Trabajo fin de Master_Luis Lara Moreno

Simulación numérica de la combustión homogénea
(Homogeneous Charge Compression Ignition) en un motor de
combustión interna alternativo alimentado con gasoil y biodiésel
con la utilización del EGR.
Tutor: Dr. Miguel Torres García.
Alumno: Luís de Lara Moreno.
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1. INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 3
1.1. Abstract...................................................................................................................... 3
1.2. La combustión HCCI................................................................................................. 3
1.3. El EGR y los motores HCCI. .................................................................................... 4
1.4. Propósito del trabajo.................................................................................................. 5
2. Estado del Arte. ............................................................................................................ 5
2.1. El motor HCCI. ......................................................................................................... 5
2.2. Avances en motores HCCI. ....................................................................................... 8
2.3. Relaciones Cinético Químicas................................................................................. 14
2.4. Principales líneas de desarrollo para I+D. ............................................................... 16
3. La Cinética Química en la combustión HCCI. ........................................................... 22
3.1. Los diferentes modelos cinéticos............................................................................. 23
3.2. El combustible. ........................................................................................................ 25
3.3. El modelo cinético. .................................................................................................. 26
3.4. Características del software empleado. ................................................................... 34
4. El EGR (Exhaust Gas Recirculation) o recirculación de gases de escape.................. 35
4.1. Aspectos generales del EGR.................................................................................... 35
4.2. El EGR en motores gasolina.................................................................................... 36
4.3. El EGR en motores Diésel....................................................................................... 37
4.4. El EGR en motores de Dos Tiempos....................................................................... 41
4.5. Características de la válvula EGR. .......................................................................... 41
4.6. El EGR y la durabilidad de los componentes del motor.......................................... 43
4.7. Influencia del EGR sobre la combustión HCCI. ..................................................... 44
5. El motor experimental. ............................................................................................... 45
6. Simulaciones realizadas y resultados. ........................................................................ 48
6.1. Resultados con inyección adelantada y combustible gasoil. ................................... 50
6.2. Resultados con inyección atrasada y combustible gasoil. ....................................... 54
6.3. Resultados con inyección atrasada y combustible biodiésel. .................................. 58
7. Conclusiones............................................................................................................... 66
Referencias. .................................................................................................................... 67
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1. INTRODUCCIÓN.
1.1. Abstract.
Los motores HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) son
conocidos desde hace largo tiempo y no ha sido relativamente hasta hace
poco que se han vuelto a considerar como la alternativa más adecuada a la
sustitución de los motores Diésel y de encendido provocado debido a sus
mejoras inherentes respecto de éstos. Principalmente estos motores se
enfrentan a retos muy básicos antes de su posible imposición en el
mercado. Su fiabilidad de operación en un rango amplio de condiciones y
de cargas aun está por desarrollar y necesita de un gran esfuerzo de
investigación y desarrollo. En este trabajo nos centraremos en el control de
la autoignición mediante la recirculación de gases (EGR) mediante el uso
de un modelo cinético detallado del proceso de combustión, software,
dentro del cilindro y variando las condiciones operativas para la obtención
de unos resultados simulados, y de su posterior comparativa con los
resultados obtenidos experimentalmente en laboratorio. Finalmente se
verifican los datos obtenidos y se realiza un estudio de los efectos
observados sobre la combustión mediante la regulación por EGR.
1.2. La combustión HCCI.
Los motores HCCI tienen el potencial de ser altamente eficientes y a su vez
tener unos valores para las emisiones contaminantes de NOx y partículas
(PM) muy bajos. Las restricciones sobre este aspecto hacia las que se
encamina la Unión Europea en un futuro a corto medio plazo hacen a las
industrias plantearse las estrategias necesarias para cumplir con dichas
limitaciones. Una es el desarrollo de sistemas de postratamiento más
restrictivos para los motores actuales que aumentan el consumo y son
dependientes de metales escasos. Otra es el desarrollo de sistemas de
combustión de alta eficiencia y de bajas emisiones contaminantes.
Los motores HCCI pueden alcanzar rendimientos tan altos como los MEC
a la vez que produciendo valores ultra bajos de NOx y PM. Al igual que los
MEP son de mezcla homogénea lo que resulta en bajos niveles de PM, y
como los MEC la ignición se produce por la compresión de la mezcla hasta
el punto de ignición y no tienen perdidas por regulación de mariposa.
