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A mi familiaPor su apoyo incondicional,Muchas gracias
Agradezco enormemente al Departamentode Máquinas Térmicas por la beca ofrecida ypor el buen trato que se me dio durante mi...
“Lo que hoy digamos, pronto será olvidado…pero lo que hagamos, vivirá por miles y miles de años”                          ...
INDICE GENERAL
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4.2. Tipo de tobera a estudiar ................................................................... 36   4.3. Definicion de...
DOCUMENTO I MEMORIA
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Modelado Computacional Del Flujo En El Interior De Una Tobera Mono-orificio De Un Inyector Diesel
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En este proyecto se pretende crear un modelo computacional del flujo en el interior de una tobera mono-orificio mediante técnicas de CDF (Dinámica de Fluidos Computacional), con el fin de apreciar de una forma detallada comportamiento y características del chorro, como su velocidad de salida, flujo másico, cantidad de movimiento etc., en condiciones no cavitantes. Además de validar estos resultados mediante comparaciones con resultados experimentales existentes.

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Modelado Computacional Del Flujo En El Interior De Una Tobera Mono-orificio De Un Inyector Diesel

  1. 1. FACULTAD DE INGENIERÍA MECATRÓNICA PROYECTO FIN DE CARRERAMODELADO COMPUTACIONAL DEL FLUJO ENEL INTERIOR DE UNA TOBERA MONO-ORIFICIO DE UN INYECTOR DIESEL Por: Edwin Alonso González Querubín Dirigido por: Dr. Raúl payri Marín Ing. Gabriela Bracho León Bucaramanga, 2008
  2. 2. A mi familiaPor su apoyo incondicional,Muchas gracias
  3. 3. Agradezco enormemente al Departamentode Máquinas Térmicas por la beca ofrecida ypor el buen trato que se me dio durante miestancia allí.En especial a mis directores de proyectoRaul Payri y Gabriela Bracho por que mebrindaron generosamente la oportunidad deacceder a sus conocimientos y experiencias.científicas.
  4. 4. “Lo que hoy digamos, pronto será olvidado…pero lo que hagamos, vivirá por miles y miles de años” Anónimo.
  5. 5. INDICE GENERAL
  6. 6. I MEMORIACAPITULO 1: INTRODUCCION ......................................................................... 1 1.1. Introduccion ......................................................................................... 2 1.2. Objeto del proyecto .............................................................................. 3 1.3. Justificacion ......................................................................................... 3 1.4. Estructura y desarrollo del proyecto. .................................................... 4CAPITULO 2: EL MOTOR DIESEL Y SU FUNCIONAMIENTO .......................... 5 2.1. Introduccion ......................................................................................... 6 2.2. El motor Diesel (MEC) ......................................................................... 6 2.3. Generalidades del proceso de combustión en los MEC.................. 6 2.4. Las tres fases de la combustión ........................................................... 9 2.5. Factores que afectan a la combustión .......................................... 13CAPITULO 3: SISTEMAS DE INYECCIÓN ...................................................... 16 3.1. Introduccion ....................................................................................... 17 3.2. Tipologías de los sistemas de inyección ............................................ 18 3.3. Sistema Common-Rail ....................................................................... 23 3.4. Caracteristicas de las toberas ............................................................ 32CAPITULO 4: MODELADO COMPUTACIONAL DEL FLUJO EN EL INTERIOR DE UNA TOBERA MONO-ORIFICIO ...................................................... 35 4.1. Introduccion ....................................................................................... 36 I
  7. 7. 4.2. Tipo de tobera a estudiar ................................................................... 36 4.3. Definicion de la geometría ................................................................. 38 4.4. Condiciones iniciales y de contorno ................................................... 39 4.5. Mallado .............................................................................................. 40 4.6. Malla empleada en el proyecto .......................................................... 45 4.7. Fluido de trabajo ................................................................................ 46 4.8. Ecuaciones fundamentales y modelos aplicados ............................... 46 4.9. Discretizacion del cálculo ................................................................... 50CAPITULO 5: RESULTADOS Y CONCLUSIONES .......................................... 51 5.1. Introduccion ....................................................................................... 52 5.2. Parametros a evaluar ......................................................................... 52 5.3. Resultados ......................................................................................... 54 5.4. Conclusiones ..................................................................................... 58 5.5. Estudios futuros ................................................................................. 59 II ANEXOSPOST-PROCESADO Y DATOS EXPERIMENTALES. II
  8. 8. DOCUMENTO I MEMORIA
  9. 9. I Memoria 1. Introducción CAPITULO 1 INTRODUCCION1.1. INTRODUCCION ....................................................................................... 21.2. OBJETO DEL PROYECTO........................................................................ 31.3. JUSTIFICACION ........................................................................................ 31.4. ESTRUCTURA Y DESARROLLO DEL PROYECTO. ................................ 4 1
  10. 10. I Memoria 1. Introducción1.1. INTRODUCCION.Las cada vez más estrictas regulaciones sobre emisiones de gases de escapey ruidos, así como el deseo de un consumo más bajo de combustible, planteannuevas exigencias al sistema de inyección de los motores Diesel.El sistema de inyección influye notablemente en el proceso de formación de lamezcla aire-carburante y por tanto su funcionamiento, también tiene efectosobre el proceso de combustión y los gases que en éste se generan. Es porello que resulta de especial relevancia estudiar y optimizar el comportamientode todos y cada uno de los elementos que conforman el sistema de inyección.Uno de los componentes de más importancia en el sistema de inyección es latobera de los inyectores, ya que de acuerdo la forma de la geometría internaque esta adopte, influirá notablemente en el comportamiento del flujo decombustible en su interior; el cual afecta la forma y características de laatomización del combustible en la cámara de combustión.En este proyecto se pretende crear un modelo computacional del flujo en elinterior de una tobera mono-orificio mediante técnicas de CDF (Dinámica deFluidos Computacional), con el fin de apreciar de una forma detalladacomportamiento y características del chorro, como su velocidad de salida, flujomásico, cantidad de movimiento etc., en condiciones no cavitantes. Además devalidar estos resultados mediante comparaciones con resultadosexperimentales existentes. 2
  11. 11. I Memoria 1. Introducción1.2. OBJETO DEL PROYECTO.La realización de este proyecto deriva en dos objetivos principales que sediscuten a continuación:El primer objetivo es de tipo académico, ya que es un requisito la realizaciónde un proyecto fin de carrera por parte del autor, para poder acceder al titulo deIngeniero Mecatrónico, de la Universidad Santo Tomás, seccionalBucaramanga - Colombia.El segundo objetivo es el de crear un modelo computacional que describa elcomportamiento del flujo en el interior de una tobera mono-orificio de uninyector de diesel mediante técnicas de CFD (Dinámica de FluidosComputacional), con el fin de apreciar de una forma más detallada elcomportamiento del chorro en el interior de la tobera y validar los resultadosarrojados por las simulaciones por medio de comparaciones con resultadosexperimentales existentes.El programa CFD empleado es el software de licencia libre openFOAM, el cualse basa en el método de volúmenes finitos donde el dominio a estudiar esdividido o discretizado en pequeños volúmenes o celdas de control, sobre lascuales se resuelven una serie de ecuaciones y modelos que describen ladinámica del fluido..1.3. JUSTIFICACION.A continuación se argumentan los diversos motivos que justifican la realizaciónde este presente proyecto:El primer motivo es el académico. El Proyecto Fin de Carrera es un ejercicioacadémico en el que se pretende la integración, aplicación y validación de losconocimientos adquiridos durante toda la carrera, para garantizar la capacidadprofesional del alumno. Es decir, es el último paso para finalizar su formaciónacadémica.En segundo lugar, este proyecto se justifica como resultado del convenio deinvestigación suscrito entre el Departamento de Máquinas y Motores Térmicos,de la Universidad Politécnica de Valencia, con el grupo francés PSA, paramejorar el conocimiento del flujo en el interior de las toberas.Éste es uno de los factores más importantes dentro de la inyección directa, yaque influye directamente en las características de la atomización y mezcla delcombustible con el aire en el interior de la cámara de combustión, y sobre todocon la emisión de contaminantes. Las normas tan estrictas sobre este últimofactor, justifican de por sí cualquier trabajo de investigación que se haga alrespecto. 3
