TEMA 18


                       MODELADO DE MCIA




MOTORES ALTERNATIVOS                 TEMA 18: MODELADO DE MCIA   1/38
Objetivos


  Resaltar la importancia del modelado en la metodología de
   investigación de los MCIA
  Destacar las vent...
Contenido



      2.   Metodología de investigación
      3.   Modelado
      4.   Clasificación de los modelos
      5. ...
1. Metodología de la investigación
   Investigación en MCIA
    Proceso interactivo entre medidas experimentales y estudi...
1. Metodología de la investigación (cont.)
  Teoría vs. experimentación

              TEORIA                       EXPER...
1. Metodología de la investigación (cont.)
   Los modelos son:
       Rápidos y más económicos que los experimentos
    ...
2. Modelado
    Es una herramienta esencial en I+D
    50% del proceso de diseño y puesta a punto de un nuevo
     motor...
2. Modelado (cont.)
   Características de los modelos

        Definidos por ecuaciones físicas

        Hipótesis simp...
2. Modelado (cont.)
   Proceso de modelado




MOTORES ALTERNATIVOS      TEMA 18: MODELADO DE MCIA   9/38
2. Modelado (cont.)
   Diferencias entre modelado y simulación:
        Modelado: basado en ecuaciones conservativas gen...
3. Clasificación de los modelos
  Según el objetivo:
       Modelos predictivos: calculan la respuesta de un sistema ant...
3. Clasificación de los modelos (cont.)
   Según la dependencia con el tiempo:
        Modelos estacionarios: solución i...
4. Modelos predictivos
   Modelos cuasi- estacionarios de renovación de la carga:
        0-dimensionales
        Cuasi...
4. Modelos predictivos (cont.)
   Modelos de llenado-vaciado de renovación de la carga:
       Cuasi-dimensionales: los ...
4. Modelos predictivos (cont.)
  Ejemplo de modelo de llenado-vaciado:




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4. Modelos predictivos (cont.)
   Modelos de acción de ondas de renovación de la carga:
       Unidimensionales (la dime...
4. Modelos predictivos (cont.)
  Ejemplo de modelo de acción de ondas:
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   Resultados de modelo de acción de ondas:
       Motor 4 cilindros 2l en arrastre

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    Modelos 0-dimensionales (o termodinámicos) del proceso en el
     cilindro:
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    Modelos cuasi-dimensionales (o fenomenológicos) del proceso
     en el cilindro :
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4. Modelos predictivos (cont.)
   Ejemplo de modelo cuasi-dimensional de combustión:
    ACT (Apparent Combustion Time)
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4. Modelos predictivos (cont.)
   Ejemplo de modelo cuasi-dimensional de combustión:
    ACT (cont.)




MOTORES ALTERNAT...
4. Modelos predictivos (cont.)
   Ejemplo resultados de ACT:




                                 dFQL [-]
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4. Modelos predictivos (cont.)
   Modelos unidimensionales del sistema de inyección:
        Las características del mod...
4. Modelos predictivos (cont.)
   Ejemplo de modelo unidimensional del sistema de inyección:




MOTORES ALTERNATIVOS    ...
4. Modelos predictivos (cont.)
   Resultados del modelo unidimensional del sistema de
    inyección:
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    Modelos multidimensionales:
       Según sus hipótesis son más o menos complejos:
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    Modelos multidimensionales (cont.):
         La precisión de los resultados depende d...
4. Modelos predictivos (cont.)
  Ejemplo de modelado 3D del movimiento del aire en un motor 2T:
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4. Modelos predictivos (cont.)
  Ejemplo de modelado 3D del chorro (con 2 modelos de
   atomización):
        Velocidad [...
5. Modelos de diagnóstico
  Basados en la medida experimental de alguna señal instantánea:
      Presión
      Velocida...
5. Modelos de diagnóstico (cont.)
   Ejemplos:
       Detección de funcionamientos anómalos del motor por medida de las
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5. Modelos de diagnóstico (cont.)
  Modelo de diagnóstico de la combustión a partir de la presión
   CALMEC:
       0-di...
5. Modelos de diagnóstico (cont.)
  Modelo de diagnóstico de la combustión a partir de la presión
   CALMEC (cont.):
    ...
5. Modelos de diagnóstico (cont.)
  Ejemplo resultados medios de CALMEC:




MOTORES ALTERNATIVOS                TEMA 18:...
5. Modelos de diagnóstico (cont.)
  Ejemplo resultados instantáneos de CALMEC:




MOTORES ALTERNATIVOS                 T...
Resumen
    La mejor metodología de investigación de MCIA emplea una
     combinación equilibrada de medidas experimental...
Bibliografía

      − Internal Combustion Engine Fundamentals.
         J.B. Heywood, McGraw-Hill, 1988.

