Aprèn - Ernesto Gutiérrez González

El transporte por carretera tiene un impacto negativo muy importante en el cambio climático y contaminación atmosférica. Este problema es cada vez más grave y, con la finalidad de encontrar métodos de reducir las emisiones de los vehículos, en el transcurso de este informe se estudia la viabilidad técnica y económica del hidrógeno como fuente de energía para el trasporte por carretera. Para ello, primero se hace un estudio de la procedencia del hidrógeno y sus métodos de propulsión de vehículos terrestres: la combustión del hidrógeno y la pila de hidrógeno. Se estudia el fundamento del sistema de funcionamiento de cada una y su problemática asociada y la energía que emiten para el estudio energético. Finalmente, analizan las diferencias principales entre los vehículos propulsados por hidrógeno y el de combustión de gasolina para el posterior estudio económico. Con esta información se hace el estudio técnico, tanto energético como de emisiones, y se obtienen dos balances donde se comparan la combustión de hidrógeno y la pila de hidrógeno con los vehículos de gasolina. Para el balance de emisiones se tienen en cuenta las emisiones del ciclo de vida del vehículo, es decir, desde la producción del combustible, la fabricación de los componentes y los gases de escape. El balance energético se hace en energía/masa y en energía/volumen para comparar ambos valores. Finalmente, se hace el balance económico de los tres tipos de propulsión teniendo en cuenta las diferencias estudiadas. El análisis de estos resultados concluye en que la opción óptima para vehículos comunes es la combustión de hidrógeno, pese a que la pila de hidrógeno es una buena solución para transportes de grandes dimensiones como el transporte público, donde la relación energía/volumen es de menor importancia

El transport per carretera té un impacte negatiu molt important en el canvi climàtic i la contaminació atmosfèrica. Aquest problema és cada vegada més greu i, amb la finalitat de trobar mètodes per reduir les emissions dels vehicles, en el transcurs d'aquest informe s'estudia la viabilitat tècnica i econòmica de l'hidrogen com a font d'energia per al transport per carretera. Per això, primer es fa un estudi de la procedència de l'hidrogen i els seus mètodes de propulsió de vehicles terrestres: la combustió de l'hidrogen i la pila d'hidrogen. S'estudia el fonament del sistema de funcionament de cadascuna i la seva problemàtica associada i l'energia que emeten per a l'estudi energètic. Finalment, s'analitzen les diferències principals entre els vehicles propulsats per hidrogen i els de combustió de gasolina per a l'estudi econòmic posterior. Amb aquesta informació, es realitza l'estudi tècnic, tant energètic com d'emissions, i s'obtenen dos balanços on es compara la combustió d'hidrogen i la pila d'hidrogen amb els vehicles de gasolina. Per al balanç d'emissions, s'han tingut en compte les emissions del cicle de vida del vehicle, és a dir, des de la producció del combustible, la fabricació dels components i els gasos d'escapament. El balanç energètic es fa en energia/massa i en energia/volum per a comparar ambdós valors. Finalment, es realitza el balanç econòmic dels tres tipus de propulsió tenint en compte les diferències estudiades. L'anàlisi d'aquests resultats conclou que l'opció òptima per a vehicles comuns és la combustió d'hidrogen, tot i que la pila d'hidrogen és una bona solució per a transports de grans dimensions com el transport públic, on la relació energia/volum és de menor importància

Road transportation has a significant negative impact on climate change and air pollution. This problem is becoming increasingly serious, and in order to find methods to reduce vehicle emissions, this report examines the technical and economic feasibility of hydrogen as an energy source for road transport. To do so, a study is first conducted on the origin of hydrogen and its propulsion methods for land vehicles: hydrogen combustion and hydrogen fuel cells. The functioning principles of each system and their associated issues are examined, as well as the energy they emit for the energy study. Finally, the main differences between hydrogen-powered vehicles and gasoline combustion vehicles are analyzed for the subsequent economic study. Based on this information, a technical study is carried out, encompassing both energy and emissions, and two assessments are obtained comparing hydrogen combustion and hydrogen fuel cells with gasoline vehicles. The emission balance takes into account the vehicle's life cycle emissions, including fuel production, component manufacturing, and exhaust gases. The energy balance is performed in terms of energy per unit mass and energy per unit volume to compare both values. Finally, an economic analysis is conducted for the three types of propulsion, considering the studied differences. The analysis of these results concludes that hydrogen combustion is the optimal option for regular vehicles, although hydrogen fuel cells are a good solution for large- scale transportation, such as public transport, where the energy-to-volume ratio is of lesser importance

