Desarrollo de una metodología de diseño del sistema de encendido por pre-cámara en motores de encendido provocado para automoción

Abstract

[ES] Hoy en día, los efectos negativos del calentamiento global generan una gran preocupación sobre las emisiones de los gases de efecto invernadero y sus consecuencias. Debido al consumo de combustibles fósiles en el sector del transporte, las emisiones de CO2 están aumentando de forma alarmante, siendo este uno de los principales contribuyentes. Además, el uso de estos combustibles también genera una serie de emisiones contaminantes nocivas para el ser humano que degradan la calidad del aire localizadas en las zonas de alta habitabilidad; entre los más conocidos están los óxidos de nitrógeno (NOx) y las partículas de hollín. En este contexto, la optimización de los actuales motores de encendido provocado (MEP) muestra ciertas ventajas respecto a sus principales competidores; los motores de encendido por compresión (MEC). Aunque estos últimos cuentan con un mayor rendimiento térmico que se traduce en menos emisiones de CO2, las futuras normativas anticontaminación están forzando a los fabricantes de motores a evaluar otras alternativas. La integración de un sistema de encendido por precámara en MEP ofrece ciertas ventajas en términos de rendimiento térmico y CO2 sin comprometer el coste del motor en exceso. Sin embargo, la complejidad añadida al incorporar este sistema de encendido hace necesario el desarrollo de nuevas estrategias de diseño que permitan acelerar el desarrollo y la optimización del concepto. Por tanto, en este trabajo se ha desarrollado una metodología de diseño para este novedoso sistema de encendido en un MEP de nueva generación. La metodología se basa en tres herramientas numéricas con diferente grado de complejidad. En primer lugar, un modelo de acción de ondas se utiliza para estimar los flujos entre la precámara y la cámara de combustión. Además, se ha utilizado un modelo unidimensional de chorro para predecir las características de éstos. Y, por último, se ha utilizado un modelo avanzado basado en la dinámica de fluidos computacional (CFD) para validar los anteriores modelos y realizar un análisis detallado del concepto. Los resultados muestran una buena correlación con las medidas experimentales, demostrando la validez y aplicabilidad de la metodología. En base a éstos, se ha propuesto un diseño óptimo del sistema que aumenta el rango de operación y la flexibilidad del concepto.

[VL] Les creixents emissions dels gasos d'efecte d'hivernacle estan creant una gran preocupació sobre l’escalfament global i les seues conseqüències. Un dels principals sectors de consum de petroli en el món és el del transport de persones. Per a això s’utilitzen motors de combustió interna alternatius que necessiten combustibles fòssils per al seu funcionament, els quals generen una gran quantitat de CO₂, nociva per al medi ambient. Tot això comporta una degradació de la qualitat de l'aire que respirem i l'augment de malalties respiratòries. La preocupació per la salut i el medi ambient continua creixent a causa a les continues millores de la indústria. Especialment ha sigut el sector de l'automoció el que s'ha vist afectat per la dura normativa anti-contaminació. En aquest marc, els efectes negatius de la contaminació ambiental i sonora estan arribant a límits realment preocupants, sent aquests especialment aparents en els principals nuclis urbans, on les autoritats estan, fins i tot, restringint la circulació dels vehicles tèrmics. Per tant, en aquest treball s'ha desenvolupat una metodologia de disseny per a un nou sistema d'encesa en un motor d'encesa provocada de nova generació. La metodologia es basa en tres eines numèriques amb diferent grau de complexitat. En primer lloc, un model d'acció d'ones s'utilitza per a estimar els fluxos entre la pre-cambra i la cambra de combustió. A més, s'ha utilitzat un model unidimensional per a predir les característiques de l’intercanvi de massa entre les cambres. I, finalment, s'ha utilitzat un model més avançat basat en la dinàmica de fluids computacional (CFD) per a validar els anteriors models i entendre millor el concepte. Els resultats mostren una bona correlació amb les mesures experimentals, demostrant la validesa i utilitat de la metodologia. Utilitzant aquesta metodologia, s'ha proposat un disseny òptim del sistema que augmenta el rang d'operació i la flexibilitat del concepte.

[EN] Nowadays, the negative effects of global warming are causing great concern about greenhouse gas emissions and their consequences. Due to the consumption of fossil fuels in the transport sector, CO2 emissions are increasing at a critical rate, with the transport sector being one of the main contributors. In addition, the use of these fuels also generates a number of pollutant emissions harmful to humans that degrade the air quality in areas of high habitability; being nitrogen oxides (NOx) and soot particles among the best known. In this context, the optimization of existing Spark-Ignition (SI) engines shows certain advantages over their main competitor, the Compression-Ignition (CI) engines. Although the latter have a higher thermal efficiency resulting in lower CO2 emissions, future anti-pollution regulations are forcing engine manufacturers to evaluate other alternatives. The integration of a pre-chamber ignition system in SI engines offers advantages in terms of thermal efficiency and CO2 without compromising the cost of the engine in excess. However, the added complexity of incorporating this ignition system requires the development of new design strategies to accelerate the development and optimization of the concept. Therefore, in this work a design methodology has been developed for this novel ignition system in a new generation MEP. The methodology is based on three numerical tools with different degrees of complexity. Firstly, a wave action model is used to estimate the flows between the prechamber and the combustion chamber. In addition, a one-dimensional jet model has been used to predict the characteristics of these. And finally, an advanced model based on computational fluid dynamics (CFD) has been used to validate the previous models and to perform a detailed analysis of the concept. The results show a good correlation with the experimental measurements, demonstrating the validity and applicability of the methodology. Based on these, an optimal system design has been generated that increases the operating range and flexibility of the pre-chamber ignition concept.