A contribution to the global modeling of heat transfer processes in Diesel engines

Abstract

[EN] Current challenges in research and development of powertrains demand new computational tools capable of simulating vehicle operation under very diverse conditions. This is due, among other reasons, to new homologation standards in the automotive sector requiring compliance of exhaust emissions regulations under any possible driving condition on the road. Global engine or vehicle models provide many advantages to engineers because they allow to reproduce the entire system under study, considering the physical processes that take place in different components and the interactions among them. This thesis aims to enable the modeling of heat transfer processes in a complete engine simulation tool developed at CMT-Motores Térmicos research institute. This 0D/1D simulation tool is called Virtual Engine Model (VEMOD).

The development of heat transfer models comprises the engine block and the ancillary systems. The model of heat transfer in the engine block deals with the central problem of in-cylinder convection by means of a combination of experimental research, CFD simulation and multizone 0D modeling. The other thermal processes present in the engine block are examined in order to implement suitable submodels. Once the model is complete, it undergoes a validation with experimental transient tests. Afterwards, the ancillary systems for engine thermal management are brought into focus. These systems are considered by means of two new models: a model of heat exchangers and a model of thermo-hydraulic circuits. The development of those models is reported in detail.

Lastly, with the referred thermal models integrated in the global simulation tool, a validation study is undertaken. The goal is to validate the ability of the Virtual Engine Model to capture the thermal response of a real engine under various operating conditions. To achieve that, an experimental campaign combining tests under steady-state operation, under transient operation and at different temperatures is conducted in parallel to the corresponding simulation campaign. The capacity of the global engine simulations to replicate the measured thermal evolution is finally demonstrated.

[ES] Los retos actuales en la investigación y desarrollo de trenes de potencia demandan nuevas herramientas computacionales capaces de simular el funcionamento de un vehículo en condiciones muy diversas. Esto se debe, entre otras razones, a que los nuevos estándares de homologación en el sector de la automoción obligan al cumplimiento de las regulaciones de emisiones en cualquier condición posible de conducción en carretera. Los modelos globales de motor o de vehículo proporcionan muchas ventajas a los ingenieros porque permiten reproducir el sistema entero a estudiar, considerando los procesos físicos que tienen lugar en los distintos componentes y las interacciones entre ellos. Esta tesis pretende hacer posible el modelado de los procesos de transmisión de calor en una completa herramienta de simulación de motor desarrollada en el instituto de investigación CMT-Motores Térmicos. Esta herramienta de simulación 0D/1D se denomina Motor Virtual o Virtual Engine Model (VEMOD).

El desarrollo de modelos de transmisión de calor comprende el bloque motor y los sistemas auxiliares. El modelo de transmisión de calor en el bloque motor aborda el problema central de la convección en el interior del cilindro mediante una combinación de investigación experimental, simulación CFD y modelado 0D multizona. El resto de procesos térmicos presentes en el bloque motor son examinados para poder implementar submodelos adecuados. Una vez el modelo está terminado, se realiza una validación con ensayos experimentales en régimen transitorio. A continuación, el foco de atención pasa a los sistemas auxiliares de gestión térmica. Estos sistemas se toman en consideración por medio de dos nuevos modelos: un modelo de intercambiadores de calor y un modelo de circuitos termohidráulicos. El desarrollo de los modelos se explica en detalle en esta tesis.

Por último, con los citados modelos integrados en el Motor Virtual, se lleva a cabo un estudio de validación. El objectivo es validar la capacidad del Motor Virtual para reproducir la respuesta térmica de un motor real en varias condiciones de funcionamento. Para conseguirlo, se realiza una campaña experimental que combina ensayos en régimen estacionario, en régimen transitorio y a diferentes temperaturas, en paralelo a la campaña de simulación correspondiente. La capacidad de las simulaciones globales de motor para replicar la evolución térmica medida experimentalmente queda finalmente demostrada.

[CA] Els reptes actuals en la recerca i el desenvolupament de trens de potència demanden noves eines computacionals capaces de simular el funcionament d'un vehicle en condicions molt diverses. Açò es deu, entre altres raons, a que els nous estàndards d'homologació al sector de l'automoció obliguen al compliment de les regulacions d'emissions en qualsevol condició possible de conducció en carretera. Els models globals de motor o de vehicle proporcionen molts avantatges als enginyers perquè permeten reproduir el sistema sencer a estudiar, considerant els processos físics que tenen lloc als distints components i les interaccions entre ells. Aquesta tesi pretén fer possible el modelat dels processos de transmissió de calor en una completa eina de simulació de motor desenvolupada a l'institut de recerca CMT-Motores Térmicos. Aquesta eina de simulació 0D/1D s'anomena Motor Virtual o Virtual Engine Model (VEMOD).

El desenvolupament de models de transmissió de calor comprén el bloc motor i els sistemes auxiliars. El model de transmissió de calor al bloc motor aborda el problema central de la convecció a l'interior del cilindre mitjançant una combinació de recerca experimental, simulació CFD i modelat 0D multizona. La resta de processos tèrmics presents al bloc motor són examinats per a poder implementar submodels adequats. Una vegada el model està acabat, es fa una validació amb assajos experimentals en règim transitori. A continuació, el focus d'atenció passa als sistemes auxiliars de gestió tèrmica. Aquests sistemes es prenen en consideració per mitjà de dos nous models: un model d'intercanviadors de calor i un model de circuits termohidràulics. El desenvolupament dels models s'explica en detall en aquesta tesi.

Per últim, amb els referits models integrats al Motor Virtual, es porta a terme un estudi de validació. L'objectiu és validar la capacitat del Motor Virtual per a reproduir la resposta tèrmica d'un motor real en diverses condicions de funcionament. Per a assolir-ho, es realitza una campanya experimental que combina assajos en règim estacionari, en règim transitori i a diferents temperatures, en paral·lel a la campanya de simulació corresponent. La capacitat de les simulacions globals de motor per a replicar l'evolució tèrmica observada experimentalment queda finalment demostrada.