UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERIA DEL DISEÑO Máster Universitario en Ingeniería Aeronáutica MODELO 1D DE UN INYECTOR DE COMBUSTIBLE DE ÚLTIMA GENERACIÓN EN ESTRATEGIAS DE INYECCIÓN MÚLTIPLE Autor: Jorge Navarro Andreu Tutor: Joaquín de la Morena Borja Valencia, Julio de 2016

1. Introducción 2. Caracterización 3. Modelado 4. Resultados 5. Conclusiones 6. Trabajos futuros Índice

1. Introducción 2. Caracterización 3. Modelado 4. Resultados 5. Conclusiones 6. Trabajos futuros Índice

El objetivo del presente TFM es la realización de un modelo 1D de un inyector diésel solenoide, mediante el software GT-Power, y su optimización para reproducir inyecciones múltiples Para ello se han llevado a cabo los siguientes pasos: 1.Caracterización geométrica. 2.Caracterización hidráulica. 3.Modelado. 4.Validación para inyección simple. 5.Validación para inyecciones múltiples. 1. Introducción

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2.1. Caracterización geométrica Es necesario conocer la morfología completa del inyector y sus elementos internos: Visualización directa de dimensiones externas Moldes de silicona de orificios internos Microscopios ópticos (PCE-MM200/ Leica MZ APO). Microscopio electrónico de barrido JEOL JSM6300. Pistón Volumen de control Tobera 2. Caraterización

2.2. Caracterización hidráulica Medida de la tasa de inyección de combustible Medida del gasto másico instantáneo a la salida de la tobera mediante el aumento de presión en un tubo largo presurizado (método Bosch)

2.2. Caracterización hidráulica Flujo a través de los orificios Debido a los complejos fenómenos fluidodinámicos, resulta de gran importancia a la hora de modelar con exactitud el comportamiento del mismo. El objetivo es obtener el coeficiente de descarga (Cd) de los orificios internos más significativos del inyector: Orificio de entrada del volumen de control. Orificio de salida del volumen de control. Orificios de la tobera. 2. Caraterización

2.2. Caracterización hidráulica Flujo a través de los orificios Nozzle Holes OZ OA

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3. Modelado

3.1. Válvula electromagnética Se compone de 2 circuitos: eléctrico y magnético. El muelle se ha modelado como un resorte y un amortiguador. MF4 MF1MF3 MF2

3. Modelado 3.2. Volumen de control Control del coeficiente de descarga:  OZ: sin cavitación (Cd vs Re)  OA: con cavitación (Cd vs √K) V ν D Cd K Kcrit Cd OA OZ Flapper valve Control valve L1 V1 V2 L3 V4

3. Modelado 3.3. Aguja y tobera

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4. Resultados 4.1. Inyección simple Para tiempos largos, ligera subestimación de la tasa máxima. Para tiempos muy cortos y presión baja, sobreestimación de la tasa máxima. Ajuste preciso del cierre y la apertura

4. Resultados 4.1. Inyección simple Al aumentar la presión, el error de subestimación desaparece. Si se aumenta hasta 1800 bar, se produce una ligera sobreestimación. Ajuste preciso del cierre y la apertura Para presiones altas, el modelo reproduce las variaciones de tasa máxima.

4. Resultados 4.1. Inyecciones múltiples: modelo inicial Error excesivo, especialmente a altas presiones de inyección. Se requieren nuevos ajustes en el modelo.

4. Resultados 4.2. Efecto de las ondas de presión Las ondas de presión afectan al comportamiento del inyector. La propagación de dichas ondas depende de la velocidad del sonido en el fluido. GT-Power calcula la velocidad del sonido en función de la presión de inyección, mientras que en los resultados experimentales es aproximadamente constante para todos los casos.

4. Resultados 4.3. Ajuste de parámetros del modelo El estudio se ha centrado en aquellos parámetros cuyo valor presenta cierta incertidumbre, y puedan afectar al comportamiento del inyector: Sección del modeloElementoParámetro Válvula Electromagnética CtrlVlvSpringRigidez CtrlVlvSpringPrecarga CtrlVlvDamperCoeficiente de amortiguamiento Volumen de control V2 - Control ChamberVolumen V4Volumen OZDiámetro del orificio OADiámetro del orificio V1 - InletOrifVolumeVolumen Línea de alta presión HPFDiámetro del orificio Aguja NV2 - NeedleSeatVolVolumen NeedleSpringRigidez NeedleSpringPrecarga NeedleSpringDampingCoeficiente de amortiguamiento Tobera NV3 - SacVolVolumen NozzleHolesDiámetro del orificio

4. Resultados 4.3. Ajuste de parámetros del modelo Se ha analizado la influencia de cada parámetro en un número reducido de casos (casos de inyección partida) Se reduce la lista a 3 parámetros, con los que se realiza el ajuste: CtrlVlvSpring Preload, NV2 – NeedleSeatVol Volume y NeedleSpring Preload.

