4. Descripción de los datos de entrada

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1 4. Descripción de los datos de entrada Para realizar la simulación, Mérimée necesita una cantidad importante de datos. Estos datos pueden ser de varios tipos (Figura 4.1): Datos técnicos del motor, sistemas periféricos y carburante. Condiciones de funcionamiento del motor. Condiciones climáticas. Modelos de algunos fenómenos físicos empleados para hacer la simulación. Parámetros matemáticos necesarios para la resolución numérica. 4.1 Datos técnicos Figura 4.1 : Datos de entrada Por su importancia, se desarrollan a continuación los datos relativos a los elementos siguientes: Motor Combustible Sistema de admisión Sistema de escape Sistema de sobrealimentación Para la simulación del motor 18 PA6, no se ha utilizado, por simplificación, sistema de refrigeración del motor. Mérimée ofrece la posibilidad de introducirlo PROYECTO FIN DE CARRERA. DANIEL MORALES MUÑOZ DICIEMBRE

2 en la simulación, así como otros sistemas de los que carece el motor de estudio Motor El motor es el elemento principal de la simulación, y sus parámetros están subdivididos en siete tipos: Parámetros geométricos Cilindros Reglajes de distribución Rango de funcionamiento Dinámica Características de la inyección Averías Parámetros geométricos Diámetro Carrera Relación biela manivela Relación de compresión Cilindros Configuración ( 1 banco en línea o 2 en V) Número de cilindros Desfase angular entre los cilindros. Puede ser regular o no. Depende de la configuración del cigüeñal. Reglajes de distribución Los parámetros que caracterizan el funcionamiento de las válvulas son idénticos para la admisión y el escape. Estos son: Avance a la apertura (admisión y escape) Retraso al cierre (admisión y escape) Sección de paso. Esta puede ser obtenida de 2 maneras diferentes: o Medida. La sección es definida en función del ángulo del cigüeñal. o Calculada. Mérimée puede calcular la sección de paso en función de los parámetros siguientes: Número de válvulas Levantamiento máximo Diámetro interior Ángulo de asiento Diámetro exterior Coeficiente de descarga (en función del levantamiento) PROYECTO FIN DE CARRERA. DANIEL MORALES MUÑOZ DICIEMBRE

3 Levantamiento en función del ángulo del cigüeñal. Este puede ser introducido o calculado por Mérimée a partir de los reglajes de distribución y el levantamiento máximo. Rango de funcionamiento Régimen nominal Régimen mínimo Régimen máximo Par mínimo Par máximo Dinámica Figura 4.2 : Ventana de datos de las válvulas de admisión. Inercia. Esta es importante para estudiar el régimen transitorio. Para el régimen permanente, tan sólo tiene importancia en relación a la velocidad de convergencia del algoritmo numérico. Esta viene compuesta por: o La masa del pistón o La masa de la biela o Inercia del sistema, que puede ser global o detallada (motor, bomba de agua y bomba de aceite). Rendimiento de la combustión en función del exceso de aire. Retraso del volumen inyectado (retraso entre el volumen inyectado y la inyección real.) PROYECTO FIN DE CARRERA. DANIEL MORALES MUÑOZ DICIEMBRE

4 Retraso LDA (relacionado con la presión máxima de sobrealimentación) Características de la inyección Limitaciones. Existen ciertas limitaciones sobre el volumen de combustible inyectado, las cuales se expondrán a continuación. La primera es sobre el volumen máximo inyectado, y las otras son disminuciones del volumen inyectado en función de los diferentes parámetros. o LDA. Existe una limitación en función de la presión de sobrealimentación. Esta indica el gasto volumétrico inyectado máximo, en función de la relación de compresión de la sobrealimentación y el régimen motor. o Temperatura de los gases en el colector de escape. o Opacidad de los humos en el escape. o Gradiente de régimen motor Avance estático Offset Regulación. Si la inyección está regulada, podemos añadir un controlador PID. Curvas paramétricas. Tenemos que introducir cuatro curvas para caracterizar la inyección: o Volumen inyectado: Cantidad de combustible inyectado en función del régimen y la posición del acelerador. o AVI: Avance a la inyección en función de la velocidad de rotación y el volumen inyectado. o DUI: Duración de la inyección en función de la velocidad de rotación y el volumen inyectado. o Tasa de introducción de carburante. Esta depende del modelo de combustión empleado: Si se utiliza el modelo de la ECN, Mérimée calcula el perfil de inyección en función del perfil en el punto nominal, el número de agujeros del inyector y dos constantes experimentales. Si se utiliza alguno de los otros modelos de liberación de calor, como la ley de Wiebe, se introduce la curva adimensional del perfil de inyección (el gasto de combustible en función del ángulo). Averías. Mérimée incorpora además una base de datos con averías normales del motor, para simular el comportamiento con los distintos problemas. Las averías posibles son: Fallo en la inyección de un cilindro Pérdida en la válvula de escape en un cilindro Variación de la relación de compresión en un cilindro Variación del juego en las válvulas de todos los cilindros PROYECTO FIN DE CARRERA. DANIEL MORALES MUÑOZ DICIEMBRE