  12. 12. I Memoria 1. IntroducciónLas consecuencias que del presente proyecto se derivan podrían traducirse, enun próximo futuro, en reducciones, tanto de consumo de combustible, como deemisión de contaminantes en vehículos propulsados por motores diesel.1.4. ESTRUCTURA Y DESARROLLO DEL PROYECTO.El proyecto consta de dos partes, una es la memoria y la otra son los anexos: • La memoria:Esta dividida en cinco capítulos, de los cuales en el primero contiene laintroducción, el objetivo general, la justificación, viabilidad etc. del proyecto. Enel segundo se hace una breve descripción del funcionamiento del motor diesel.En el tercero se exponen los sistemas de inyección directa e indirecta, ademásse explica detalladamente el funcionamiento y cada una de las partes delsistema Common-Rail.Es de gran importancia entender claramente los conceptos que se aprecian enlos capítulos dos y tres como paso previo al desarrollo del objetivo general delproyecto, el cual esta dividido en los capítulos cuatro y cinco. El capitulo cuatrocomprende el desarrollo del proyecto donde se ven temas como es el análisisde la geometría, mallado, ecuaciones y modelos empleados etc. Por ultimoesta el capitulo cinco en el cual se exponen los resultados así como lasconclusiones a las que se llegaron. • Los anexosEstos contienen todos los datos del post-procesado de los resultados obtenidoscon los diferentes modelos empleados; además de los datos experimentalescon los cuales nos basamos para validar estos resultados. 4
  13. 13. I Memoria 2. El motor Diesel y su funcionamiento CAPITULO 2 EL MOTOR DIESEL Y SU FUNCIONAMIENTO2.1. INTRODUCCION ....................................................................................... 62.2. EL MOTOR DIESEL (MEC) ....................................................................... 62.3. GENERALIDADES DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LOS MEC ........ 62.4. LAS TRES FASES DE LA COMBUSTIÓN ................................................ 9 2.4.1. Tiempo de retraso ........................................................................... 10 2.4.2. Periodo de combustión rápida ........................................................ 11 2.4.3. Tercera fase de la combustión ........................................................ 122.5. FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN ............................ 13 2.5.1. Régimen del motor .......................................................................... 13 2.5.2. Punto de inyección .......................................................................... 13 2.5.3. Dosado............................................................................................ 14 2.5.4. Sobrealimentación .......................................................................... 14 2.5.6. Otros factores ................................................................................. 15 5
  14. 14. I Memoria 2. El motor Diesel y su funcionamiento2.1. INTRODUCCIÓN.En este capítulo, se explica el funcionamiento de un motor Diesel, tambiénllamado MEC, (motor de encendido por compresión), motor en el que iráintegrado el sistema de inyección Common-Rail (incluida la bomba).Posteriormente se profundiza en el proceso de combustión, viendo cuales sonsus etapas y los factores que le afectan más directamente, donde se verá quejuega un papel muy importante el sistema de inyección.2.2. EL MOTOR DIESEL (MEC).Tanto los motores de gasolina como los diesel se pueden emplear para realizariguales funciones; sin embargo, cuando se requiere desarrollar grandespotencias, como la necesaria para mover una locomotora, un barco o ungenerador de corriente eléctrica de gran capacidad de generación, se empleansolamente motores de combustión interna diesel.El motor Diesel también llamado MEC (motor de encendido por compresión),fue inventado y patentado por Rudolf Diesel en 1892. Este es un motor térmicode combustión interna, en el cual el encendido se logra por la temperaturaelevada que produce la compresión del aire en el interior del cilindro o cámarade combustión.En el motor diésel la ignición del combustible se logra cuando este se inyectapulverizado en la cámara de combustión, la cual contiene aire presurizado auna temperatura superior a la temperatura de autocombustión, por lo que nohay necesidad de producir una chispa que provoque el encendido como en elcaso del motor a gasolina, puesto que el combustible arde espontáneamente alentrar en contacto con el aire fuertemente comprimido.2.3. GENERALIDADES DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LOS MEC.Desde un punto de vista mecánico, el ciclo del motor diésel de cuatro tiemposconsta de las siguientes fases: • Fase de admisión: al inicio de este tiempo el pistón se encuentra en el punto muerto superior (PMS), comienza la carrera descendente creando un vacío dentro de la cámara de combustión, al mismo tiempo se abre la válvula de admisión para llenar de aire limpio aspirado o forzado por un turbocompresor la cámara de combustión, terminando este ciclo cuando el pistón llega al punto muerto inferior (PMI) y la válvula de admisión se cierra nuevamente. 6
  15. 15. I Memoria 2. El motor Diesel y su funcionamiento Fig. 2.1: Fase de admisión. • Fase de compresión: estando el pistón en el punto muerto inferior (PMI) y la válvula de admisión cerrada, empieza su carrera de ascenso, comprimiendo el aire contenido en el cilindro y logrando de esa forma un núcleo de aire caliente en la cámara de combustión por el efecto adiabático. Fig. 2.2: Fase de compresión. • Fase de explosión: cuando el pistón está a punto de llegar al punto muerto superior (PMS) se inicia la inyección de combustible a alta presión; en este momento se mezclan las partículas de gasóleo pulverizado con el núcleo de aire caliente y se produce el encendido que inflama dicha mezcla y hace que explote. La fuerza de la explosión obliga al pistón a bajar bruscamente hasta el punto muerto inferior (PMI). Durante el descenso del pistón la biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento lineal del pistón en un movimiento de rotación (ver Figura 2.3). 7
  16. 16. I Memoria 2. El motor Diesel y su funcionamiento Fig. 2.3: Fase de explosión. • Fase de escape: concluida la fase de explosión y habiendo llegado el pistón al PMI, se abre la válvula de escape al mismo tiempo que el pistón empieza su carrera hacia el PMS; arrastrando los gases producidos por la combustión hacia la válvula de escape. Estos gases salen hacia la atmósfera por un tubo conectado al múltiple de escape. Fig. 2.4: Fase de escape.Concluida la etapa de escape, comienza la admisión del ciclo siguiente.Como se ha citado anteriormente, en el motor Diesel se comprime solo aire,con una relación de compresión volumétrica que varía entre 12:1 y 22:1 segúnel tipo de motor. Debido a esta compresión (de carácter politrópico, esto escuando p.vk = cte.) experimentada por el aire, su presión y temperatura sonmuy elevadas en el instante en que se comienza a inyectar el combustible, demanera que tan pronto comienza la inyección y se forma la primera gota, tienelugar el comienzo de la reacción química de oxidación, (combustión). Sinembargo, esta reacción es, en una primera fase, tan lenta que la aparición de lallama tiene lugar después de un cierto periodo de tiempo denominado tiempode retraso. 8
  17. 17. I Memoria 2. El motor Diesel y su funcionamientoEl punto donde tiene lugar el encendido no viene fijado por ningún factorfácilmente controlable. La llama suele aparecer cuando la distribución del aire yel combustible no es todavía homogénea, estando gran parte del combustibleen estado líquido. El encendido de la mezcla no depende de la transmisión deenergía desde otra zona como ocurre en los MEP (motores de encendidoprovocado), sino que se autoinflama como consecuencia de la elevada presióny temperatura reinantes en cada punto. Así pues, debe quedar bien claro que lacombustión en los MEC es debida fundamentalmente a las condiciones localesen cada parte de la mezcla.Por otra parte se observa que el proceso de combustión está íntimamenteligado con la distribución del combustible en el aire comprimido, y dado que eltiempo disponible para este proceso es muy corto, se hace necesario, que elsistema de inyección tenga unas muy buenas características, ya que es elencargado de suministrar el combustible y generar una gran turbulencia parafavorecer la distribución y mezcla del mismo con el aire. De aquí la granimportancia que tiene el sistema de inyección en el motor Diesel. Hay queañadir que la turbulencia depende también en gran medida del diseño de lacámara de combustión.2.4. LAS TRES FASES DE LA COMBUSTIÓN.El investigador H.G. Ricardo, a principios de siglo, concibió el proceso decombustión en el motor de encendido por compresión en tres pasos, el primerode los cuales es el tiempo de retraso. Este retraso es, lo suficientemente largopara que, cuando se produzca la autoinflamación, haya un volumen apreciablede combustible gasificado y bien mezclado en el aire.La segunda fase, es el periodo de rápida combustión; en ella se quema la partede combustible gasificado y mezclado con aire que haya sido inyectado en eltiempo de retraso.Finalmente, el combustible que todavía no se ha quemado, junto con el que seinyecta posteriormente, se quema con una velocidad que será función deloxígeno que pueda encontrar para su combustión; esta es la llamada tercerafase de la combustión.A continuación se definirán algunos parámetros de interés que servirán paraexplicar mejor en qué consiste cada una de las fases de la combustión: a) Ángulo de avance a la inyección αai: es el ángulo existente entre el comienzo de la inyección y el PMS. b) Ángulo de inyección αi (tiempo de inyección ti): es el ángulo (tiempo) que dura el proceso de inyección. 9
  18. 18. I Memoria 2. El motor Diesel y su funcionamiento αi αi t i ( s) = = (2.1) 360º reg . motor (r. p.m.) ⋅ 6 reg. motor (r. p.m.) ⋅ 60 sNo se debe confundir el ángulo de inyección definido anteriormente, con elángulo de inyección de la bomba inyectora αib , ya que ésta gira, en los motoresde 4 tiempos, a la mitad del régimen del motor, por lo que se cumple: αi (2.2) αib = 2 c) Ángulo de retraso αr ( tiempo de retraso tr ): Es el ángulo (tiempo) existente entre el comienzo de la inyección y el punto en el que la línea de presión se separa de la compresión sin combustión, punto que aparece representado en la figura 2.5. d) Ángulo de combustión αc ( tiempo de combustión tc ). e) Velocidad media de combustión Cc. f ) Gradiente de presión dp/dα ó dp/dt. g) Presión máxima de combustión. h) Régimen de giro n. i) Tiempo de retraso tr.2.4.1. Tiempo de retraso.Está caracterizado por dos fenómenos distintos y en parte yuxtapuestos, asaber: • En primer lugar el retraso físico, que es el tiempo necesario para la formación de las gotas y su posterior calentamiento y vaporización. • A continuación el retraso químico, tiempo necesario para que se den las prerreacciones en el combustible para que se autoinflame.Finalmente señalar que el tiempo de retraso está fuertemente condicionado porla temperatura y muy débilmente por la presión. 10