En estos motores la combustión ocurre simultáneamente a lo largo de todo
el volumen del cilindro sin producirse un frente de llama, lo que hace se
produzca a mucha menor temperatura reduciendo notablemente las
emisiones de NOx. Éste aspecto hace que se aproximen más al ciclo ideal
de Otto al producirse el aporte de calor a volumen constante y de un modo
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casi instantáneo. Por otro lado se hace más difícil el control de la ignición
debido a ser casi instantánea y requiere sistemas de medida y control
electrónicos de muy rápida respuesta. Es por esto que no ha sido hasta hace
relativamente poco cuando los avances en el campo del control y de los
sensores electrónicos han hecho posible el control y la regulación una
combustión adecuada con la consecuente aplicación práctica para éstos
motores. Las principales ventajas que presentan son su menor coste ya que
trabajan a presiones mucho menores de inyección y por lo tanto la
reducción de los costes para el sistema de alimentación de combustible.
Mejor rendimiento al no tener pérdidas de regulación del dosado por
estrangulamiento del flujo de entrada, altas relaciones de compresión
similares a los motores Diésel y una combustión mucho más rápida
asimilándose más al ciclo ideal Otto. Bajísimas emisiones de NOx debido a
su baja temperatura de combustión del entorno de los 800K a 1100K, y
nulas de partículas debidas a la homogeneidad de la mezcla y al relativo
bajo dosado al cual pueden trabajar. Por otro lado, estos motores HCCI
tienen unos problemas que en principio deberán ser objeto de estudio por
parte de la industria y de los centros de investigación correspondientes con
el fin de desarrollar la tecnología necesaria para superar dichos problemas
si se quiere contar con ella de un modo funcionalmente óptimo.
Estos son varios y severos, como son problemas en el arranque, muy altos
niveles de presión dentro del cilindro, alta dificultad de operación, unos
rangos de operación así como de potencia máxima restringidos, tener unas
altas emisiones de hidrocarburos inquemados (HC) y niveles altos de
monóxido de carbono (CO) y una alta tasa de liberación de calor.[1]
Debido a la necesidad de reducir el consumo de combustible a nivel
mundial, los gases de efecto invernadero así como los criterios sobre
restricciones en cuanto a emisiones contaminantes hay un gran interés a
nivel mundial en el desarrollo y maduración de esta tecnología HCCI .
Estos motores son el mejor candidato para la automoción así como para el
transporte al consumir menos combustible y producir unos niveles de
emisiones bastante más bajos a las tecnologías de actual uso. Por este
motivo en la actualidad existen grandes esfuerzos en los campos de la
investigación y del desarrollo por parte de organizaciones tanto públicas
como privadas para que esta tecnología sea funcional y práctica a corto
plazo.
1.3. El EGR y los motores HCCI.
Las restricciones medioambientales así como las estrategias del transporte
reclaman de nuevas alternativas para los tipos de combustión, reduciendo la
contaminación a la vez que manteniendo como mínimo los actuales
rendimientos térmicos de los motores actuales. Los motores HCCI son una
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promesa en este sentido aunque su mayor desafío se presenta a la hora de
controlar el proceso de autoignición a diferencia de los MEP, ya que no
emplean encendido alguno por chispa o inyección de combustible en el
momento deseado de la ignición. Esta se produce una vez alcanzadas las
condiciones requeridas en el interior del cilindro que a su vez dependen en
gran medida de las condiciones exteriores y de operación del motor
momentos antes de que ocurra. Con lo que la autoignición en estos motores
ocurre de manera algo incontrolada para algunos rangos de trabajo.
Uno de las maneras más interesantes de controlar la autoignición es
mediante la recirculación de los gases calientes del escape EGR (Exhaust
gas recirculation). Tres son los efectos derivados de esta técnica y son el
efecto diluyente (N2 y CO2), el efecto térmico (TEGR) y el efecto químico
o cinético (CO, CH2O, CH3CHO y NO) [2]. El efecto diluyente debido a
los gases inertes es básicamente la esencia del EGR. Se toman como las
especies principalmente constituyentes de este efecto diluyente al CO2 y al
N2. Y gracias a esta dilución conseguimos una reducción de la temperatura
máxima de la combustión en el cilindro y un control sobre el momento de
autoignición en función de la cantidad de gases recirculados. Al reducir la
temperatura máxima también conseguimos un efecto directo sobre la
formación de los NOx al ir asociada su formación a las altas temperaturas
de combustión y haciendo esta técnica de control muy interesante desde el
punto de vista de las emisiones.
1.4. Propósito del trabajo.
Simularemos la cinética química de oxidación de los combustibles con
objeto a desarrollar una simulación de datos experimentales y de
determinados aspectos de los mismos de manera que al final del trabajo
tengamos un modelo cinético de Biocombustible y de gasóleo y sus
mezclas que hasta ahora no existe en la bibliografía.