5 Retraso en la inyección de un cilindro Combustible Para caracterizar el combustible, tan solo necesitamos: Poder Calorífico Inferior (PCI) Volumen másico en función de la temperatura Sistema de admisión Para caracterizar el sistema de admisión, deberemos definir los siguientes datos en cada etapa: Características geométricas Pérdidas de carga Sistema de filtración Sistema de refrigeración del aire de sobrealimentación Téngase en cuenta que los sistemas sobrealimentados, tendrán varias etapas. Características geométricas Volumen del colector: Es el volumen interior de las tuberías entre los dos extremos. Sección de las tuberías: Es el diámetro hidráulico medio de la tubería. Pérdidas de carga Las pérdidas de carga de los colectores son calculadas en función del caudal de aire que las atraviesa. Para calcularlas, tenemos dos opciones: Extrapolación: Se realiza dicha extrapolación a partir de un caudal de referencia y una pérdida de carga para dicho caudal de referencia. Por cálculo directo. Mérimée puede calcular las pérdidas de carga en función de los datos siguientes: o Longitud de las tuberías (excluidos los codos) o Rugosidad de las tuberías o Número de codos (a 90º o asimilados) o Coeficiente global de pérdida de carga de tipo ensanchamiento brusco Sistema de filtración PROYECTO FIN DE CARRERA. DANIEL MORALES MUÑOZ DICIEMBRE

6 Tan solo se puede introducir un sistema de filtración en la primera etapa (en el caso de que haya varias). El sistema esta compuesto de distintos filtros, de los que hay dos tipos: Filtro dinámico: Está situado en la entrada Filtro estático: puede estar situado antes o después del primer compresor. Cada filtro viene definido por dos curvas: la eficacia y la pérdida de carga, ambas en función del caudal de aire. Sistema de refrigeración del aire de sobrealimentación Tendremos un equipo de refrigeración por cada etapa de sobrealimentación. Cada uno viene definido por los datos siguientes: Características: o Pérdidas de carga en función del caudal de aire o Temperatura de entrada del refrigerante o Modo de cálculo. Podemos elegir entre dos: Fijar la temperatura de salida del aire. Calcular la temperatura de salida del aire en función de la eficacia del sistema, que se introduce en función de los caudales de aire y refrigerante. Configuración del fluido refrigerante. Determina la relación que hay entre la refrigeración del aire y el radiador. Tenemos tres opciones: o En serie o En paralelo o Independientes En las dos primeras opciones, debemos introducir el coeficiente de repartición de gasto entre el radiador y el refrigerador de aire; mientras que si son independientes, el tipo y el caudal de refrigerante. El refrigerante viene caracterizado por su capacidad calorífica, su densidad y su viscosidad dinámica en función de la temperatura Sistema de escape Al igual que en el sistema de admisión, tenemos varias etapas en el escape para motores sobrealimentados. Por tanto, para cada etapa, debemos definir los elementos siguientes: Características geométricas Pérdidas de carga Sistema TRE (Turbina de Recuperación de Energía) Sistema de postratamiento de los gases Contrapresión en el escape PROYECTO FIN DE CARRERA. DANIEL MORALES MUÑOZ DICIEMBRE

