Validación de un modelo de acción de ondas con una metodología de cálculo basada en discretización temporal independiente de los conductos

Abstract

Consulta en la Biblioteca ETSI Industriales (7579)

[ES] En la actualidad, dado que en las normas anticontaminantes cada vez son más estrictas y los márgenes de mejora de los motores de combustión interna alternativos son cada vez más pequeños, cualquier aspecto del motor es de vital importancia para conseguir la reducción de contaminantes necesaria para cumplir la legislación o ese pequeño aumento de prestaciones que permita superar a la competencia. En estas condiciones, la aparición de nuevas técnicas relacionadas con el movimiento del aire por el interior del motor y su potencial de control, ha incrementado, si cabe más aun, la importancia del estudio de renovación de la carga. Destacan técnicas como la recirculación de gases de escape enfocada a la reducción de óxidos de nitrógeno, la utilización de turbinas de geometría variable las cuales se adaptan mejor a todo el rango de funcionamiento del motor o la sobrealimentación en doble etapa que permite mayores densidades en la admisión y el cilindro. Para conseguir un funcionamiento correcto del motor, estas técnicas deben ser optimizadas tanto en condiciones estacionarias como en condiciones transitorias de manera que en ambos casos se consiga cumplir la legislación sin que ello conlleve una reducción en las prestaciones. Además de todo lo mencionado hasta el momento, la reducción de los plazos de diseño y fabricación de los motores de combustión interna alternativos, que está experimentando en la actualidad el sector de la automoción, ha hecho que herramientas como los modelos de acción de ondas cobren especial relevancia tanto en las fases de diseño como en las de optimización. Una parte fundamental en los modelos de acción de ondas para el cálculo fluidodinámico de motores de combustión interna alternativos es el cálculo del flujo que transcurre a lo largo de los conductos del motor. Para llevar a cabo dicho cálculo se adopta la hipótesis de uni-dimensionalidad, por tanto, las magnitudes que lo representan dependen de la variable temporal y de una única variable espacial. Aun con esta simplificación todo ello requiere la resolución de un sistema de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales de gran complejidad matemática. Debido a que la resolución de dicho sistema de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales forma la parte fundamental de los modelos de acción de ondas, es muy importante llevar a cabo una continua revisión del estado del arte que permita estar al día de los últimos avances en métodos numéricos. En 1993, en el Departamento de Máquinas y Motores Térmicos, se optó por la utilización del esquema numérico Lax&Wendroff siguiendo el mismo camino que otros autores ya que en aquel entonces se trataba de un esquema de reconocidas ventajas. Desde la incorporación del modelo a dicho esquema, no se han vuelto a realizar modificaciones en la forma de resolver las ecuaciones de conservación en los conductos que lleva a cabo el modelo de acción de ondas de este departamento, pero sí en la metodología de cálculo. El modelo de acción de ondas antes mencionado utilizaba una metodología de cálculo basada en discretización temporal común de los conductos. Esta metodología presentaba excesivos tiempos de cálculo para determinadas configuraciones. Con la finalidad de evitar que las soluciones propuestas necesiten tiempos de computación excesivamente grandes se ha desarrollado una nueva metodología de cálculo basada en discretización temporal independiente de los conductos. Ambas metodologías se explican con detalle en el Capítulo 3 del presente proyecto. El objetivo principal de este proyecto es la validación de un modelo de acción de ondas con una nueva metodología de cálculo basada en la discretización temporal independiente de los elementos que conforman el motor tanto en el dominio temporal como en el dominio frecuencia. Para ello se compararán los resultados obtenidos en dicha validación con los resultados proporcionados por el modelo cuando se calculaba con una metodología tradicional basada en discretización temporal común de los conductos, ampliamente validada en trabajos anteriores. También se ha implementado un modelo de transporte de especies químicas que permitirá entre otras aplicaciones, calcular las propiedades del gas (¿,R,Cp) en función de la composición y la temperatura.