LES del proceso de atomización y mezcla en GDi

Abstract

[ES] La emisión continua de gases de efecto invernadero (CO2 , N2 O, H2 O, etc) y de compuestos contaminantes (NOx , HC, hollín, etc), por parte del sector del transporte, ha generado un movimiento de preocupación medioambiental a nivel global. En consecuencia, las normativas anti-contaminantes han implantado medidas más restrictivas, obligando a la industria automovilística al desarrollo de nuevas tecnologías que sean menos dañinas para el ecosistema. La inyección directa de gasolina (GDi) surge como una solución capaz de disminuir las emisiones, puesto que, al poder trabajar con mezclas estratificadas, aumenta el rendimiento térmico del motor.

La combustión bajo estas condiciones de operación necesita que el proceso de atomización y mezcla del combustible se lleve a cabo en un corto periodo de tiempo. Por tanto, una correcta caracterizacón de estos fenómenos va a permitir mejorar el diseño de las inyecciones. La mecánica de fluidos computacional (CFD) es una herramienta fundamental para el avance de la tecnología GDi, con ella es posible obtener resultados numéricos, mediante la modelización de múltiples fenómenos (turbulencia, flujo multifásico, atomización, etc), que son imposibles de resolver de forma analítica. En este proyecto se ha realizado un estudio del flujo externo de la inyección en un motor GDi, bajo los estándares establecidos por la Engine Combustion Network (ECN). Se ha hecho uso del software CONVERGE v2.4, en el que se ha optado por una aproximación Euleriana-Lagrangiana para la modelización del flujo bifásico y un enfoque LES para modelar la turbulencia.

[EN] The continuous emission of greenhouse gases (CO2 , N2 O, H2 O, etc) and polluting compounds (NOx , HC, sutge, etc), by the transport sector, has generated a movement of global environmental concern. As a result, anti-pollution regulations have introduced greater restrictive measures, forcing the automobile industry to develop new technologies that are less harmful to the ecosystem. Gasoline direct injection (GDi) has emerged as a solution capable of reducing emissions, since being able to work with stratified mixtures increases the thermal efficiency of the engine.

Combustion under these operating conditions requires the atomization and fuel mixing process to be carried out in a short period of time. Therefore, a correct characterization of these phenomena will allow to improve the design of the injections. Computational Fluid Dynamics (CFD) is a fundamental tool for the advance of GDi technology, it makes it possible to obtain numerical results by modeling multiple phenomena (turbulence, multiphase flows, atomization, etc), which are impossible to solve analytically. In this project, a study of the external injection flow in a GDi engine has been carried out under the standards established by the Engine Combustion Network (ECN). The CONVERGE v2.4 software was used in this proyect, in which an Eulerian-Lagrangian approach was chosen for modeling multiphase flow and a LES approach for modeling the turbulence.

[CA] L’emissió contínua de gasos d’efecte hivernacle (CO2, N2O, H2O, etc) i de compostos contaminants (NOx, HC, sutge, etc), per part del sector del transport, ha generat un moviment de preocupació mediambiental a nivell global. En conseqüència, les normatives anti-contaminants han implantat mesures m ́es restrictives, obligant a la industria automobilística al desenvolupament de noves tecnologies que siguin menys perjudicials per a l’ecosistema. L’injecció directa de gasolina (GDI) sorgeix com una solució capa ̧c de disminuir les emissions, ja que, al poder treballar amb mescles estratificades, augmenta el rendiment tèrmic del motor. La combustió sota aquestes condicions d’operació necessita que el procés d’atomització i barreja del combustible es dugui a terme en un curt període de temps. Per tant, una correcta caracterització d’aquests fenòmens permetrà millorar el disseny de les injeccions. La mecànica de fluids computacional (CFD) ́es una eina fonamental per a l’avanç de la tecnologia GDi, amb ella ́es possible obtenir resultats numèrics, mitjan ̧cant la modelització de múltiples fenòmens (turbulència, flux multifàsic, atomització, etc.), que s ́on impossibles de resoldre de manera analítica. En aquest projecte s’ha realitzat un estudi del flux extern de la injecció en un motor GDi, sota els estàndards establerts per la Engine Combustion Network (ECN). S’ha fet ́us del software CONVERGE v2.4, on s’ha optat per una aproximació Euleriana-Lagrangiana per a la modelització del flux bifàsic i un enfocament LES per modelar la turbulència.