  19. 19. I Memoria 2. El motor Diesel y su funcionamiento Fig. 2.5: Diagrama de la evolución Presión-Tiempo dentro del cilindro.2.4.2. Periodo de combustión rápida.En esta segunda fase se quema el combustible que ha tenido tiempo devaporizarse y mezclarse con el aire. La velocidad de combustión y el aumentode presión están íntimamente ligados con el tiempo de retraso.En efecto, si el tiempo de retraso es grande tendrá el combustible oportunidadde vaporizarse y mezclarse y, además, la cantidad de combustible inyectadaserá grande.En motores en los que el tiempo de inyección es inversamente proporcional alrégimen del motor, lo que es usual, a medida que aumenta el régimen, para ungrado de carga determinado, el combustible inyectado en el retraso es mayor y,por tanto, la marcha es mas dura.Los dos parámetros que caracterizan esta fase son: a) La velocidad de combustión: dp/dα. b) El incremento total de presión. 11
  20. 20. I Memoria 2. El motor Diesel y su funcionamientoEl valor de estos parámetros depende de: • El combustible inyectado en el retraso, que es función de la ley de inyección (la tasa) y del ángulo de retraso. • De la parte de combustible que se ha gasificado de todo el inyectado en el retraso. La parte de combustible que se gasifica depende de la calidad de la micromezcla formada por el inyector (finura de las gotas del chorro) y de la turbulencia. El alto porcentaje de gotas finas y la elevada turbulencia facilitan, lógicamente, la gasificación. En los MEC predomina uno u otro factor, según el tipo de cámara de combustión: en motores de inyección directa tiene más importancia el inyector y en los de inyección indirecta la turbulencia. • De la cantidad de combustible que previamente gasificado encuentra el oxígeno necesario para la combustión; función de la penetración del chorro (macromezcla) y de la turbulencia. La calidad de la macromezcla y la micromezcla son condiciones contrapuestas ya que la gota fina tiene una menor penetración, por lo que hay que acudir a soluciones de compromiso. • Del tipo y tamaño de la cámara de combustión. Así, en las cámaras divididas la presión es menor en el espacio muerto debido a la pérdida de carga en el conducto entre cámara y precámara, con lo cual la marcha es menos dura.2.4.3. Tercera fase de la combustión.La tercera fase se desarrolla desde el punto de máxima presión hasta el puntoen que termina la combustión.Cuando el ángulo de retraso es mayor que el ángulo de inyección,circunstancia que se da en motores a alto régimen, el tercer periodo de lacombustión solo implica al combustible que no haya encontrado el oxígenonecesario durante la segunda fase. En este caso la velocidad de combustiónviene limitada por el proceso de mezcla, y éste depende del oxígeno ycombustible que queda sin quemar. Aun en el caso de que el combustible hayasido inyectado antes de que finalice el tiempo de retraso, unas malascaracterísticas del chorro pueden alargar el proceso de combustión duranteesta tercera fase.Si la segunda fase finaliza antes de terminar el tiempo de inyección, elcombustible que se sigue inyectando arderá durante la tercera fase y lavelocidad de combustión dependerá fundamentalmente de la ley de inyección yde las características del chorro. 12
  21. 21. I Memoria 2. El motor Diesel y su funcionamientoEn motores grandes girando a bajo régimen, la combustión se realizafundamentalmente durante esta tercera fase, puesto que el tiempo de retrasorepresenta un ángulo de retraso muy pequeño. En este caso el sistema deinyección es el que se encarga fundamentalmente de la homogeneización de lamezcla, y es la ley de inyección la que fijará la velocidad de combustión.2.5. FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN.En el caso de los motores Diesel, la velocidad de combustión, así como elgradiente de presiones, depende de forma muy importante del diseño de lascámaras de combustión y del sistema de inyección. En la práctica el diseño deestos elementos es muy variado, y por lo tanto es más difícil generalizar eneste tipo de motor que en los de gasolina.Veamos pues algunos factores que afectan decisivamente al proceso.2.5.1. Régimen del motor.Cuando en un motor dado aumenta el número de revoluciones, se incrementala temperatura en la cámara de combustión y en consecuencia disminuye eltiempo de retraso. Sin embargo para conseguir que la combustión sigacentrada habrá que considerar la ley de variación del ángulo de retraso definidapor el producto n · tr.Para poder centrar la combustión necesitamos un sistema que avance elcomienzo de la inyección conforme aumenta el régimen de giro del motor, estetipo de ajustes que resulta complicado en los sistemas de inyeccióntradicionales, se realiza de manera muy sencilla en el sistema Common-Rail,ya que su control es totalmente electrónico.Finalmente indicar que los motores al ralentí suelen presentar marcha duradebido a que todo el combustible se inyecta en el retraso, y al ser el tiempo deretraso grande los gradientes de presión son fuertes.2.5.2. Punto de inyección.Haciendo un estudio de la variación de la presión con el ángulo de giro delcigüeñal, se observa que el rendimiento máximo y la potencia máxima tienenlugar cuando la presión máxima de combustión se encuentra unos gradosdespués del punto muerto superior, por otro lado cuando el punto muertosuperior se encuentra dentro del tiempo de retraso éste se reduce.Una inyección anterior o posterior trae consigo mayores retrasos, ya que laspresiones y temperaturas con las que se encuentra el combustible sonmenores. Además, en el caso de inyectar con mucho adelanto, los gradientesde presión y las presiones máximas son mayores, pues el tiempo de retraso esmayor y el pistón ayuda en su carrera ascendente al aumento de la presiónfinal. 13
  22. 22. I Memoria 2. El motor Diesel y su funcionamientoMuchos motores utilizan un punto de inyección posterior al correspondiente alde máxima potencia para evitar gradientes de presión y presiones máximas decombustión excesivas, teniendo en cuenta, además, que las presionesmáximas elevadas son causa de producción de óxidos de nitrógeno,compuestos actualmente limitados por la legislación anticontaminación. Latendencia actual es realizar una pequeña preinyección muy temprana seguidade la inyección principal de combustible, esto reduce la emisión decontaminantes a la atmósfera y además hace al motor menos ruidoso.2.5.3. Dosado.Si bien ya se ha dicho que no es muy exacto hablar de dosado si elcombustible no se encuentra completamente gasificado y homogeneizado,considerado desde el punto de vista del conjunto, se puede decir que aldisminuir el dosado disminuyen las temperaturas medias de las paredes y portanto aumenta el retraso, de ahí que con dosados pequeños las presionesmáximas de combustión sean del mismo orden que con dosados superiores.Los ensayos demuestran que los motores Diesel pueden funcionar condosados extremadamente bajos (fr =0.04); esto es posible debido a que elproceso de combustión se realiza con autoinflamación. Una dificultad prácticaes el conseguir adecuadas características del chorro con cantidades muypequeñas de combustible inyectado.Hay siempre en los motores Diesel un limite práctico para el dosado máximo,que viene determinado por una combustión incompleta acompañada de unosgases de escape con humos negros, (inquemados).Dos son las razones para que se produzca este fenómeno. Por un lado, congran cantidad de combustible, parte del mismo no encuentra oxígeno paraquemarse; por otro, con las elevadas presiones y temperaturas, el combustiblecrackea, es decir, se deshidrogena hasta convertirse en carbono.El límite de humos negros no sólo es un grave problema para la vida del motor,particularmente para los inyectores y segmentos sino también por losproblemas de contaminación que supone.2.5.4. Sobrealimentación.Dado que en los motores sobrealimentados el aire admitido tiene una presión ytemperaturas más elevadas, el tiempo de retraso se reduce, sin embargo,como la cantidad de combustible suministrado por grado de giro de cigüeñaltiene que crecer para que exista un aumento de potencia, sucede que en losmotores sobrealimentados la masa de combustible inyectada en el retrasocrece. Teniendo en cuenta además que la turbulencia es mayor, tanto elgradiente de presión como la presión máxima de combustión crecen de formaimportante siendo ésta última un importante factor limitador del grado desobrealimentación. 14
  23. 23. I Memoria 2. El motor Diesel y su funcionamientoPara resolver este problema se hace necesario reducir la cantidad decombustible introducida en el cilindro por grado de cigüeñal, lo que lleva a queel ángulo de inyección crezca, con lo que existen grandes dificultades paragarantizar una combustión completa, particularmente en el caso de motoresrápidos.La solución se puede buscar por tres caminos, a saber: • Puesto que el aire admitido está más caliente que en un motor de aspiración natural, se puede aumentar el avance a la inyección sin que aumente el retraso y siempre que la combustión se encuentre centrada. • Suministrar una gran cantidad de combustible al final de la inyección, lo que evidentemente retrasa el final de la combustión, con lo que el rendimiento se reduce y se favorece la formación de humos. • Disminuir el avance a la inyección, comenzando ésta en las proximidades del PMS de tal forma que el retraso sea mínimo. De esta forma las presiones máximas son menores al efectuarse la combustión en la carrera descendente del émbolo, y al ser pequeño el tiempo de retraso. Debido a estas dos razones, puede incrementarse la cantidad de combustible suministrado durante el comienzo de la inyección.Finalmente, para limitar la presión máxima de combustión, se puede reducir larelación de compresión volumétrica, ya que el aire admitido tiene mayordensidad y temperatura.Ahora bien, los imperativos del arranque en frío limitan el valor mínimo de esteparámetro.En resumen, puede afirmarse que la solución a la combustión en motoressobrealimentados será un compromiso entre las distintas técnicas apuntadas.2.5.5. Otros factores.Evidentemente hay que considerar entre los factores que afectan a lacombustión los siguientes: • Naturaleza del combustible. • Caracterización del chorro de inyección. • Diseño de la cámara de combustión. 15