Estudiaremos los parámetros de operación dentro de los cuales se garantice
una operación lo más óptima y estable posible para estos motores y de sus
relaciones con el control de la autoignición.
2. Estado del Arte.
2.1. El motor HCCI.
La tecnología HCCI se aplica a motores de combustión interna alternativos
los cuales pueden alcanzar rendimientos tan altos como los CIDI
(Compression Ignition Direct Inyection) actuales Diésel, a la vez que
produciendo niveles súper bajos de emisiones de NOx y de partículas PM
(Particulate Matter), al contrario que los antes comentados CIDI. Los
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motores HCCI operan con una carga de premezcla que reacciona y arde
simultáneamente a lo largo del cilindro sin frente de llama debido a la
compresión a la que esta se ve sometida. Así que comparten el tipo de
encendido que ocurre en los motores de encendido por compresión CI con
la diferencia de que no existe frente de llama como en los CIDI.
Los HCCI poseen los mejores aspectos de los dos tipos de motores, como
en los motores de encendido por chispa la carga es de premezcla
minimizando las emisiones de partículas, y como en los CIDI la ignición se
produce por compresión siendo inexistentes las pérdidas de regulación por
estrangulamiento del flujo de admisión lo que nos lleva a altos
rendimientos. Por otro lado al contrario que en los motores convencionales
el proceso de combustión ocurre de modo simultáneo en todo el cilindro y
no existe propagación de la misma mediante un frente de llama, esta
importante característica de los HCCI hace que la combustión se produzca
a mucha menor temperatura reduciéndose dramáticamente las emisiones de
NOx. Debido a las dificultades encontradas para operar en ciertos rangos
de trabajo la mayoría de los HCCI operan de manera dual en cuanto a su
tipo de combustión, operando también como motores de encendido
provocado. Por lo general funcionan en modo de encendido provocado en
los arranques fríos para luego cambiar al modo HCCI para el rango de
ralentí y de media-baja carga, de modo que se benefician de las ventajas de
este tipo combustión ya que este es el rango más típico de trabajo para la
automoción, para después en los momentos necesarios de altas cargas
volver a cambiar al modo de encendido provocado pudiendo ser tanto del
tipo SI como CIDI dependiendo del tipo de combustible.
Si los comparamos con los motores de gasolina SI, los HCCI son de mayor
rendimiento debido principalmente a tres motivos. La eliminación de
perdidas por estrangulamiento de entrada al cilindro, el uso de relaciones
de compresión elevadas del orden de los CIDI, y una duración más corta
del proceso de combustión ya que la combustión se produce
instantáneamente en todo el volumen del cilindro de modo simultaneo y no
existir propagación de un frente de llama. Por este motivo la temperatura
máxima alcanzada es menor y por lo tanto las emisiones de NOx se ven
drásticamente reducidas y a pesar de que los SI poseen catalizadores de tres
vías este hecho es una razón de peso para que sean los HCCI la tecnología
más considerada para el futuro cercano. Si los comparamos a los motores
CIDI, los HCCI poseen unas emisiones notablemente más bajas que estos
en cuanto a partículas y a NOx. Este es el principal escollo al que se
enfrentan los CIDI debido a las restricciones cada vez más severas de
emisiones contaminantes. En cambio los HCCI deben sus bajas emisiones a
la buena homogeneidad de su premezcla a la vez que a sus relativas bajas
temperaturas comparadas a las de un CIDI. Además la mezcla puede ser
muy pobre ya sea mediante estratificación, mediante EGR o una
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combinación de ambas ya que los HCCI toleran niveles de dilución de la
carga mucho mayores a los SI o los CIDI al no existir la necesidad de
propagación de un frente de llama. La combustión en un HCCI ocurre una
vez la mezcla alcanza los 800K a 1000K y prácticamente para cualquier
grado de dilución al contrario que en un motor típico de encendido por
compresión que necesita de un mínimo de temperatura de 1900K a 2100K
de modo que los niveles de NOx se disparan. Además al ser el proceso de
combustión mucho más corto en el tiempo hace que la absorción de calor
sea aun más rápida aumentando su rendimiento respecto de estos. Por otro
lado los costes económicos del sistema de alimentación de combustible de
un HCCI son menores al trabajar a presiones mucho menores. Otra ventaja
que presentan es la flexibilidad a la hora de usar varios combustibles ya que
se han probado con éxito una gran variedad de éstos con especial éxito el
uso de la gasolina. Se viene demostrando mediante pruebas la fiabilidad de
estos motores y de su buen funcionamiento además de probarse que los
sistemas de control de emisiones son mucho más económicos que para los
SI o los CIDI al no ser dependientes de metales preciosos. El potencial de
aplicaciones para los HCCI es amplio, estando entre estas tanto la
automoción como el transporte pesado, al igual que su aplicación a motores
de pequeña escala como motocicletas o de grande como motores marinos,
así como para generadores eléctricos o motores de bombeo para grandes
líneas. A pesar de haberse demostrado los beneficios de esta tecnología en
condiciones estables de operación, los motores HCCI aun deben superar
barreras técnicas que les permita operar con holgura para los rangos de
operación de la automoción y del transporte pesado. Se necesita de I+D
para las siguientes áreas;
-
Control de la ignición para amplios rangos de velocidades y cargas.
