Analysis of the Internal Thermofluid-Dynamics in a Uniflow Scavenged Engine

Abstract

[ES] El transporte terrestre es uno de los principales contribuyentes a las emisiones y tiene un impacto en los cambios climáticos y los peligros para la salud. Para abordar estos problemas, la industria automotriz se está movien- do hacia la movilidad sostenible, donde se están evaluando nuevas tecnologías como vehículos híbridos y vehículos eléctricos. Sin embargo, dado la falta de competencia en alternativas libres de combustibles fósiles para la producción de electricidad, se está abordando la dependencia de motores de combustión interna (ICEs) para ser utilizados como extensores de autonomía y producción de electricidad. Estos extensores de autonomía son generalmente motores de dos tiempos. Debido a su diseño y rango de operación, estos ICE pueden ser compactos, tener una gran reducción de tamaño y producir menos emisiones. Por lo tanto, es esencial comprender el rendimiento de estos nuevos conceptos de ICE, mostrar beneficios potenciales y ayudar en mejoras adicionales. Con el objetivo anterior en este trabajo de tesis, se evalúa un concepto de motor de dos tiempos de barrido uniflow. Se obtienen datos experimentales de una celda de prueba de motor utilizando dos disposiciones de escape, tres velocidades de motor y dos condiciones de carga. Se desarrolla y valida un modelo gasodinámico 1D con respecto a todos los puntos probados. Se mo- dela una réplica en 3D del motor y se utiliza en una simulación CFD en 3D. Los resultados del modelo 1D validados fluidodinámicamente se utilizan como condiciones iniciales y de contorno para evaluar las métricas térmicas y de barrido de este motor en particular. Al comparar los resultados 1D y CFD, se observó que la temperatura y el cortocircuito de aire no se capturaron bien utilizando modelos de transferencia de calor y barrido de última generación durante el proceso de barrido. Esto llevó a la propuesta de un nuevo modelo de transferencia de calor y una curva sintética de barrido. La transferencia de calor en el cilindro es un fenómeno que afecta la tem- peratura de los gases quemados y el aire fresco en un motor de combustión interna. En comparación con las unidades de cuatro tiempos, esta influencia es más crítica en los motores de dos tiempos durante el proceso de barrido, ya que el campo de velocidad del gas dentro del cilindro evoluciona rápidamente en el espacio y el tiempo. Este estudio propone un nuevo modelo de coeficiente de transferencia de calor convectivo más allá de aquellos basados en el cálculo del número de Reynolds con la velocidad media del pistón. El modelo utiliza ecuaciones semiempíricas con números adimensionales ya que debe integrarse en el marco de un modelo físico de motor, donde las propiedades termo y fluidodinámicas de los gases dentro del motor se resuelven mediante enfoques 0D o 1D. En esta aplicación particular, la desviación de temperatura llevó a una predicción deficiente de la masa atrapada en el cilindro. El coeficiente propuesto se calcula utilizando una pseudo-velocidad de los gases dentro del cilindro basada en las tasas de flujo de masa en los puertos de admisión y escape durante el barrido. El barrido en un motor de dos tiempos presenta un proceso complejo, dis- tinto del ciclo de cuatro tiempos, ya que los procesos de admisión y escape ocurren simultáneamente durante una parte significativa del período de inter- cambio de gases. Debido a esta naturaleza superpuesta y a la duración más corta del intercambio de gases en comparación con un motor de cuatro tiempos, modelar con precisión la dinámica de gas dentro del cilindro se vuelve crucial. Este proceso de modelado tiene como objetivo garantizar la retención efectiva de la carga fresca suministrada y la extracción eficiente de los gases residuales del ciclo de motor anterior durante la fase de intercambio de ga- ses. Este modelado es particularmente crucial en motores avanzados de dos tiempos para obtener estimaciones confiables de la composición de la mezcla atrapada y predecir con precisi.

