Análisis mediante modelado CFD de los fenómenos básicos involucrados en el proceso de combustión de un motor de encendido provocado equipado con un sistema de encendido por precámara

Abstract

[ES] El presente estudio se desarrolla en la marco de la combustión en motores de gasolina y se centra en el análisis del concepto de encendido por precámara. El proyecto trata del estudio numérico del proceso combustión en la cámara principal de un motor de las características anteriores, identificando, cuantificando y modelando los fenómenos básicos que intervienen en este proceso. En un principio, se ha diseñado un dominio computacional simplificado para evitar el ruido generado por todos los efectos laterales vinculados al funcionamiento de un motor real. Manteniendo constantes las condiciones iniciales en la precámara, la combustión en la cámara principal se ha investigado variando tanto la energía cinética turbulenta inicial como la tasa de dilución del aire. Los resultados del análisis permitieron identificar los dos mecanismos de combustión involucrados, la combustión de alta turbulencia y la propagación del frente de la llama. El primero de ellos se deteriora rápidamente a medida que se desplaza el proceso de combustión hacia mezclas pobres, y por ello se exploraron dos estrategias adicionales para superar este inconveniente. En primer lugar, incrementar la temperatura inicial demostró ser una solución robusta para mantener las prestaciones del concepto encendido por precámara cuando la combustión de la cámara principal se desarrolla en condiciones ultra-pobres. Desafortunadamente, las emisiones de óxidos de nitrógeno se revelaron inaceptables para cumplir con las normativas anticontaminación. En segundo lugar, se analizó el efecto de la estructura del chorro turbulento en el proceso de combustión en la cámara principal. Con este fin se realizaron un conjunto de simulaciones cambiando parámetros geométricos como el diámetro del orificio y/o su conicidad, y el diámetro de la precámara. Entre ellos, sólo la configuración de orificio de geometría divergente permitió mejorar ligeramente el proceso de combustión durante la etapa dominada por el mecanismo inicial.

[EN] The present study is developed in the frame of petrol engine combustion and is focused on the analysis of a Turbulent Jet Ignition concept. The project deals with the numerical investigation of the main chamber combustion by identifying, quantifying and modelling the basic phenomena involved in this process. In the beginning, an extremely simplified computational domain was designed to lose track of all the side effects linked to the functioning of a real engine. Keeping constant the pre-chamber initial conditions, the main chamber combustion was investigated by varying both the initial turbulent kinetic energy and the air dilution rate. The results of the post-processing detected two combustion mechanisms, high turbulence combustion and flame front propagation. Especially, the former is strongly compromised by moving towards lean conditions. Thus, two further strategies were explored to overcome this drawback. Firstly, the increase of the initial temperature proved to be a robust solution to keep the effectiveness of the Turbulent Jet Ignition concept when the main chamber combustion is compromised by the ultra-lean operation. Unfortunately, the nitrogen oxides emissions revealed unacceptable to comply with the ever-increasing anti-pollution regulations. Secondly, the effect of the turbulent jet structure on the combustion process was analyzed. In order to do that, several simulations were carried out changing geometric parameters such as orifice diameter and/or conicity, and pre-chamber diameter. Among them, only the divergent configuration enabled to achieve slightly enhanced combustion during the stage controlled by the initial mechanism.