  24. 24. I Memoria 3. Sistemas de inyección CAPITULO 3 SISTEMAS DE INYECCIÓN3.1. INTRODUCCION ..................................................................................... 173.2. Tipologías de los sistemas de inyección .................................................. 18 3.2.1. Motores de inyección indirecta........................................................ 18 3.2.2. Motores de inyección directa .......................................................... 19 3.2.3. Tendencias actuales ....................................................................... 223.3. SISTEMA COMMON-RAIL ...................................................................... 23 3.3.1. Introducción .................................................................................... 23 3.3.2. Diseño del sistema .......................................................................... 23 3.3.3. Componentes del sistema............................................................... 25 3.3.4. Inyección múltiple ........................................................................... 29 3.3.5. Propiedades específicas de un sistema Common-Rail ................... 31 3.3.6. Resumen......................................................................................... 323.4. CARACTERISTICAS DE LAS TOBERAS................................................ 32 3.4.1. Morfología de la tobera ................................................................... 33 3.4.2. Tipos de tobera ............................................................................... 33 16
  25. 25. I Memoria 3. Sistemas de inyección3.1. INTRODUCCIÓN.En este capítulo se explica detalladamente cuáles son las funciones y elcomportamiento, de las diferentes partes que componen el sistema deinyección de un motor de encendido por compresión.El sistema de inyección es el conjunto de elementos encargados de suministrarel combustible al motor, (gasoil en el caso del motor Diesel, que es el que nosocupa) y de hacerlo en la forma más apropiada en cada instante, para ellodebe aportar y atomizar el gasoil de la siguiente manera: • En el momento adecuado. • En la cantidad precisa. • De una forma determinada, (ley de inyección).El instante en el que se produce la inyección se rige por el régimen y por elgrado de carga del motor. Además, se modifica de acuerdo con dicho régimen,de forma que la máxima presión en cámara, tenga lugar una vez que se hayaalcanzado el punto muerto superior.La cantidad de masa inyectada está directamente relacionada con el grado decarga y, por lo tanto, con el par disponible. El límite superior, normalmente,viene determinado por el par máximo admisible mecánicamente, con el mínimodosado, el cual está relacionado, directamente, con la formación de CO, con laemisión de hidrocarburos (HC) y con el propio rendimiento de la combustión.La ley de inyección o tasa de inyección mide la forma en la que el combustiblees inyectado durante el proceso de inyección del mismo, en la cámara decombustión. Éste es un parámetro muy importante en la combustión, por loque, más adelante, se le dedica un capítulo completo.Los elementos básicos de cualquier sistema de inyección son: • Bomba de alta presión. Es el elemento encargado de impulsar el combustible a alta presión hasta los inyectores. • Tuberías o líneas de alta presión. Encargadas de conducir el gasóleo a cada uno de los inyectores • Inyectores. Existe uno por cada cilindro, tienen la misión de formar el chorro atomizado de combustible, en el interior de la cámara de combustión, en las condiciones adecuadas. 17
  26. 26. I Memoria 3. Sistemas de inyección3.2. TIPOLOGÍAS DE LOS SISTEMAS DE INYECCIÓN.Los motores Diesel de automoción pueden estar provistos de dos tipos desistemas de inyección diferentes: • Inyección indirecta. • Inyección directa.Ambos sistemas de inyección constan de los mismos elementos para ladistribución del gasoil, es decir ambos disponen de bomba de inyección,válvulas, líneas de alta presión, e inyectores. Estos sistemas se diferenciansólo en el modo en el que inyectan el combustible en el cilindro.A continuación se detalla el funcionamiento de los dos sistemas analizando susventajas e inconvenientes.3.2.1. Motores de Inyección Indirecta.En un motor que lleva un sistema de inyección indirecta la cámara decombustión aparece dividida en dos partes. Estas dos partes son la precámarade inyección y la cámara de combustión propiamente dicha.El inyector, de un solo orificio, inyecta el chorro de gasoil en la precámara deinyección. En esta precámara existe una elevada turbulencia de aire que ayudaa que las partículas de gasoil del chorro se dispersen formando la mezcla aire-combustible.Debido a esta turbulencia existente en la precámara, el inyector no requiere lacomplicación constructiva de los elementos de un sistema de inyección directa,(donde son los inyectores los encargados de crear gran parte de estaturbulencia, siendo su construcción y funcionamiento más complejos).La mezcla pasa por un canal que va desde la precámara de inyección hasta lacámara de combustión, donde se inflama por efecto de la alta presión ytemperatura. In ye c to r C a l e n ta d o r P recá m ara Fig. 3.1: Esquema de un motor de inyección indirecta. 18
  27. 27. I Memoria 3. Sistemas de inyecciónEn cuanto a las ventajas del sistema de inyección indirecta cabe reseñar lassiguientes: • Por la alta turbulencia del aire existente en la precámara de inyección (en el régimen máximo, la rotación del aire puede llegar hasta 100.000 rev/min.), se alcanza una buena dispersión del chorro, lo que hace que la macromezcla sea de muy alta calidad. • La obtención de una buena mezcla aire-combustible, es fundamental para que en el motor se produzca una combustión progresiva, como consecuencia, en este tipo de motores no existen aumentos bruscos de presión en el cilindro, se obtiene un motor de marcha suave y poco ruidosa, estos motores son poco humeantes, por la buena combustión, niveles bajos de NOx , debido a que estos compuestos aparecen a altas temperaturas.Los inconvenientes de la inyección indirecta: • Como consecuencia de la cámara dividida, estos motores tienen mala ventilación. • Debido a la existencia de precámara y cámara aparece una relación superficie/volumen alta, lo que eleva las pérdidas térmicas y le hace perder rendimiento. • Es necesario también por esta última razón instalar precalentadores en la precámara de inyección, con el fin de posibilitar el arranque en frío del motor.3.2.2. Motores de Inyección Directa.Los sistemas de inyección directa han sido equipados tradicionalmente enmotores grandes y medianos, que no poseen un elevado régimen de giro.Sin embargo, con el paso del tiempo los sistemas de inyección directa se hanoptimizado considerablemente y, en la actualidad, los motores Dieselequipados con estos sistemas poseen un mejor rendimiento que los motores deinyección indirecta, por eso la tendencia actual es la de extender los sistemasde inyección directa a los motores pequeños y rápidos.En un motor equipado con un equipo de inyección directa, la inyección delcombustible se realiza directamente en la cámara de combustión del motor. Eneste tipo de motores se prescinde de la cámara dividida, característica de losmotores Diesel de inyección indirecta. 19
  28. 28. I Memoria 3. Sistemas de inyección Fig. 3.2: Esquema de un motor equipado con inyección directa.En los motores de inyección directa la cámara de combustión está labrada enel mismo pistón, y no en la culata como en el caso de inyección indirecta.Como consecuencia de la no existencia de la precámara de inyección,desaparecen las elevadas turbulencias generadas en esta, y que eranutilizadas para dispersar el chorro. Por lo tanto en la inyección directa el chorrode inyección no cuenta con la ayuda del medio para formar la mezcla aire-combustible. Fig. 3.3: Formas que puede adoptar el pistón para facilitar la turbulencia.Por lo tanto para ayudar a homogeneizar la mezcla en un motor de inyeccióndirecta se recurre a: • Diferentes formas que adopta la cámara de combustión sobre el pistón (Figura. 3.3.), que permiten que el aire de la admisión forme en ella un remolino denominado “swirl”, con el objeto de ayudar a la dispersión del gasoil en la cámara de combustión. 20
  29. 29. I Memoria 3. Sistemas de inyección • Subsanar parcialmente la deficiencia en cuanto a las corrientes de aire, mediante el perfeccionamiento del sistema de inyección, en concreto de la bomba y de los inyectores. • Se usan inyectores de varios orificios, 4, 5 o 6, con diámetros muy pequeños, en motores de automoción pequeños. Estos inyectores crean unos chorros de muy alta calidad, dando lugar a unos diámetros de gotas muy reducidos que facilitan la dispersión. Con esto se pretende conseguir una formación de mezcla homogénea y lo más rápidamente posible, para que la combustión se realice en las condiciones óptimas. En la figura 3.4, se muestra el aspecto de una tobera de un inyector de inyección directa apreciándose la disposición de los orificios, este elemento es el que va introducido en la cámara de combustión y por lo tanto es el encargado de inyectar y pulverizar el combustible, además es desmontable para poder ser intercambiado. • La bomba de inyección, en lo que a los sistemas de inyección directa tradicionales se refiere (pueden ser rotativas o en línea), ha de ser muy precisa en cuanto a la cantidad de combustible inyectado, y el punto de inyección, así como de gran robustez, ya que se dan presiones de inyección de hasta 1000 Bar, mientras que, como se verá en la siguiente sección de este capítulo, donde se trata profundamente el sistema Common-Rail (variante del sistema de inyección directa tradicional), la inyección ya no depende de la bomba si no de los inyectores, que son los encargados de controlar la inyección de combustible al motor comandados electrónicamente por un calculador. Fig. 3.4: Tobera de un inyector de inyección directa 21
