Simulación Fluidodinámica del Proceso de Renovación de la Carga en Motores de Combustión Interna Alternativos

Abstract

El desarrollo de los motores de combustión interna alternativos se ha inclinado en los últimos años a la búsqueda de herramientas de simulación dirigidas a mejorar el diseño de los sistemas de admisión y escape por su especial influencia en factores tales como la emisión de gases contaminantes, el ruido, la potencia y el rendimiento.
El transporte másico de admisión (mezcla en motores de encendido por chispa o aire en motores Diesel) y de los gases quemados que circulan por el cilindro en las carreras de admisión y escape respectivamente se denomina Renovación de la Carga.
El mecanismo básico del motor es el de desplazamiento positivo, al tratarse de fluidos compresibles, la descripción analítica de los procesos de flujo involucra un alto grado de complejidad por lo que sólo las técnicas basadas en cálculo numérico pueden lograr un grado razonable de aproximación a los resultados obtenidos mediante experimentación.
El flujo por el interior de estos sistemas es uno de los casos más complejos de la dinámica de gases. Dicho flujo es compresible y su comportamiento es no estacionario, la presión en los conductos es variable espacial y temporalmente aún con el motor operando en un régimen de carga y velocidad fijo.
Los cambios en las propiedades de un elemento infinitesimal del gas se propagan a los elementos adyacentes mediante ondas. Para conocer el comportamiento del flujo durante la renovación de la carga se requiere estudiar el fenómeno ondulatorio que los controla; el modelado involucra ecuaciones y métodos que consideran las variaciones temporales y espaciales de los fluidos en el proceso.
En este trabajo, se plantea un esquema en el que, sin perder rigor matemático ni físico, se resuelve el problema por diferencias finitas a partir de las ecuaciones básicas de la dinámica y la termodinámica de manera diferente a la utilizada en otros métodos.
El objetivo de este trabajo fue diseñar un modelo teórico para representar el comportamiento del fluido en el proceso de la renovación de la carga. Luego, se desarrolló un software con las ecuaciones del modelo que permitió estudiar los fenómenos involucrados.
Esto fue planteado de esta manera para lograr el doble propósito de obtener un software específico y un método de resolución más apropiado para los fines de enseñanza.
Los resultados obtenidos representan muy bien los procesos reales por lo que tanto el modelo físico/matemático como el software asociado constituyen una base para realizar trabajos futuros abordando la temática para casos más complejos que los simulados hasta ahora.