Limitación de la tasa de liberación de calor en altas cargas.
Ofrecer una operación suave en cargas transitorias rápidas.
Lograr el arranque en frío.
Cumplir las normativas sobre emisiones.
Para la superación de estas metas es necesaria de una alta comprensión de
los procesos internos en el cilindro y de cómo estos pueden ser alterados
mediante diversas técnicas de control para un desarrollo adecuado de
mecanismos de control propios del motor.
Como resultado de investigaciones recientes los principios básicos de los
HCCI son razonablemente bien conocidos. En los motores reales las
mezcla aire-combustible nunca es completamente homogénea y creando un
grado de estratificación aun mayor parece tener un gran potencial para el
control del proceso de combustión a altas cargas y para la reducción de
emisiones de hidrocarburos. Se requiere de investigación para comprender
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como diversas técnicas de inyección, métodos de EGR, y técnicas de
mezclado alteran la combustión en las cargas parcialmente estratificadas.
También se necesitan esfuerzos en I+D para sistemas de inyección y otras
técnicas de control de mezclado que produzcan en los efectos deseados en
los procesos dentro del cilindro. También en sistemas de control como el
VVT (Variable Valve Timing) control de distribución variable y como el
VCR (Variable Compression Ratio) control de compresión variable.
Estas técnicas tienen un claro potencial de regular el proceso de
autoignición en los HCCI ayudando en el arranque, regulando durante los
transitorios de cargas y cambiando el modo de combustión si fuese
necesario según las condiciones. Finalmente se necesita desarrollar
sensores y algoritmos de control para mecanismos de control de lazo
cerrado. Debido a la necesidad de reducir el consumo mundial de petróleo,
las emisiones de efecto invernadero y de las restricciones en cuanto a
emisiones existe un gran interés a nivel mundial en el desarrollo de esta
tecnología HCCI. Este proceso de combustión representa ser un gran
candidato para el futuro de la automoción y del transporte pesado al
consumir menos combustible al tiempo que reduciendo las emisiones de
manera notable. Japón y otros muchos países Europeos mantienen fuertes
programas de I+D en HCCI incluyendo ambos sectores público y privado.
2.2. Avances en motores HCCI.
A. Comprensión de la cinético-química.
Con el paso de los años se ha llegado a conclusiones comunes a nivel
mundial a los procesos sobre la combustión HCCI coincidiendo en que este
fenómeno está dominado por leyes y condiciones cinético-químicas locales
y de la formación de los radicales relativos a la autoignición sin necesidad
de la propagación de un frente de llama, lo que se ha visto confirmado por
datos espectroscópicos dentro del cilindro. Actuales desarrollos en métodos
analíticos han apoyado la premisa de que la combustión HCCI está
dominada por la cinética química y basándose en esta premisa varios
métodos de análisis predictivo han sido exitosos prediciendo la combustión
HCCI y sus emisiones [3]. Considerando un instante antes del momento de
combustión a la carga homogénea, se considera que el efecto de la
turbulencia sobre ésta puede considerarse muy pequeño aunque puede tener
un efecto indirecto sobre la distribución de temperaturas y sobre el espesor
de la capa límite en el interior del cilindro. Pequeñas diferencias de
temperaturas dentro del cilindro afectan de modo considerable a la
combustión debido a la sensibilidad de la cinética química con la
temperatura. De modo que la transferencia de calor y de mezclado son
importantes a la hora de reunir las condiciones de la carga antes de la
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ignición. De todos modos estos fenómenos juegan un papel secundario en
la combustión HCCI al ser muy rápida. Los modelados de cinética química
de la combustión HCCI han concluido que la ignición en la combustión
HCCI está controlada por la descomposición del Peróxido de Hidrógeno
(H2O2). Este se descompone en dos radicales OH-, los cuales son muy
reactivos con el combustible atacándolo y liberando energía, ocurriendo
esta descomposición entre los 1050 y 1100 K. Estos fundamentos químicos
de la autoignición y combustión HCCI son idénticos a los que ocurren en
los motores de encendido provocado en condiciones de detonación. Con el
empleo de combustibles de alto octanaje pequeñas cantidades de calor son
liberadas previas a la ignición principal en torno a los 1050-1100K. Sin
embargo con combustibles de bajo octanaje como el gasóleo se liberan
cantidades de calor significativas en torno a los 800K [4]. A pesar de que
las cantidades de calor liberadas son demasiado pequeñas para ser
consideradas ignición estas reacciones a baja temperatura dirigen
rápidamente la mezcla hacia el rango de 1050-1100 K necesario para la
descomposición del H2O2 y para que ocurra la ignición principal. Es aquí
donde radica la sensibilidad de esta combustión al tipo de combustible. Los
radicales activos como H, OH, HO2 presentes en los gases de escape no
superan los tiempos de escape y de admisión y juegan un papel pequeño en
la ignición HCCI. Las turbulencias añaden una gran complejidad al análisis
de motores de carga estratificada como los SI y los CIDI. Al contrario que
los HCCI al ser muy insensibles a estos fenómenos, y esto hace posible el
desarrollo de un método de análisis preciso de la combustión HCCI. Esta
posibilidad constituye una gran ventaja para los motores HCCI.
