Análisis computacional del proceso de combustión en motores de encendido por pre-cámara en condiciones de dilución con gases de escape

Abstract

[ES] Debido a la creciente preocupación por el cambio climático, las emisiones de gases de efecto invernadero causadas por los motores de combustión interna se encuentran en el punto de mira. Es necesario optimizar el rendimiento y reducir tanto el consumo como la contaminación causada por estos motores debido a las restrictivas normativas que se están implementando, además de mejorar la calidad del aire que respiramos. Los motores de encendido provocado (MEP) son el sistema propulsivo más utilizado en el sector del transporte de pasajeros. Estos motores han demostrado tener un mayor control de las emisiones contaminantes que los motores de encendido por compresión (MEC), sin embargo, la eficiencia de los MEP es peor que la de los MEC. Una estrategia novedosa para mejorar el rendimiento de los MEP es el uso del sistema de ignición por precámara. No obstante, el uso de esta tecnología no ha sido optimizado hasta el momento, y aún se desconocen varios aspectos relacionados al diseño interno de la precámara que podrían mejorar sus prestaciones y aumentar su tolerancia a la dilución con gases de escape. Por ello, en este trabajo se ha desarrollado un diseño de experimentos (DOE) para estudiar el sistema de encendido por precámara en un MEP mediante herramientas avanzadas de dinámica de fluidos computacional (CFD). El trabajo parte de un modelo numérico calibrado con medidas experimentales para una precámara de referencia estudiada anteriormente, con el objetivo de proponer una nueva arquitectura de precámara cónica, con el volumen y diámetro de los orificios previamente optimizados para obtener mejores prestaciones de los chorros, y evaluar el impacto de tres parámetros geométricos de esta precámara sobre los procesos de renovación de la carga y combustión: el ángulo tangencial de los agujeros de la precámara, el ángulo azimutal (vertical) de los agujeros y la longitud de la garganta de la precámara. Los resultados han permitido entender aspectos claves de esta arquitectura de precámara, necesarios para optimizar el funcionamiento del concepto.

[EN] Due to growing concern about climate change, greenhouse gas emissions caused by internal combustion engines are in the spotlight. It is necessary to optimize the performance and reduce both consumption and pollution caused by these engines due to the restrictive regulations that are being implemented, in addition to improving the quality of the air we breathe. Spark Ignition (SI) engines are the most widely used propulsion system in passenger car applications. These engines have shown to have greater control of pollutant emissions than compression ignition (CI) engines, however, the efficiency of SI engines is worse than the equivalent CI engines. A novel strategy to improve the thermal efficiency of SI engines is the use of the pre-chamber ignition system. However, the use of this technology has not been optimized so far, and several aspects related to the internal design of the pre-chamber that could improve its performance and increase its tolerance to dilution with exhaust gases are still unknown. Therefore, in this work a design of experiments (DOE) has been developed to study the pre-chamber ignition system in a SI engine using advanced computational fluid dynamics (CFD) tools. The work is based on a numerical model calibrated with experimental measurements for a previously studied reference pre-chamber, with the aim of proposing a new conical pre-chamber architecture, with the volume and diameter of the holes previously optimized to obtain better performance from the jets, and evaluate the impact of three geometric parameters of this new pre-chamber design on the air management and combustion processes: the tangential angle of the pre-chamber holes, the azimuthal (vertical) angle of the holes and the length of the throat of the pre-chamber. The results have allowed to understand key aspects of this pre-chamber architecture, necessary to optimize the operation of the concept.

[CA] A causa de la creixent preocupació pel canvi climàtic, les emissions de gasos d'efecte hivernacle causades pels motors de combustió interna es troben en el punt de mira. Cal optimitzar el rendiment i reduir tant el consum com la contaminació causada per aquests motors a causa de les restrictives normatives que s'estan implementant, a més de millorar la qualitat de l'aire que respirem. Els motors d'encesa provocada (MEP) són el sistema propulsiu més utilitzat en el sector de l'transport de passatgers. Aquests motors han demostrat tenir un major control de les emissions contaminants que els motors d'encesa per compressió (MEC), però, l'eficiència dels MEP és pitjor que la dels MEC. Una estratègia innovadora per millorar el rendiment dels MEP és l'ús de sistema d'ignició per precambra. No obstant això, l'ús d'aquesta tecnologia no ha estat optimitzat fins al moment, i encara es desconeixen diversos aspectes relacionats a el disseny intern de la precámara que podrien millorar les seves prestacions i augmentar la seva tolerància a la dilució amb gasos d'escapament. Per això, en aquest treball s'ha desenvolupat un disseny d'experiments (DOE) per estudiar el sistema d'encesa per precámara en un MEP mitjançant eines avançades de dinàmica de fluids computacional (CFD). El treball parteix d'un model numèric calibrat amb mesures experimentals per a una precámara de referència estudiada anteriorment, amb l'objectiu de proposar una nova arquitectura de precambra cònica, amb el volum i diàmetre dels orificis prèviament optimitzats per obtenir millors prestacions dels dolls, i avaluar l'impacte de tres paràmetres geomètrics d'aquesta precámara sobre els processos de renovació de la càrrega i combustió: l'angle tangencial dels forats de la precámara, l'angle azimutal (vertical) dels forats i la longitud del coll de la precámara. Els resultats han permès entendre aspectes claus d'aquesta arquitectura de precámara, necessaris per a optimitzar el funcionament de l'concepte.