Simulación de la inyección directa de combustible en motores de combustión interna

Abstract

Los motores de combustión interna ocupan un papel central en la matriz energética mundial signifi-cando más de la mitad del consumo total de recursos fósiles a nivel mundial. El agotamiento inminentede estos recursos y los efectos negativos de los gases de efecto invernadero y otros contaminantes sobreel medio ambiente obligan a reducir drásticamente la tasa de consumo de petróleo durante las próximasdécadas. Dentro de este contexto, es primordial incrementar los esfuerzos en investigación para el desa-rrollo de nuevas tecnologías que busquen aumentar la eficiencia de los motores y así reducir las emisionescontaminantes. Un rol clave para el desarrollo de nuevas tecnologías es la mecánica de fluidos compu-tacional que permite obtener resultados de diferentes variantes geométricas y de parámetros de formarápida y económica en comparación a los métodos basados en la construcción de prototipos. En esteescenario, esta tesis presenta técnicas de simulación computacional de motores de combustión internaque tienen como objetivo posibilitar simulaciones de ciclo completo en tiempos de cálculo reducidos. Seproponen modelos diseñados para funcionar en arquitecturas de cómputo en paralelo y se conciben bajola premisa de alta escalabilidad y eficiencia computacional. En detalle, se estudian diferentes técnicas demallas dinámicas profundizando sobre el estudio de interfaces no conformes y cambios topológicos paraabordar la interacción entre las partes móviles del motor y las grandes deformaciones volumétricas delcilindro respectivamente. Atendiendo a las características de estos modelos de malla dinámica se diseñaun estrategia Lagrangiana de seguimiento de partículas para simular la fase líquida de combustible. Pararepresentar la atomización de combustible se implementa un modelo híbrido de atomización estudiandola sensibilidad a sus parámetros y validando los resultados con datos experimentales. Los desarrollos demalla dinámica e inyección de combustible se aplican en la simulación de un motor de pistones opuestosde desarrollo regional evaluando la robustez y eficiencia computacional de los métodos desarrollados enun estudio paramétrico del proceso de inyección de combustible.