Simulación de la inyección directa de combustible en motores de combustión interna

Abstract

Los motores de combustión interna ocupan un papel central en la matriz energética mundial significando más de la mitad del consumo total de recursos fósiles a nivel mundial. Dentro de este contexto, es primordial incrementar los esfuerzos en investigación para el desarrollo de nuevas tecnologías que busquen aumentar la eficiencia de los motores y así reducir las emisiones contaminantes. En este escenario, esta tesis presenta técnicas de simulación computacional de motores de combustión interna que tienen como objetivo posibilitar simulaciones de ciclo completo en tiempos de cálculo reducidos. Se proponen modelos diseñados para funcionar en arquitecturas de cómputo en paralelo y se conciben bajo la premisa de alta escalabilidad y eficiencia computacional. En detalle, se estudian diferentes técnicas de mallas dinámicas profundizando sobre el estudio de interfaces no conformes y cambios topológicos para abordar la interacción entre las partes móviles del motor y las grandes deformaciones volumétricas del cilindro respectivamente. Atendiendo a las características de estos modelos de malla dinámica se diseña un estrategia Lagrangiana de seguimiento de partículas para simular la fase líquida de combustible. Para representar la atomización de combustible se implementa un modelo híbrido de atomización estudiando la sensibilidad a sus parámetros y validando los resultados con datos experimentales. Los desarrollos de malla dinámica e inyección de combustible se aplican en la simulación de un motor de pistones opuestos de desarrollo regional evaluando la robustez y eficiencia computacional de los métodos desarrollados en un estudio paramétrico del proceso de inyección de combustible.

Internal combustion engines have an essential influence in the global energy matrix since they represent more than half of the global consumption of fossil fuels. In this context, research efforts for new technologies must be done in order to improve engine efficiency and reduce pollutant emissions. In view of this, this thesis present simulation techniques for internal combustion engines which are conceived to perform whole-cycle simulations in reduced computational times. The models are designed to work with parallel computational architectures aiming to achieve high scalability and computational performance. In detail, several dynamic mesh techniques are studied focusing on non-conformal interfaces and topological mesh changes. These new developments are conceived to handle the interaction between the engine moving parts and to manage the great domain deformations of the cylinder region. In concordance with the features of the dynamic mesh techniques, a Lagrangian strategy for particle tracking is designed to simulate the liquid phase regarding fuel injection. For the liquid atomization, a hybrid model is implemented and a sensitivity study of its parameters is performed to validate the model with experimental data. The new developments are applied over an opposite piston engine which is being developed in the region. The stability and computational performance of the new numerical methods are evaluated studying the numerical influence of some injection parameters on the opposite piston engine performance.