Modificació d'un motor de combustió interna per addició dual de hidrogen i gasolina

Bachelor thesis

Ferrer Codinachs, Jan

Tutor / Supervisor: Gutiérrez González, Ernesto

Publication date: 2023

Barcelona School of Industrial Engineering (ETSEIB)

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Aquest treball es centra en l'estudi i la modificació d'un motor de combustió interna de gasolina mono-cilíndric de quatre temps d'un generador elèctric, amb l'objectiu d'obtenir el disseny d'un motor que sigui capaç de funcionar tant amb hidrogen com amb gasolina, ja sigui per separat o dualment. Per tant, s'haurà de modificar el motor per poder introduir hidrogen a la cambra de combustió. Per tal de dur a terme aquesta modificació primerament s'estudiarà la viabilitat de les diferents possibilitats d'injecció directa o indirecta d'hidrogen a la cambra de combustió del motor, seguidament es decidirà quina és la manera més adient de fer-ho tenint en compte els pros i contres. També s'haurà d'estudiar i implementar la millor manera d'obtenir un senyal de referència per a la injecció que permeti saber la posició del pistó amb el motor en funcionament i la manera de manipular aquest senyal per controlar el moment d'activació i desactivació de l'injector. Per aquestes modificacions es necessitaran materials que no seran al laboratori, per tant, també s'haurà de valorar la disponibilitat d'aquests en el mercat i el seu cost. Així mateix, serà necessari realitzar operacions de mecanitzat sobre algun element del motor, s'hauran de dissenyar i fabricar les peces per a la fixació d'elements. Un cop s'hagi decidit com s'implementarà el sistema d'injecció de l'hidrogen es procedirà a obtenir els components electrònics i mecànics necessaris. Pel cas dels mecànics no disponibles en el mercat, fent els dissenys propis i mecanitzant-los si escau. Quan es tinguin totes les modificacions mecàniques fetes es procedirà a fer l'electrònica per controlar les operacions de l'injector d'hidrogen amb el motor en funcionament, que serà el control de l'obertura de l'injector en funció de la càrrega sol·licitada a la sortida del motor. Per a l'electrònica serà necessari obtenir un senyal de referència i posteriorment les etapes que permetin manipular i amplificar aquest senyal per tal que s'adapti a l'injector. El control electrònic serà manual, capaç d'ajustar el moment i la durada de la injecció a temps real. Tot i així, el treball quedarà obert a modificacions, per tant es pot realitzar un projecte futur per dissenyar un control automàtic i digital de la injecció per tal d'optimitzar-ne l'eficàcia. Finalment, es procedeix a l'anàlisi dels resultats obtinguts en el projecte i se n'extreuen les conclusions pertinents

