Análisis CFD de un motor de dos tiempos Otto

Los motores de dos tiempos Otto, a pesar de sus grandes cualidades de sencillez, bajo peso y elevada densidad de potencia, han visto muy reducidas sus potenciales aplicaciones debido a las cada vez más restrictivas normativas anti polución. La solución a los inconvenientes que presenta frente al motor de cuatro tiempos de elevado consumo específico y gases contaminantes, pasa por la incorporación de sistemas de inyección de combustible directamente al cilindro con control electrónico.

MOTORES DE DOS TIEMPOS CON INYECCIÓN DIRECTA:
Para el buen funcionamiento de un motor de dos tiempos el proceso de renovación de la carga de gases frescos es fundamental (Arias-Paz, 2000; Blair, 1996). Un inconveniente general que presentan los motores de dos tiempos se debe a la utilización de un diagrama de distribución simétrico, ya que la renovación de la carga dentro del cilindro es gobernada por el propio pistón al subir y bajar, abriendo y cerrando las lumbreras de transferencia y de escape. Para que no se produzcan retrocesos al cárter, la presión dentro de la cámara debe ser inferior a la de las lumbreras de transferencia.

Para conseguir esto, las lumbreras de escape deben ser abiertas antes que las de transferencia, lo cual tiene como consecuencia negativa la pérdida de cierta cantidad de gases frescos por el escape. Otro inconveniente es el cortocircuito, que tiene lugar cuando los gases frescos pasan directamente al escape dejando volúmenes de gases quemados sin ser barridos dentro del cilindro. El arrastre de gases frescos y el cortocircuito constituyen las principales desventajas de los motores de dos tiempos puesto que influyen muy negativamente en el rendimiento, consumo y generación de gases contaminantes.

La incorporación de la inyección directa soluciona en gran medida el inconveniente de generación de gases contaminantes, esto es debido a que el combustible puede ser inyectado dentro del cilindro después de que el pistón haya cerrado todas las lumbreras, por lo que se evita la posibilidad de arrastres de combustible sin quemar por la lumbrera de escape. Sin embargo no se evita la posibilidad de arrastres de aire, lo cual puede ser minimizado por medio de sistemas de escape especialmente estudiados para aprovechar las ondas de presión (ver artículo), así como mecanismos parcializadores de la apertura de la lumbrera de escape. Estos sistemas son eficaces solamente a ciertos regímenes de funcionamiento, por lo que pueden existir condiciones de funcionamiento en los que se produzca un dosado inadecuado. 

Es por ello que un sistema eficaz de inyección directa de un motor de 2T debe contar con mecanismos de control para el dosado de combustible, la relación combustible/aire debe estar siempre en valores próximos al dosado estequiométrico para permitirle una combustión eficaz. La medición del caudal másico del aire de entrada al motor y la instalación una sonda lambda de alta sensibilidad, con control en lazo cerrado, podrá permitir la monitorización y continuo ajuste de la inyección a los valores de dosado correctos, para los diferentes regímenes de funcionamiento en los que pueda trabajar el motor.

ANALISIS CFD DEL PROCESO DE BARRIDO
Pasando ahora al tema del diseño de la fluidodinámica interna del motor (desplazamiento de los gases dentro del cilindro), la principal dificultad que aparece a la hora de diseñar un sistema de barrido eficaz es que son muchas las variables implicadas en el proceso: geometría, diseño de las lumbreras, tiempos de admisión y escape, relación de compresión, dosado, etc., siendo necesario un estudio detallado de cada uno de estos parámetros. Aunque actualmente se dispone de técnicas experimentales muy avanzadas para proporcionar información del flujo en el interior del cilindro, la dinámica de fluidos computacional (CFD) ofrece un método alternativo que permite reducir el coste de dinero y tiempo que supone un montaje experimental. 

 

El término CFD proviene de las siglas del inglés “Computational Fluid Dynamics”, lo cual se traduce al castellano como “Mecánica de Fluidos Computacional”. Es una rama de mecánica de fluidos que utiliza procedimientos iterativos para conocer en detalle las características de los flujos. En los últimos años, el avance del CFD y de la computación ha dado lugar a la generalización de su uso en la industria de la automoción.

