Published date: Nov 09 2023

Journal Title: ESPOCH Congresses: The Ecuadorian Journal of S.T.E.A.M.

Issue title: Volume 3 Issue 1

Pages: 471–489

DOI: 10.18502/espoch.v3i1.14468

J AnchatuñaJefferson.anchatunia@espoch.edu.ecEscuela Ingeniería Automotriz, Facultad de Mecánica, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Panamericana Sur km 1 1/2, Riobamba Ecuador

J PanchaEscuela Ingeniería Automotriz, Facultad de Mecánica, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Panamericana Sur km 1 1/2, Riobamba Ecuador

R MorenoEscuela Ingeniería Automotriz, Facultad de Mecánica, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Panamericana Sur km 1 1/2, Riobamba Ecuador

This study aims to analyze the temperature behavior along the exhaust system based on the PTEC-593 conduction cycle using thermocouples. A bibliographic review has been carried out to understand the temperature distribution throughout the system; therefore, four points were chosen for the study the exhaust manifold, before the catalyst, then the catalyst, and the end of the exhaust pipe. Thus, the vehicle exhaust system is coupled with type K thermocouples and modified to include a three-way catalyst and a new system with SAE J403 1008 steel pipe of 2 1/2 inches in diameter. The tests during the driving cycle were carried out in the city of Latacunga at an altitude of 2800 meters and an average temperature of 12∘C. Other tests involved idling at different times of the day, and the last one was on the route of ”the chasqui,” so the vehicle is in several possible scenarios. As a result, the exhaust manifold temperature was higher than 417∘C, the initial system temperature after the catalyst was 310∘C, the exhaust pipe end temperature was lower than 160∘C, and the idling temperature did not exceed 230∘C. It was concluded that the best place to place a TEG is after the catalyst because at this time we do not affect the wrong readings of the lambda probe, which would lead to fuel consumption and high emissions of polluting gases.

Keywords: thermal energy, exhaust temperatura, exhaust manifolds, catalysts, driving cycle, energy efficiency.

Resumen

El propósito de este estudio es analizar el comportamiento de la temperatura a lo largo del sistema de escape basado en el ciclo de conducción PTEC-593 utilizando termocuplas. Para ello se ha realizado una revisión bibliografíca donde se puede entender la distribución de temperatura a lo largo del sistema, por tanto se escogieron 4 puntos para el estudio: el colector de escape, antes del catalizador, después el catalizador y el final del tubo de escape. Así, al sistema de escape del vehículo se acoplo termocuplas tipo K, y se modificado para incluir un catalizador de tres vías y un nuevo sistema con tubería de acero SAE J403 1008 de 2 1/2 pulgadas de diámetro. Las pruebas durante el ciclo de conducción se realizaron en la ciudad de Latacunga a una altura de 2800 msnm y un clima promedio de 12∘C, otras pruebas en ralentí a diferentes horas del día y en la última fue en la ruta de “el chasqui”, por lo que el vehículo se encuentra en varios escenarios posibles. Como resultado, la temperatura del colector de escape fue superior a 417 ∘C, la temperatura inicial del sistema después del catalizador fue de 310 ∘C, la temperatura al final del tubo de escape fue inferior a 160 ∘C y la temperatura de ralentí no superó los 230 ∘C. Se concluyó que el mejor lugar para colocar un TEG es después del catalizador, debido a que en este momento no afectamos las lecturas erróneas de la sonda lambda, que conllevaría a un consumo de combustible y alta emisión de gases contaminantes.

Palabras Clave: <ENERGÍA TÉRMICA>, <TEMPERATURA DE ESCAPE>, <MÚLTIPLES DE ESCAPE>, <CATALIZADORES>, <CICLO DE CONDUCCIÓN>, <EFICIENCIA ENERGETICA>.

[1] Fernández Junca J. Análisis de aprovechamiento de calores residuales de los gases de escape del motor térmico mediante efecto Seebeck en una unión Cu-Al [Internet]. 2014. Available from: https://upcommons.upc.edu/handle/2099.1/23357

[2] Carrera Lovato M. Identificación de par motor y potencia en un motor de encendido provocado en función del sistema de escape [Internet]. 2019. Available from: https://rraae.cedia.edu.ec/Record/UTN_c2342eda74adb700915bd395e11bd697

[3] Montúfar Paz P, Moreno Pallares RR, Choto Chariguaman LS, Buenaño Moyano LF, Escobar Guachambala MA. “Análisis Del Comportamiento Acústico Y Optimización Del Material Del Escape De Automóviles Livianos Equipados Con Turbo Compresor Mediante Herramientas De Dinámica De Fluidos Computacionales.” Ciencia Digital [Internet]. 2018;2(3):550–568. Available from: https://www. mendeley.com/catalogue/a537a952-1cbf-3b49-9a26-110c55cfb0a6/?utm_source= desktop&utm_medium=1.19.8&utm_campaign=open_catalog&userDocumentId= %7B9dd194f1-cf6c-452e-89dd-d3cc72ff074f%7D

[4] Lecuona A, Legrand M. “Temperatura de los gases de escape en motores turboalimentados.” IX CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA TERMODINÁMICA – [Internet]. 2015;4( January):430–437. Available from: https://www.researchgate.net/ publication/291658335_Temperatura_de_los_gases_de_escape_en_motores_ turboalimentados%0D