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    1. 1. TEMA 18 MODELADO DE MCIA MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 1/38
    2. 2. Objetivos  Resaltar la importancia del modelado en la metodología de investigación de los MCIA  Destacar las ventajas e inconvenientes más importantes del modelado  Dar a conocer los diferentes criterios de clasificación de los modelos  Describir algunos de los modelos más utilizados para el estudio de los MCIA MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 2/38
    3. 3. Contenido 2. Metodología de investigación 3. Modelado 4. Clasificación de los modelos 5. Modelos predictivos 6. Modelos de diagnóstico MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 3/38
    4. 4. 1. Metodología de la investigación  Investigación en MCIA Proceso interactivo entre medidas experimentales y estudios teóricos para poder obtener resultados relevantes: Instrumentación y equipamiento Herramientas computacionales sofisticado basadas en el análisis de procesos físicos complejos MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 4/38
    5. 5. 1. Metodología de la investigación (cont.)  Teoría vs. experimentación TEORIA EXPERIMENTACIÓN Visión condicionada de la realidad Leyes generales Dependiente del instrumento Explicación de fenómenos Sujeta a errores de medida MODELOS Implementación de la teoría Simplificación de los fenómenos observados Orientación de la experimentación Extrapolación de resultados experimentales MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 5/38
    6. 6. 1. Metodología de la investigación (cont.)  Los modelos son:  Rápidos y más económicos que los experimentos  Pero utilizan hipótesis simplificadoras Requieren una validación experimental  La información experimental es:  Más próxima a la realidad  Pero, los ensayos son lentos, laboriosos y no dan información de algunas variables fundamentales, imposibles o muy difíciles de medir Los modelos son necesarios  El mejor proceso minimiza los inconvenientes y optimiza las ventajas de ambos sistemas MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 6/38
    7. 7. 2. Modelado  Es una herramienta esencial en I+D  50% del proceso de diseño y puesta a punto de un nuevo motor se hace en la actualidad con modelado  La selección y uso de un modelo físico-matemático en MCIA depende del fenómeno a resolver y de los recursos computacionales  Aplicaciones  Prediseño de elementos: proceso iterativo  Conocimiento más completo de los procesos: • Determinar variables difíciles o imposibles de medir • Identificar las variables que controlan un proceso • Proporcionar criterios de diseño  Predicción del comportamiento global de un motor • Regulación automática y control ‘on-line’ del motor MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 7/38
    8. 8. 2. Modelado (cont.)  Características de los modelos  Definidos por ecuaciones físicas  Hipótesis simplificadoras  Deben ser robustos  Es deseable que sean amigables y fáciles de uso  Equilibrados: la precisión global depende de la hipótesis más débil MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 8/38
    9. 9. 2. Modelado (cont.)  Proceso de modelado MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 9/38
    10. 10. 2. Modelado (cont.)  Diferencias entre modelado y simulación:  Modelado: basado en ecuaciones conservativas generales con un mayor o menor número de hipótesis simplificadoras  Simulación: • Uso de una caja negra o función de transferencia • Basado en ecuaciones semi-empíricas  Inconvenientes de la simulación:  No hay información de lo que sucede dentro del sistema  Sólo se puede aplicar a fenómenos previamente estudiados  No es generalizable, ni permite extrapolar más allá de las variables estudiadas  Ventajas de la simulación:  Permite caracterizar procesos desconocidos  Permite interpolar entre las variables estudiadas MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 10/38
