A comprehensive methodology to analyse the Global Energy Balance in Reciprocating Internal Combustion Engines

Abstract

[EN] The main objective of this doctoral thesis is the development of a comprehensive methodology to perform and analyse the thermal balance of reciprocating engines, based on experimental and theoretical techniques. Starting from previous works carried out in the research group, which are related to combustion diagnosis and thermal management, a methodology to analyse the thermal balance from two points of view was proposed: on the one hand, the external point of view, mainly based on experimental measurements, and on the other hand, the internal point of view, based on modelling. The combination of both approaches allows the necessary model adjustment, along with a detail characterization of the different energy flows.

Apart from the thermal balance methodology, several proposals to model some internal processes have been provided, being noteworthy the sub-models for heat transfer to the chamber walls, the ports and between the oil and coolant. Besides, detailed mechanical losses model was also developed. With the aim of ensuring the models reliability and robustness, an integral uncertainty adjustment methodology is proposed, which allows determining some parameters affecting the thermodynamic properties within the chamber and the sub-models adjustment.

The analysis and calibration methodology is flexible enough to be applied in different types of engines and combustion modes, thus ensuring its generality. To demonstrate the methodology potential, it is finally applied to analyse specific parametric studies in two engines, showing its usefulness for both diagnostic and predictive applications.

[ES] El objetivo principal de la presente tesis doctoral es el desarrollo de una metodología integral que permita analizar el balance de energía en motores de combustión interna alternativos, mediante la combinación de diferentes técnicas experimentales y teóricas. Para ello, partiendo de varios trabajos previos realizados en el grupo de investigación en temas relacionados con diagnóstico de la combustión y gestión térmica del motor, se ha propuesto una separación del análisis energético en dos puntos de vista: exterior, basado principalmente en medidas experimentales e interior, fundamentalmente basado en modelado. La combinación de ambos enfoques permite el necesario ajuste de los modelos, así como la caracterización completa y fiable de los flujos de energía en el motor.

Junto a la metodología del balance energético, se han aportado una serie de propuestas para el modelado de diferentes procesos internos, entre los que destacan los modelos de transmisión de calor a las paredes de la cámara de combustión, a las pipas y entre el aceite y el refrigerante, así como un modelo detallado de pérdidas mecánicas. Con el fin de garantizar la robustez y fiabilidad de dichos modelos, se ha propuesto una metodología de ajuste de incertidumbres que permite obtener el valor de varios parámetros que afectan al cálculo de las condiciones termodinámicas en la cámara, así como el ajuste de los diferentes modelos propuestos.

La metodología de análisis y calibración es suficientemente flexible para ser aplicada a motores de características y modos de combustión diferentes, asegurando así la generalidad de la herramienta. Para mostrar su potencial, se ha aplicado a dos motores en estudios paramétricos específicos, verificándose su utilidad como herramienta tanto de diagnóstico como para su uso en aplicaciones predictivas.

[CA] L'objectiu principal de la present tesi doctoral és el desenrotllament d'una metodologia integral que permeta analitzar el balanç d'energia en motors de combustió interna alternatius, per mitjà de la combinació de diferents tècniques experimentals i teòriques. Per a això, partint de diversos treballs previs realitzats en el grup d'investigació en temes relacionats amb diagnòstic de la combustió i gestió tèrmica del motor, s'ha proposat una separació de l'anàlisi energètica en dos punts de vista: exterior, basat principalment en mesures experimentals i interior, fonamentalment basat en modelatge. La combinació d'ambdós enfocaments permet el necessari ajust dels models, així com la caracterització detallada dels diferents fluxos energètics.

Junt amb la metodologia del balanç energètic, s'han aportat una sèrie de propostes per al modelatge de diferents processos interns, entre els que destaquen els models de transmissió de calor a les parets de la cambra de combustió, a les pipes i entre l'oli i el refrigerant, així com un model detallat de pèrdues mecàniques. A fi de garantir la robustesa i fiabilitat dels dits models, s'ha proposat una metodologia integral d'ajust d'incerteses que permet obtindre el valor de diversos paràmetres que afecten el càlcul de les condicions termodinàmiques en la cambra, així com l'ajust dels diferents models proposats.

La metodologia d'anàlisi i calibratge és prou flexible per a ser aplicada a motors de característiques i modes de combustió diferents, assegurant així la generalitat de la ferramenta. Per a mostrar el seu potencial, finalment s'ha aplicat a dos motors en estudis paramètrics específics, verificant la seua utilitat tant com a ferramenta de diagnòstic com en aplicacions predictives.