  30. 30. I Memoria 3. Sistemas de inyecciónLas ventajas que presentan los motores de inyección directa sobre los deinyección indirecta son: • Presentan una mejor ventilación de la cámara de combustión, debido a la ausencia de la cámara dividida. Esto elimina las perdidas por rozamiento del aire en la precámara de inyección y en el canal. • Es un motor más caliente, y por lo tanto más adiabático, como consecuencia de la menor relación superficie / volumen de la cámara de combustión. Esto posibilita que el rendimiento de estos motores pueda llegar hasta valores del 40%. • Son motores con mayor sencillez constructiva, puesto que ha desaparecido la precámara de inyección, y el canal.Entre los inconvenientes de los motores de inyección directa encontramos: • La mezcla en estos motores es peor que la obtenida por el procedimiento de precámara, en consecuencia tenemos un motor más humeante que los de inyección indirecta. • El aumento de presión brusco en el cilindro provoca en aumento de la dureza de marcha, y que sea un motor ruidoso. • La formación de la mezcla resulta lenta, por no estar ayudada por las turbulencias del aire, por lo tanto estos motores tienen dificultad para alcanzar alto régimen de giro. • La fisonomía de la culata dificulta instalar un sistema de precalentadores para facilitar el arranque en frío del motor.3.2.3. Tendencias actuales.Existen varias razones para hablar de nuevas tendencias en el campo de lossistemas de inyección diesel: • La creciente restricción legal en los niveles máximos de emisiones gaseosas y acústicas, difícilmente alcanzables con los sistemas de inyección tradicionales. • El mejor comportamiento y manejabilidad de los vehículos, exigencia de mayor par a bajo régimen. • La reducción del consumo de combustible y de aceite. • La reducción del peso y del volumen del motor. 22
  31. 31. I Memoria 3. Sistemas de inyección3.3. SISTEMA COMMON-RAIL.3.3.1. Introducción.Durante muchos años, en la industria del automóvil, ha sido un objetivoprimordial el conseguir un sistema de inyección flexible para motores Diesel deinyección directa, que permitiese variar fácil y libremente: • el inicio de la inyección. • cantidad de combustible inyectado. • la tasa de inyección. • la presión de inyección.Con el propósito de alcanzar todos estos objetivos, se ha diseñado el sistemade inyección de combustible Common-Rail. Este sistema, además de permitirvariar la tasa e inicio de la inyección, permite cambiar libremente la presión deinyección, en un rango que abarca desde los 150 hasta los 1400 bares, asícomo inyectar el combustible en diferentes etapas.Estas nuevas características contribuyen, a la mejora de los motores diesel deinyección directa en lo que concierne al ruido, emisión de gases de escape, ypar obtenido en el motor.3.3.2. Diseño del sistema.En las figuras 3.5 y 3.6, pueden observarse el esquema y el prototipo,respectivamente, del sistema Common Rail de la casa BOSCH. Fig. 3.5: Sistema Common-Rail para vehículos de pasajeros. 23
  32. 32. I Memoria 3. Sistemas de inyecciónUna bomba de alimentación toma combustible, (gasoil), del depósito y, de estemodo, alimenta a la bomba de alta presión. A su vez, la bomba de alta presiónes accionada por el motor de combustión, y trasiega gasóleo, a través del Rail,hacia los inyectores, situados en los cilindros del motor. Una parte de estegasoil es inyectado en las cámaras de combustión del motor; y otra parte,menor que la anterior, se utiliza para controlar la posición de la aguja delinyector. Esta parte de gasoil después de la inyección vuelve al depósito, por loque se le denomina caudal de retorno.El volumen de combustible comprendido entre la bomba de alta presión y losinyectores actúa como un acumulador. El gasoil es un fluido incompresible, demanera que el volumen anterior amortigua las oscilaciones que surgen debidoa las pulsaciones producidas en la bomba de alta presión y, especialmente, enla brusca salida de gasóleo por los inyectores.Un sensor de presión mide la presión del gasóleo en el raíl. La señal queproporciona es comparada con el valor deseado que está almacenado en laECU (Electronic Control Unit ). En el caso de que el valor medido y el deseadosean diferentes, se abre o se cierra un orificio de desbordamiento en elregulador de presión, hasta que las presiones se igualen. El gasoil de excesoresultante regresa al depósito de combustible. Fig. 3.6: Sistema Common-Rail para vehículo de pasajeros.La apertura de los orificios de control de los inyectores es controlada por laECU, a tiempos definidos, mediante el envío de pulsos de diferente duración aunas electroválvulas incorporadas en dichos inyectores. La duración de lainyección, la presión del gasóleo en el raíl, y el área del flujo de la inyección,determinan la cantidad de gasoil inyectado, que por lo tanto no depende delrégimen. 24
  33. 33. I Memoria 3. Sistemas de inyección3.3.3. Componentes del sistema.3.3.3.1. Filtro de combustible.El filtro es un elemento de vital importancia en cualquier sistema de inyección.La parte de alta presión del sistema, (bomba de inyección e inyectores), sefabrica con una exactitud de milésimas de milímetro, lo que significa queincluso las partículas de suciedad más diminutas que pueda contener elcombustible puede menoscabar su funcionamiento (los filtros de gasoil soncapaces de filtrar partículas de hasta 5 µm). Un filtrado deficiente provocaríadaños en los componentes de la bomba, las válvulas de impulsión y losinyectores. El empleo de un filtro de combustible adaptado a las exigenciasparticulares de la instalación de inyección es la premisa indispensable para unservicio prolongado y sin perturbaciones.Puede que el combustible contenga agua, tanto emulsionada como sin ligar, (p.ej. formación de condensación acuosa debido a cambios de temperatura). Si elagua llega a la bomba de inyección, no se podrían evitar los daños porcorrosión. La bombas rotativas de inyección necesitan, por tanto, un filtro decombustible con colector de agua.La aplicación, cada vez más frecuente, del motor Diesel en turismos hafavorecido el empleo de un dispositivo automático, detector del nivel de agua,que indica, mediante un testigo de aviso correspondiente, cuándo debepurgarse el agua.3.3.3.2. Bomba de alimentación.Aguas abajo de este elemento se tiene lo que se denomina circuito de bajapresión y la parte aguas arriba, se denomina circuito de alta presión. Esimportante la existencia de este elemento para garantizar el suministro degasoil a la bomba de inyección, con un mínimo de presión para evitar lacavitación.Además, como la lubricación de las bombas de inyección se realiza con elpropio gasoil, la presencia de una bomba de alimentación asegura la correctalubricación de todo el grupo.3.3.3.3. Bomba de alta presión.La bomba de alta presión es de pistones, y éstos, se encuentran dispuestosradialmente. Una leva excéntrica, en su eje conductor, desplaza tres pistonesen sucesión. Los pistones están sujetos a la excéntrica por muelles, y cadapistón toma gasoil por la correspondiente válvula de entrada. Éste es entregadomediante la válvula de control, cuando el pistón es desplazado por laexcéntrica, generando así un caudal pulsante que va hacia el Rail donde seacumula. 25
  34. 34. I Memoria 3. Sistemas de inyección Fig. 3.7: Bomba de alta presión.La válvula de entrada de uno de los pistones puede ser abierta por unsolenoide. De esta forma, la cantidad de gasoil entregada por la bomba de altapresión puede ser adaptada a la correspondiente demanda. Esto tiene comoconsecuencia, una baja absorción de potencia del sistema de inyección decombustible, y una temperatura moderada para el combustible.Existe una válvula de seguridad localizada en la boca de alimentación decombustible de la bomba de alta presión. El pistón de esta válvula cierra unorificio en la entrada de la bomba de alta presión, cuando existe una presiónbaja de gasóleo. Si las condiciones son de alta presión del combustible, elorificio se abre. Por medio de esta válvula, el gasóleo que fluye al motor, puedecesar de hacerlo cuando la bomba de alimentación sea desconectada.3.3.3.4. Inyectores.En la Figura 3.8, puede observarse un conjunto porta-inyector, en el que sepueden distinguir los siguientes componentes: • Una tobera multi-orificio con un muelle, la fuerza de pretensión del muelle lleva la aguja a su asiento. • Un pistón de mando, P. • Un orificio Z que alimenta combustible al pistón de mando. • Un orificio, A, que es abierto o cerrado por una válvula-solenoide (electroválvula). 26
  35. 35. I Memoria 3. Sistemas de inyección Fig. 3.8 Conjunto porta-inyector. Fig. 3.8: Conjunto porta-inyector.Sin presión de gasóleo sobre el lado del muelle en la aguja del inyector, latobera se abre a una presión de 45 bares. Con la electroválvula desactivada elorificio A situado en la parte superior del pistón de mando, permanece cerrado.La presión del gasóleo proveniente del raíl trabaja sobre el lado superior delpistón de mando del inyector a través del estrangulamiento Z, y en el ladoinferior, a través del pequeño diámetro guía de la aguja del inyector. De maneraque la presión del combustible ejerce una fuerza que se suma a la del muelle,cerrando la tobera.Cuando llega un pulso a la electroválvula, ésta abre el orificio A, que seencuentra conectado con el retorno a una presión de 0.7 bar. Debido a esto, lapresión en el volumen de control (volumen comprendido entre la parte superiordel pistón y el orificio de salida, A) se reduce, y la tobera se abre. Cuando latobera está completamente abierta, la parte superior del pistón del inyectorcubre el estrangulamiento A, con lo que se reduce, de este modo, la cantidadde combustible que fluye al depósito. Cuando el pulso desaparece, se cierra elorificio A, de manera que aumenta la presión ejercida sobre la parte superiordel pistón, y el inyector se cierra.3.3.3.5. Acumulador (Raíl).El gasoil atrapado entre la bomba de alta presión y los inyectores trabaja comoun acumulador. El volumen de gasoil atrapado puede contener entre 30 y 40cm3 para un motor de cuatro cilindros. Un volumen más pequeño tendría comoconsecuencia una gran pulsación en la presión del gasoil, lo cual sería 27
  36. 36. I Memoria 3. Sistemas de inyeccióninaceptable. Por otro lado, un volumen mayor podría aumentar el tiempo derespuesta de la presión durante las condiciones transitorias.3.3.3.6. Regulador de presión.El regulador de presión (Ver figura 3.9.) varía la presión del acumulador. Paraeste propósito un solenoide actúa sobre una válvula de bola de sobrecarga.Incrementando la corriente en la bobina del solenoide, se incrementa la fuerzadel solenoide, y por consiguiente sube la presión del combustible. Elcombustible sobrante es devuelto al depósito. Fig. 3.9: Regulador de presión.3.3.3.7. Sensor de presión.La presión en el Rail es medida por un sensor detector de deformación desilicona piezo-resistivo. (Ver Figura 3.10.). Fig. 3.10: Captador de presión. 28
