Análisis de un motor rotativo de encendido provocado mediante el desarrollo de un modelo termodinámico unizona

Abstract

Este trabajo presenta el desarrollo de un modelo termodinámico unizona para simular el ciclo de un motor rotativo de encendido provocado mediante un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias acopladas que describe la evolución temporal de la presión, temperatura y composición de la mezcla, incorporando fenómenos como pérdidas de calor y fugas de masa con un bajo coste computacional. Debido a la simplicidad del modelo, se realiza una una validación cualitativa de los resultados obtenidos. El enfoque propuesto permite analizar la influencia de parámetros operativos (como el régimen de giro y el ángulo de inicio de la combustión) sobre el rendimiento del motor, evaluando variables como la potencia generada y la eficiencia térmica. Los resultados muestran que un mayor adelanto del encendido aumenta la potencia y la eficiencia hasta un límite óptimo, mientras que encendidos excesivamente tardíos reducen la presión máxima y el rendimiento del ciclo. El incremento del régimen de giro eleva la potencia indicada, pero conlleva pérdidas mecánicas y térmicas que reducen la eficiencia global. Finalmente, se identifican posibles mejoras, incluyendo la extensión a un modelo multizona, la consideración de fenómenos de detonación y la integración del rendimiento volumétrico, con el objetivo de aumentar la precisión y aplicabilidad del modelo.

This work presents the development of a single-zone thermodynamic model to simulate the operating cycle of a spark-ignition rotary engine by solving a system of coupled ordinary differential equations describing the temporal evolution of in-cylinder pressure, temperature, and mixture composition. The model incorporates heat losses and mass leakage at low computational cost, and a qualitative validation of the results is performed due to its inherent simplicity. The proposed approach enables the analysis of key operating parameters, such as engine speed and combustion start angle, on engine performance by evaluating variables like power output and thermal efficiency. Results show that advancing the ignition timing increases power and efficiency up to an optimal limit, while excessively delayed ignition reduces both peak pressure and overall cycle performance. Increasing engine speed enhances indicated power but leads to mechanical and thermal losses that decrease global efficiency. Finally, potential improvements are identified, including the extension to a multi-zone model, the consideration of knock phenomena, and the integration of volumetric efficiency to enhance both the accuracy and the applicability of the model.