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Tema18 Modelado De Mcia
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  • Remarcar la importancia de las hiptesis simplificativas. Ej.: efectos fsicos-qumicos, hay que elegir de antemano que es lo importante
  • Ejemplo de simulacin: ley de Wiebe
  • Ejemplo de motor de barco en el que los modelos de llenado-vaciado son perfectos: volmenes grandes y movimiento lento
  • Ejemplo de uso de WAM para prediccin de ruido. En acstica el tratamiento tradicional considera densidad constante ?!, WAM es muy bueno porque considera la compresibilidad del fluido

Tema18 Modelado De Mcia Tema18 Modelado De Mcia Presentation Transcript

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