  37. 37. I Memoria 3. Sistemas de inyección3.3.3.8. Unidad Electrónica de Control (ECU).La ECU (Electronic Control Unit, que puede observarse en la figura 3.11.)contiene todas las funciones para controlar el sistema de inyección:El valor deseado para la presión del combustible es determinado por lainformación sobre el funcionamiento del motor. Si la medida de la presión delgasoil se desvía del valor deseado, la corriente eléctrica en el regulador depresión es alterada hasta que la presión medida en el Rail y el valor de presióndeseado sean iguales. • Las válvulas-solenoide (electroválvulas) de los inyectores son controladas según la posición del pedal del acelerador y la información sobre el funcionamiento del motor. • La electroválvula de la bomba de alta presión es accionada según la información sobre el funcionamiento del motor. • La bomba de cebado eléctrica, (bomba de alimentación), puede ser activada o desactivada y en función de su estado, una electroválvula en la alimentación del combustible estará abierta o cerrada. Fig. 3.11: Unidad Electrónica de control.La estructura y tamaño de esta unidad de control está pensada para serinstalada en un vehículo de pasajeros, de ahí su pequeño tamaño y robustez.En suma, la ECU ejecuta las funciones para controlar el motor y el vehículo ytambién proporciona información al conductor y datos para diagnóstico.3.3.4. Inyección múltiple.La electroválvula (o válvula-solenoide) de un inyector puede ser activada variasveces durante un ciclo de trabajo del motor. De esta manera, son factibles unapre-inyección, una inyección principal y una post-inyección. Esto proporcionauna gran flexibilidad a la hora de ajustar la forma óptima de inyección. 29
  38. 38. I Memoria 3. Sistemas de inyección3.3.4.1. Pre-inyección, (Inyección piloto).Una pequeña cantidad de inyección, de 1 a 2 mm3/ciclo, antes de que seproduzca la inyección principal, es conveniente para reducir el ruido de lacombustión. Para este propósito, la cantidad de pre-inyección ha de sercontrolada de forma muy precisa y debe tener lugar en un intervalo de tiempoanterior a la inyección principal.Una pre-inyección demasiado pequeña y demasiado pronto, aumentaría elruido producido en la combustión. Por otro lado, una pre-inyección demasiadogrande incrementaría la emisión de partículas. En el mejor caso, la cantidad degasóleo inyectado en la pre-inyección decrece con el incremento del régimendel motor, y su intervalo (en ángulos de cigüeñal) respecto a la inyecciónprincipal, crece con el aumento de la velocidad del motor. Una pre-inyeccióntan variable solo es posible mediante el sistema de inyección de combustibleCommon-Rail.En la figura 3.12., se puede observar la forma de la corriente que excita alsolenoide, a la que se denomina: pulso de mando, que produce elaccionamiento de la electroválvula. Fig. 3.12: Pre-inyección. 30
  39. 39. I Memoria 3. Sistemas de inyecciónUn control preciso de la cantidad inyectada requiere una fabricación muyprecisa de los inyectores. Las secciones de paso efectivas de los siguientesestrangulamientos son de gran importancia (estos fueron mostrados,previamente, en la figura 3.8.): • El estrangulamiento de entrada a la cámara del pistón de mando, Z. • El estrangulamiento de salida, A, desde el volumen de control. • El estrangulamiento variable, D, en el asentamiento de la tobera, producido por el levantamiento variable, en el tiempo, de la aguja.Para conseguir un control exacto, es importante que la válvulaelectromagnética abra y cierre el orificio A, rápida y completamente. (La pre-inyección, mostrada en la figura 3.12, dura 300µs). La válvula electromagnéticanecesita 270µs para abrirse y cerrarse completamente.3.3.4.2. Post-inyección.La válvula electromagnética puede ser abierta de nuevo después de lainyección principal. El gasóleo, por lo tanto, puede ser inyectado durante lacarrera de expansión, con lo que puede realizar, en este caso, la función deagente reductor para un catalizador de NOx.3.3.5. Propiedades específicas de un sistema Common-Rail.El combustible es acumulado, en condiciones de alta presión, y el asientosellado de la tobera del inyector, está por lo tanto expuesto permanentemente aesta elevada presión. Para impedir que se produzcan daños en el motor, setoman una serie de medidas especiales:3.3.5.1. Fugas externas.Las fugas de combustible a alta presión pueden suceder en los sistemas deinyección convencionales, por ejemplo, debido a la rotura de una línea de altapresión. En este caso, el combustible fugado es equivalente a la cantidad decombustible medido. El combustible de fuga se reduce en estos casoslevantando el pedal del acelerador, y bajando por lo tanto el régimen del motor.Debido a la permanente alta presión, el sistema Common-Rail perderá máscombustible que los sistemas convencionales. Esta cantidad de combustiblepuede ser casi el volumen entregado por la bomba de alta presión. Las fugasmuy importantes son detectadas (monitorizadas) por la unidad de control, einstantáneamente para el motor deteniendo así la fuga. 31
  40. 40. I Memoria 3. Sistemas de inyección3.3.5.2. Fugas internas.En el caso de que la fuga se produjese en el asiento de la electroválvula, o enel asiento de la aguja del inyector, motivada por ejemplo por la suciedad, elcombustible puede fluir continuamente al interior de la cámara de combustióndel motor durante un corto periodo de tiempo, hasta que dicha fuga fuesedetectada. De este modo, el combustible puede ser introducido en el interior delcilindro bastante antes del punto muerto superior, dando lugar a unacombustión anticipada. Este defecto produciría una alta presión y altatemperatura en el cilindro correspondiente. Es recomendable asegurar latolerancia del motor a las altas presiones durante un corto periodo de tiempo,por ejemplo, un segundo. Durante este tiempo, la situación puede detectarse yel flujo de combustible puede ser detenido.3.3.6. Resumen.Como resumen, puede decirse que el sistema de inyección Common-Railofrece un número importante de ventajas, respecto a los sistemas de inyeccióntradicionales: • La presión de inyección puede ser elegida libremente dentro de los límites que marcan las características de la bomba de alta presión. • La tasa de inyección, se hace totalmente independiente del régimen, pues se dispone del acumulador, para compensar las deficiencias o excesos de caudal de la bomba. • Pueden emplearse presiones de inyección de hasta 2000 bares. Esto tiene como consecuencia una baja emisión de partículas, y un gran par máximo, incluso a baja velocidad. • Permite un control flexible de la inyección, lo cual permite reducir el ruido de la combustión, mediante el empleo de pequeñas pre-inyecciones. • Se puede aplicar una post-inyección, que en combinación con un catalizador, reduce las emisiones de NOx. • El ruido mecánico producido por la bomba de alta presión es más bajo que el producido por una bomba rotativa tradicional, debido a su par de accionamiento uniforme.3.4. CARACTERISTICAS DE LAS TOBERAS.En este apartado se van a exponer las principales características que tienen lastoberas de los inyectores. Así como los diferentes tipos que existen. 32
  41. 41. I Memoria 3. Sistemas de inyección3.4.1. Morfología de la tobera.La tobera es la parte del inyector que entra dentro de la cámara de combustión,y por lo tanto la encargada de atomizar el combustible. Luego, de la toberadependerá en gran medida que el proceso de combustión sea bueno. En lafigura 3.13 se puede observar el plano de una tobera. Fig. 3.13: Disposición geométrica de los orificios de una tobera de inyector diesel convencional (Common Rail Bosch).El conjunto de la tobera está formado por la tobera propiamente dicha y laaguja. La tobera es hueca y dentro de ella va alojada la aguja. Con ellevantamiento de la aguja se regula el flujo de combustible. En el extremoinferior de la tobera están los orificios por donde sale el combustible a lacámara de combustión. Las toberas actuales suelen tener de cinco a ochoorificios.3.4.2. Tipos de tobera.Dependiendo si el inyector entra recto o inclinado en la cámara de combustióntendremos dos tipos de toberas: • Simétrica. Para el caso en que entra recto. Todos los orificios tienen el mismo ángulo de inclinación con el eje de la tobera. 33
  42. 42. I Memoria 3. Sistemas de inyección • Asimétrica. Para el caso en que entra inclinado. Los ángulos de inclinación de los orificios deben de ser corregidos para que los chorros sean simétricos respecto al eje del cilindro del motor, por lo tanto cada orificio tendrá una inclinación diferente.Cuando la aguja esta apoyada en su asiento, en la parte baja de la toberaqueda atrapado un volumen de combustible. Dependiendo de la forma de estevolumen, se puede diferenciar tres tipos de tobera, tal como se puede ver en lafigura 3.14: Saco Microsaco VCO Fig. 3.14: Diferentes configuraciones de toberas. Saco, Microsaco y VCO. • Saco. Tiene un volumen relativamente grande que está en contacto con los orificios. • Microsaco. Igual que el saco, pero con el volumen más pequeño. • VCO. La diferencia con las dos anteriores es que los orificios están en el asiento de la aguja, y por lo tanto quedan tapados cuando la aguja está cerrada. 34
  43. 43. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una tobera CAPITULO 4 MODELADO COMPUTACIONAL DEL FLUJO EN EL INTERIOR DE UNA TOBERA MONO-ORIFICIO4.1. INTRODUCCION ..................................................................................... 364.2. TIPO DE TOBERA A ESTUDIAR ............................................................ 364.3. DEFINICION DE LA GEOMETRÍA .......................................................... 384.4. CONDICIONES INICIALES Y DE CONTORNO ...................................... 394.5. MALLADO ................................................................................................ 40 4.5.1. Ortogonalidad ................................................................................. 40 4.5.2. Disposición de las celdas ................................................................ 41 4.5.3. Refinamiento ................................................................................... 43 4.5.4. Independencia de malla .................................................................. 444.6. MALLA EMPLEADA EN EL PROYECTO ................................................ 454.7. FLUIDO DE TRABAJO ............................................................................ 464.8. ECUACIONES FUNDAMENTALES Y MODELOS APLICADOS ............. 46 4.8.1. Ecuaciones de la continuidad y cantidad de movimiento ................ 46 4.8.2. Modelos empleados ........................................................................ 474.9. DISCRETIZACION DEL CALCULO ......................................................... 50 35
