Estudio de la importancia de un modelo de turbogrupos integral para la simulación de la operación en transitorio de carga de los motores Diesel turbo-sobrealimentados

Abstract

[ES] Los motores de combustión turbosobrealimentados son los principales propulsores de los vehículos actuales. Continuar estudiando el acoplamiento entre el turbogrupo y el motor alternativo es fundamental para mejorar su eficiencia y reducir las emisiones contaminates de los mismos. En este TFM se analiza la importancia de usar modelos integrales (holísticos) del turbogrupo. Por modelo integral se entiende aquel que aborda tres aspectos: Eficiencia aerodinámica de las turbomáquinas, pérdidas mecánicas del eje del turbogrupo y fenómenos de transmisión de calor en el turbogrupo. En la actualidad no existen modelos comerciales que aborden los tres aspectos de manera combinada, lo que dificulta enormemente el modelado numérico con precisión de los motores turbo-sobrealimentados. En el TFM se analiza las ventajas de usar este tipo de modelos frente a la práctica standard con el foco en la buena predicción de la contrapresión de escape del motor y la temperatura del aire y los gases de escape a la salida de las turbomáquinas. Este análisis se hace para un motor Diesel con EGR de baja presión y tanto para funcionamiento estacionario como transitorio. Una parte importante del trabajo ha consistido en proponer un protocolo de calibración de los modelos 1D para este tipo de motores. Además se proponen nuevos submodelos para abordar los procesos de transmisión de calor en turbogrupos con características innovadoras como son los compresores con voluta refrigerada y los e-chargers (turbocompresores eléctricos).

[EN] Turbocharged combustion engines are the main engines of current vehicles. Continuing to study the coupling between the turbogroup and the alternative engine is fundamental to improve its efficiency and reduce pollutant emissions from them. In this TFM the importance of using integral (holistic) models of the turbogroup is analyzed. Integral model refers to one that addresses three aspects: aerodynamic efficiency of turbomachinery, mechanical losses of the turbogroup axis and heat transfer phenomena in the turbogroup. At present there are no commercial models that address all three aspects in a combined manner, which makes it extremely difficult to numerically model the turbo-supercharged engines with precision. In the TFM, the advantages of using this type of models in comparison with the standard practice are analyzed with the focus on the good prediction of the exhaust back pressure of the engine and the temperature of the air and the exhaust gases at the exit of the turbomachines. This analysis is made for a diesel engine with low pressure EGR and for both stationary and transient operation. An important part of the work has been to propose a calibration protocol for the 1D models for this type of engine. In addition, new submodels are proposed to address heat transfer processes in turbogroups with innovative features such as compressors with refrigerated volute and e-chargers (electric turbochargers)