, se establece un valor nominal para cada uno de los parámetros, calculado en torno a la media establecida por los resultados obtenidos. Fijados estos parámetros, el modelo debe reproducir el comportamiento térmico del motor con el mayor grado de precisión posible, teniendo en cuenta que, como ya se comentó anteriormente, la resolución del dato real medido del SPN_110, correspondiente a la temperatura de refrigerante a la salida del motor, es de un grado centígrado. Esto implica que el CAN bus proporciona un dato con un valor nominal que puede variar un grado arriba o abajo. Además, para la correcta validación del modelo se precisa analizar los resultados obtenidos para cada uno de los parámetros, comprobando que no carecen de sentido fisico y que su magnitud se encuentra en torno a valores próximos a la realidad. 7.2. Reproducción histórica del modelo En este apartado se realizará una descripción de la evolución del modelo, tratando cada uno de los pasos que se han llevado a cabo para alcanzar los resultados con el mayor grado de precisión posible. 7.2.1. Incorporación del delay Tras realizar unas primeras simulaciones, el modelo presentado en capítulos anteriores no era capaz de alcanzar la dinámica de la medida real, presentando ciertos retrasos o adelantos con respecto a dicha medida. De este modo, considerando que el vehículo bajo estudio posee grandes dimensiones y teniendo en cuenta que no todos los componentes que forman parte del sistema de refrigeración se encuentran cercanos unos de otros, se decidió introducir un retraso o delay en algunos puntos del sistema. 67 67 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Primeramente, se definirá la metodología seguida para el cálculo del tiempo de retraso, relacionándolo con variables características del sistema. A partir de la definición propia de velocidad, podemos llegar al siguiente resultado: L tv = (1.42) donde L representa la longitud que debe recorrer el refrigerante desde el punto donde su temperatura es calculada, hasta el punto donde se debe hacer uso de dicha temperatura, y v es la velocidad con la que circula dicho refrigerante durante su trayecto. La velocidad del líquido puede ser a su vez definida a partir de la definición del caudal de un fluido: Q vA  = (1.43) Por último, bastaría con definir el área del conducto. Sabiendo que se trata de una tubería circular, resulta: 2 2 d A  = (1.44) Haciendo uso de las ecuaciones anteriores, el tiempo de retraso podría rescribirse en función de las características del sistema como sigue: 2 2 Ld tQ  = (1.45) Definido el retraso del líquido refrigerante, el siguiente paso consiste en localizer dicho retraso en nuestro modelo. Debido a que la caja de cambios y el motor se encuentran suficientemente distanciados, aplicaremos un delay entre la temperatura de salida de motor calculada en un instante de tiempo, y la empleada en la temperatura de refrigerante que alcanza la caja de cambios. Del mismo modo, situaremos otro retraso entre la temperatura de refrigerante a la salida de la caja de cambios y la que se situa previa a la entrada del motor, donde se mezcla con la procedente del radiador, en caso de que este se encuentre funcionando, y la que procede directamente de la salida de motor. De este modo, los tiempos de retraso presentes en nuestro sistema vendrán definidos a través de las relaciones siguientes: 2 11 12 agua cc Ld tQ  = (1.46) 2 22 22 agua cc Ld tQ  = (1.47) Validación del modelo 68 68 donde 1 d , 1 L y 2 d , 2 L se corresponden con el diámetro de la tubería y la longitud de la misma entre la salida del refrigerante del motor y la entrada a la caja de cambios y la salida del refrigerante de la caja de cambios a la junta con el resto del refrigerante previa a su entrada al motor respectivamente. De este modo, las ecuaciones (1.6) y (1.27) resultarían ahora: 2 1 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( )) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) cc va cc va R sc R M Q t Q t Q t Q t Q t T t T t t T t T t Q t Q t Q t −+ = − + + (1.48) 2 2 1 Re 1 ( ) ( ) () () ( ) ( ) ( ) ( ) Rs M tR trans t ts M T t T t t Wt mt W t m t T t T t t  −− =   −−  (1.49) Cabe resaltar que debido a que se desconocen las variables previas al inicio de la simluación, se ha tenido en consideración que mientras el instante de tiempo en el que estamos calculando las respectivas variables sea inferior al primero de los retrasos