  44. 44. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una tobera4.1. INTRODUCCION.En este capitulo se define el tipo de inyector empleado para este proyecto, conun enfoque mas detallado en su tobera (parte que nos incumbe) donde sedescriben sus partes y funcionamiento,También se describen los pasos previos a la solución de las diferentesecuaciones como lo son la definición de los límites o dominio a estudiar, lascondiciones iniciales y de contorno, características del mallado, tipo de fluido;así como las ecuaciones que el software CFD resuelve por defecto y losmodelos de turbulencia empleados.4.2. TIPO DE TOBERA A ESTUDIAR.La tobera empleada para este estudio, es la de un inyector BOSCH A-433202031. Este es un inyector de inyección directa usado para pruebasexperimentales como medidas de tasa, cantidad de movimiento, velocidad desalida del chorro, etc. Este consta de una tobera mono-orificio (solo tiene unorificio central de inyección), la cual lo diferencia de los inyectores comercialesde inyección directa que tienen toberas con cinco o seis orificios. Fig. 4.1: Planos de la geometría de un inyector BOSCH A- 433202031 (Longitudes en milímetros). 36
  45. 45. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una toberaUno de los objetivos de este proyecto es el de comparar los resultadosobtenidos en las simulaciones con resultados experimentales existentes, y deesta manera validar el modelo; por lo tanto las condiciones de los diferentesparámetros para el cálculo numérico son las mismas que las empleadas en losensayos experimentales.A la entrada se tiene el gasoil proveniente de la bomba de alta presión, a unapresión constante de 300 bar. La presión a la salida en el agujero de inyecciónes de 80 bar; presión aproximada a la que se presenta dentro de la cámara decombustión cuando el aire se encuentra comprimido.La función de la aguja es la de permitir el flujo del gasoil hacia la cámara decombustión. Cuando esta se encuentra en reposo no se produce inyeccióndebido a que las paredes de esta se encuentran en contacto con las paredesde la tobera, impidiendo el flujo de combustible hacia el agujero de inyección.Conforme la aguja se va levantando comienza a fluir gasoil por el agujero deinyección, hasta llegar a su máximo levantamiento donde se presenta la mayortasa de inyección.Después de estar en su posición máxima por un corto tiempo (2,5 msaproximadamente), la aguja comienza su descenso hasta llegar a su estado dereposo concluyendo así un ciclo de inyección. Tobera Agujero de inyección Fig. 4.2: Geometría interna de una tobera mono-orificio. 37
  46. 46. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una tobera4.3. DEFINICIÓN DE LA GEOMETRÍA.En la realización de las simulaciones por computadora, es de gran importanciadefinir de forma óptima la geometría a analizar, debido a que el dominio de estaes discretizado en un conjunto finito de volúmenes o celdas de control.Para cada uno de estos volúmenes o celdas se resuelven una serie deecuaciones de la dinámica de fluidos; por lo tanto entre mas grande sea lageometría, mas cantidad de celdas va a requerir; aumentando así el costecomputacional representado en la memoria y el tiempo empleados por lacomputadora para realizar todos los cálculos.En este proyecto no se efectuaron simulaciones para el transitorio o el ciclocompleto de una inyección, estas se hicieron en 2D para condicionesestacionarias con la aguja fija en su máxima elevación que es de 0,4 mm parael tipo de inyector escogido.Dado que la geometría de la tobera y la aguja, además del comportamiento delfluido, son axi-simétricos o tienen simetría axial en torno al eje de la aguja, seha tomado solo una sección a lo largo de este; por consiguiente se ha reducidoel coste computacional a la mitad.Cabe recordar que nuestro interés es saber como se comporta el fluido dentrode la tobera, por esta razón nuestro dominio es el espacio hueco entre latobera y la aguja, comprendido entre la parte donde la pared de la aguja y de latobera comienzan a ser paralelas, hasta el orificio de salida. Es en esta zona endonde se presentan elevados gradientes de presión y altas velocidades; véasela zona de color amarillo en la Figura 4.3. Fig. 4.3: Dominio a estudiar. 38
  47. 47. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una toberaFinalmente en la Figura 4.4 a y b, se pueden observar las dimensiones de lageometría seleccionada, estas medidas son suficientes para poder realizar elmallado.Se ha tomado la entrada a partir de una distancia de 1,52 mm a lo largo de lapared de la aguja, distancia a partir de la cual se comienzan a observarcambios en la presión y en la velocidad del fluido. La distancia entre la salida yla punta de la aguja es de 1,4 mm cuando esta se encuentra elevada 0,4 mm.En la parte final de la tobera, el orificio tiene una longitud de 0,92 mm y un radiode salida de 0,056 mm; es en esta parte donde se presentan caídas en lapresión y velocidades más altas debido a la reducción de la sección, disminuyela presión pero aumenta la velocidad. (a) (b) Fig. 4.4: Planos de la geometría seleccionada (Longitudes en milímetros).4.4. CONDICIONES INICIALES Y DE CONTORNO.Las condiciones iniciales son los valores que ya se conocen del problema;pueden ayudar a la convergencia de la solución y sobre todo, a que sea más“real”. Dentro de estas condiciones se tienen: 39
  48. 48. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una tobera • Entrada: existe una condición de presión constante de 300 bar (30 MPa) y una velocidad del fluido desconocida. • Salida: tenemos una condición muy parecida a la de la entrada, pero con un valor de presión de 80 bar (8 MPa).En las condiciones de contorno se definimos, básicamente, los límites delproblema, así como el contorno del objeto a estudiar: • Pared: la dinámica de fluidos nos dice que todo fluido en contacto con una pared fija tiene una velocidad igual a cero. • Eje de simetría: tanto el comportamiento del fluido como la geometría a estudiar, presentan simetría axial en torno a este eje.4.5. MALLADO.Se podría decir que analizar por medio de una computadora el comportamientode cada una de las partículas que componen un fluido comprendido en undominio, es una tarea imposible debido que este dominio tiene demasiados porno decir infinitos puntos sobre los cuales habría que resolver diferentesecuaciones y modelos matemáticos de la mecánica de fluidos; lo cual requeriríade súper computadoras con una memoria y capacidad de almacenamientoinfinitas.Dado que no existen ordenadores con tales características, es necesario dividirdicho dominio en pequeños volúmenes finitos sobre los cuales se resolvertodos estos cálculos. En el método de volúmenes finitos, el proceso de dividir odiscretizar el domino a estudiar en pequeños volúmenes de control o celdas sele llama mallado.El mallado condiciona los resultados obtenidos mediante el calculo CFD, por loque se requiere de una malla aceptable como paso previo a cualquiersimulación. Mallar no es una tarea fácil, este es un procedimiento complejo enel que se deben valorar numerosos aspectos para que la malla tenga validez.Dentro de los más importantes tenemos:4.5.1. Ortogonalidad.Una malla es ortogonal si, para cada cara dentro de esta, la cara normal esparalela al vector entre los centros de las celdas que la cara conecta. En casoscomo el que se presenta en este trabajo, en el cual la malla esta formada porceldas cuadrangulares (tienen cuatro lados), lo ideal seria que estas fuesencompletamente cuadradas o que por lo menos sus vértices formaran ánguloscercanos a los noventa grados (véase la Figura 4.5a). 40
  49. 49. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una tobera (a) Malla semi-ortogonal (b) Malla no ortogonal Fig. 4.5: Tipos de malla.Esto se debe por que al hacer simulaciones usando mallados en el que losvértices de sus celdas forman ángulos muy agudos (ver la figura 4.5b),presentan inestabilidad numérica, imprecisión y hasta un incorrectofuncionamiento del software que se emplee.En la realidad la mayoría de los mallados no cumplen satisfactoriamente estecriterio de ortogonalidad, debido al impedimento de la misma geometría, perose hace lo posible por que en estos sus celdas no tengan ángulos tan agudos.Además la mayoría de los software encargados de hacer los cálculos, vienendiseñados para corregir la no-ortogonalidad lo cual contribuye a conseguirresultados que se aproximen a la realidad.4.5.2. Disposición de las celdas.Según estudios realizados se ha podido deducir, que simulaciones hechas conmallados en los cuales sus celdas se encuentren orientadas o sigan ladirección del flujo; ofrecen mejores resultados que las simulaciones hechas conmallados con sus celdas dispuestas en cualquier sentido.Es por tanto aconsejable tener una idea de la dirección que podría tomar elflujo en el dominio a estudiar como paso previo a la realización del mallado.Una manera de efectuar este tipo de mallado, es dividiendo el dominio enzonas mas pequeñas y simples como rectángulos; con el fin de poder mallarcada una de estas por aparte. Es aquí donde entra a jugar un papel muyimportante la estrategia empleada por la persona encargada de efectuar elmallado.En nuestro caso se encuentran cuatro zonas importantes (véase la figura 4.6).La zona uno es rectangular, la dos y la cuatro son casi rectangulares; estas sonlas mas sencillas debido a la forma que tienen y a su orientación por lo que se 41
  50. 50. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una toberapodría mallar perfectamente siguiendo la dirección del flujo y consiguiendoademás celdas semi-ortogonales. Fig. 4.6: Descomposición del dominio.Por último se tiene la zona tres de la cual se puede decir que es la másespecial por la forma que tiene. Es en esta parte del dominio donde el flujopresenta un mayor cambio considerable en su dirección, puesto que estapresenta un cambio de sección brusco además de tener una parte circular. Porende esta zona requiere de más cuidado ya que la forma de su mallado puederepercutir notablemente en la confiabilidad de los resultados arrojados.En la figura 4.7 se puede observar la zona tres de la malla realizada en esteproyecto, la cual se hizo siguiendo la dirección del flujo. Fig. 4.7: Zona 3 del mallado realizado.La línea roja corresponde al estimado de la trayectoria del flujo en esa parte, esde notarse como las celdas en esa región siguen dicha trayectoria, aunque lasque están comprendidas dentro de la zona formada por la línea verde no lasiguen puesto que no fue posible mallarla de la manera deseada debido a laforma de la geometría en esa parte. De todos modos esta zona es pequeña,además las partículas del fluido que pasan por ella no presentan mucha 42
