Published

2009-01-01

Internal combustion engine exhaust pipe flow simulation. Part I: theoretical aspects

Simulación del flujo de gas en ductos de escape de motores de combustión interna. Primera parte: aspectos teóricos

Keywords:

exhaust pipe, internal combustion engine, pressure wave, unsteady gas flow (en)
Ducto de escape, flujo inestable de gas, motor de combustión interna, ondas de presión (es)

Authors

  • Juan Miguel Mantilla Universidad Nacional de Colombia
  • Camilo Andrés Falla Universidad Nacional de Colombia
  • Jorge Arturo Gómez Universidad Nacional de Colombia

Unsteady gas flow theory can be used for simulating a spark ignition internal combustion engine’s exhaust system, using pressure waves. The method explained here is based on the discretization of interpolated spaces (called meshes) which are located throughout the whole length of the exhaust pipe, irrespective of its form or size. The most important aspects of this theory are theoretically explored, such as pressure wave movement and shock and their application to cases found in real engines’ exhaust pipes. This work also considers how the simulation must be made, based on the previous exploration. The results (presented as equations in this first paper) show the great influence exerted by pressure wave movement on flow through the engine and therefore on its final performance.

La simulación del sistema de escape de un motor de combustión de cuatro tiempos encendido por chispa se puede realizar a partir de la teoría de flujo inestable de gases utilizando ondas de presión. El método aquí explicado se basa en la discretización de espacios interpolables denominados mallas, que se ubican a lo largo de toda la tubería sin importar la forma o el tamaño de ésta. Se hace entonces una exploración teórica por los aspectos más importantes, como son el movimiento y choque de las ondas de presión y su aplicación a casos encontrados en ductos de motores reales. Así mismo se plantea la forma en que debe realizarse la simulación utilizando como base la anterior exploración. Los resultados presentados en forma de ecuaciones para esta primera entrega, muestran la gran influencia que ejerce el movimiento de las ondas de presión dentro de un motor sobre el flujo a través del mismo y por ende sobre su desempeño final.

References

Álvarez, J., Callejón, I., Máquinas Térmicas Motoras., Alfaomega, México, 2005.

Bannister, F., Pressure waves in gases in pipes., Ackroyd Stuart Memorial Lectures, University of Nottingham, 1958.

Bayraktar, H., Experimental and theoretical investigation of using gasoline-ethanol blends in spark-ignition engines., Renewable Energy, Vol. 30, No. 11, 2005, pp. 1733-1747.

Benson, R., .Dentro del libro: Horlock, J., Winterbone, D., The Thermodynamics and Gas Dynamics of Internal Combustion Engines., Clarendon Press, Oxford, Vol. 1, 1982.

Benson, R., A numerical solution of unsteady flow problems., Int. J. Mech. Sci., Vol. 6, 1964, pp.117-144.

Blair, G., McBurney, D., McDonald, P., McKernan, P., Fleck, R., Some fundamental aspects of the discharge coefficients of cylinder porting and ducting restrictions., SAE paper 980764, 1998.

Blair, G., Design and simulation of four – stroke engines., SAE International, 1999, pp. 153-317.

Blair, G., Mackey, D., Ashe, M., Chatfield, G., Exhaust tuning on four-stroke engine; Experimentation and simulation., SAE Paper 2001-01-1797, 2001.

Haworth, D., A review of turbulent combustion modeling for multidimensional In-Cylinder CFD., SAE Paper 2005-01-0993, 2005.

Heywood, J., Internal combustion engine fundamentals., McGraw Hill, 1988.

Mantilla, J., Galeano, C., Ochoa, J., Prediseño y simulación de un sistema de inyección directa para un motor de combustión interna de dos tiempos., Revista Scientia et Técnica, Año 13, No. 34, 2007, pp. 267-272.

Mills, A., Transferencia de Calor., Addison-Wesley Iberoamericana, 1995.

Novak, J., Blumberg, P., Parametric simulation of significant design and operating alternatives affecting the fuel economy and emissions, SAE Paper 780943, SAE trans., Vol. 87, 1978.

Pulkrabek, W., Engineering fundamentals of the internal combustion engine., Pearson Prentice Hall, New Jersey, 2004.

Wallace, F., Nassif, M., Air flow in a naturally aspirated two-stroke engine, Proc. I. Mech. E., Vol 1B, 1953, pp. 343.