Mejora de una herramienta de diagnóstico de la combustión a partir de la presión instantánea en cámara mediante la incorporación de un modelo de tumble

Abstract

[ES] Este proyecto representa la memoria de un Trabajo de Fin de Master de la titulación Master en Ingeniería Industrial. A lo largo de los diferentes apartados que lo forman, se relata brevemente el trabajo realizado en estos últimos seis meses, así como las conclusiones y resultados obtenidos tras la ejecución del proyecto. También se explican los problemas que han ido surgiendo y las soluciones adoptadas. El objetivo de la memoria es el planteamiento de un nuevo modelo teórico que permita describir la influencia que tiene el movimiento del gas en la cámara de combustión de un MCIA en la transmisión de calor. En concreto, se ha estudiado el movimiento de tumble en un motor diésel de 2T. Con este modelo se pretende mejorar lo implementado actualmente en la herramienta de diagnóstico de motores CALMEC. Desde que el gas entra en la cámara de combustión durante la fase de admisión, una estructura más o menos definida comienza a desarrollarse. A medida que avanza el ciclo el movimiento de tumble se hace más intenso hasta que, durante la fase de compresión, empieza su decaimiento desapareciendo el patrón de movimiento unos grados antes del PMS. A diferencia del movimiento de tumble, el swirl alcanza su máximo en torno al PMS y es por esto que se necesita otro modelo para describir la transmisión de calor en el caso de que exista un movimiento de tumble. El modelo planteado es una modificación del modelo implementado para el caso de swirl. En el modelo de Woschni, el coeficiente de película depende de la velocidad del gas; que a su vez depende de la velocidad media del pistón, de la combustión y de la velocidad tangencial del gas debida a un movimiento del swirl. La ecuación además incluye unas constantes llamadas Cw1, Cw2 y C2 que ponderan la influencia de cada uno de los términos y sirven para ajustar el modelo teórico al motor ensayado. En el caso del modelo propuesto, la velocidad tangencial del gas es el resultado del producto de una velocidad tangencial media por una función matemática que modela el comportamiento del fenómeno de tumble en función del ángulo del cigüeñal. Esta velocidad tangencial media será proporcional a la velocidad del motor y al coeficiente de tumble medio. Después de implementar el modelo en la herramienta de diagnóstico y ver los resultados ofrecidos por este en un ensayo de arrastre, se puede concluir que el modelo se ajusta con exactitud al calor predicho por el método del exponente politrópico, independientemente del régimen del motor. Por último se ha realizado un estudio de sensibilidad del modelo propuesto frente a errores en alguna de las variables de entrada o en la determinación de alguno de los parámetros del modelo; tanto antes de realizar el proceso de ajuste como después de ajustar las constantes del modelo al motor ensayado. En el primero de los casos, el motor se muestra sensible frente a incertidumbres en alguno de los parámetros del modelo, mientras que tras el ajuste de las constantes del modelo, este muestra ser robusto frente a cualquier variación.

[CA] Aquest projecte representa la memòria d'un Treball de Fi de Màster de la titulació Màster en Enginyeria Industrial. Al llarg dels diferents apartats que el formen, es relata breument el treball realitzat en aquests últims sis mesos, així com les conclusions i resultats obtinguts després de l'execució del projecte. També s'expliquen els problemes que han anat sorgint i les solucions adoptades. L'objectiu de la memòria és el plantejament d'un nou model teòric que permeta descriure la influència que té el moviment de tumble del gas dins la cambra de combustió en la transmissió de calor i que millore el que està implementat actualment en el programa de diagnòstic de la combustió en motors CALMEC. Des que el gas entra a la cambra durant la fase d'admissió una estructura més o menys definida comença a desenvolupar-se. A mesura que avança el cicle el moviment de tumble es fa més intens. Durant la fase de compressió comença el seu decaïment, fins que el patró de moviment desapareix uns graus abans del PMS. A diferència del moviment de tumble, el swirl arriba al seu màxim al voltant del PMS. És per això que es necessita un altre model per descriure la transmissió de calor en el cas de tumble. El model plantejat és una modificació de l'equació original plantejada per Woschni per al cas de swirl. En el model de Woschni, el coeficient de pel·lícula depén de la velocitat del gas que al seu torn depén d'un terme proporcional a la velocitat mitjana del pistó, un terme que considera la combustió i un últim terme que es refereix a la velocitat tangencial del gas pel moviment del swirl. L'equació, a més, inclou unes constants anomenades CW1, CW2 i C2 que ponderen la influència de cada un dels termes i serveixen per a ajustar el model teòric al motor assajat. En el cas del model proposat, la velocitat tangencial del gas és el resultat del producte d'una velocitat tangencial mitjana per una funció matemàtica que representa el comportament del fenomen de tumble en funció de l'angle del cigonyal. Aquesta velocitat tangencial mitjana serà proporcional a la velocitat del motor i al coeficient de tumble mig. Després d'implementar el model i veure els resultats oferts per aquest en un assaig d'arrossegament, es pot concloure que el model s'ajusta amb exactitud a la calor predita pel mètode de l'exponent politròpic independentment del règim del motor. Finalment s'ha realitzat un estudi de sensibilitat del model proposat respecte a errors en alguna de les variables d'entrada o en la determinació d'algun dels paràmetres del model; tant abans de realitzar el procés d'ajust com després d'ajustar les constants del model al motor assajat. En el primer dels casos, el motor es mostra sensible a l’error en algun dels paràmetres del model, mentre que després de l'ajust de les constants del model, aquest mostra ser robust davant de qualsevol variació.

[EN] This project represents the memory of a Master's Thesis as the last step to complete the Master of Industrial Engineering. Throughout the different sections that form the document, it briefly describes the work done in the last six months, as well as the conclusions and results obtained after the execution of the project. It also explains the problems that have appeared and the solutions adopted. The purpose of the report is to propose a new theoretical model that allows to describe the influence of the tumble gas movement inside the chamber in the heat transfer that occurs and improve what is currently implemented in the CALMEC engine diagnostic’s tool. Since the gas enters the chamber during the intake phase, a more or less defined structure begins to develop. As the cycle progresses, the tumble movement becomes more intense. During the compression phase, its decay begins, the movement pattern disappears a few degrees before the TDC. Unlike the tumble movement, the swirl reaches its maximum around the TDC. Therefore, another model is needed to describe the heat transfer in the tumble case. The proposed model is a modification of the original equation proposed by Woschni for the swirl case. In the Woschni model, the heat transfer coefficient depends on the velocity of the gas, which in turn depends on a term proportional to the average speed of the piston, a term due to combustion and a last term referring to the tangential velocity of the gas due to the swirl movement. The equation also includes some constants called Cw1, Cw2 and C2 that weight the influence of each of the terms and whose objective is to adjust the theoretical model to the specific engine tested. In the case of the proposed model, the tangential gas velocity is the product of a mean tangential velocity and a mathematical function that represents the behaviour of the tumble phenomenon as a function of the crankshaft angle. The mean tangential velocity is proportional to the engine speed and the mean tumble ratio. After implementing the model and analysing the results provided by the model in a motoring test, it can be concluded that the model is accurately adjusted to the heat predicted by the method of the polytrophic exponent regardless of the engine speed. Finally, two sensitivity studies of the proposed model have been carried out taking into account uncertainties in some of the input variables or in the determination of some of the parameters of the model; one of them before performing the fitting process and the other, after fitting the model constants to the engine tested. In the first case, the motor is sensitive to errors in the definition of some of the parameters that govern the model, while after adjusting the constants of the model, the model shows to be robust against any perturbation.