[5] Balseca Sampedro OF, Ponce Ponce CA, Silva Castelo WA, Lopez Ortiz SA. “Proceso termodinámico que permite trasformar calor residual de automóviles en energía eléctrica.” Dominio de las Ciencias [Internet]. 2020;6(2477–8818):425–447. Available from: https://dx.doi.org/10.23857/dc.v6i3.1292

[6] Punov P, Milkov N, Danel Q, Perilhon C, Podevin P, Evtimov T. “Optimization of automotive Rankine cycle waste heat recovery under various engine operating condition.” AIP Conf Proc [Internet]. 2017;1814:1–10. Available from: https://aip.scitation.org/toc/apc/1814/1

[7] Picco S, Villegas L, Tonelli F, Merlo M, Rigau J, Diaz D, et al. “Automotive waste heat recovery by thermoelectric generator technology.” Intech [Internet]. 2016;9(tourism):13. Available from: https://www.intechopen.com/books/advancedbiometric- technologies/liveness-detection-in-biometrics

[8] González-Oropeza R. Los ciclos de manejo, una herramienta útil si es dinámica para evaluar el consumo de combustible y las emisiones contaminantes del auto transporte. Ingeniería Investigación y Tecnología [Internet]. 2005;6(3):147–162. Available from: https://www.scielo.org.mx/pdf/iit/v6n3/1405-7743-iit-6-03-147.pdf

[9] Montúfar Paz P, Abad Padilla C, Quinga MI, Razo Cifuentes AV. “Análisis de los factores de emisión dinámicos para el vehículo Toyota Hi Lux con motor de Ciclo Otto S.I para altitudes superiores a los 2500 metros.” Ciencia Digital. 2019;3(2):602– 619.

[10] Rocha Hoyos JC, Llanes Cedeño EA, Celi Ortega SF, Peralta Zurita DC. “Effect of the addition of biodiesel on the performance and opacity of a diesel engine.” Informacion Tecnologica [Internet]. 2019;30(3):137–146. Available from: https://repositorio.uisek. edu.ec/bitstream/123456789/3897/1/0718-0764ROCHAJUAN2019-06-16.pdf

[11] Massaguer A, Massaguer E, Comamala M, Pujol T, Montoro L, Cardenas MD, et al. “Transient behavior under a normalized driving cycle of an automotive thermoelectric generator.” Appl Energy [Internet]. 2017;206(September):1282–1296. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.10.015

[12] Huang K, Yan Y, Li B, Li Y, Li K, Li J. “A novel design of thermoelectric generator for automotive waste heat recovery.” Automotive Innovation [Internet]. 2018 Jan 1;1(1):54–61. Available from: https://www.mendeley. com/catalogue/f20fc06d-1d83-3883-8f1c-c987950e321e/?utm_source= desktop&utm_medium=1.19.8&utm_campaign=open_catalog&userDocumentId= %7Bc61406c3-23da-33dc-9452-6eb4c006dc21%7D

[13] Bai S, Lu H, Wu T, Yin X, Shi X, Chen L. “Numerical and experimental analysis for exhaust heat exchangers in automobile thermoelectric generators.” Case Studies in Thermal Engineering [Internet]. 2014;4:99–112. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.csite.2014.07.003

[14] Aguiñaga Ramírez E, P. HO, Martinez Martinez S, Sanchez Cruz F, Urbalejo De la Rosa D. “Análisis numérico de la geometría de un intercambiador de calor para su acoplamiento en un sistema de generación termoeléctrica para los gases de escape de un motor de combustión interna mediante CFD.” CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM [Internet]. 2018;24:39–47. Available from: http://somim.org.mx/memorias/memorias2018/articulos/A4_187.pdf

[15] Rocha Hoyos J, Zambrano VD. Análisis del funcionamiento del motor de encendido provocado, debido a la presencia de aditivos [Internet]. 2016. Available from: https: //www.researchgate.net/publication/308994095_Analisis_del_funcionamiento_ del_motor_de_encendido_provocado_debido_a_la_presencia_de_aditivos

[16] Valencia Lopez WDavid. Medición Y Comparación De Los Índices De Deterioro De Dos Catalizadores Operados Con Mezclas De Etanol-Gasolina [Internet]. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA; 2015. Available from: https://repositorio.utp.edu.co/server/api/core/bitstreams/02946fac-ecb1-40ed-8826- d1b39d2e31b4/content

[17] Younkins M, Chen S, Wilcutts M. Lean burn internal combustion engine exhaust gas temperature control [Internet]. Vol. 2. 2019. Available from: https://patentimages. storage.googleapis.com/5e/be/a5/eea4251730687a/US10494971.pdf

[18] Aladayleh W, Alahmer A. “Recovery of exhaust waste heat for ICE using the beta type stirling engine.” Journal of Energy [Internet]. 2015;2015(February):1–8. Available from: https://www.researchgate.net/publication/271643836_Recovery_of_Exhaust_ Waste_Heat_for_ICE_Using_the_Beta_Type_Stirling_Engine

[19] Kreith F, Manglik R, Mark B. PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Septima. Vol. 15. Mexico, D.F: CENGACE Learning; 2016. 23 p.

[20] Arroyo ES, González AFC, Navarrete RPI, Obando JLM. Estudio del efecto de la altitud sobre las emisiones de gases de escape de motores de combustión interna con encendido provocado. Ingeniería y Desarrollo. 2020;38(1):148.