    11. 11. 3. Clasificación de los modelos  Según el objetivo:  Modelos predictivos: calculan la respuesta de un sistema ante una excitación  Modelos de diagnóstico: calculan características de los procesos de un sistema con la información experimental del mismo  Según la resolución espacial:  Modelos 0-dimensionales: se resuelve sin evolución espacial: ej. p(t), v(t)  Modelos cuasi-dimensionales: se resuelve sin evolución espacial, y de manera independiente se añade una dimensión  Modelos unidimensionales: ej. flujo en un conducto  Modelos multidimensionales MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 11/38
    12. 12. 3. Clasificación de los modelos (cont.)  Según la dependencia con el tiempo:  Modelos estacionarios: solución independiente del tiempo  Modelos cuasi-estacionarios: resuelven un caso transitorio como si fuera una solución independiente del tiempo, fijando esta variable.  Modelos no estacionarios: la resolución se hace teniendo en cuenta directamente la variación temporal de todas las variables.  Según las zonas:  Modelos de 1 zona  Modelos de 2 zonas  Modelos multizona  Según el proceso:  Renovación de la carga  Movimiento del aire en el cilindro  Inyección-combustión  Etc. MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 12/38
    13. 13. 4. Modelos predictivos  Modelos cuasi- estacionarios de renovación de la carga:  0-dimensionales  Cuasi-estacionarios  Incapaces de acumular masa  Modelos sencillos (ecuaciones algebraicas)  Necesitan numerosos datos experimentales (poco predictivos)  Muy usados para modelar singularidades en modelos más complejos: •Ejemplos: flujo en válvulas, mapa turbina-compresor MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 13/38
    14. 14. 4. Modelos predictivos (cont.)  Modelos de llenado-vaciado de renovación de la carga:  Cuasi-dimensionales: los elementos del sistema se modelan como depósitos  Cuasi-estacionarios  Pueden acumular masa, pero sin efectos dinámicos  Ecuaciones de estado y de conservación de masa y energía p, T y ρ  Aunque requieren algunos datos experimentales (básicamente condiciones de contorno) tienen buena capacidad predictiva  Usados para motores sobrealimentados de bajo régimen de giro en cálculos transitorios  Usados para modelar el cilindro del motor en modelos más complejos (WAM) MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 14/38
    15. 15. 4. Modelos predictivos (cont.)  Ejemplo de modelo de llenado-vaciado: C1 Condiciones de Volumen de contorno en el Condiciones de escape 1 contorno en la escape admisión C2 Volumen Volumen de de escape 2 Restricción1 admisión C3 Restricción2 Restricción3 C4 Válvulas de admisión Válvulas de escape MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 15/38
    16. 16. 4. Modelos predictivos (cont.)  Modelos de acción de ondas de renovación de la carga:  Unidimensionales (la dimensión característica es la longitud de los elementos)  No estacionarios (aunque las condiciones de contorno son cuasi- estacionarias)  Flujo compresible  Habitualmente no-difusivos  Pueden ser reactivos (si se incluye transporte de especies)  Ecuaciones de estado y de conservación de masa, energía y cantidad de movimiento p, T, ρ y v  Requieren algunos datos experimentales (condiciones de contorno y caracterización dimensional precisa) pero son muy predictivos  Relativamente lentos pero precisos  Usados para cálculo global del motor y predicción de ruido MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 16/38
    17. 17. 4. Modelos predictivos (cont.)  Ejemplo de modelo de acción de ondas: Elementos unidimensionales Volúmenes (0-dimensionales) Restricciones (coeficientes de descarga o pérdidas de carga) MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 17/38
    18. 18. 4. Modelos predictivos (cont.)  Resultados de modelo de acción de ondas:  Motor 4 cilindros 2l en arrastre Presión en el colector de escape Presión en el cilindro 1500 rpm 1500 rpm 2500 rpm 2500 rpm MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 18/38
    19. 19. 4. Modelos predictivos (cont.)  Modelos 0-dimensionales (o termodinámicos) del proceso en el cilindro:  No estacionarios  Resuelven en el tiempo las ecuaciones integradas en el volumen de control  Ecuaciones de estado y de conservación de masa (y especies) y energía p, T, ρ (y composición) uniformes en el volumen de control  Una o más zonas. Usualmente: •MEC DI: una zona •MEP: dos zonas  Incorporan otros submodelos más o menos complejos para fenómenos como la transmisión de calor o la liberación de calor  Ejemplo: modelado de ciclos termodinámicos mediante la imposición de la ley de quemado (SICICLO) MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 19/38