Este trabajo se centra en el estudio y modificación de un motor de combustión interna de gasolina mono-cilíndrico de cuatro tiempos de un generador eléctrico, con el objetivo de obtener el diseño de un motor que sea capaz de funcionar tanto con hidrógeno como con gasolina, ya sea por separado o dualmente. Por tanto, se deberá modificar el motor para poder introducir hidrógeno en la cámara de combustión. Para llevar a cabo esta modificación primeramente se estudiará la viabilidad de las diferentes posibilidades de inyección directa o indirecta de hidrógeno en la cámara de combustión del motor, seguidamente se decidirá cuál es la forma más adecuada de hacerlo teniendo en cuenta los pros y contras. También se tendrá que estudiar e implementar la mejor manera de obtener una señal de referencia para la inyección que permita saber la posición del pistón con el motor en funcionamiento y la forma de manipular esta señal para controlar el momento de activación y desactivación del inyector. Para estas modificaciones se necesitarán materiales que no estarán en el laboratorio, por tanto, también se tendrá que valorar la disponibilidad de éstos en el mercado y su coste. Asimismo, será necesario realizar operaciones de mecanizado sobre algún elemento del motor, se tendrán que diseñar y fabricar las piezas para la fijación de elementos. Una vez que se haya decidido cómo se implementará el sistema de inyección del hidrógeno se procederá a obtener los componentes electrónicos y mecánicos necesarios. En el caso de los mecánicos no disponibles en el mercado, haciendo los diseños propios y mecanizándolos si es necesario. Cuando se tengan todas las modificaciones mecánicas hechas se procederá a realizar la electrónica para controlar las operaciones del inyector de hidrógeno con el motor en funcionamiento, que será el control de la apertura del inyector en función de la carga solo solicitada en la salida del motor. Para la electrónica será necesario obtener una señal de referencia y posteriormente las etapas que permitan manipular y amplificar esta señal para que se adapte al inyector. El control electrónico será manual, capaz de ajustar el momento y duración de la inyección a tiempo real. Sin embargo, el trabajo quedará abierto a modificaciones, por lo tanto, se puede realizar un proyecto futuro para diseñar un control automático y digital de la inyección para optimizar su eficacia. Por último, se procede al análisis de los resultados obtenidos en el proyecto y se extraen las conclusiones pertinentes

This paper focuses on the study and modification of a four-stroke single-cylinder gasoline internal combustion engine of an electric generator, with the aim of obtaining the design of an engine that can operate with both hydrogen and gasoline, either separately or dually. Therefore, the engine will have to be modified to be able to introduce hydrogen into the combustion chamber. To carry out this modification, the feasibility of the different possibilities of direct or indirect injection of hydrogen into the combustion chamber of the engine will first be studied, then it will be decided which is the most suitable way to do it, considering the pros and cons. It will also be necessary to study and implement the best way to obtain a reference signal for the injection that allows knowing the position of the piston with the engine running and how to manipulate this signal to control the timing of activation and deactivation of the injector. These modifications will require materials that will not necessarily be in the laboratory, therefore the availability of these in the market and their cost will also have to be assessed. It will also be necessary to carry out machining operations on some element of the engine, the parts for fixing elements will have to be designed and manufactured. Once it has been decided how the hydrogen injection system will be implemented, the necessary electronic and mechanical components will be obtained. In the case of mechanics not available on the market, making our own designs and mechanizing them if necessary. When all the mechanical modifications are done, we will proceed to make the electronics to control the operations of the hydrogen injector with the engine running, which will be the control of the opening of the injector depending on the load alone requested at the engine output. For the electronics, it will be necessary to obtain a reference signal and subsequently the stages that allow this signal to be manipulated and amplified so that it adapts to the injector. The electronic control will be manual, capable of adjusting the moment and duration of the injection in real time. Even so, the work will be open to modifications, therefore a future project can be carried out to design an automatic and digital control of the injection in order to optimize its effectiveness. Finally, the results obtained in the project are analyzed and relevant conclusions are drawn

Tiempos Operativos como Herramienta Estratégica en las Aerolíneas de Bajo Coste

Master thesis (pre-Bologna period)

Arianoff Broto, Carlos Maria

Tutor / Supervisor: Gutiérrez González, Ernesto

Publication date: 2016

Barcelona School of Industrial Engineering (ETSEIB)

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Diseño de una instalación de cogeneración mediante un motor Stirling

Master thesis (pre-Bologna period)

Marín Tapia, Beatriz

Tutor / Supervisor: Gutiérrez González, Ernesto

Publication date: 2014

Barcelona School of Industrial Engineering (ETSEIB)

