Caracterización experimental y numérica del flujo en motores de combustión. Influencia de las tolerancias de fabricación

Abstract

Se ha analizado teórica y experimentalmente el aire que atraviesa el conducto de admisión de un motor de baja cilindrada fabricado en el régimen estacionario. Para números de Reynolds elevados, los valores experimentales de los coeficientes de flujo y torbellino no dependen significativamente de este parámetro. El coeficiente de flujo aumenta con la apertura de válvula, mientras que el coeficiente de torbellino alcanza un valor constante para valores elevados de ese parámetro. Por otra parte, se describe la formación del vórtice turbulento en el cilindro mediante velocimetría PIV. El vórtice se inclina para colocarse paralelamente al eje del cilindro, y ocupa la mayor parte de la sección del cilindro en la región de entrada al torquímetro. Esto indica que el coeficiente de torbellino medido en nuestros experimentos se corresponde esencialmente con el flujo axial de momento angular transportado por el vórtice. La posición del centro del vórtice no depende considerablemente de la apertura de válvula a la entrada del torquímetro. En el terreno teórico, se integraron las ecuaciones de Reynolds con el modelo turbulento RSM-w. Los resultados numéricos reproducen satisfactoriamente los datos experimentales, especialmente los valores del coeficiente de torbellino.

Se ha determinado mediante simulación la influencia de los parámetros geométricos en el coeficiente de torbellino. Las variaciones de esos parámetros en su rango de tolerancia conducen a variaciones del coeficiente de torbellino mayores que el 5%, el límite establecido por el fabricante. Las tolerancias deben ser reducidas significativamente para verificar los requisitos relativos al coeficiente de torbellino.

The air flow that crosses the intake port of a low-capacity engine is studied both theoretically and experimentally in the steady regime. For high enough Reynolds numbers, the experimental values of the discharge coefficient and swirl number do not significantly depend on that parameter. While the discharge coefficient increases with the valve lift, the swirl number becomes almost constant for sufficiently large values of that geometrical parameter. The formation of the turbulent vortex in the cylinder is described by measuring the 2D velocity distribution over several cylinder cross-sections with the PIV method. This vortex tilts downstream to become parallel to the cylinder axis, and occupies most of the cylinder cross-section at the entrance of the torque meter. This indicates that the swirl number measured in our experiments is essentially determined by the angular momentum transported downstream by the vortex. The vortex center position does not significantly depend on the valve lift at the entrance of the torque meter. On the theoretical side, the RANS equations were integrated with the RSM-w turbulent model. The numerical results reproduce satisfactorily the experimental data, especially the swirl number values.

The influence of four geometrical parameters on the swirl number is determined from numerical simulations. The variations of those parameters within their range of tolerance lead to swirl number variations greater than 5%, the limit established by the manufacturer. The numerical results indicate the manufacturing tolerances must be significantly reduced to verify the imposed requirements on the swirl number value.