    20. 20. 4. Modelos predictivos (cont.)  Modelos cuasi-dimensionales (o fenomenológicos) del proceso en el cilindro :  Consideran los fenómenos individuales que tienen lugar en el cilindro  No estacionarios  Pueden tener en cuenta cierta distribución espacial de las propiedades termofluidodinámicas: •Modelos de 2 zonas •Modelos multizonas  Suelen emplear ecuaciones simplificadas, relaciones empíricas o semi-empíricas para caracterizar los procesos  Ejemplo: modelos de chorro inerte o reactivo (DIES, ACT) MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 20/38
    21. 21. 4. Modelos predictivos (cont.)  Ejemplo de modelo cuasi-dimensional de combustión: ACT (Apparent Combustion Time)  Fenómenos considerados: •Englobamiento del aire por el chorro •Tiempo de retraso •Combustión por premezcla •Combustión por difusión •Formación de especies contaminantes  Distribución espacial: el combustible es discretizado y se consideran 5 trayectorias en el chorro (5 tasas de mezcla diferentes)  Ecuaciones sencillas para caracterizar los fenómenos considerados MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 21/38
    22. 22. 4. Modelos predictivos (cont.)  Ejemplo de modelo cuasi-dimensional de combustión: ACT (cont.) MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 22/38
    23. 23. 4. Modelos predictivos (cont.)  Ejemplo resultados de ACT: dFQL [-] dFQL [-] dFQL [-] dFQL [-] MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 23/38
    24. 24. 4. Modelos predictivos (cont.)  Modelos unidimensionales del sistema de inyección:  Las características del modelado fluido-dinámico son las mismas que en los modelos de acción de ondas de renovación de la carga, excepto que el fluido es incompresible  Incorporan elementos electromecánicos en el modelado  Requieren una caracterización dimensional muy detallada de cada elemento (moldes de silicona, empleo de microscopio…)  Requieren la caracterización funcional de los elementos electromecánicos MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 24/38
    25. 25. 4. Modelos predictivos (cont.)  Ejemplo de modelo unidimensional del sistema de inyección: MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 25/38
    26. 26. 4. Modelos predictivos (cont.)  Resultados del modelo unidimensional del sistema de inyección: 40 40 T a u x d 'in t r o d u c t io n [ g /s ] T a u x d 'in t r o d u c t io n [ g /s ] 35 35 30 300 bar 30 800 bar 25 25 20 20 15 15 10 10 5 5 0 0 5 .0 E -0 0 3 6 .0 E -0 0 3 7 .0 E -0 0 3 8 .0 E -0 0 3 9 .0 E -0 0 3 1 .0 E -0 0 2 5 .0 E -0 0 3 6 .0 E -0 0 3 7 .0 E -0 0 3 8 .0 E -0 0 3 9 .0 E -0 0 3 1 .0 E -0 0 2 T e m p s [m s ] T e m p s [m s ] 40 T a u x d 'in t r o d u c t io n [ g /s ] 1350 bar 35 0.25 ms 0.5 ms 1ms 2ms 4ms 30 25 20 E x p e r im e n ta l 15 10 Modelado M o d è le 5 0 5 .0 E -0 0 3 6 .0 E -0 0 3 7 .0 E -0 0 3 8 .0 E -0 0 3 9 .0 E -0 0 3 1 .0 E -0 0 2 T e m p s [m s ] MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 26/38
    27. 27. 4. Modelos predictivos (cont.)  Modelos multidimensionales:  Según sus hipótesis son más o menos complejos: •2D / 3D •Estacionario / no estacionario •Compresible / no compresible •Viscoso / no viscoso •Laminar / turbulento •Reactivo / no reactivo  Requieren dividir la geometría del sistema en mallas Importancia de la generación de la malla  Resuelven las ecuaciones generales conservativas en cada malla o volumen en cada instante  Suelen requerir tiempos de cálculo largos y recursos importantes CFD (Computational Fluid Dynamics) MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 27/38
    28. 28. 4. Modelos predictivos (cont.)  Modelos multidimensionales (cont.):  La precisión de los resultados depende de: • La fineza de la malla • La discretización espacial y temporal utilizadas en los esquemas de resolución  Permiten analizar la estructura del flujo en entornos 3D muy complejos  Se utilizan para el prediseño o la investigación en caso en que los ensayos no dan suficiente información MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 28/38
