Desarrollo de modelos computacionales relevantes para el proceso de combustión en motores de inyección directa de nafta

Abstract

Desde su invención, el rol que han cumplido los motores de combustión interna (MCI) en la sociedad ha crecido de forma vertiginosa, al punto de ser máquinas indispensables para satisfacer la demanda energética global. Esto es así en la actualidad y probablemente lo sea en las décadas por venir. Las regulaciones cada vez más estrictas impuestas sobre sus emisiones contaminantes han impulsado su desarrollo, a tal punto de que el grado de progreso alcanzado se ha tornado difícil de superar. En el marco de los motores encendidos por chispa, una estrategia que ha cobrado impulso en esta dirección es la inyección directa de nafta (GDI, por Gasoline Direct Injection), la cual complejiza el proceso al generarse mezclas inhomogéneas en la cámara de combustión. Dada la dificultad en su análisis, las herramientas brindadas por la Dinámica de Fluidos Computacional se han vuelto fundamentales en el proceso de diseño de los motores. Sin embargo, no son perfectas. Los modelos utilizados para representar los fenómenos reales poseen un poder predictivo limitado, por lo cual existen esfuerzos a nivel mundial destinados a mejorarlos. La tesis presente constituye uno de ellos. Se realizaron avances en la modelización de ciertos procesos que afectan de forma apreciable el desempeño de un MCI encendido por chispa, y en particular de un motor GDI: combustión, turbulencia, ignición por chispa e inyección. Cada uno de estos es intensamente investigado en la actualidad y no son completamente comprendidos. En particular, se destinó un capítulo al estudio del transporte turbulento en una configuración simplificada. El vínculo entre este tipo de análisis y las aplicaciones de combustión turbulenta fue demostrado ser trascendental previamente por otros autores. Los resultados obtenidos permiten mejorar la capacidad de predicción de este fenómeno, con aplicación directa en MCI. Otro capítulo se abocó a la resolución de problemas de combustión turbulenta. Es relativamente estándar en la literatura realizar pruebas “integradoras” en MCI, donde varios modelos trabajan de forma conjunta. Un paso previo que debería seguirse, sin embargo, consiste en la realización de pruebas “unitarias”, validando en la medida de lo posible cada modelo de forma individual, en condiciones bien definidas; esto no siempre se ha realizado de forma apropiada. Este aspecto se tomó como primordial en esta obra, por lo que el modelo de combustión se acopló al modelo de transporte turbulento deducido en el capítulo respectivo, y se validó con mediciones llevadas a cabo en sistemas bien caracterizados. Seguido a esto se incorporó un capítulo de ignición por chispa, en el cual se simularon descargas eléctricas variando la geometría de la bujía y la temperatura y presión de la cámara, con el fin de predecir los estados post-ruptura; a partir de estos resultados surgió un nuevo modelo de ignición. Finalmente se abordó el fenómeno de inyección de líquido, nuevamente con el foco en pruebas unitarias. Se evaluaron modelos de deformación y ruptura de gotas (atomización secundaria), destacándose la necesidad de incluirlas en la modelización de los sprays. Se concluyó con la simulación de la atomización primaria de chorros turbulentos completamente desarrollados, para los cuales se demostró que las técnicas de modelización más habituales no arrojan resultados satisfactorios.

Since its inception, the internal combustion engine (ICE) has had an ever increasing role in society, such that it is nowadays an essential machine to fulfill global energy demand. This is both true at present and probably in decades to come. Stringent regulations on the emission of pollutants have driven the engine development to a point that further progress has become quite challenging to achieve. To this end, Gasoline Direct Injection (GDI) is a strategy that has gained wide acceptance within the context of spark-ignition engines, which poses extra difficulties by giving rise to inhomogeneous mixtures inside the combustion chamber. Given its complexity, the tools provided by Computational Fluid Dynamics have become crucial for the engine design process; yet, they are not perfect. Models employed to represent real phenomena have limited predictive capabilities, which is why worldwide efforts are being placed to improve them. The present dissertation is one such attempt. Advances have been made in the modeling of certain processes that exert a notable influence on the performance of the ICE, particularly for GDI: combustion, turbulence, spark-ignition and fuel injection. Currently, every one of these is intensely investigated, for they are not completely understood. Specifically, a chapter was devoted to the study of turbulent transport in a simplified setup. The link between this kind of analysis and its application to turbulent combustion systems was previously shown to be fundamental by other researchers. The attained results lead to a better predictive capability of turbulent transport, with direct applicability to the ICE. Another chapter was assigned to the resolution of turbulent combustion problems. In literature, it is relatively standard to carry out ’integration tests’ on ICE, which imply that models work collaboratively. However, a previous step should consist in performing ’unit tests’, validating each model separately in well-defined conditions; this procedure has not always been appropriately followed. This dissertation adopted as much as possible the ’unit test’ approach. Therefore, the combustion model was coupled to the turbulent transport model deduced in the respective chapter, and was validated against measurements carried out in well-defined systems. Next, a chapter on spark-ignition included the results from several simulations of electric discharges, varying the spark plug geometry and the temperature and pressure inside the chamber. These simulations were aimed at predicting post-breakdown states; from these, a new ignition model was proposed. Finally, the liquid injection process was studied, bearing in mind the unit test approach. Droplet deformation and secondary breakup models were assessed, highlighting the need for their inclusion in spray simulations. The chapter ends with the simulation of primary atomization of fully-developed turbulent jets, for which commonly employed techniques did not appear to behave satisfactorily.