Desarrollo de un modelo de motor virtual integrado

Abstract

Las emisiones contaminantes y el consumo de combustible son actualmente una de las áreas de investigación más importantes para los ingenieros del sector de la automoción. La continua legislación de normas de contaminación cada vez más restrictivas en el sector de la automoción obliga a los investigadores a buscar nuevas soluciones tecnológicas. Los efectos sobre la salud y el medio ambiente de los principales contaminantes generados por los motores de combustión interna han motivado una creciente preocupación social. En este sentido, la legislación referente a las emisiones contaminantes de vehículos cada vez contempla un rango más amplio de condiciones de funcionamiento de los motores de combustión interna. De acuerdo con esto, el nuevo ciclo de homologación WLTC, amparado por la nueva normativa europea Euro 6D para vehículos de pasajeros, contempla condiciones de temperatura ambiente de -7ºC a 0ºC y altitudes superiores a los 700m. Como modo de adecuarse a las restricciones en materia de legislación, reduciendo los niveles de consumo y emisiones, y con el fin de encontrar maneras para mejorar las prestaciones de los motores de combustión interna, resulta interesante el desarrollo de herramientas predictivas para el diseño y calibración de los motores. En este sentido se plantea el desarrollo de un Modelo de Motor Virtual Integrado, implementado en forma de programa informático, para simular nuevos ciclos de homologación. Dicho modelo está basado en un modelo de acción de ondas que permite el cálculo de las propiedades termofluidodinámicas del gas en cada una de las partes del motor. En este modelo, el motor está representado por medio de conductos unidimensionales y volúmenes cerodimensionales, con el fin de agilizar el cálculo lo máximo posible sin repercutir en la precisión de éste. Además de este modelo de acción de ondas, el Modelo de Motor Virtual incluye otros submodelos que permiten cuantificar el resto de fenómenos físico-químicos relevantes que ocurren en el motor. Este Trabajo Final de Máster describe los diferentes submodelos que integran el Modelo de Motor Virtual y presenta la validación experimental de éste (en un motor MEC de 1.6L de volumen desplazado), tanto en condiciones de estacionarias de régimen y carga como en condiciones transitorias. También se incluyen resultados de otro submodelo desarrollado para estudiar futuras posibilidades de mejora en el motor, como es la implementación de un modelo para predecir la condensación de agua en la línea de EGR de baja presión.

Nowadays pollutant emissions and fuel consumption are one of the most important research areas for automotive engineers. The continuous legislation of pollution regulations increasingly restrictive in the automotive sector leads researchers to find new technological solutions. The effects on health and the environment of the main pollutants generated by internal combustion engines have motivated a growing social concern. In this way, legislation regarding vehicles' pollutant emissions contemplates a wider range of operating conditions for internal combustion engines. According to this, the new WLTC approval cycle, which is covered by the new European regulation Euro 6D for passenger cars, takes into account ambient temperature conditions from -7ºC to 0ºC and altitudes above 700m. As a way to adapt the vehicles to the restrictions on legislation (reducing fuel consumption and emission levels) and with the aim of finding ways to improve the internal combustion engines performance, it becomes interesting the development of predictive tools for engines design and calibration. In this way, the development of an integrated virtual engine model is considered, implemented as a computer program, in order to simulate new approval cycles. The integrated virtual engine model is based on wave action model that allows the calculation of the thermo-and-fluid dynamic gas properties in each engine system. In this model, the engine is represented by means of one-dimensional ducts and zero-dimensional volumes with the aim of speeding up the calculation as much as possible without affecting its accuracy. Besides this wave action model, the virtual engine model is composed of several sub-models that allow quantifying the rest of relevant physical-chemical phenomena that occur in the engine. This Master's Thesis describes the different sub-models that make up the virtual engine model and presents the experimental validation of this (performed in a 1.6L compression ignition engine) in steady conditions of speed and load and in transient conditions as well. This work also includes results from other sub-model developed to study future possibilities for engine improvement. This is the implementation of a model to predict water condensation along the low-pressure EGR line.