CFD analysis of the airflow behavior in the intake system of a low-displacement diesel engine

• Santos, Carlos ^[1] ; Perez, Luis ^[1] ; Duarte Forero, Jorge ^[1]
  1. [1] Universidad del Atlántico, Barranquilla (Colombia)
• Localización: INGE CUC, ISSN 0122-6517, ISSN-e 2382-4700, Vol. 16, Nº. 2, 2020 (Ejemplar dedicado a: (Julio-Diciembre))
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Análisis CFD del comportamiento del flujo de aire en el sistema de admisión de un motor diésel de baja cilindrada
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    Introduction− The airflow analysis for internal combustion engines (ICE) remains challenging for researchers due to the complexity of the flow interactions inside the cylinder. Different flow characteristics such as turbulence, instability, periodicity, and non-stationary conditions required advanced methods to describe the overall behavior. The present study proposed the implementation of a turbulence model through Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis that further simplifies the airflow phenomena for low-displacement engines while describing the parameters that influence the engine efficiency and emissions.

    Objective− The study aims to analyze the airflow behavior in the intake system of a low-displacement diesel engine with natural aspiration through an experimental model adjusted by CFD analysis.

    Methodology− The analysis of the airflow behavior in the intake system of the engine was carried out with an experimental model that describes the airflow characteristics. This model is adjusted via CFD analysis in OPENFOAM®, which determines both discharge (DC) and swirl (SC) coefficients to describe the flow interactions in the intake system.

    Results− The CD values ranged between 0 to 0.5, indicating that this engine can displace 50% of the ideal airflow with a valve diameter of 30.5 mm and a chamber volume of 0.3 L. In contrast, the SC, for a variable reference area, ranged from 0.3 to 0.19, stating that the engine experiences less airflow displacement, specifically 11% of the theoretical capacity as the mass flow increases for each valve lift.

    Conclusions− In conclusion, the methodology implemented in the study showed that for rotatory regimes of 3000 rpm and 3400 rpm, a concrete vortex is generated with velocity values between 10 and 20 m/s in the peripherical region, which ensures the airflow rotation with vorticity inside the cylinder. At 3400 rpm, the SC value increments are compared to other regimes when the end of the valve lift distance is reached. Thus, it can be verified that under this regime, the optimal vorticity generation is achieved, which contributes to reduce emissions and boost the global efficiency of the engine.

  • English

    Introducción− El análisis del flujo de aire, en motores de combustión interna expone un gran desafío para los investigadores debido al comportamiento que presenta el aire dentro del cilindro, el cual se caracteriza por ser turbulento, inestable, cíclico y no estacionario tanto espacial como temporalmente. El presente estudio propone implementar de un modelo de turbulencia a través de un análisis de dinámica de fluidos computacional que permita simplificar el fenómeno para motores de baja cilindrada y describa los parámetros que repercuten en la eficiencia y emisiones del motor.

    Objetivo− El presente estudio busca analizar el comportamiento del flujo de aire en el sistema de admisión de un motor Diésel de baja cilindrada con aspiración natural a través de un modelo experimental ajustado mediante un modelado CFD.

    Metodología− Se realizó el análisis del comportamiento del flujo de aire en el sistema de admisión del motor con un modelo experimental que obtiene las características del flujo. Este modelo es ajustado mediante herramientas CFD en OPENFOAM®, que permitirá obtener el coeficiente de descarga (CD) y el coeficiente de torbellino (CT) para describir el comportamiento aerodinámico del sistema de admisión.

    Resultados− Para el CD, los valoren oscilan entre 0 y 0.5 indicando que este motor es capaz de trasegar un 50% de aire de la capacidad teórica con una válvula de 30.5 mm de diámetro y una cámara de 0.3 L de volumen. En cuanto al CT, para un área de referencia variable, los valores oscilan entre 0.19 y 0.3, por lo que el motor solo disminuiría un 11% su capacidad de trasegar flujo de aire de la capacidad ideal, si el flujo másico teórico va en aumento para cada levantamiento.

    Conclusiones− Se puede concluir que para 3000 rpm y 3400 rpm se produce un vórtice definido bajo la metodología propuesta, obteniendo valores de velocidad muy cercanos a 10 y 20 m/s en la periferia, que aseguran el flujo de aire con vorticidad en el cilindro. A 3400 rpm el CT se eleva con respecto a los demás regímenes en los últimos levantamientos de válvula. Concluyendo así, que bajo este régimen de giro se da el punto óptimo de generación de vorticidad para el motor que permite reducir las emisiones e incrementar le eficiencia global.