Simulación por volúmenes finitos de un motor de combustión interna de cuatro tiempos mediante una estrategia Lagrangiana-Euleriana

Abstract

Los motores de combustión interna (MCI) están sufriendo un proceso de transformación debido a diferentes normativas que imponen límites sobre sus emisiones contaminantes. Dentro de este contexto, se están investigando nuevas estrategias de funcionamiento con el fin de aumentar su rendimiento térmico y optimizar el proceso de combustión. En esta línea, la mecánica de fluidos computacional ocupa un papel central como herramienta de desarrollo, diseño y evaluación de nuevas propuestas. En particular, la simulación computacional de los MCI involucra resolver flujo compresible, inyección de combustible y combustión de forma combinada. Además, los problemas se desarrollan dentro de un contexto de dominio variable lo que obliga al uso de técnicas de malla dinámica. Atendiendo a esta problemática, este trabajo presenta una herramienta integral para la simulación de motores de combustión interna la cual se implementó bajo una arquitectura de cómputo en paralelo con el fin de lograr simulaciones de varios ciclos de funcionamiento en tiempos de cómputo reducidos. La discretización de las ecuaciones de gobierno se realiza por el Método de los Volúmenes Finitos utilizando interfaces no conformes y remallado local para resolver el carácter transitorio del dominio. Por otro lado, se adopta una estrategia Euleriana-Lagrangiana para modelar la fase gaseosa del aire y la fase líquida del combustible respectivamente. Finalmente la combustión se resuelve por medio de un modelo basado en la Densidad de Superficie de Llama adoptando la hipótesis de “flamelets” (frente de llama delgado). Las herramientas computacionales se validan a través de resultados experimentales en un motor de Otto de cuatro tiempos. Para concluir, se presentan los resultados evaluando la evolución temporal de las principales variables y se concluye sobre la capacidades de la herramienta computacional, tanto en su exactitud como en su eficiencia computacional.