Assessment and optimization of the indicated cycle with a 0D thermodynamic model

Abstract

[ES] Las amenazas a las que se enfrentan los motores de combustión interna, tales como emisiones contaminantes, agotamiento del petróleo o el auge de otros tipos de motores (vehículo eléctrico), vinculan el futuro de los vehículos propulsados por este tipo de motor a la mejora del mismo en cuanto a consumo de combustible y a emisiones contaminantes se refiere. Adicionalmente, la alta exigencia de la normativa actual y venidera está forzando a las empresas de automoción a centrarse en el desarrollo de estrategias innovadoras dirigidas a aumentar el rendimiento del motor con baja repercusión en emisiones contaminantes. Un primer paso para atajar esta problemática es centrarse en los procesos que ocurren en la cámara de combustión, que es la base del motor.

Teniendo en cuenta este escenario, el objetivo principal del presente trabajo es evaluar y optimizar el ciclo indicado de un motor de combustión interna por medio de una herramienta termodinámica 0D. El acoplamiento de esta herramienta, previamente desarrollada en el grupo de trabajo, con un modelo de emisiones de \NOx{} y una herramienta de optimización, permite la evaluación del impacto sobre el rendimiento indicado de varios límites operacionales y procesos reales que tienen lugar en la cámara de combustión.

En primer lugar, se ha evaluado el rendimiento indicado de diferentes ciclos ideales en los motores estudiados en el trabajo. Debido a que la diferencia entre ciclos ideales y reales es resultado de la existencia de varias imperfecciones, se ha realizado un estudio de sensibilidad de dichas imperfecciones para determinar cuáles son las que tienen mayor impacto sobre el rendimiento indicado. A continuación, se han buscado los ciclos teóricos óptimos, en este caso ya teniendo en cuenta los principales fenómenos que ocurren en el cilindro, para obtener la ley de combustión que maximiza el rendimiento indicado a la vez que cumple con diferentes restricciones mecánicas y límites de emisiones. En este análisis se concluye que la velocidad de combustión es el parámetro más importante a tener en cuenta.

Con el fin de evaluar algunas técnicas experimentales comúnmente usadas para aumentar la velocidad de combustión, parámetro clave como se ha comentado, se han utilizado diferentes enfoques tales como balances globales de energía, división de pérdidas y diseños de experimentos. Las conclusiones extraídas de dichos análisis han sido usadas para optimizar experimentalmente la ley de combustión. La comparación entre esta optimización experimental y la teórica proporciona el impacto en el rendimiento indicado que supone la limitación en la velocidad de combustión impuesta por el motor analizado. Esta metodología actúa como una herramienta de análisis comparativo entre diferentes arquitecturas del motor, estableciendo el techo de eficiencia bajo las condiciones de operación consideradas, y con ello la ganancia máxima alcanzable por un hipotético motor perfecto.

[CA] Les amenaces a què s'enfronten els motors de combustió interna, com ara emissions contaminants, esgotament del petroli o motors alternatius (vehicle elèctric), vinculen el futur dels vehicles propulsats per aquest tipus de motor a la millora del mateix quant a consum de combustible i a emissions contaminants es refereix. Addicionalment, l'alta exigència de la normativa actual i venidora està forçant a les empreses d'automoció a centrar-se en el desenrotllament d'estratègies innovadores dirigides a augmentar el rendiment del motor amb baixa repercussió en emissions contaminants. Un primer pas per a atallar esta problemàtica és centrar-se en els processos que ocorren en la cambra de combustió, que és la base del motor.

Tenint en compte aquest escenari, l'objectiu principal del present treball és avaluar i optimitzar el cicle indicat d'un motor de combustió interna per mitjà d'una ferramenta termodinàmica 0D. L'adaptament d'esta ferramenta, prèviament desenrotllada en el grup de treball, amb un model d'emissions de \NOx{} i una ferramenta d'optimització, permet l'avaluació de l'impacte sobre el rendiment indicat d'uns quants límits operacionals i processos reals que tenen lloc en la cambra de combustió.

En primer lloc, s'ha avaluat el rendiment indicat de diferents cicles ideals en els motors estudiats en el treball. Pel fet que la diferència entre cicles ideals i reals és resultat de l'existència de diverses imperfeccions, s'ha realitzat un estudi de sensibilitat de les dites imperfeccions per a determinar quines són les que tenen major impacte sobre el rendiment indicat. A continuació, s'han buscat els cicles teòrics òptims, en aquest cas ja tenint en compte els principals fenòmens que ocorren en el cilindre, per a obtindre la llei de combustió que maximitza el rendiment indicat al mateix temps que compleix amb diferents restriccions mecàniques i límits d'emissions. En aquest anàlisi es conclou que la velocitat de combustió és el paràmetre més important a tindre en compte.

A fi d'avaluar algunes tècniques experimentals comunament usades per a augmentar la velocitat de combustió, paràmetre clau com s'ha comentat, s'han utilitzat diferents enfocaments com ara balanços globals d'energia, divisió de pèrdues i dissenys d'experiments. Les conclusions extretes d'aquest anàlisi han sigut usades per a optimitzar experimentalment la llei de combustió. La comparació entre esta optimització experimental i la teòrica proporciona l'impacte en el rendiment indicat que suposa la limitació en la velocitat de combustió imposada pel motor analitzat. Esta metodologia actua com una ferramenta d'anàlisi comparativa entre diferents arquitectures del motor, establint el sostre d'eficiència davall les condicions d'operació considerades, i amb això el guany màxim abastable per un hipotètic motor perfecte.

[EN] Issues affecting internal combustion engines, such as pollutant emissions, oil depletion and the raising of alternative powertrains (full electric vehicle), link the future of vehicles powered by this type of powertrain to its improvement in terms of fuel consumption and pollutant emissions. Additionally, the high stringency of the current and upcoming legislation is forcing automotive manufacturers to focus on developing innovative engine strategies aimed to increase the efficiency with low penalty in emissions. A first step to tackle this issue is to focus on the processes occurring in the combustion chamber, which is the core of the engine.

Taking into account this scenario, the main objective of the present work is to assess and optimize the indicated cycle of an internal combustion engine based on a zero-dimensional thermodynamic tool. The coupling of this tool, previously developed in the work group, with a \NOx{} emissions model and an optimization tool allows evaluating the impact on gross indicated efficiency of several operational limits and real processes taking place in the combustion chamber.

Thus, the first step was the assessment of the indicated efficiency of some ideal cycles in the engines studied in the work. Since the difference between ideal and real cycles is due to the existence of some imperfections, a sensitivity study of these imperfections is carried out to determine the ones with the highest impact on gross indicated efficiency. Later on, the optimum theoretical cycles have been searched for, now taking into account the main phenomena occurring in the cylinder, to get the combustion profile that maximizes the indicated efficiency while keeping some mechanical restrictions and emission limits. In this analysis, the combustion velocity raised as the most important parameter to take into account.

In order to assess some experimental techniques commonly used to enhance the combustion velocity, key parameter as commented, different approaches such as Global Energy Balance, split of losses and the use of design of experiments have been conducted. The conclusions extracted from these analysis have been used to optimize experimentally the combustion law. The comparison between this experimental optimization and the theoretical one provides the impact on gross indicated efficiency of the combustion velocity limitation imposed by the engine hardware. This methodology acts as a benchmarking tool between different hardware architectures, setting the efficiency ceiling of the considered operating point, and thus the maximum gain achievable by implementing an hypothetical perfect hardware.