existentes en cada uno de los dos casos mencionados, las ecuaciones empleadas continuarán siendo (1.6) y (1.27), no siendo aplicable el delay. Superado este tiempo, actuarán las ecuaciones (1.48) y (1.49) que necesitarán hacer uso de valores de temperaturas previamente calculados. Debido a que se han incluido cuatro parámetros más al conjunto de variables cuyo valor exacto se desconoce, se debe incluir una tabla como la mostrada en el capítulo 5, que permita al programa desarrollado en el software informático de MATLAB determinar el valor óptimo de estos últimos parámetros. Parámetro Valor mínimo Valor máximo 𝑑1 0.020 m 0.030 m 𝑑2 0.020 m 0.030 m 𝐿1 2 m 10 m 𝐿2 2 m 10 m Tabla 7-1. Valores máximos y mínimos para los parámetros referentes al delay 69 69 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre 7.2.2. Análisis de la sensibilidad del modelo con la temperatura ambiente Tras incluir en el modelo el delay comentado anteriormente, se procedió a realizar un análisis de sensibilidad del sistema con la temperatura ambiente. Como se comentó en el capítulo 6, dicha temperatura tenía especial importancia en la temperatura de trabajo del motor. Por este motivo, se precisa realizar de un análisis, para comprobar si alguno de los parámetros propios del modelo depende funcionalmente de dicha temperatura. Para ello, se realizarán varias simulaciones para paquetes de datos de entrada en los que la temperatura ambiente se mantendrá en cierta medida constante, no variando más de un grado centígrado en torno a la magnitud establecida. De este modo, se harán simulaciones para temperaturas en torno a 15, 20, 25, 30 y 35 ºC. El resultado de este estudio fue el siguiente: Parámetros Temperatura ambiente 15ºC 20ºC 25ºC 30ºC 35ºC 𝑘1 4.9864 4.5571 3.9392 3.4799 2.9837 𝑘2 8.9984 7.9801 6.0221 5.9995 5.2567 k 0.2567 0.2569 0.2560 0.2500 0.2563 𝜋𝑐 1.6000 1.6774 1.6625 1.5997 1.6024 𝜂c 0.6450 0.6500 0.6460 0.6456 0.6453 𝑉𝑀 0.0347 0.0393 0.0338 0.0335 0.0384 𝑉𝑅𝑀 0.0200 0.0200 0.0189 0.0190 0.0192 𝑚󰇗 𝑎𝑖𝑟𝑒 0.3150 0.2982 0.3347 0.3215 0.3256 𝐴𝑅𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 0.4450 0.4453 0.4442 0.4453 0.4383 𝐴𝑇𝑢𝑟𝑏𝑜 0.1450 0.1502 0.1456 0.1434 0.1470 C 91.3049 92.5120 90.0714 89.9598 89.7143 𝑞50% 154.4760 153.3641 158.4437 157.1384 158.0018 𝑞100% 390.3108 390.0725 395.5163 395.8709 394.9989 𝜂𝑅𝑇 0.6453 0.6450 0.6393 0.6450 0.6385 𝜂𝑅𝑀 0.6412 0.6376 0.6315 0.6524 0.6470 𝑞𝑐𝑐 0.3333 0.3486 0.3177 0.3334 0.3349 𝑄𝑚𝑎𝑥 101.0039 101.7014 100.9899 101.4254 103.8473 Validación del modelo 76 76 Ilustración 7-10. Curva resultante 31/07/2018 Ilustración 7-11. Curva resultante 01/08/2018 77 77 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Ilustración 7-12. Curva resultante 01/08/2018 Ilustración 7-13. Curva resultante 01/08/2018 Validación del modelo 78 78 Ilustración 7-14. Curva resultante 02/08/2018 Ilustración 7-15. Curva resultante 02/08/2018 79 79 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Ilustración 7-16. Curva resultante 02/08/2018 Ilustración 7-17. Curva resultante 02/08/2018 Validación del modelo 80 80 A la vista de los resultados obtenidos y que han sido ilustrados en las gráficas anteriores, podemos comprobar como el modelo establecido en el proyecto es capaz de alcanzar con cierto grado de precisión la dinámica del comportamiento del sistema, llegando a ser en ciertas ocasiones la medida calculada idéntica a la medida real. Aún así cabe resaltar que en ciertos momentos se aprecia cierto retraso o adelanto en la temperatura calculada, indicio que se podría asociar a la falta de consideración de algún mecanismo a la hora de establecer el modelo. En lo que respecta a los valores que se han obtenido para los parámetros que eran desconocidos al principio del estudio, debemos precisar que estos resultados no se encuentran en los extremos de los valores preestablecidos, hecho que nos permite concluir que el mínimo de la función que debíamos minimizer se encontrada dentro de dicho rango. En cuanto a la magnitud de estos parámetros, se puede determinar que es razonable, y que podrían tratarse de valores reales encontrados en un vehículo con una planta propulsiva y un sistema de refrigeración de prestaciones similares al estudiado en este proyecto. Con todo ello, podemos considerar válido al modelo aquí desarrollado, teniendo en cuenta que el valor calculado se ajusta bien al valor real, aún con las hipótesis y parámetros desconocidos que presentaba