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Este proyecto tiene como objetivo el diseño teórico de una instalación de cogeneración mediante un motor Stirling, generando electricidad utilizando una energía que anteriormente se desaprovechaba. El proyecto está orientado a una aplicación en viviendas y por ello se pretende hacer funcionar la instalación gracias a los gases calientes de la salida de un calentador doméstico. En primer lugar se estudiará el método más idóneo para calcular las necesidades energéticas de agua caliente de una vivienda, teniendo en cuenta el agua caliente sanitaria utilizada en los distintos aparatos de la casa y el agua caliente utilizada para la calefacción. En segundo lugar se estudiará el funcionamiento del calentador, para de esta manera poder conocer la energía residual que quedará de él, que será la que utilizará el motor para funcionar. En tercer lugar se estudiará el motor Stirling con sus distintas configuraciones y con las partes que lo componen. Una vez conocido su funcionamiento se estudiará el motor cinemáticamente y termodinámicamente, para poder así hacer una modelización del motor a través de ecuaciones. En cuarto lugar se estudiará el método para poder transformar la energía mecánica obtenida del motor Stirling en energía que pueda ser utilizada en la vivienda en que se implante la instalación. Una vez creado todo el proceso se hará el cálculo de la instalación para una aplicación práctica en una vivienda real. De esta manera se podrá verificar la magnitud de energía obtenida y las dimensiones de la instalación. Por último se ha hecho un análisis económico y un análisis del impacto ambiental. En el análisis económico se especifica el coste de ejecución de este proyecto y el coste de la instalación para una aplicación práctica, incluyendo el tiempo de retorno de la inversión de la misma. Y en el análisis del impacto ambiental se especifican los beneficios ambientales derivados de la implantación de esta instalación.

La valorización energética del biogás de depuradora para el uso como combustible en los autobuses del AMB

Master thesis (pre-Bologna period)

Malgrat González, Judit

Tutor / Supervisor: Gutiérrez González, Ernesto

Publication date: 2014

Barcelona School of Industrial Engineering (ETSEIB)

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En el presente proyecto se pretende valorizar una energía escondida en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR's). Esta energía es el biogás, compuesto principalmente por metano y otros componentes como dióxido de carbono y trazas de sulfuros entre otros. Dicho biogás se genera durante el proceso de digestión anaerobia de los fangos de depuradora, y al ser rico en metano puede valorizarse energéticamente, usándolo entre otros posibles usos, como combustible para vehículos. Este proyecto nace en el marco del Plan de Sostenibilidad Ambiental del Área Metropolitana de Barcelona (AMB) 2014-2020, que observa, junto con otros objetivos, la ambientalización de la flota de transporte público. Nace también como consecuencia de la búsqueda de un nuevo camino para la valorización del biogás que no se vea afectado por la actual reforma energética, que está ahogando los usos actuales del biogás de depuradora (cogeneración con autoconsumo o venta de energía a la red). En esta dirección, se plantea el uso del biogás de depuradora en los autobuses urbanos del AMB como sustitución de un combustible fósil. Para ello será necesario una serie de procesos para adaptar el biogás que se obtiene directamente de la digestión anaerobia, a unas características óptimas para su inyección en los autobuses. El combustible fósil sustituido será el gas natural, ya que su alta similitud con el biogás facilita su uso en los motores actuales de los autobuses de gas natural comprimido. Para ello, será necesario obtener un biometano (biogás mejorado) con unas características muy similares a las del gas natural. Este biometano se conseguirá por un proceso de mejora mediante la técnica del lavado por agua, consiguiendo un biometano con más de un 95% de CH4. El biogás se obtendrá de la EDAR Baix Llobregat, una de las estaciones depuradoras más grandes de Europa, que produce una media de 20.000 m3/día de biogás y que se encuentra a 2,3 km de las actuales cocheras de TMB de los autobuses de GNC, situada en la Zona Franca. Esta distancia corta permitirá transportar de forma económica el biometano limpio obtenido en la EDAR hasta las cocheras, en donde el biometano permitirá abastecer diariamente a unos 80 autobuses de GNC.

Optimización, sintonización y validación en banco de pruebas del sistema de escape de un motor de 2 tiempos de ciclo Otto mediante técnicas de simulación

Master thesis (pre-Bologna period)

Codina Sala, Xavier

Tutor / Supervisor: Gutiérrez González, Ernesto

Publication date: 2012

Barcelona School of Industrial Engineering (ETSEIB)