4. Resultados 4.4. Inyecciones múltiples: modelo final Mejora general del modelo: se aproxima mejor la tasa máxima, la apertura y el cierre de la 2º inyección. La 1º inyección empeora ligeramente, limitando el margen de mejora. Experimental InicialFinal DT=0.8 ms DT=0.25 ms

4. Resultados 4.4. Inyecciones múltiples: modelo final Mejora general del modelo: se aproxima mejor la tasa máxima, la apertura y el cierre de la 2º inyección. La 1º inyección empeora ligeramente, limitando el margen de mejora. Experimental InicialFinal DT=0.8 ms DT=0.25 ms

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5. Conclusiones Se ha llevado a cabo una caracterización geométrica e hidráulica exhaustiva del inyector. Se ha desarrollado un modelo 1D del inyector mediante el código GT-Power, y se ha validado mediante los resultados de la tasa de inyección. En inyección simple los resultados han sido satisfactorios: buena representación de la curva, la apertura y el cierre. Ligero error en la tasa máxima. En inyecciones múltiples el modelo inicial ha fallado. Se ha realizado un análisis y reajuste de los parámetros, sin perjudicar la inyección simple. Se han encontrado discrepancias en la velocidad del sonido en el fluido entre GT-Power y los datos experimentales, que limita la predictibilidad del modelo. Aunque los ajustes han permitido validar el modelo para inyecciones múltiples, no es posible modelar inyecciones múltiples con tiempos muy cortos entre las mismas (<250 µs) o presiones y tiempos de inyección altos (1800 bar, 1000 µs).

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6. Trabajos Futuros Modelar el resto de componentes del sistema de inyección: circuito de baja presión, bomba de combustible y circuito de alta presión. Mejorar el ajuste del modelo en inyección múltiple: análisis más detallado de algunos componentes para reducir las incertidumbres sobre los mismos. Solucionar el problema de cálculo de la velocidad del sonido, e implementar en el modelado de la viscosidad los efectos de la presión. Analizar mediante otros códigos de cálculo los efectos tridimensionales que puede tener el flujo, y en particular en la zona del saco y el asiento de la aguja cuando la misma se encuentra en posiciones cercanas al cierre. Realizar ensayos experimentales a distintas temperaturas para ajustar los parámetros del modelo y considerar los efectos térmicos sobre el inyector. Realizar análisis del comportamiento del inyector en el uso de biocombustibles

FIN Gracias por su atención

Anexo Inyección simple Prail - Presión de rail (bar)Pb - Contrapresión (bar)ET - Tiempo de inyección (ms) Inyección Doble Prail - Presión de rail (bar) Pb - Contrapresión (bar) ET1 - Tiempo de inyección 1 (ms) DT1 - Tiempo entre inyecciones (ms) ET2 - Tiempo de inyección 2 (ms) Anexo A: Plan de ensayos de tasa

Anexo Volumen de control - Orificio de entrada Presión (bar)Contrapresión (bar) Volumen de control - Orificio de salida Presión (bar)Contrapresión (bar) Tobera - Orificios Presión (bar)Contrapresión (bar) Anexo B: Plan de ensayos de permeabilidad

Anexo Anexo C: Estudio del efecto de los parámetros ElementoParámetroValor inicial valores del estudioResultados CtrlVlvSpringRigidez (N/m)20772[5000 / / / / 30000]Sin efecto significativo CtrlVlvSpringPrecarga (N)-15[-35 / -28,2 / -21,4 / -14,6] A valores muy bajos no se produce el cierre A valores altos se igualan ambas inyecciones CtrlVlvDamperCoeficiente de amortiguamiento (N-s/m)8,02[3 / 5 / 7 / 9 / 11]Ligera disminución de la tasa máxima en ambas inyecciones V2 - Control Chamber Volumen (mm3)55[30 / 43,33 / 56,66 / 70]A mayor volumen, menor masa inyectada, especialmente en la primera inyección, llegando a ser excesivo. V4Volumen (mm3)0,247[0,01 / 0,1825 / 0,355 / 0,775 / 1]A valores excesivamente bajos se igualan ambas inyecciones OZDiámetro del orificio (mm)0,187[0,17 / 0,1775 / 0,185 / 0,1925 /0,2]A mayor diámetro, menor masa inyectada total, y adelanto del cierre de la segunda inyección OADiámetro del orificio (mm)0,227[0,21 / 0,2175 / 0,225 / 0,2325 /0,24]A mayor diámetro, mayor masa inyectada total V1 - InletOrifVolumeVolumen (mm3)125[80 / 100 /120 /140 / 160]Sin efecto HPFDiámetro del orificio (mm)2,22[1 /1,75 / 2,5 / 3,25 / 4]Efectos diversos para cada caso simulado NV2 - NeedleSeatVolVolumen (mm3)5[1 / 3 / 5 / 7 / 9 / 11]Menor volumen, se igualan ambas inyecciones NeedleSpringRigidez (N/m)5238[1000 / 3000 / 5000 / 7000 / 9000]Sin efecto NeedleSpringPrecarga (N)-10[-28,2 / -21,4 / -14,6 / -7,8 / -1] A valores muy bajos no se produce el cierre A valores altos se igualan ambas inyecciones NeedleSpring Damper Coeficiente de amortiguamiento (N-s/m)100[60 / 80 / 100 / 120 / 140Ligera disminución de la tasa máxima en ambas inyecciones NV3 - SacVolVolumen (mm3)0,05[0,01 / 0,03 / 0,05 / 0,07 / 0,09 / 0,11]Leves efectos distintos en casos puntuales NozzleHolesDiámetro del orificio (mm)0,13[0,1 / 0,12 / 0,14 / 0,16 / 0,18 / 0,20]A mayor diámetros, mayor masa inyectada, especialmente en la segunda inyección

Anexo Anexo D: Volumen de control