Sensor más rápido para el flujo de calor probado

Relevante para los combustibles alternativos y el hidrógeno

30.07.2021 - Alemania

Un equipo de investigadores de la Facultad de ingeniería Mecánica de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Landshut ha desarrollado un nuevo método para medir el flujo de calor en los motores de combustión con mayor rapidez que antes. La técnica podría ayudar a reducir las emisiones contaminantes en el futuro. También es relevante para la futura investigación de los combustibles alternativos y los motores basados en el hidrógeno.

Cuando arrancamos el motor de un coche, se producen gases de combustión con temperaturas muy altas, de más de 1.000 grados Celsius. Cuando éstas chocan con las paredes del cilindro y del pistón, se producen cargas térmicas muy elevadas que normalmente sólo se alcanzan en contadas ocasiones, como durante la reentrada de un transbordador espacial en la atmósfera terrestre. Parte de la energía térmica se disipa de nuevo a través de las paredes de la cámara de combustión, lo que provoca una combustión poco limpia cerca de las paredes y la formación de partículas de hollín. Bajo la dirección del Prof. Dr. Tim Rödiger, un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Landshut, en colaboración con el fabricante de motores Siegfried Spiess GmbH, ha desarrollado ahora una sonda con la que se puede determinar este flujo de calor directamente y sin rodeos mediante una medición de la temperatura o la presión. La nueva tecnología permite así una medición entre diez y cien veces más rápida que antes. El método desarrollado en el proyecto ALTPdev podría ayudar a mejorar los procesos de combustión y los modelos térmicos de los motores en el futuro y, por tanto, a reducir las emisiones de contaminantes. La nueva tecnología también es relevante para la futura investigación de combustibles alternativos y accionamientos basados en el hidrógeno. El Ministerio Federal de Economía y Energía financió a la Universidad de Ciencias Aplicadas de Landshut con 220.000 euros para el proyecto, que finalizó en julio de este año.

Prueba en el banco de pruebas del motor

Junto con los asistentes de investigación Konstantin Huber y Felix Gackstatter y el socio industrial Spiess, Rödiger llevó a cabo la campaña de medición en un banco de pruebas sobre un bloque de motor especialmente preparado. "Llamamos flujo de pérdida de calor a la parte de la energía que se disipa a través de las paredes de la cámara de combustión", explica Rödiger, estableciendo una comparación con la piel humana. Nuestra piel también es una especie de sensor de flujo de calor: "Podemos tolerar bien el aire de la sauna a 90 grados centígrados, pero la piel se escaldaría al contacto con el agua caliente a 90 grados". Esto está relacionado con el flujo de calor, que es significativamente mayor en el agua que en el aire.

Picos de carga medibles por primera vez

En el motor de combustión pueden producirse cargas térmicas muy elevadas. "La razón es el rápido curso del proceso de ignición y combustión", explica Rödiger, "lo que significa que pueden producirse flujos de calor muy elevados durante un corto período de tiempo". Con la ayuda del nuevo sensor ALTP (ALTP significa termopila de capa atómica), ahora es posible por primera vez determinarlas con mayor detalle. "Las mediciones demuestran que los picos de carga podrían ser mucho más elevados de lo que preveían los estudios y modelos anteriores", afirma el profesor.

Relevante para los combustibles alternativos y el hidrógeno

En el futuro, los fabricantes de motores y otros sistemas de combustión podrían beneficiarse del nuevo método, desde el sector de la movilidad hasta el de la energía. "La nueva tecnología nos proporciona información que nos permite comprender mejor los complejos procesos de la combustión; por ejemplo, puede utilizarse para desarrollar mejores predicciones sobre la formación de contaminantes y el desgaste de los componentes", subraya Rödiger. Además, las mediciones podrían ayudar a mejorar el control del motor y la combustión en el futuro, así como a desarrollar nuevos conceptos de motor y modelos más eficientes. "La información es especialmente relevante para la investigación de combustibles alternativos", afirma el profesor. Por ejemplo, las llamas de hidrógeno en los motores y las cámaras de combustión de las turbinas de gas alcanzan temperaturas aún más elevadas y arden mucho más cerca de la pared, lo que da lugar a densidades de flujo térmico aún mayores. Esto debe tenerse en cuenta en el desarrollo de componentes en el futuro, dijo.

Medición en el rango de los microsegundos

La nueva tecnología mide en el rango de los microsegundos, por lo que se considera el método más rápido del mundo. "Hasta ahora, el método ALTP sólo se había probado para mediciones a corto plazo en túneles de viento y bancos de pruebas", dice Rödiger, "hemos modificado la tecnología para que sea fácil de aplicar y pueda utilizarse para cargas cíclicas, térmicas y mecánicas muy estresantes. El sensor está instalado en el bloque del motor con una conexión directa a la cámara de combustión y, por tanto, tiene que soportar tanto las altas temperaturas y cargas térmicas como la inmensa presión de la cámara de combustión. Rödiger subraya: "Aunque hemos utilizado la tecnología de sensores para nuestras investigaciones en el motor de combustión dentro del proyecto de investigación, abre un amplio campo de aplicación más allá de este ámbito."

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