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En los últimos años han sido muchas las noticias que se han generado acerca de temas relacionados con motores de combustión interna y contaminación. Los motores de combustión interna se inventaron en el siglo XIX y han contribuido de manera indiscutible a desarrollo humano durante el siglo XX. El mundo ha evolucionado de tal modo que hoy en día, en los países desarrollados es normal que la mayoría de familias tengan su propio vehículo. En grandes ciudades es también frecuente que mucha gente se desplace mediante ciclomotores o motocicletas de pequeña cilindrada tanto por su coste más económico como por su maniobrabilidad y facilidad para evitarse atascos. Es cierto que los motores de 2 tiempos están siendo sustituidos por motores de 4 tiempos pero aún así, en muchos casos es muy cómodo tener una pequeña scooter o ciclomotor que desde el punto de vista de coste y comodidad sigue siendo más práctica que algunos vehículos con motores más grandes de 4 tiempos. Este proyecto de final de carrera pretende tratar de estudiar, entender, modelizar y optimizar el sistema de escape para un motor de 2 tiempos de ciclo Otto poniendo de manifiesto la importancia que tiene esta parte en el correcto funcionamiento del motor, una parte, el escape, que a diferencia de los motores de 4 tiempos en dónde no es tan crítica, en un motor de 2 tiempos es fundamental y imprescindible que esté bien ajustada para obtener según que prestaciones en el motor. Mediante el uso de software se pretende modelizar un motor de 2 tiempos de 49cc instalado en un banco de pruebas y originalmente concebido para propulsar un ciclomotor. El uso de software tiene la ventaja de que fácilmente se puede probar como responde el sistema variando determinadas variables que en el banco de pruebas real no son tan fáciles de cambiar. Se pretende ver los efectos contaminación sonora y contaminación gaseosa que entre otros, que se obtienen en cada caso asociándolo con los principios físicos y tecnológicos que lo explican. Mediante el uso del banco de pruebas se procede igualmente a comprobar y validar los resultados obtenidos mediante el programario.

Gestión de un sistema de inyección diesel con inyector bomba mediante la programación e implementación de un microcontrolador

Master thesis (pre-Bologna period)

Bartolomé Pérez, Edgard

Tutor / Supervisor: Gutiérrez González, Ernesto

Publication date: 2011

Barcelona School of Industrial Engineering (ETSEIB)

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Gestió electrònica d'un MACI Diesel Common Rail basat en tecnologia FPGA

Master thesis (pre-Bologna period)

Sala Batlle, Xavier

Tutor / Supervisor: Gutiérrez González, Ernesto

Publication date: 2010

Barcelona School of Industrial Engineering (ETSEIB)

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En aquest projecte s'ha desenvolupat un programa informàtic mitjançant el software de programació LabVIEWTM 2009. El programa és capaç de realitzar la gestió electrònica en temps real d'un motor de cicle Diesel Common Rail. Aquesta gestió es realitza de forma oberta, és a dir, que l'usuari que manipula el programa pot variar en temps real d'execució els paràmetres d'entrada i així experimentar quina és la resposta del motor en funció de la variació d'aquests paràmetres d'entrada. La gestió de molts dels elements del motor es realitza en llaç tancat, amb l'objectiu d'aconseguir una gran precisió sobre el control d'aquests elements i una ràpida adaptabilitat als transitoris. El programa està bolcat en un controlador a temps real model cRIO-9004 de la marca National Instruments, el qual condiciona i processa els senyals d'entrada provinents dels múltiples sensors del motor i genera els senyals de sortida per a governar els diferents actuadors del motor. Gràcies a la utilització del cRIO-9004, que funciona amb un chip de tecnologia FPGA (Field Programmable Gate Array) el qual permet l'execució del software a baix nivell, s'aconsegueix realitzar la gestió electrònica del motor en temps real. Amb el programa desenvolupat en aquest projecte, l'usuari pot experimentar i investigar de forma precisa quines són les condicions en les que ha de treballar el motor per tal d'augmentar les seves prestacions, augmentar el rendiment, o bé reduir el consum de combustible i les emissions de contaminants. No obstant, en aquest projecte només s'ha realitzat el programa que controlaria el motor en experimentació, és a dir, aquest projecte és la primera fase del procés per a poder ajustar un motor. Per tant, la instrumentació d'un motor Diesel Common Rail en un banc de proves i la seva experimentació mitjançant el programa desenvolupat queda oberta per a futurs projectes. Per tal de comprendre el disseny del programa desenvolupat és recomanat saber el funcionament dels sistemes d'injecció Common Rail. Per aquest motiu a l'annex d'aquest projecte es fa una breu introducció als motors de cicle Diesel i es tracta, amb més detall, els sistemes de gestió electrònica Common Rail.

