Modelling of the injection system and performance at different standard cycles of a new 2-stroke gasoline engine concept

Abstract

[EN] In the last years, the world has experienced a decrease in traveling time. Besides, the distance between different cities has been shortened thanks to the technology improvements in terms of transportation. Society needs more comfortable means of transport and faster vehicles consuming less fuel. But these aspects enhance the pollution of the environment. Moreover, the environmental warming and the non-renewable resources are the most important troubles in terms of energy. All these aspects have been living together with the world crisis that decreases the economic activity of the developed countries. This decrease affects the freedom of families to buy more comfortable, powerful and safe vehicles. All these aspects occur, generally speaking, in developed countries. However, in the developing countries such as China or India, people are increasing their economic power to have better quality of life. These countries have also less stringent regulations in terms of emission of toxic substances. Due to these reasons, Renault Automobiles designed a vehicle to cover the Indian requirements offering a small vehicle with a revolutionary concept of engine. This is the main aim of the project. The French manufacturer has decided to find an engine that could achieve lower fuel consumption, lower pollutant emissions and lower cost than an usual engine. To achieve this, they took the technology from big marine engines because they have the highest thermal efficiency. This technology, designed taking into account the three important aspects mentioned above, resulted in a reciprocating two stroke engine, which runs on gasoline. The design was covered by Renault Automobiles and the development of the tests was done by the group of CMT-Motores Térmicos of Universitat Politècnica de València. There are several tasks done in this partnership project, but this degree final project is going to explain only two important tasks: the potential of the engine at different standard cycles and the modelling of the peculiar injection system. Regarding the potential of the engine at different standard cycles, an optimization tool was developed in order to define a methodology to evaluate how the engine could perform at the different standard cycles with the best configuration of the different parts of the engine. To do that, first of all a tool to treat the information from the cartography points is necessary. Later on, other tool has to choose the best system configuration of the engine to achieve better results in terms of fuel consumption and NOx emissions. On the other hand, the modelling of the injection system aims to understand the operation of the injectors due to the complex behavior of the mixture between fuel and air. It means that the calculations must take into account a mixture between a compressible flow and an uncompressible flow. The results of this model were compared to the real measurements to evaluate how the model could simulate the real operation of the injection system.

[ES] Durante los últimos años, el mundo ha experimentado cambios en los tiempos de viaje. Además las distancias entre ciudades se han visto reducidas debido principalmente a las mejoras de la tecnología aplicada al transporte. La sociedad necesita medios de transporte más cómodos y vehículos más rápidos que consuman menor cantidad de combustible. Pero estos aspectos favorecen la contaminación del medio ambiente. Además, el calentamiento global y los recursos no renovables son los problemas más severos en términos energéticos. Todos estos aspectos han convivido con la crisis mundial la cual está disminuyendo la actividad económica de los países desarrollados. Esta disminución afecta a la libertad de las familias para comprarse vehículos más cómodos, potentes y seguros. Todos estos aspectos ocurren generalmente en los países desarrollados. Sin embargo, en países en vías de desarrollo, como China o India, la sociedad está viendo como su poder adquisitivo se incrementa, mejorando así su calidad de vida. Estos países poseen además unas leyes reguladoras de emisiones de sustancias tóxicas más permisivas que en los países desarrollados. Debido a esto, Renault Automóviles consideró el mercado Indio para el lanzamiento de un revolucionario vehículo, debido principalmente a su motor. Este novedoso concepto de motor es el objetivo principal del proyecto. Renault Automóviles se ha propuesto diseñar un motor que pueda conseguir menor consumo de combustible, menores emisiones y menor coste que un motor convencional. Para conseguir ese objetivo, han tomado la tecnología de los grandes motores marinos debido a su elevada eficiencia. Esta tecnología diseñada teniendo en cuenta los objetivos anteriormente mencionados, ha dado lugar a un motor alternativo de dos tiempos. El diseño fue dirigido por Renault-France Vehículos y el desarrollo de los ensayos fue llevado a cabo por el grupo CMT-Motores Térmicos de la Universitat Politècnica de València. Por lo tanto, hay diversas tareas que el grupo está llevando a cabo en el proyecto de colaboración, aunque este trabajo final de grado va a explicar únicamente dos tareas importantes como evaluar el potencial del motor en los diferentes ciclos de homologación y el modelado del sistema de inyección. En cuanto al potencial del motor en los distintos ciclos de homologación, se desarrolló una herramienta de optimización para definir una metodología con el fin de evaluar el motor en los distintos ciclos de homologación. Primero de todo, se diseñó una herramienta para transferir la información de los distintos puntos de cartografía en cuanto a consumo y emisiones a los distintos puntos de ciclo. Seguidamente, se obtuvo una herramienta para elegir las mejores configuraciones del motor que minimizaban el consumo a la vez que mantenían las emisiones de NOx en unos niveles aceptables. Por otra parte, el modelado del sistema de inyección trata de entender el comportamiento del inyector debido a que éste trasiega una mezcla de gasolina y aire, es decir, un fluido no compresible y uno compresible, respectivamente. Este modelo intenta reproducir exactamente el comportamiento del inyector para poder evaluar las medidas reales en el banco de ensayos. Para ello, éste fue comparado con las medidas reales con el fin de evaluar cómo el modelo puede representar el funcionamiento real del sistema de inyección.