Optimització dels paràmetres d'un motor tèrmic alternatiu per a un vehicle PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) mitjançant el software LOTUS ENGINE

Abstract

La indústria de l'automoció passa per una transició tecnològica impulsada per normatives mediambientals cada vegada més estrictes. En aquest context, els vehicles híbrids endollables (PHEV) es presenten com una solució que ajuda a la conscienciació social de la mobilitat elèctrica. Dins d'aquests vehicles, el motor de combustió interna (MCI) ja no necessita oferir un alt rendiment en tot el seu rang de funcionament, sinó que es pot especialitzar per operar amb la màxima eficiència en zones de treball definides. Aquest treball estudia precisament l'optimització d'un MCI per a aquesta funció específica. L'objectiu principal és dissenyar i optimitzar, mitjançant el software de simulació 1D LOTUS ENGINE Simulation, un motor de 2.0 litres que aconsegueixi igualar o millorar les característiques d'eficiència d'un motor de referència de 2.5 litres (Toyota A25A-FXS), la reducció del volum del motor és comunament anomenada downsizing. La metodologia ha consistit en un estudi paramètric sistemàtic de la geometria dels col·lectors, l'angle de tancament de la vàlvula d'admissió (IVC) i l'avanç a l'encesa, buscant minimitzar el consum específic de combustible (BSFC) en la zona d'operació més habitual d'un PHEV i millorar les corbes de parell i potència. Els resultats han permès estudiar la influència de cada paràmetre, determinant que els conductes d'admissió llargs i els d'escapament curts afavoreixen l'eficiència a règims mitjans. Així mateix, s'ha demostrat que les configuracions d'IVC i d'avanç a l'encesa que ofereixen el mínim consum no coincideixen amb els que proporcionen el màxim parell. L'estudi finalitza validant que, a través de la simulació, el mètode de downsizing acompanyat d'una optimització permet desenvolupar un motor de menor cilindrada altament competitiu per a aplicacions híbrides.

The automotive industry is undergoing a technological transition driven by increasingly strict environmental regulations. In this context, plug-in hybrid vehicles (PHEVs) are presented as a solution that helps with the social awareness of electric mobility. Within these vehicles, the internal combustion engine (ICE) no longer needs to offer high performance across its entire operating range but can be specialized to operate with maximum efficiency in defined working zones. This project precisely studies the optimization of an ICE for this specific function. The main objective is to design and optimize, using the 1D simulation software LOTUS ENGINE Simulation, a 2.0-litre engine that manages to equal or improve the efficiency characteristics of a 2.5-litre reference engine (Toyota A25A-FXS); the reduction of engine volume is commonly called downsizing. The methodology has consisted of a systematic parametric study of the manifold geometry, the intake valve closing (IVC) angle, and the spark advance, seeking to minimize the brake specific fuel consumption (BSFC) in the most common operating zone of a PHEV and to improve the torque and power curves. The results have made it possible to study the influence of each parameter, determining that long intake runners and short exhaust runners favour efficiency at medium speeds. Likewise, it has been demonstrated that the IVC and spark advance configurations that offer the minimum consumption do not coincide with those that provide the maximum torque. The study concludes by validating that, through simulation, the downsizing method accompanied by optimization allows for the development of a highly competitive smaller displacement engine for hybrid applications.