Modelización y optimización de los parámetros termodinámicos de motores alternativos de combustión interna ciclo Otto y Diesel

Master thesis (pre-Bologna period)

Solanes Jiménez, Alejandro

Tutor / Supervisor: Gutiérrez González, Ernesto

Publication date: 2008

Barcelona School of Industrial Engineering (ETSEIB)

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Desenvolupament d'un Sistema de Injecció Directa de Benzina en un Motor Alternatiu de 2 Temps

Master thesis (pre-Bologna period)

Sala Roig, Desideri

Tutor / Supervisor: Gutiérrez González, Ernesto

Publication date: 2008

Barcelona School of Industrial Engineering (ETSEIB)

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Estudio del funcionamiento de motores alternativos de combustión interna mediante la utilización de combustibles alternativos

Master thesis (pre-Bologna period)

Perancho Janer, David

Tutor / Supervisor: Gutiérrez González, Ernesto

Publication date: 2007

Barcelona School of Industrial Engineering (ETSEIB)

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Projectes domèstics: Disseny d'una planta de producció d'energia elèctrica mitjançant biogàs

Master thesis (pre-Bologna period)

Niell Galmés, Marc

Tutor / Supervisor: Gutiérrez González, Ernesto

Publication date: 2007

Barcelona School of Industrial Engineering (ETSEIB)

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Aquest projecte està enfocat a l'estudi preliminar del disseny d'una petita planta de producció d'energia elèctrica mitjançant el biogàs generat a partir dels purins d'una granja porcina de la comarca de Girona. Aquest tipus d'instal·lació podria entrar dins l'àmbit del mecanisme contemplat pel protocol de Kyoto, anomenat Projectes Domèstics, per a la reducció de les emissions de gasos a efecte hivernacle (amb anglès Domestic Offset Emissions). Degut al seu caràcter altament enrevessat, es deixa a cada país que implementi el seu propi programa per gestionar els projectes domèstics. Malauradament, pràcticament cap país europeu, entre ells Espanya, disposa d'un programa d'aquesta índole. En aquest informe es fa un estudi del que representa un projecte domèstic i dels grans avantatges que implicaria un programa estatal de gestió dels projectes domèstics, com per exemple: reducció de les emissions internes del país, modernització de la tecnologia, creació de llocs de treball, producció d'energia neta... La planta que s'ha projectat és una planta econòmica, però alhora, altament eficient i rendible. La planta està composada pels elements següents: digestor de mescla completa amb coberta elàstica, cicle del biogàs, equip cogenerador, cicle de l'aigua i sistema de gestió automatitzada. El pressupost d'una planta d'aquestes característiques és bastant elevat i el temps d'amortització difícilment pot baixar dels quinze anys. Per això, s'ha optat per fer un estudi de possibles mecanismes per fer més viable la planta i se n'han contemplat quatre: inclusió de la planta dintre d'un hipotètic programa de projectes domèstics, incloure un apartat a l'actualització del Real Decret 436/2004 (en el que es regulen les tarifes elèctriques pel règim especial) que fes referència a les plantes que fan cogeneració a partir de biogàs, contemplar una possible subvenció de l'ICAEN (institut català d'energia) i finalment, portar a terme el procés de la co-digestió a la planta projectada. La construcció de la planta no comporta un balanç de l'impacte ambiental negatiu, si no tot el contrari, ja que suposa la reducció del metà (21 vegades més potent en relació a l'efecte hivernacle que el CO2) provenint dels dipòsits de purins que s'allibera a l'atmosfera, la reducció del consum de combustibles fòssils (i per tant reducció d'emissions de CO2 ) i la disminució de la contaminació dels sòls degut als nitrats dels purins. En definitiva, la construcció d'una planta d'aquestes característiques suposa un benefici tant econòmic (pel propietari) com medi ambiental (per la societat).