SIMULACIÓN COMPUTACIONAL DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA


 

División Mecánica Computacional aplicada a motores de combustión interna

Centro Internacional de Métodos Computacionales en Ingeniería

(CIMEC-INTEC-CONICET)

y

Cátedra de Motores

Especialidad Ingeniería del Automóvil

Escuela de Ingeniería Mecánica (EIM)

Universidad Nacional de Rosario (UNR)

 

Este documento tiene como objetivo presentar en forma ordenada los trabajos que se han venido desarrollando en la Cátedra de Motores de la especialidad Ingeniería del Automóvil de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Rosario.

El documento simulador_motor_teoría.pdf muestra un resumen de la teoría físico-matemáticas que sustenta el software desarrollado, que en adelante será denominado simulador de motor (SIM1D). Como se ve en ese documento la teoría contempla los modelos que se usan para representar algunos de los más representativos y diversos componentes de un  motor de combustión interna. La teoría da cuenta de los procesos termo-fluidodinámicos que acontecen en el motor y no así de los problemas estructurales del motor. Esto último será tratado posteriormente y por separado cuando se evalúe el tren cigüeñal-biela-pistón.

La interacción con la dinámica de las piezas de un motor será tratada cuando se evalúe el mecanismo del tren de válvulas.

De esta forma lo que se persigue es dar una respuesta un poco más precisa sobre el rendimiento térmico y volumétrico del motor, dejando los aspectos mecánicos por el momento de lado.

De acuerdo al grado de detalle en la aproximación del mismo podemos distinguir las siguientes clases de modelos:

·        Modelos cero-dimensionales (0D): son modelos que se obtienen luego de realizar un promedio del componente en todas las dimensiones espaciales. Para fijar ideas, un cilindro que tiene una geometría 3D aproximadamente cilíndrica, se sintetiza en un simple punto en el espacio y lo que se busca es seguir su evolución temporal. Un ejemplo que sirve para fijar ideas, si bien la temperatura es una función de la posición y del tiempo, lo que el modelo encuentra es un valor medio en todo el espacio que puede variar en el tiempo.

·        Modelos uni-dimensionales (1D): son modelos donde el promediado se realiza en todas aquellas dimensiones de espacio menos representativas, por ejemplo, si uno quiere representar el movimiento de la ondas de presión en un múltiple podemos quedarnos con la dimensión longitudinal del tubo, con lo cual la presión sería una función de esa dimensión espacial y del tiempo. Esto permite construir una onda de presión y ver su evolución temporal.

·        Modelos multi-dimensionales (CFD-3D): son modelos donde no se realiza ningún promediado espacial por lo que las variables son función de la posición y del tiempo. Si bien este tipo de modelos es el más realista también es el más demandante de recursos computacionales para poder ser implementado.

HISTORIA DE LA EVOLUCION DEL SIMULADOR (SIM1D)

Cronológicamente el simulador nació en 1997 para ser aplicado a motores monocilíndricos (http://www.cimne.upc.es/tiendaCIMNE/productoscon.asp?id_prod=850).

Luego se lo extendió a motores pluricilíndricos en el año 2000 (http://www.fceia.unr.edu.ar/secyt/rt/2003/rtid12_03.pdf ) dando origen a un trabajo final de grado del Ing. Juan Pablo Alianak y del Sr. Juan Tofoni en el cual se presentan dos buenos ejemplos donde se muestra su capacidad para asistir al diseño de motores de combustión interna.

A partir del 2001 sufrió algunas actualizaciones en sus versiones hasta la actual que se encuentra disponible sim1d_v4.exe y su manual con ejemplos Manual-Sim1D.zip.

El simulador también fue utilizado como parte de un software del tipo CFD-3D en el cual aporta condiciones de contorno dinámicas para el análisis detallado de un parte del motor. El documento (KIVA-SIM1D.PDF) muestra una aplicación donde se diseño una toma de aire para un motor, donde la toma de aire fue resuelta en forma 3D con el software Kiva-3V y el resto del motor lo resolvió nuestro simulador (SIM1D). De esta forma es posible alimentar al modelo 3D de condiciones de contorno más realistas que a priori son desconocidas y que dependen de las variables de diseño y operación de un motor.

Durante el año 2003 se desarrolló una extensión del simulador para incorporar un modelo más detallado del proceso de combustión. Se incluyó un modelo multizonal para motores de carga homogénea el cual permite predecir no solamente la duración de la combustión sino también cuantificar el índice de emisiones que emanan del escape.

El trabajo SIM1D_Combustion_paper.pdf muestra detalles del modelo matemático y resultados sobre su uso. El archivo SIM1D_Combustion_presentacion.zip muestra una presentación donde hay más detalles acerca de la implementación computacional del modelo.

Durante el año 2005 se trabajó en incorporar un modelo de tumble y de turbulencia al modelo del cilindro. Detalles del mismo se pueden ver en el archivo SIM1D_Tumble.pdf.

En la actualidad el simulador (SIM1D) está siendo actualizado para interactuar con un software desarrollado en el CIMEC, denominado PetscFem (http://www.cimec.org.ar/petscfem ) que cuenta con facilidades de cálculo paralelo.

OTRAS FORMAS DE MODELIZAR MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

En otra línea de investigación se han desarrollado modelos para motores basados en la técnica de diagramas de enlaces (del inglés Bond Graphs).

En Engine_Bond_Graph.zip se muestra el resumen de la presentación del proyecto final de grado del Ing. Mariano Acuña al Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nacional de Rosario. En este se muestra la capacidad de la técnica para simular los procesos dinámicos que ocurren en un motor Diesel cuando se varía la carga y como se puede incorporar al modelo una estrategia de control y evaluarla virtualmente a los fines de su diseño.

