UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERIA DEL DISEÑO Máster Universitario en Ingeniería Aeronáutica MODELO 1D DE UN INYECTOR.

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1 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

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

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

4 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

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

6 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

7 2.2. Caracterización hidráulica 2.2.1. 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)

8 2.2. Caracterización hidráulica 2.2.2. 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

9 2.2. Caracterización hidráulica 2.2.2. Flujo a través de los orificios Nozzle Holes OZ OA

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

11 3. Modelado

12 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

13 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

14 3. Modelado 3.3. Aguja y tobera

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

16 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

17 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.

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

19 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.

20 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

21 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.

22 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

23 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

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

25 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).

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

27 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

28 FIN Gracias por su atención

29 Anexo Inyección simple Prail - Presión de rail (bar)Pb - Contrapresión (bar)ET - Tiempo de inyección (ms) 30050200 30050300 50400 300501000 30025200 30025300 25400 300251000 30080200 30080300 80400 300801000 50050200 50050300 50050400 500501000 50025200 50025300 50025400 500251000 50080200 50080300 50080400 500801000 50200 100050300 100050400 1000501000 180050200 180050300 180050400 1800501000 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) 30050200150400 30050200250400 30050200500400 30050200800400 30050400150200 30050400250200 30050400500200 30050400800200 100050200150400 100050200250400 100050200500400 100050200800400 100050400150200 100050400250200 100050400500200 100050400800200 100050200150200 100050200250200 100050200500200 100050200800200 1800502001501000 1800502002501000 1800502005001000 1800502008001000 1800501000150200 1800501000250200 1800501000500200 1800501000800200 180050200150200 180050200250200 180050200500200 180050200800200 Anexo A: Plan de ensayos de tasa

30 Anexo Volumen de control - Orificio de entrada Presión (bar)Contrapresión (bar) 500 5 10 5020 5030 5040 1000 10 10020 10030 10040 10050 10060 10070 2000 10 20020 20030 20040 20050 20060 20070 20080 20090 3000 5 10 30020 30030 30040 30050 30060 30070 30080 30090 4000 10 40020 40030 40040 40060 40080 400100 400110 Volumen de control - Orificio de salida Presión (bar)Contrapresión (bar) 500 5 10 5020 5030 5040 1000 10 10020 10030 10040 10050 10060 1500 10 15020 15025 15030 15040 15050 15060 15070 2000 10 20020 20030 20040 20050 20060 20070 20080 20090 2500 10 25020 25030 25040 25045 25050 25060 25070 25080 Tobera - Orificios Presión (bar)Contrapresión (bar) 1000 10 10020 10030 10040 10050 10060 2000 10 20020 20030 20040 20050 20060 25030 25040 25045 25050 25060 25070 25080 3000 10 30020 30030 30040 30050 30060 4000 10 40020 40030 40040 40050 40060 5000 10 50020 50030 50040 50050 50060 Anexo B: Plan de ensayos de permeabilidad

31 Anexo Anexo C: Estudio del efecto de los parámetros ElementoParámetroValor inicial valores del estudioResultados CtrlVlvSpringRigidez (N/m)20772[5000 / 11250 / 17500 / 23750 / 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

32 Anexo Anexo D: Volumen de control