El motor estudiado a continuación es un monocilíndrico de dos tiempos Otto, con tres lumbreras de transferencia de forma rectangular y una lumbrera de escape de forma elíptica. Las características más importantes se enumeran a continuación:

-       Tipo de Motor: Dos tiempos, Otto

-       Cilindrada: 127,3 cm³

-       Relación de compresión: 9,86:1

-       Diámetro x Carrera: 53,8 x 56 mm

-       Longitud de biela: 110 mm

-       Sistema de barrido: Barrido tipo Schnuerle o a lazo, multitransfers

-       Sistema de combustible: Inyección directa

-       Sistema de lubricación: Aceite mezclado con el aire de admisión

-       Instante de ignición: -20º antes de P.M.S.

-       Escape, apertura/cierre Duración: 158º; A: 101º; C: 259º después de P.M.S.

-       Transferencia, apertura/cierre Duración: 127º; A:116,5º; C: 243,5º después de P.M.S.

-       Potencia: 7,5 kW

-       Revoluciones: 6.000 rpm

En este trabajo se ha estudiado solamente el proceso de barrido sin considerar la combustión, para lo cual el instante inicial ha tenido que elegirse tal que la combustión se encuentre completada. Concretamente se ha simulado desde 90º de ángulo de cigüeñal hasta 270º, realizándose un total de 180º de recorrido, correspondiendo a 0,005 segundos, debido a que el motor gira a 6.000 rpm.

Fases del análisis:

Todo proceso de análisis CFD se compone de 3 etapas:

• Preproceso o generación de la malla computacional.
• Cálculo mediante la solución de las ecuaciones gobernantes.
• Postproceso o visualización de los resultados.

Malla 3D:

Malla 3D estructurada a partir de elementos hexagonales, lo cual requiere menos recursos computacional que una malla no estructurada.

La malla se genera a partir de una geometría de sólidos en 3D que debe ser importada al software de mallado. La geometría en solidos tridimensionales debe ser previamente modelada por medio de un software de CAD (SolidWorks, SolidEdge, Rhinoceros, etc). Para generar la malla existen diversos programas, en caso de utilizar software libre está el Salome-Meca.

Cálculo CFD:

Las ecuaciones gobernantes son las clásicas de mecánica de fluidos de conservación de la masa, cantidad de movimiento y energía. El proceso se ha modelado como mezcla de dos especies, aire y gases quemados, ambas con comportamiento de gases ideales. Se podrían modelar todos los componentes que intervienen realmente, pero al no estar tratando la combustión, la influencia en los resultados sería prácticamente irrelevante.

En cuanto a turbulencia, se ha empleado el modelo k-ε estandar debido a que tiene la ventaja de ser robusto, computacionalmente económico y lo suficientemente preciso para un amplio rango de casos. El tratamiento en las regiones cercanas a las paredes ha sido mediante las funciones estándar de pared.

Para realizar el cálculo CFD puede utilizarse el software libre OpenFOAM.

Visualización de Resultados:

La siguiente secuencia de imágenes muestra el campo de velocidades durante el proceso de barrido para valores del ángulo de cigüeñal de 92,5º, 190º, 215º y 270º. Se muestra claramente como en las lumbreras de entrada (transferencia) circulan gases frescos hacia el interior del cilindro y en la lumbrera de escape salen gases quemados. Además, en el interior del cilindro se observa como los gases frescos desplazan a los quemados dentro de la cámara de combustión. Las zonas de color rojo muestran velocidades más elevadas y en azul las velocidades más bajas, la escala no es la misma se va adaptando al rango de valores para cada paso de tiempo.

Para visualizar los resultados, generar fotos y videos, puede utilizarse el software libre Paraview.

El esquema del proceso de análisis CFD es el siguiente:

VIDEOS:

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FORMACIÓN:

Para análisis CFD recomendamos el software gratuito OpenFOAM, que permite reproducir y simular el comportamientode un motor en lo referente a la mecánica de fluidos. Si desea recibir un curso de  formación para aprender a manejar el programa de CFD de uso libre  OpenFOAM, le recomendamos que realice el curso de Technical Courses: 

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