dicho modelo. A continuación ilustraremos algunos de los resultados anteriores completados con las condiciones de operación, como son la potencia desarrolladda por el par motor, la velocidad de giro del motor, el par de frenado, las temperaturas de aceite en la transmisión y el retarder y la temperatura ambiente. Comenzaremos anexionando las condiciones de operación a la ilustración 7-2: Ilustración 7-18. Evolución temperaturas 23/01/2018 81 81 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Ilustración 7-19. Evolución par frenado 23/01/2018 Ilustración 7-20. Evolución velocidad de giro del motor 23/01/2018 Validación del modelo 82 82 En Segundo lugar, presentaremos las condiciones de operación para la ilustración 7-9: Ilustración 7-21. Evolución potencia par motor 23/01/2018 Ilustración 7-22. Evolución temperaturas 31/07/2018 83 83 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Ilustración 7-24. Evolución velocidad de giro del motor 31/07/2018 Ilustración 7-23. Evolución par frenado 31/07/2018 Validación del modelo 84 84 En tercer lugar, se representan las condiciones de operación para el caso de la ilustración 7-11: Ilustración 7-25. Evolución potencia par motor 31/07/2018 Ilustración 7-26. Evolución temperaturas 01/08/2018 85 85 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Ilustración 7-27. Evolución par frenado 01/08/2018 Ilustración 7-28. Evolución velocidad de giro del motor 01/08/2018 Desarrollos futuros 92 92 9 DESARROLLOS FUTUROS Es frecuente que en este tipo de documentos que recogen el desarrollo de una herramienta de diagnóstico a través de un modelo implementado en el software informático MATLAB incluya un apartado de sugerencias y propuestas con el objetivo de mejorar el código y a su vez los resultados obtenidos mediante este. A continuación, se detallan una serie de posibles desarrollos futuros para mejorar el trabajo: • En primer lugar, se podrían incorporar un mayor número de retrasos en los diferentes puntos del sistema de refrigeración en los que la distancia puede ser considerable como para que se produzca. Esto añadiría complejidad al modelo, debido a que se incorporarían parámetros referentes a la longitud equivalente para incorporar el tiempo de retraso. • Respecto a los parámetros que forman parte del tiempo de retraso, en realidad se podrían tratar como un único parámetro, ya que no aporta nada tratarlos como variables independientes, consumiendo recursos en la optimización. • Si se desean obtener unos resultados más precisos, resultaría conveniente no despreciar el término de la incercia térmica en la ecuación correspondiente al radiador aire-aire. Esto conllevaría una mayor complejidad en el modelo, que ahora dispondría de tres ecuaciones diferenciales en lugar de dos, lo cuál se traduciría a su vez en una velocidad de cálculo mayor. • Podría darse la opción de modificar la función a minimizar y analizar los resultados obtenidos para cada caso. • Sería intereserante poder realizar un estudio basado en un autbobús que presentase alguno de los problemas mencionados en el capítulo anterior con el objetivo de intentar diagnosticar cuál es el posible fallo del sistema analizando los resultados obtenidos y comparándolos con la medida obtenida a través del CAN bus. • Es conveniente resaltar el hecho de que este mismo proyecto se podría plantear desde el punto de vista de las redes neuronales artificiales, que necesitan una gran base de datos o conocimientos que describan el funcionamiento del sistema de refrigeración junto a un análisis lógico, en lugar del análisis matemático desarrollado en esta memoria, para controlar el sistema y facilitar la toma de decisiones. 93 93 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Referencias 94 94 REFERENCIAS [1] ZF-Ecolife [En línea]. Disponible: www.zf.com [Último acceso: 10 de junio de 2019]. [2] TUSSAM [En línea]. Disponible: www.tussam.es [Último acceso: 20 de mayo de 2019]. [3] Vehicle Application Layer [En línea]. Disponible: www.sae.org [Último acceso: 10 de junio de 2019]. [4] Robert Staimer, Clean Air Bus Transport, Enero 2013. [5] Knoor, Curvas motor E 2876 LUH02, 2004 [6] J1939 Message [En línea]. Disponible: www.csselectronics.com [Último acceso: 20 de junio de 2019]. [7] RO-DES [En línea]. Disponible: www.ro-des.com [Último acceso: 20 de junio de 2019]. 95 95 Análisis del sistema de refrigeración de una planta propulsiva terrestre Referencias 96 96