Evaluación mediante simulación numérica del concepto de ignición por precámara pasiva para MEP de nueva generación

Abstract

[ES] Entre las estrategias disponibles para incrementar el rendimiento de los motores de encendido provocado (MEP), la operación en condiciones de mezcla diluida con aire o con gases recirculados desde el escape (EGR) resulta especialmente prometedora. Para permitir la operación del motor en estas condiciones es necesario disponer de un sistema de encendido que asegure el desarrollo correcto del proceso de combustión. El sistema de encendido por precámara representa una solución de gran interés ya que permite incrementar tanto la energía como el área disponible para producir la ignición de la mezcla contenida en la cámara de combustión principal, lo que aumenta significativamente la velocidad de combustión. Entre las ventajas se encuentra la reducción en la tendencia a la detonación (knock) y la posibilidad de generar un proceso de combustión de duración y centrado razonables cuando las condiciones termoquímicas en el cilindro son desfavorables, como en el caso de operar con mezclas diluidas. La viabilidad de esta tecnología para su implementación en vehículos automóviles pasa por la optimización en primer lugar del sistema en su versión pasiva, ya que no requiere un sistema de inyección dedicado dentro de la precámara que supone de un coste adicional significativo. En este contexto, el presente trabajo analiza el concepto de encendido por precámara pasiva mediante simulación numérica utilizando una herramienta de cálculo fluidodinámico computacional (CFD). Se ha considerado el análisis de la influencia de los parámetros geométricos básicos de diseño de la precámara sobre aspectos como el llenado de la misma, el proceso de combustión tanto en la precámara como en la cámara principal, la interacción entre el flujo y la llama y las características de los chorros gaseosos eyectados hacia la cámara principal, entre otros. También se ha evaluado la compatibilidad de este concepto de encendido con estrategias de dilución de la mezcla, tanto aumentando la tasa de recirculación de gases de escape (EGR) como con incrementando el valor de lambda (proporción de aire en la mezcla aire/combustible), identificando la problemática asociada a los procesos de ignición-combustión que se presenta a medida que se incrementa el nivel de dilución. Finalmente, se han propuesto una serie de estrategias para mejorar las prestaciones de este concepto de ignición operando en condiciones de alta dilución por aire, donde los rendimientos térmicos del motor son competitivos en comparación con los que se obtienen en los motores de encendido por compresión (MEC) y las emisiones contaminantes se mantienen por debajo de los límites establecidos por las normativas actuales sin necesidad de sistemas avanzados de post-tratamiento.

[EN] Among the strategies available to increase the performance of spark ignition (SI) engines, operation under diluted mixtures with air or with exhaust gas recirculation (EGR) is particularly promising. Enabling engine operation under these conditions requires an ignition system that ensures the correct development of the combustion process. The pre-chamber ignition system represents a very interesting alternative since it allows to increase both the energy and the area available for ignition of the mixture contained in the main combustion chamber, which significantly increases the combustion velocity. The advantages include the reduction in the knock tendency and the possibility of generating a combustion process with reasonable duration and centering when the thermochemical conditions in the cylinder are unfavorable, as in the case of operating with diluted mixtures. The viability of this technology for its implementation in production engines for passenger car applications depends on the optimization of the system in its passive version, since it does not require a dedicated injection system inside the pre-chamber, which entails a significant additional cost. In this context, the present research work analyses the passive pre-chamber ignition concept by means of numerical simulation using a computational fluid-dynamics (CFD) tool. The analysis of the influence of the basic pre-chamber geometrical design parameters on aspects such as the filling of the pre-chamber, the combustion process in the pre-chamber and in the main chamber, the interaction between the flow and the flame and the characteristics of the gaseous jets ejected towards the main chamber, among others, have been considered. The compatibility of this ignition concept with dilution strategies has also been evaluated, both by increasing the exhaust gas recirculation rate (EGR) and by increasing the lambda value (air excess in the air/fuel mixture), identifying the problems associated with the ignition-combustion processes as the dilution level increases. Finally, different strategies have been proposed to improve the performance of this ignition concept by operating under conditions of high air dilution, where the thermal performance of the engine is competitive compared to that obtained in compression-ignition (CI) engines and pollutant emissions remain below the limits established by current regulations without the need of advanced aftertreatment systems.