  51. 51. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una toberaactividad debido a sus bajas velocidades, y por ende no afectansignificativamente la confiabilidad de los resultados.4.5.3. Refinamiento.Hay partes en el domino en las que se presentan elevados gradientes ocambios en las variables que se están estudiando. Es en estas partes donde sehace necesario aplicar un refinamiento, que consiste en disminuir el área decada celda en ese sector, para aumentar de esta forma la cantidad de puntos odensidad de celdas que conforman dicha zona.En casos como el presente, las partes en las que más se hace refinamiento esen las cercanías de las paredes, ya que en esta región se encuentra la capalímite, en la que se producen elevados gradientes; para ser más específicosgradientes de velocidad; siendo innecesario afinar partes donde no seproduzcan cambios considerables como por ejemplo la zona en el centro delorificio.En la figura 4.8 se puede observar una parte del refinamiento realizado en lapared de la tobera. Fig. 4.8: Refinamiento en la pared.Cuando se emplean modelos de turbulencia como en este proyecto, elrefinamiento en las paredes juega un papel muy importante a la hora deobtener de buenos resultados; puesto que estos modelos se concentran enestas zonas donde más se presentan cambios en el fluido de laminar aturbulento debido a los efectos viscosos allí presentes.La figura 4.9 representa la grafica de velocidad de salida del fluido en el orificiorespecto a la distancia comprendida entre el centro del orificio y la pared de latobera. El valor cero corresponde al centro del orificio y el valor 0,056 mmcorresponde a la pared de la tobera. Analizando esta curva se puede observarque hay un alto gradiente de velocidad en la pared mientras que en el centrodel orificio no se observan variaciones considerables. 43
  52. 52. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una tobera Fig. 4.9: Grafica de la velocidad de salida del fluido en el orificio.4.5.4. Independencia de malla.Un mallado fino o que este compuesto por bastantes elementos, ofrece unamejor convergencia y mejores resultados que un mallado más grueso, pero enconsecuencia emplea un tiempo de cálculo mayor que el empleado por elmallado grueso puesto que contiene mas puntos que analizar.Uno de los aspectos más importantes en una malla, es su independenciarespecto a las soluciones arrojadas por las simulaciones. Esto quiere decir quehay un punto en la fase de discretizacion espacial del dominio de cálculo apartir de la cual, los resultados obtenidos no varían si se emplean malladosmás finos o con más celdas.La sensibilidad o independencia de malla varía de acuerdo a factores como elmodelo y esquema de cálculo que se emplee. En casos como el nuestro que seemplearon varios modelos, fue necesario crear una malla versátil que ofrecieraun buen comportamiento ante cada uno de estos.Por ende con una buena resolución espacial del dominio sin exceso deelementos, se consigue una buena convergencia en un tiempo de cálculo masoptimo, con resultados que describen de manera confiable el problema que seesta tratando. 44
  53. 53. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una tobera4.6. MALLA EMPLEADA EN EL PROYECTO.En la figura 4.10 se puede apreciar la malla que se empleó para efectuar lassimulaciones en este proyecto. Esta está formada por 74761 celdas y 101967puntos. Se puede ver claramente en los acercamientos hechos a cada una delas zonas de las que se habló en la sección 4.5.2 como la mayoría de lasceldas siguen la trayectoria del fluido excepto en una parte de la zona tres. Fig. 4.10: Malla usada en el proyecto.También contemplamos una gran concentración de celdas en la pared de laaguja y tobera debido al refinamiento allí aplicado que es el mismo para ambasparedes, aunque el refinado de más importancia es el de la tobera, ya que es apartir del cambio de sección donde se presentan los mas grandes cambios develocidad a causa de la reducción del área transversal. 45
  54. 54. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una toberaPor otra parte, hablando del factor de ortogonalidad de la malla, se podría decirque de todo su entorno el punto más crítico se encuentra en una parte de lazona tres; para ser más específicos en la punta de la aguja por el cambiobrusco de dirección de las celdas en esa parte. Aunque las celdas allí nopresentan ángulos muy agudos en sus vértices.4.7. FLUIDO DE TRABAJO.El fluido empleado en este estudio es el diesel o gasoil liquido puesto que latobera que se ha modelado es la de un inyector de inyección diesel. Dentro desus valores físicos mencionamos los necesarios para la realización de lassimulaciones:Densidad ρ= 830 Kg m3Viscosidad dinámica µ= 0,00332 Kg m.sCabe aclarar que las simulaciones se hicieron para un flujo incompresible eisotermo por lo que la densidad y temperatura permanecen constantes.4.8. ECUACIONES FUNDAMENTALES Y MODELOS APLICADOS.La dinámica de Fluidos Computacional (CFD) permite la realización de cálculosdetallados de cualquier sistema en el cual intervengan fluidos, mediante laresolución de las tres ecuaciones fundamentales que describen elcomportamiento de un fluido que son la conservación de materia o continuidad,cantidad de movimiento y conservación de la energía para la geometríaparticular del sistema considerado. Aunque en este caso en particular no seresuelve la ecuación de la energía debido a que el problema se ha consideradobajo una condición de temperatura constante.Otra forma de obtener resultados más exactos o aproximados a la realidad delproblema, es complementando las ecuaciones fundamentales con ecuacionesde modelos diseñados para describir el comportamiento del fluido en lacondición en que se encuentre. La mayoría de los software CFD incorporangran cantidad de modelos como por ejemplo: modelos de turbulencia,flotabilidad, cavitación, transmisión de calor, etc.4.8.1. Ecuaciones de la continuidad y cantidad de movimiento.Se asume que la dinámica de un fluido es descrita por la ecuación decontinuidad y la ecuación de cantidad de movimiento. 46
  55. 55. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una tobera • Ecuación de la continuidad:∂ρ + ∇ • ( ρU ) = 0 (4.1)∂t • Ecuación de la cantidad de movimiento:δ (Uρ ) + ∇•( ρUU ) −∇• µ∇(U ) = −∇p (4.2) δtDonde: U Vector velocidad. p Presión. ρ Densidad. µ Viscosidad dinámica. ∂ Derivada parcial temporal. ∂t ∇ Gradiente espacial. ∇• Divergencia.4.8.2. Modelos empleados.Las simulaciones hechas en este proyecto se realizaron empleando cuatrodiferentes modelos; uno para régimen laminar y tres para régimen turbulento.A continuación se explican las características de cada uno de estos:4.8.2.1. Modelo laminar.Las ecuaciones que rigen el régimen laminar del flujo son las mismasecuaciones de la continuidad y de la cantidad de movimiento mencionadasanteriormente en la sección 4.8.1, por lo que no hacen falta ecuacionesadicionales. 47
  56. 56. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una tobera4.8.2.2. Modelo Spalart-Allmaras.El modelo Spalart-Allmaras es relativamente simple; consta de una solaecuación de transporte para la viscosidad cinemática de turbulencia. Estemodelo fue específicamente diseñado para aplicaciones aeroespaciales y hademostrado dar buenos resultados para flujos con capas límites sujetas a ~gradientes de presión adversas. La ecuación de transporte utiliza la variable vpara la viscosidad cinemática turbulenta, y se define como:∂( ρv ) ∂( ρv Ui) ~ ~ 1∂  ~ 2 ~) ∂v  + Cb 2 ρ  ∂v   − Yv + Sv ~ + = Gv +  (µ + ρv    ~ (4.3) ∂t ∂xi σv  ∂xj  ~ ∂xj   ∂xj    Donde: Gv Producción de viscosidad turbulenta. σv y Cb 2 Constantes. ~ Yv Destrucción de viscosidad turbulenta que ocurre cerca de la región cercana a la pared debido al efecto de bloqueo de la pared. Sv ~ Término fuente definido por el usuario.4.8.2.3. Modelo k -ε (Kappa-Epsilon estándar).Es el modelo completo más simple de turbulencia. Cuenta con sólo dosecuaciones mediante la solución de las cuales se permite determinarindependientemente la velocidad turbulenta y las escalas de longitud. Es unmodelo muy robusto, económico en cuanto a requerimiento de cálculo ybastante preciso en un amplio rango de flujos turbulentos, por lo que es muyusado.Con ecuaciones de transporte: k para la energía cinética turbulenta, y ε parasu tasa de disipación.∂( ρk ) ∂( ρk Ui) ∂  µt  ∂k  ∂t + ∂xi = µ +  ∂xj  σk  ∂xj  + Gk + Gb − ρε − YM + Sk (4.4) ∂( ρε ) ∂( ρε Ui) ∂  µt  ∂ε  ε ε2 + =  µ +   + C1ε (Gk + C 3εGb) − C 2ερ + Sε (4.5) ∂t ∂xi ∂xj  σε  ∂xj  k k 48
  57. 57. I Memoria 4. Modelado computacional del flujo en el interior de una toberaDonde: Gk Generación de energía cinética turbulenta debida a los gradientes de la velocidad media. Gb Generación de energía cinética turbulenta debida a la flotabilidad. YM Contribución de la dilatación que fluctúa en turbulencia compresible en relación a la tasa total de disipación. C1ε , C 2ε y C 3ε Constantes. σk y σε Número de Prandtl turbulento para k y ε respectivamente. Sk y Sε Términos fuentes definidos por el usuario. µt Viscosidad turbulenta.4.8.2.4. Modelo RNG k -ε (Grupo Renormalizado Kappa-Epsilon).El modelo RNG tiene términos adicionales en la ecuación ε de disipaciónturbulenta, que incorpora los efectos de giro o remolinos. La principal diferenciaentre el modelo RNG y el κ-ε estándar, se encuentra en el término adicional Rε en la ecuación de disipación turbulenta, el cual incluye valores constantesobtenidos experimentalmente que hacen al modelo RNG más sensible a losefectos de altas deformaciones y curvaturas de las líneas de corrientes que elmodelo κ-ε estándar, lo que explica su mejor desempeño en ciertos tipos deproblemas que presentan alto giro.Las ecuaciones de transporte para el modelo RNG κ-ε son muy similares a lasecuaciones para el modelo κ-ε estándar:∂( ρk ) ∂( ρk Ui) ∂  ∂k  + = αkµeff  + Gk + Gb − ρε − YM + Sk (4.6) ∂t ∂xi ∂xj  ∂xj ∂ ( ρε ) ∂ ( ρε Ui) ∂  ∂ε  ε ε2 + = αεµeff  + C1ε (Gk + C 3εGb) − C 2ερ − Rε + Sε (4.7) ∂t ∂xi ∂xj   ∂xj  k kDonde: αk y αε Inverso del numero de Prandlt efectivo para k y ε respectivamente. 49

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