Desarrollo de una herramienta para determinar la superficie del frente de llama en un MEP a partir de la presión en el cilindro

Abstract

[ES] El mundo del motor, más concretamente los motores de automoción, lleva muchísimos años en desarrollo y en constante evolución y optimización, no solo para reducir los contaminantes sino también para reducir el consumo y hacer de los motores unas máquinas más eficientes. Pero no solo estas mejoras se consideran avances en este mundillo, el hecho de conocer a la perfección cómo se va a comportar el motor en cada caso y predecir lo que va a pasar (como van a ser las presiones, que Tªs vamos a tener…) son grandes avances también. Entonces partimos de esta idea, ser capaces de llegar a predecir lo que ocurrirá en nuestro motor si pisamos más o menos el acelerador. El Dr. J. Javier López partiendo de unas investigaciones previas realizadas por el Dr. Jorge Valero Marco me propuso, con la ayuda del estudiante de doctorado Vitor Vielmo Cogo, el crear una herramienta (utilizando líneas de código en Matlab) capaz de caracterizar el área del frente de llama turbulento para un motor de encendido provocado 4T, pues como se verá, esta variable se puede considerar independiente de todas (o casi todas) las variables del motor y su evolución constante para cada motor. Para conseguir esto, necesitaremos hacer un análisis ciclo a ciclo de cómo es la combustión para obtener más detalles sobre esta. Partiendo de las señales de presión en el cilindro, utilizando el análisis de la combustión clásico, en el que se aplica el primer principio de la termodinámica al cilindro, previa evaluación de las pérdidas de calor hacia las paredes de la cámara, obtendremos tanto la ley de combustión (HRL) como la tasa de calor liberado (HRR). Luego, a partir de la ley de liberación de calor asociada a la combustión del combustible que atraviesa el frente de llama, se puede determinar la superficie del mismo. Posteriormente pasaremos a ver que influencia tienen el porcentaje de masa quemada y el ángulo del cigüeñal en esta área, pues este último tiene bastante importancia y deberá ser tenido en cuenta, como veremos más adelante. Como conclusión, tendremos una herramienta capaz de caracterizar la evolución del área del frente de llama en función del porcentaje de masa quemada, y también capaz de obtener un mapa (una topografía) que nos indicará que valor de área de frente de llama tenemos para cada porcentaje de masa quemada y para cada ángulo de cigüeñal. Con la finalidad de encontrar una evolución patrón de esta área, para cada motor estudiado, la cual se podrá utilizar en un futuro para hacer el proceso inverso y conseguir predecir cuáles serán las señales de presión en el cilindro para tal motor.

[CA] El món del motor, més concretament motors d’automoció, ha estat en desenvolupament i en constant evolució i optimització des de fa molts anys, no només per reduir contaminants sinó també per reduir el consum i fer dels motors unes màquines més eficients. Però, no només aquestes millores es consideren avanços en aquest món, el fet d’arribar a conéixer a la perfecció com va a comportar-se el motor en cada cas i predir que passarà (com van a ser les pressions, quines Tes anem a tindre…) son grans avanços també. Doncs partim d’aquesta idea, ser capaços d’arribar a predir el que passarà al nostre motor si xafem més o menys l’accelerador. El Dr. J. Javier López partint d’unes investigacions prèvies realitzades per el Dr. Jorge Valero Marco em va proposar, amb l’ajuda del estudiant de doctorat Vitor Vielmo Cogo, el crear una ferramenta (utilitzant línies de codi en Matlab) que fora capaç de caracteritzar l’àrea del front de flama turbulent per a un motor de combustió interna 4T, doncs com es vorà, aquesta variable es pot considerar independent de totes (o quasi totes) les variables del motor i la seva evolució constant per a cada motor. Per aconseguir-ho, necessitarem fer un anàlisi cicle a cicle de com es la combustió per tal d’obtindre més detalls sobre aquesta. Partint de les senyals de pressió al cilindre, utilitzant un anàlisi de la combustió clàssic, en el que s’aplica el primer principi de la termodinàmica al cilindre, després d’avaluar les pèrdues de calor cap a les parets de la cambra, obtindrem tant la llei de combustió (HRL) com la tassa de calor alliberat (HRR). Després, a partir de la llei d’ alliberació de calor associada a la combustió del combustible que travessa el front de flama, es pot determinar la superfície d’aquesta. Posteriorment passarem a vore quina influència tenen el percentatge de massa cremada i l’angle del cigonyal en aquesta àrea, doncs aquest últim té bastant importància que caldrà tenir en compte, com vorem més avant. Com a conclusió, tindrem una ferramenta capaç de caracteritzar l’evolució del àrea del front de flama en funció del percentatge de massa cremada, i també capaç d’obtindre un mapa (una topografia) que ens indicarà quin valor d’àrea de front de flama tenim per a cada percentatge de massa cremada i per a cada angle del cigonyal. Amb la finalitat de trobar una evolució patró d’aquesta àrea, per a cada motor estudiat, que es podrà utilitzar en un futur per a fer el procés invers i aconseguir predir quines seran les senyals de pressió en el cilindre per a tal motor.

[EN] The engine world, more specifically automotive engines, has been in development and constantly evolving and optimizing for many years, not only to reduce pollutants but also to reduce consumption and make engines more efficient machines. But not only these improvements are considered advances in this world, the fact that we know perfectly how the engine will behave in each case and predict what will happen (as the pressures are going to be, temperatures we will have...) are great advances as well. Therefore, we start from this idea, to be able to predict what will happen in our engine if we step on the throttle more or less. Dr. J. Javier López, based on previous research carried out by Dr. Jorge Valero Marco proposed to me, with the help of PhD student Vitor Vielmo Cogo, to create a tool (using lines of code in Matlab) capable of characterizing the area of the turbulent flame front for a 4T provoked ignition engine, because as you will see, this variable can be considered independent of all (or almost all) engine variables and its evolution constant for each engine. To achieve this, we will need to do a cycle-by-cycle analysis of what combustion is like to get more details on it. Based on the in-cylinder pressure signals, using the analysis of the classic combustion, in which the first principle of thermodynamics is applied to the cylinder, after evaluating the heat losses to the walls of the chamber, we will obtain both the combustion law (HRL) and the heat rate released (HRR). Then, from the heat release law, associated with the combustion of the fuel that passes through the flame front, the surface of the flame can be determined. Later we will go to see what influence they have the percentage of burned mass and the angle of the crankshaft in this area, since the latter has enough importance that we will have to take into account, as we will see later. In conclusion, we will have a tool capable of characterizing the evolution of the flame front area based on the percentage of burned mass, and able to obtain a map (a topography) that will tell us what flame front area value do we have for each percentage of burned mass and for each crankshaft angle. In order to find a standard evolution of this area, for each engine studied, which could be used in the future to make the reverse process and manage to predict what the pressure signals in the cylinder will be for such an engine.