Sobrealimentació del motor ROTAX 912 ULS amb compressor centrífug

Abstract

El grup de recerca GREFEMA ha iniciat una línia d’investigació per a la recuperació d’energia tèrmica residual dels gasos d’escapament dels motors de combustió interna mitjançant generadors termo-elèctrics (TEG). Actualment es treballa sobre la base de motors destinats a la aeronàutica lleugera com ara els avions ULM o bé els UAV (avions no tripulats) amb la finalitat de suprimir l’alternador que carrega la bateria de l’avió. No obstant es planteja la possibilitat que la recuperació energètica serveixi per a altres sistemes com ara la sobrealimentació del motor. El present treball de Fi de Grau te com objectiu demostrar si es viable la incorporació de generadors TEG a motors destinats a aviació lleugera i poder sobrealimentar el motor amb una nova generació de compressors centrífugs accionats elèctricament tal com es comença a veure en el món de l’automoció. La validació del model en GT-Power ha confirmat la seva precisió en la predicció del rendiment del motor, mostrant una concordança significativa amb les prestacions reals en termes de potència i parell motor, tot i que el consum específic depèn de les condicions inicials de cada cas. L'estudi del motor sobrealimentat amb el compressor GBC14-200 ha donat resultats que han estat calibrats per alinear-se amb altres motors Rotax sobrealimentats, tot i que es van presentar problemes com l'efecte knock i l'augment excessiu de les rpm, que van ser resolts a través d'un procés iteratiu. S'ha identificat un comportament erràtic en els mapes de funcionament de la turbina i el compressor, amb un efecte TurboLag causat per la falta d'augment de pressió inicial, suggerint la possibilitat de futurs estudis sobre la instal·lació de compressors híbrids. L'estudi dels TEG ha mostrat potencial per generar energia, però també ha revelat limitacions significatives en termes d'eficiència energètica, suggerint la necessitat de proves addicionals i ajustos per explorar millor aquesta tecnologia en motors de combustió interna. Aquest treball ha desenvolupat i validat un model de motor de cicle Otto amb turbogrup, tot i que s'ha de considerar el grau d'incertesa inherent a qualsevol model de simulació. Els resultats han de ser confirmats amb proves experimentals i es recomana investigar tècniques d’optimització i control, així com analitzar una gamma més àmplia de condicions operatives en futures investigacions.

El grupo de investigación *GREFEMA ha iniciado una línea de investigación para la recuperación de energía térmica residual de los gases de escape de los motores de combustión interna mediante generadores termo-eléctricos (*TEG). Actualmente se trabaja en base a motores destinados a la aeronáutica ligera como por ejemplo los aviones *ULM o bien los *UAV (aviones no tripulados) con el fin de suprimir el alternador que carga la batería del avión. No obstante, se plantea la posibilidad que la recuperación energética sirva para otros sistemas como por ejemplo la sobrealimentación del motor. El presente trabajo de Fin de Grado de investigación pretende demostrar si es viable la incorporación de generadores TEG a motores destinados a aviación ligera y poder sobrealimentar el motor con una nueva generación de compresores centrífugos accionados eléctricamente tal como se empieza a ver en el mundo de la automoción. La validación del modelo en GT-Power ha confirmado su precisión en la predicción del rendimiento del motor, mostrando una concordancia significativa con las prestaciones reales en términos de potencia y parell motor, aunque el consumo específico depende de las condiciones iniciales de cada caso. El estudio del motor sobrealimentado con el compresor GBC14-200 ha dado resultados que han sido calibrados para alinearse con otros motores Rotax sobrealimentados, aunque se presentaron problemas como el efecto knock y el aumento excesivo del rpm, que fueron resueltos a través de un proceso iterativo. Se ha identificado un comportamiento errático en los mapas de funcionamiento de la turbina y el compresor, con un efecto TurboLag causado por la falta de aumento de presión inicial, sugiriendo la posibilidad de futuros estudios sobre la instalación de compresores híbridos. El estudio de los TEG ha mostrado potencial para generar energía, pero también ha revelado limitaciones significativas en términos de eficiencia energética, sugiriendo la necesidad de pruebas adicionales y ajustes para explorar mejor esta tecnología en motores de combustión interna. Este trabajo ha desarrollado y validado un modelo de motor de ciclo Otto con turbogrup, aunque se debe considerar el grado de incertidumbre inherente a cualquier modelo de simulación. Los resultados deben ser confirmados con pruebas experimentales y se recomienda investigar técnicas de optimización y control, así como analizar una gama más amplia de condiciones operativas en futuras investigaciones.

The GREFEMA research group has initiated a line of research for the recovery of residual thermal energy from the exhaust gases of internal combustion engines through thermoelectric generators (TEG). Work is currently being done on the basis of light aeronautical engines such as ULM aircraft or UAVs (unmanned aircraft) in order to remove the alternator that loads the battery of the aircraft. However, the possibility arises that energy recovery will serve other systems such as overfeeding of the engine. The main objective of this Final Degree Project is to demonstrate whether the incorporation of TEG in light aviation engines is feasible and to be able to supercharge the engine with a new generation of electrically powered centrifugal compressors as it begins to be seen in the automotive world. The validation of the model in GT-Power has confirmed its accuracy in predicting engine performance, showing significant agreement with the real performance in terms of power and engine torque, although specific fuel consumption depends on the initial conditions of each case. The study of the supercharged engine with the GBC14-200 compressor has provided results that have been calibrated to align with other supercharged Rotax engines, although issues such as knock and excessive RPM increases were encountered and resolved through an iterative process. An erratic behavior in the turbine and compressor operating maps was identified, with a TurboLag effect caused by the lack of initial pressure increase, suggesting the possibility of future studies on the installation of hybrid compressors. The study of the TEGs has shown potential for generating energy but has also revealed significant limitations in terms of energy efficiency, suggesting the need for additional testing and adjustments to better explore this technology in internal combustion engines. This work has developed and validated a model of an Otto cycle engine with a turbo group, although the inherent degree of uncertainty in any simulation model should be considered. Results need to be confirmed with experimental tests, and it is recommended to investigate optimization and control techniques, as well as analyze a broader range of operating conditions in future research.