CFD-3D EN CAMARAS DE COMBUSTION DE MOTORES A EXPLOSION

Otra línea de investigación que se está llevando a cabo entre la Cátedra de Motores de la especialidad Ingeniería del Automóvil de la Universidad Nacional de Rosario y el Centro Internacional de Métodos Computacionales en Ingeniería (CIMEC-INTEC-CONICET) está relacionada al movimiento de la carga de un motor dentro de su cámara de combustión.

En CFD-Engine-Ramajo.pdf y en CFD-Engine-Ramajo-presentacion.zip se presentan detalles de un trabajo que intenta reproducir virtualmente el movimiento de tumble en cámaras de combustión de motores de 4 válvulas por cilindro, en la actualidad ampliamente difundidos. Este trabajo forma parte de un proyecto en el cual se intenta simular la preparación de la carga para la combustión, buscando lograr el nivel de turbulencia necesario como para lograr velocidades de avance del frente de llama acorde a los altos regímenes de giro de los motores de alta performance existentes en al actualidad.

En Tesis_Ramajo.pdf puede ser descargada la tesis del Dr. Damian Ramajo titulada ‘Simulación computacional de los procesos fluido dinámicos en el interior de motores de combustión interna’  presentada como parte de los requisitos de la Facultad de Ingeniería y Cs. Hídricas de la Universidad Nacional del Litoral para acceder al grado de Doctor en Ingeniería Mención en Mecánica Computacional. En tesis.ppt y videos.zip puede descargarse la presentación y los videos de dicha tesis.

La complejidad de simular los movimientos de la carga fresca en el interior de una cámara de combustión no terminan en hacer una simulación CFD-3D Standard, existentes varios fenómenos asociados a tener en cuenta. Es un típico problema de una rama que esta cada vez tomando más auge denominada multifísica computacional en la cual varios fenómenos físicos de diversa índole interactúan entre sí. En el caso de motores a inyección existente por un lado un flujo turbulento que arrastra la carga, sea homogénea o estratificada. El primer caso es el típico de motores a inyección monopunto o multipunto mientras que el último caso se da para inyección directa tanto en motores Diesel como en motores encendidos por chispa. En este último caso hay varias fases presentes, por un lado la fase gaseosa típica de los motores (al menos aire) y una fase líquida que representa el combustible. Esta fase líquida a su vez se atomiza y se vaporiza en el interior del cilindro con lo cual se produce un cambio de fase de líquido a vapor. Por otro lado la mezcla es reactiva, es decir que en determinadas condiciones de presión, temperatura y concentración de combustible y oxidante se produce una reacción química que produce productos. Este flujo turbulento, multifásico y reactivo es un caso típico donde para su simulación se requiere de la multifísica computacional. Pero no todo termina allí, la geometría que forma la cámara de combustión, limitada por el cielo de la tapa, el cilindro, las válvulas de admisión y escape y el pistón se están moviendo, con lo cual se torna variable. Esto hace que los métodos computacionales requieran de técnicas que tengan en cuenta este movimiento.

El trabajo CFD-ALE-Engine-Viale.pdf originado para el trabajo final de grado del Ing. Martín Viale durante 2000 se muestran los primeros intentos de modelar problemas de CFD-3D con geometría variable usando una técnica ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) en la cual la malla de elementos finitos se mueve con una velocidad arbitraria, que no es la del fluido en sí (hipótesis Lagrangeana) sino más bien siguiendo el desplazamiento del contorno con alguna técnica que sea lo suficientemente robusta para no tener problemas de inversión de elementos por el propio movimiento de la malla. Esta área de trabajo se la denomina CMD (Computacional Mesh Dynamics) y es vital para todos los problemas de interacción fluido-estructura.

En esta línea se continuó trabajando probando diversas formas de mover la malla. En el capítulo 6 del proyecto final del Ing Martín Viale CMD_Chap6_Viale_proyecto.pdf se muestran diversas técnicas disponibles en la literatura específica que fueron probadas para evaluar su adaptación al uso en flujometría dinámica de motores.

Buscando mejorar la robustez de la mayoría de los métodos disponibles (resortes lineales, de torsión, resortes cilíndricos, suavizamiento de coordenadas y velocidades, elasticidad lineal) se generó un proyecto de tesis doctoral del Ing. Ezequiel López en el cual parte de su trabajo consiste en desarrollar mejores formas de mover la malla. En el trabajo CMD-IJNME-Lopez.pdf se muestra una estrategia basada en optimizar globalmente la calidad de la malla generada la cual ha mostrado ser de suma utilidad ante situaciones (ejemplos) muy severos, y además muy apta para uno de nuestros objetivos que es la flujometría dinámica de motores.

FLUJOMETRIA DINAMICA DE MOTORES

Esta línea temática tiene un gran interés ya que permite visualizar lo que ocurre internamente en la cámara de combustión cuando el motor funciona en operación normal. Esto sirve como herramienta adicional al tradicional flujómetro que trabaja en forma estática caracterizando el flujo a través de la tapa ante situaciones en que las válvulas están fijas en posiciones determinadas (barriendo su alzada) y sin la presencia del pistón. De esta forma se puede contar con mayor información para diagnosticar la performance de un motor.

El trabajo Flujometria-dinamica-Lopez.pdf nos muestra resultados preliminares obtenidos con las herramientas desarrolladas en CFD () para reproducir una flujometría dinámica. El trabajo CFD-Engine-Ramajo.pdf también contiene resultados de flujometría dinámica obtenidos con el software comercial CFX y en la actualidad se está trabajando en comparar los resultados obtenidos con ambos programas.

Por último se reporta un trabajo que está realizando el Ing. Zanotti sobre la flujometría de la tapa de un motor Honda Civic (CFD-Honda-Zanotti.pdf)