7 Las características geométricas y las pérdidas de carga se modelan igual que en el caso del sistema de admisión Sistemas de sobrealimentación (Turbo compresor) Los sistemas de sobrealimentación pueden ser con una, dos o tres etapas de sobrealimentación. Para cada etapa, los elementos a caracterizar son: Periféricos Inercia Turbina Compresor Periféricos Los tres periféricos que se pueden simular, aunque no se empleen en esta simulación, son: By pass antibombeo Purga Válvula Waste Gate Inercia Es el valor de la inercia del turbo compresor. Este parámetro es importante para la simulación en régimen transitorio, pero en el caso que estudiamos, el régimen permanente, este parámetro tan solo afecta a la velocidad de convergencia del algoritmo. Turbina El constructor de las turbinas proporciona los ábacos que permiten obtener el gasto másico y el rendimiento en función de la velocidad de rotación y de la relación de expansión. Se accede entonces a estos valores efectuando una interpolación bilinear, donde la velocidad de rotación viene dada por el compresor y la relación de expansión es calculada considerando los volúmenes de control a ambos lados de la turbina. Las curvas que utilizamos por tanto del constructor son: Caudal = f(tasa de expansión, régimen) Rendimiento = f(relación de expansión y régimen) Estas curvas vienen corregidas a una presión y una temperatura de referencia, a través de las cuales, podemos obtener los valores reales: PROYECTO FIN DE CARRERA. DANIEL MORALES MUÑOZ DICIEMBRE

8 Q corr Q real P P real ref T T real ref Los valores de referencia corresponden a los obtenidos mediante los ensayos de determinación de campos. Las características a introducir, son por tanto, las siguientes: Rendimiento mecánico de la relación entre turbina y compresor Curva del caudal en función de la relación de expansión y el régimen Curva del rendimiento en función de la relación de expansión y el régimen Temperatura de referencia Presión de referencia Compresor Caracterizaremos el compresor por sus características de funcionamiento, que son: Campo del compresor Temperatura de referencia Presión de referencia Relación entre la sección y la longitud del elemento inercial Los parámetros que caracterizan el campo del compresor son el régimen, el gasto, la relación de compresión y el rendimiento. Para una mejor resolución numérica, los parámetros de entrada son el régimen del turbocompresor y el gasto. El elemento inercia agrupa la inercia del fluido contenido en: la voluta del compresor, las tuberías que unen el compresor y el colector y una parte del fluido en el colector de admisión. El fenómeno de vaciado llenado (método de resolución numérico) en el colector de admisión conduce a una oscilación de la presión en este colector. Esta fluctuación engendra variaciones en el gasto del compresor. La inercia del fluido contenida en el elemento inercial se va a oponer a esta fluctuación e impedir las variaciones demasiado grandes en el gasto, según la ecuación diferencial siguiente, cuya integración nos da el gasto instantáneo en el compresor: dqc dt SLC ( Pc Pcolad) donde Qc es el gasto másico del compresor (kg/s) SLC es la relación sección /longitud del elemento inercial (m) PROYECTO FIN DE CARRERA. DANIEL MORALES MUÑOZ DICIEMBRE

9 Pc es la presión de salida del compresor (Pa) Pcolad es la presión en el colector de admisión (Pa) Cuanto más pequeño sea SLC, más acusados serán los efectos de inercia. 4.2 Condiciones del funcionamiento del motor En general, para estudiar el régimen permanente, las condiciones de funcionamiento del motor son la posición del acelerador y la velocidad de rotación. 4.3 Condiciones climáticas Estas vienen definidas por la tasa de partículas, la presión y la temperatura ambientes. Estas dos últimas pueden ser obtenidas en función de la altitud, introduciendo una ley atmosférica y la altitud correspondiente. 4.4 Modelos físicos Mérimée permite elegir entre varios modelos distintos para caracterizar los siguientes fenómenos físicos: Combustión, pérdidas mecánicas, emisión de contaminantes y transferencia de calor en las paredes. A continuación se exponen los distintos modelos, donde se ha subrayado el propuesto por Mérimée: Combustión: Ley de Wiebe Ley de Whitehouse & White Ley ECN Ley de Wiebe directa Ley de Wiebe parametrizada Pérdidas mecánicas: Chen y Flynn Rendimiento mecánico fijado Chen y Flynn parametrizado Millington y Hartles Recta de Williams Emisión de contaminantes: Por extrapolación (hay que introducir la tasa de generación de NOx, CO, HC y partículas en g/kw*h). Modelo de 2 zonas Transferencia de calor en las paredes (hay que introducir también la temperatura de las paredes como hipótesis. El programa recomienda 250ºC): PROYECTO FIN DE CARRERA. DANIEL MORALES MUÑOZ DICIEMBRE

10 Woschni Eichelberg Annand 4.5 Parámetros matemáticos Los parámetros matemáticos para la resolución numérica más importantes son: El paso de cálculo, que puede ser fijo o variable. Este puede variar entre 0.01 y s. Como el método empleado es iterativo, hay que introducir el número de iteraciones a realizar. PROYECTO FIN DE CARRERA. DANIEL MORALES MUÑOZ DICIEMBRE