Contribución al estudio de la transferencia de calor en flujo evaporativo en culatas de MCIA

Abstract

[EN] Abstract

The current pressure to reduce CO2 emissions from reciprocating internal combustion engines has led to the exploration of all possible ways to reduce fuel consumption. One of these pathways, especially relevant given the current trend of engine downsizing, is based on the correct engine thermal management, understood as a global approach to existing thermal fluxes and oriented to their maximum exploitation without penalizing the reliability and durability of the engine.

In this context, it is imperative to achieve deeper understanding of the basic phenomena which determine the heat transfer process between the engine and the cooling fluid. One aspect in which knowledge is especially scarce is the role of heat transfer with phase change, which is twofold: firstly, its uncontrolled appearance may cause catastrophic engine damage while, on the other hand, this mechanism has potentially exploitable advantages, especially for cooling the head, if it can be properly controlled. This second aspect is particularly relevant in the context of advanced cooling strategies.

The research has focused on this mechanism and its main objectives are the development of experimental and numerical techniques to evaluate and predict the heat flows in the cylinder head in the presence of evaporative flow, with a view to their future use in obtaining optimal cooling solutions. To this end, a thorough review of the application to engines of evaporative heat transfer was conducted, that has been supplemented with numerous contributions from other technology fields in which its study is more advanced.

The first phase of the work has focused on a simplified experimental setup, which has provided controlled information under conditions similar to the actual ones on heat fluxes at low speeds and bubbles sizes, a feature especially important for advanced concepts involving locally narrow galleries. Also, in this first phase the behaviour of different numerical models available for the calculation of flow and heat transfer in the presence of evaporation was analyzed, taking advantage of the geometric simplicity of the problem and the experimental data available to focus on the evaluation and calibration of the heat transfer models. In the second stage of the work, the acquired knowledge was applied to the study of an actual cylinder head geometry, performing an overall conjugate heat transfer computation for the solid parts and the coolant, with promising results in view of the future use of computational techniques for the proper design of cooling galleries.

[ES] Resumen

La presión actual para reducir cada vez más las emisiones de CO2 de los motores de combustión interna alternativos ha conducido a que se estén explorando todas las posibles vías de reducción del consumo de combustible. Una de estas vías, especialmente relevante dada la actual tendencia a la reducción del tamaño de los motores (downsizing) se basa en la correcta gestión térmica del motor, entendida como una aproximación global a los flujos térmicos existentes y orientada a su máximo aprovechamiento, sin penalizar la fiabilidad y durabilidad del motor.

En este contexto, es imperativo profundizar en el conocimiento de los fenómenos básicos que determinan los procesos de transferencia de calor entre el motor y el fluido refrigerante. Un aspecto en que el conocimiento es especialmente escaso es el papel desempeñado por la transferencia de calor con cambio de fase, que presenta dos vertientes: por una parte, su aparición incontrolada puede producir daños catastróficos en el motor mientras que, por otra parte, este mecanismo presenta ventajas potencialmente explotables, sobre todo para la refrigeración de la culata, si se puede mantener bajo control. Esta segunda vertiente cobra especial relevancia en el marco de estrategias de refrigeración avanzadas.

La investigación realizada se ha centrado en este mecanismo, y sus objetivos principales han sido la puesta a punto de técnicas experimentales y numéricas que permitan evaluar y predecir los flujos térmicos en la culata en presencia de flujo evaporativo, con vistas a su futuro empleo en la obtención de soluciones de refrigeración óptimas. Con este fin, se ha realizado una revisión exhaustiva sobre la aplicación a los motores de la transferencia de calor evaporativa, que ha sido necesario complementar con numerosas aportaciones de otros campos tecnológicos en que su estudio se halla más avanzado.

La primera fase del trabajo se ha centrado en una configuración experimental simplificada, que ha permitido obtener información controlada, en condiciones similares a las reales, relativa a flujos de calor a bajas velocidades y tamaño de burbujas, aspecto éste de especial importancia para conceptos avanzados que implican galerías localmente angostas. Asimismo, en esta primera fase se analizó el comportamiento de distintos modelos numéricos para el cálculo del flujo y la transferencia de calor con presencia de evaporación, aprovechando la simplicidad geométrica del problema y la información experimental disponible para centrarse en la evaluación y calibración de los modelos de transferencia de calor.

En la segunda fase del trabajo, se aplicó el conocimiento adquirido al estudio de una geometría real de culata, habiéndose realizado un cálculo conjugado global de la transferencia de calor en las partes sólidas y el refrigerante, con resultados prometedores de cara al futuro uso de técnicas computacionales para el correcto diseño de las galerías de refrigeración.

[CA] Resum

La pressió actual per reduir cada vegada més les emissions de CO2 dels motors de combustió interna alternatius ha fet que s'estiguen explorant totes les possibles vies de reducció del consum de combustible. Una d'aquestes vies, especialment rellevant donada l'actual tendència a la reducció de la mida dels motors (downsizing) es basa en la correcta gestió tèrmica del motor, entesa com una aproximació global als fluxos tèrmics existents i orientada al seu màxim aprofitament, sense penalitzar la fiabilitat i durabilitat del motor.

En aquest context, és imperatiu aprofundir en el coneixement dels fenòmens bàsics que determinen els processos de transferència de calor entre el motor i el fluid refrigerant. Un aspecte en què el coneixement és especialment escàs és el paper exercit per la transferència de calor amb canvi de fase, que presenta dues vessants: d'una banda, la seva aparició incontrolada pot produir danys catastròfics en el motor mentre que, d'altra banda, aquest mecanisme presenta avantatges potencialment explotables, sobretot per a la refrigeració de la culata, si es pot mantenir sota control. Aquesta segona vessant cobra especial rellevància en el marc d'estratègies de refrigeració avançades.

La investigació realitzada s'ha centrat en aquest mecanisme, i els seus objectius principals han estat la posada a punt de tècniques experimentals i numèriques permetent l'avaluació i predicció dels fluxos tèrmics a la culata en presència de flux evaporatiu, amb vista al seu futur ús en l'obtenció de solucions de refrigeració òptimes. Amb aquesta finalitat, s'ha realitzat una revisió exhaustiva sobre l'aplicació als motors de la transferència de calor evaporativa, que ha estat necessari complementar amb nombroses aportacions d'altres camps tecnològics en que el seu estudi es troba més avançat.

La primera fase del treball s'ha centrat en una configuració experimental simplificada, que ha permès obtenir informació controlada, en condicions similars a les reals, relativa a fluxos de calor a baixes velocitats i grandària de bombolles, aspecte aquest d'especial importància per a conceptes avançats que impliquen galeries localment estretes. Així mateix, en aquesta primera fase es va analitzar el comportament de diferents models numèrics pel càlcul del flux i la transferència de calor amb presència d'evaporació, aprofitant la simplicitat geomètrica del problema i la informació experimental disponible per centrar-se en l'avaluació i calibratge dels models de transferència de calor.

A la segona fase del treball, es va aplicar el coneixement adquirit a l'estudi d'una geometria real de culata, havent-se realitzat un càlcul conjugat global de la transferència de calor a les parts sòlides i el refrigerant, amb resultats prometedors de cara al futur ús de tècniques computacionals per al correcte disseny de les galeries de refrigeració.