Desarrollo y validación de un nuevo modelo de combustión para motores de encendido provocado basado en el cálculo de un patrón representativo de la evolución del área del frente de llama. Aplicación a un motor monocilíndrico de 454cc

Abstract

[ES] El mundo del desarrollo de unidades de potencia que usan motores de combustión interna alternativos está en constante evolución, especialmente en el sector de la automoción en que, por lo general, se buscan unidades cada vez más eficientes y con menos emisiones. Son muchas las variables de las que dependen estos dos parámetros, y es por ello que urge desarrollar modelos 1D (simuladores) capaces de predecir el comportamiento del motor ante cualquier configuración de dichas variables. Si bien es cierto que existen modelos 3D CFD capaces de predecir el comportamiento del motor con más precisión, su desventaja es el gran tiempo de cálculo que requieren. El interés en los modelos 1D radica en su mayor velocidad de cálculo y son factibles cuando se tienen cantidades generosas de datos de ensayos. El Dr. J. Javier López Sánchez me propuso trabajar en el modelado de la combustión del simulador para motores de encendido provocado, que está actualmente en desarrollo en el departamento CMT (Centro de Motores Térmicos). El objetivo es desarrollar y validar un modelo de combustión capaz de predecir la ley de liberación de calor y la evolución de la presión en el cilindro durante la combustión para cualquier punto de operación. Estos puntos quedan definidos por las masas iniciales de aire, combustible y residuales, y por el régimen de giro. Muchos modelos ya desarrollados asumen la esfericidad del frente de llama (con el consecuente error de cálculo que eso supone), pero el nuevo modelo que se ha desarrollado en este proyecto hace los cálculos a partir de un patrón representativo de la evolución del área efectiva del frente de llama. Éste se obtiene a partir de datos de ensayos con el motor de estudio de modo que, para que el modelo funcione con un motor dado, primero se deberán hacer algunos ensayos con él. Se trata por tanto de un modelo semi-empírico. Este estudio parte de los datos de 240 ensayos, y se calcula el área del frente de llama del ciclo medio de cada uno. En el proceso se elimina el efecto de la cantidad de combustible, el grado de carga y la densidad de la mezcla. Después se calcula el mencionado patrón eliminando los efectos de la turbulencia y el avance de encendido en esta área. El cálculo de la presión en el cilindro a partir de la ley de liberación de calor ya ha sido desarrollado por el CMT. Sin embargo, con objeto de comprobar los resultados obtenidos con nuestro modelo de combustión, se ha hecho una simplificación de este cálculo. Así pues, hallaremos una presión de referencia y la compararemos con la presión predicha por el modelo para evaluar su error. Finalmente, se ha puesto a punto el modelo, determinando el paso de cálculo óptimo y la mejor distribución de los puntos de la curva patrón. Además, se han ajustado las HRL obtenidas de los datos procesados de los ensayos a una función de Wiebe para corregir ciertas imprecisiones. Se ha implementado el algoritmo Simplex para minimizar el error de este ajuste.