[CA] El transport terrestre és un dels principals contribuents a les emissions i té un impacte en els canvis climàtics i els riscos per a la salut. Per abordar aquests problemes, la indústria automobilística es mou cap a la mobilitat sos- tenible, on s'estan avaluant noves tecnologies com ara vehicles híbrids i vehicles elèctrics. No obstant això, donada la manca de competència en alternatives lliures de combustibles fòssils per a la producció d'electricitat, s'està abordant la dependència dels motors de combustió interna (ICEs) per ser utilitzats com a extensors d'autonomia i producció d'electricitat. Aquests extensors d'auto- nomia són normalment motors de dos temps. A causa del seu disseny i rang operatiu, aquests ICEs poden ser compactes, força reduïts de mida, i emetre menys. Per tant, és essencial entendre les actuacions d'aquests nous conceptes de ICE, mostrar els beneficis potencials, i ajudar en millores addicionals. Amb l'objectiu anterior en aquest treball de tesi, es valora un concepte de motor de dos temps de flux uniflow. S'obtenen dades experimentals d'una cel·la de prova de motor utilitzant dues disposicions d'escapament, tres velo- citats de motor i dues condicions de càrrega. Es desenvolupa i valida un model gasodinàmic 1D amb tots els punts provats. Es modela una rèplica en 3D del motor i s'utilitza en una simulació CFD en 3D. Els resultats del model 1D va- lidats fluidodinàmicament s'utilitzen com a condicions inicials i de contorn per avaluar les mètriques tèrmiques i de flux de gas d'aquest motor en particular. En comparar els resultats 1D i CFD, es va observar que la temperatura i el tall-circuit d'aire no es van capturar bé utilitzant models de transferència de calor i flux de gas de última generació durant el procés de flux. Això va portar a la proposta d'un nou model de transferència de calor i una corba sintètica de flux. La transferència de calor al cilindre és un fenomen que afecta la tempera- tura dels gasos cremats i l'aire fresc en un motor de combustió interna. En comparació amb les unitats de quatre temps, aquesta influència és més crítica en els motors de dos temps durant el procés de flux, ja que el camp de velocitat del gas dins del cilindre evoluciona ràpidament en l'espai i el temps. Aquest estudi proposa un nou model de coeficient de transferència de calor convectiu més enllà dels basats en el càlcul del número de Reynolds amb la velocitat mitjana del pistó. El model utilitza equacions semiempíriques amb nombres no-dimensionals ja que ha de ser integrat dins del marc d'un model físic de motor, on les propietats termo i fluidodinàmiques dels gasos dins del motores resolen mitjançant enfocaments 0D o 1D. En aquesta aplicació particular, la desviació de temperatura va portar a una predicció deficient de la massa atrapada al cilindre. El coeficient de transferència de calor convectiu proposat es calcula utilitzant una pseudo-velocitat dels gasos dins del cilindre basada en les taxes de flux de massa en els ports d'entrada i d'escapament durant el flux. El flux en un motor de dos temps presenta un procés complex, diferent del cicle de quatre temps, ja que els processos d'admissió i d'escapament ocorren simultàniament durant una part significativa del període d'intercanvi de ga- sos. A causa d'aquesta naturalesa superposada i de la durada més curta de l'intercanvi de gasos en comparació amb un motor de quatre temps, modelar amb precisió la dinàmica del gas dins del cilindre es torna crucial. Aquest procés de modelatge té com a objectiu assegurar la retenció efectiva de la càr- rega fresca lliurada i l'extracció eficient dels gasos residuals del cicle de motor anterior durant la fase d'intercanvi de gasos. Aquest modelatge és particular- ment crucial en motors avançats de dos temps per obtenir estimacions fiables de la composició de la mescla atrapada i predir amb precisió el rendiment del motor.

[EN] Transportation on land is one of the major contributors to emissions and has an impact on climatic changes and health hazards. To address these is- sues, the automotive industry is moving toward sustainable mobility, where new technologies such as hybrid vehicles and electric vehicles are being assessed. However, given the lack of competence in fossil fuel-free alternatives for electricity production, dependence on internal combustion engines (ICEs) to be used as range extenders and electricity production is being addressed. These range extenders are usually two-stroke engines. Due to their design and operating range, these ICEs can be compact, be heavily downsized, and have fewer emissions. Hence it is essential to understand the performances of these new ICE concepts, showcase potential benefits, and aid in further improvements. Aiming towards the above objective in this thesis work a two-stroke uniflow scavenged engine concept is assessed. Experimental data from an engine test cell using two exhaust layouts, three engine speeds, and two load conditions is obtained. A 1D gas dynamic model is developed and validated against all tested points. A 3D replica of the engine is modeled and used in 3D CFD simulation. Fluid dynamically validated 1D model results are used as initial and boundary conditions to assess the thermal and scavenging metrics of this particular engine. On comparing 1D and CFD results, it was observed that temperature and short-circuiting of air were not well captured using state-of- the-art heat transfer and scavenging models during the scavenging process. This led to the proposal of a new heat transfer model and a synthetic scavenging curve. In-cylinder heat transfer is a phenomenon that affects the temperature of burnt gases and fresh air in an internal combustion engine. Compared to the four-stroke units, this influence is more critical in two-stroke engines during the scavenging process since gas velocity filed inside the cylinder evolves rapidly in space and time. This study proposes a new convective heat transfer coefficient model beyond those based on Reynolds number calculation with the piston mean velocity. The model uses semi-empirical equations with non-dimensional numbers since it has to be integrated within the frame of a physical engine model, where thermo and fluid dynamic properties of the gases inside the engine are solved using 0D or 1D approaches. In this particular application, the temperature deviation led to a poor prediction of trapped mass in the cylinder. The proposed convective heat transfer coefficient is calculated using a pseudo-velocity of the gases inside the cylinder based on the mass flow rates in the intake and exhaust ports during scavenging. Scavenging in a two-stroke engine presents a complex process, distinct from the four-stroke cycle, as the intake and exhaust processes occur simultaneously for a significant portion of the gas exchange period. Due to this overlapping nature and shorter gas exchange duration compared to a four-stroke engine, accurately modeling the in-cylinder gas dynamics becomes crucial. This modeling process aims to ensure the effective retention of the fresh charge delivered and the efficient extraction of residual gases from the previous engine cycle during the gas exchange phase. Such modeling is particularly crucial in advanced two-stroke engines to obtain reliable estimations of the trapped mixture composition and predict engine performance accurately.