    29. 29. 4. Modelos predictivos (cont.)  Ejemplo de modelado 3D del movimiento del aire en un motor 2T: (Video) Fracción másica de mezcla fresca MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 29/38
    30. 30. 4. Modelos predictivos (cont.)  Ejemplo de modelado 3D del chorro (con 2 modelos de atomización): Velocidad [m/s] MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 30/38
    31. 31. 5. Modelos de diagnóstico  Basados en la medida experimental de alguna señal instantánea:  Presión  Velocidad del motor, turbo, etc.  Vibraciones  Esquema: MOTOR Señal experimental MODELO Caracterización DE del fenómeno DIAGNÓSTICO Fenómeno a estudiar “Interpretación” de la señal Medida Análisis teórico experimental MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 31/38
    32. 32. 5. Modelos de diagnóstico (cont.)  Ejemplos:  Detección de funcionamientos anómalos del motor por medida de las oscilaciones del bloque  Detección de irregularidades de inyección mediante la medida del régimen instantáneo del turbogrupo  Modelos termodinámicos de diagnóstico a partir de la presión en cámara: •Idóneo para el seguimiento de la combustión •Instalaciones experimentales requeridas poco complejas •Modelos termodinámicos de complejidad variable: − Desde el cálculo rápido de liberación de calor − Hasta sub-modelos más o menos complejos •Proporciona gran cantidad de información de la combustión •Rápidos de cálculo MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 32/38
    33. 33. 5. Modelos de diagnóstico (cont.)  Modelo de diagnóstico de la combustión a partir de la presión CALMEC:  0-dimensional  Modelo de una zona: • 3 especies: aire, combustible y productos quemados estequiométricamente • Extensión a 2 zonas  Se considera sistema abierto para tener en cuenta: • Pérdidas por blow-by • Inyección de combustible  Presión uniforme en la cámara  Comportamiento de gas perfecto para el cálculo de temperatura  Calor específico dependiente de la temperatura y composición  Transmisión de calor a las paredes MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 33/38
    34. 34. 5. Modelos de diagnóstico (cont.)  Modelo de diagnóstico de la combustión a partir de la presión CALMEC (cont.):  Esquema general: CALMEC USER Interface Database ENGINE Mean variables CALCULATION MODULE Thermodynamic Statistical Pressure Signal model: analysis processing Characterization (optional) Injection Combustion signal Adquisition system MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 34/38
    35. 35. 5. Modelos de diagnóstico (cont.)  Ejemplo resultados medios de CALMEC: MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 35/38
    36. 36. 5. Modelos de diagnóstico (cont.)  Ejemplo resultados instantáneos de CALMEC: MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 36/38
    37. 37. Resumen  La mejor metodología de investigación de MCIA emplea una combinación equilibrada de medidas experimentales y modelado.  Los modelos se basan en ecuaciones físicas y necesariamente asumen una serie de hipótesis simplificadoras.  Las simulaciones asumen el sistema en estudio como una caja negra o función de transferencia y se basan en ecuaciones semi-empíricas no generalizables  El equilibrio entre la precisión global y la complejidad del modelo lleva a la elección del modelo más idóneo, dependiendo del fenómeno que se pretenda estudiar.  Los modelos predictivos calculan la respuesta de un sistema ante una determinada excitación de entrada  Los modelos de diagnóstico permiten caracterizar los procesos de un sistema partiendo de información experimental del mismo MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 37/38
    38. 38. Bibliografía − Internal Combustion Engine Fundamentals. J.B. Heywood, McGraw-Hill, 1988. − Aportación al diagnóstico de la combustión en motores Diesel de inyección directa. J. Martín, Tesis doctoral, UPV, 2007. − Internal combustion engine modeling. J.I. Ramos, Edit. Hemisphere, 1989. − An introduction to Computational Fluid Dynamics. H.K. Verdteeg, W. Malalasekera. MOTORES ALTERNATIVOS TEMA 18: MODELADO DE MCIA 38/38

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