[CAT] El món del desenvolupament d'unitats de potència que usen motors de combustió interna alternatius està en constant evolució, especialment en el sector de l'automoció en què, en general, es busquen unitats cada vegada més eficients i amb menys emissions. Són moltes les variables de les quals depenen aquests dos paràmetres, i és per això que urgeix desenvolupar models 1D (simuladors) capaços de predir el comportament del motor davant qualsevol configuració d'aquestes variables. Si bé és cert que existeixen models 3D CFD capaços de predir el comportament del motor amb més precisió, el seu desavantatge és el gran temps de càlcul que requereixen. L’interès en els models 1D radica en la seua major velocitat de càlcul i són factibles quan es tenen quantitats generoses de dades de proves. El Dr. J. Javier López Sánchez em va proposar treballar en el modelatge de la combustió del simulador per a motors d'encesa provocada, que està actualment en desenvolupament en el departament CMT (Centre de Motors Tèrmics). L'objectiu és desenvolupar i validar un model de combustió capaç de predir la llei d'alliberament de calor i l'evolució de la pressió en el cilindre durant la combustió per a qualsevol punt d'operació. Aquests punts queden definits per les masses inicials d'aire, combustible i residuals, i pel règim de gir. Molts models ja desenvolupats assumeixen l'esfericitat del front de flama (amb el conseqüent error de càlcul que això suposa), però el nou model que s'ha desenvolupat en aquest projecte fa els càlculs a partir d'un patró representatiu de l'evolució de l'àrea efectiva del front de flama. Aquest s'obté a partir de dades d'assajos amb el motor d'estudi de manera que, per a que el model funcione amb un motor donat, primer s'hauran de fer alguns assajos amb ell. Es tracta per tant d'un model semiempíric. Aquest estudi parteix de les dades de 240 proves, i es calcula l'àrea del front de flama del cicle mitjà de cadascun. En el procés s'elimina l'efecte de la quantitat de combustible, el grau de càrrega i la densitat de la mescla. Després es calcula l'esmentat patró eliminant els efectes de la turbulència i l'avanç d'encesa en aquesta àrea. El càlcul de la pressió en el cilindre a partir de la llei d'alliberament de calor ja ha sigut desenvolupat pel CMT. No obstant això, a fi de comprovar els resultats obtinguts amb el nostre model de combustió, s'ha fet una simplificació d'aquest càlcul. Així doncs, trobarem una pressió de referència i la compararem amb la pressió predita pel model per a avaluar el seu error. Finalment, s'ha posat a punt el model, determinant el pas de càlcul òptim i la millor distribució dels punts de la corba patró. A més, s'han ajustat les HRL obtingudes de les dades processades dels assajos a una funció de Wiebe per a corregir unes certes imprecisions. S'ha implementat l'algorisme Simplex per a minimitzar l'error d'aquest ajust.

[EN] The world of developing power units which use reciprocating internal combustion engines is constantly evolving, especially in the automotive sector where increasingly more efficient units with fewer emissions are generally demanded. There are many variables on which these two parameters depend, and that is why it is urgent to develop 1D models (simulators) capable of predicting the behaviour of the engine in any configuration of these variables. Although there are 3D CFD models capable of predicting the behaviour of the engine with more precision, their disadvantage is the long calculation time they require. The interest in 1D models lies in their higher computational speed and they are feasible when there are generous amounts of test data available. Dr. J. Javier López Sánchez suggested that I work on the combustion modelling of the simulator for spark ignited engines, which is currently under development at the CMT (Thermal Engine Centre) department. The objective is to develop and validate a combustion model capable of predicting the heat release law and the evolution of the pressure in the cylinder during combustion for any operating point. These points are defined by the initial masses of air, fuel, and residuals, and by the engine speed. Many models already developed assume the sphericity of the flame front (with the consequent calculation error that this entails), but the new model that has been developed in this project makes the calculations based on a representative pattern of the evolution of the effective area of the flame front. This is obtained from test data with the studied engine; therefore, some tests must be performed with it before using the model. This is why the model is semi-empirical. This study is based on the data of 240 tests, and the area of the flame front of the average cycle of each test is calculated. In the process, the effect of the amount of fuel, the degree of charge and the density of the mixture is eliminated. The mentioned pattern is then calculated by removing the effects of turbulence and spark timing in this area. The calculation of the pressure in the cylinder from the law of heat release has already been developed by the CMT. However, to verify the results obtained with our combustion model, a simplification of this calculation has been made. This way, we will find a reference pressure and compare it with the pressure predicted by the model to evaluate its error. Finally, the model has been fine-tuned, determining the optimal calculation step and the best distribution of the points of the standard curve. In addition, the HRL obtained from the processed trial data have been fitted to a Wiebe function to correct for certain inaccuracies. The Simplex algorithm has been implemented to minimize the error of this fit.