B. Avances en el control de velocidad y de carga.
El mayor desafío para que los HCCI sean un éxito a nivel comercial es el
control de la ignición. Por este motivo han sido muchos los métodos
propuestos para conseguir controlar la ignición sobre los rangos típicos de
operación para las aplicaciones del transporte. Se ha obtenido relativo éxito
para varios tipos de control y para diversos rangos aunque se requiere de
mayor investigación y desarrollo. Estos son los principales tipos;
VCR (Variable Compression Ratio) Control de Compresión Variable.
La combustión en los HCCI está fuertemente afectada por la relación de
compresión. Por lo tanto un mecanismo de control de la relación de
compresión nos llevará sin duda a cierto control sobre la combustión. Al
ser tan rápidos los cambios en las condiciones de un motor de transporte
necesitamos que este mecanismo VCR actúe de una manera igualmente
rápida para poder adaptar nuestras condiciones a la demanda del motor.
Una opción es montar un actuador sobre la culata del cilindro de modo que
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lo mueva verticalmente y pueda variar la relación de compresión [5]. Otra
manera de variar la compresión de un motor es mediante el uso de un
motor de diseño de pistones enfrentados con la posibilidad de variar la fase
entre los cigüeñales [6]. SAAB ha desarrollado otro método de VCR
mediante la inclinación del cilindro por medio de unos actuadores. De igual
modo el modelo desarrollado por ENVERA, que ha sido patrocinado por el
Departamento de Energía de los EE.UU. (DOE), varía la distancia entre la
culata y el cigüeñal de modo que el mecanismo está situado dentro del
cárter y se espera de este una más rápida respuesta y requerir de menos
energía para su funcionamiento. El diseño de ENVERA se probó en el
2001 con la posterior publicación de los resultados obtenidos. A pesar de
existir diversos mecanismos de este tipo, solamente el sistema de pistón de
posición variable había sido demostrado en un motor HCCI [5]. En estas
pruebas el pistón estaba controlado por un sistema hidráulico que hacía
variar su posición durante la marcha del motor. Los datos arrojaban que el
VCR es capaz de controlar el instante de la ignición manteniendo una
combustión óptima en un rango muy amplio de temperaturas de entrada al
cilindro y de diferentes tipos de combustibles con diferentes números de
octano. A pesar de la falta de datos para los momentos transitorios los
resultados sugieren que un sistema de VCR con la velocidad suficiente de
respuesta es un sistema muy interesante para el control de un motor HCCI
en cuanto a la regulación de su velocidad y carga. Estos sistemas VCR
añaden complejidad y costes al motor.
VVT (Variable Valve Timing) Control de Distribución Variable.
El VVT puede ser usado para variar la relación de compresión dentro del
cilindro al atrapar parte de los gases del ciclo anterior mediante la
regulación de las válvulas. Por este motivo podemos obtener efectos
similares al VCR al ser capaz de variar la relación de compresión.
Pudiendo obtener relaciones de compresión bajas en un motor diseñado
geométricamente para alta compresión mediante el retraso del cierre de la
válvula de escape durante el tiempo de la compresión. Además el VVT
permite una regulación de la temperatura y de la composición de la carga
fresca mediante la regulación de la retención de los gases calientes del ciclo
anterior. De este modo aumentar la temperatura de la carga puede ser usado
para inducir la combustión en un HCCI incluso para relaciones de
compresión bajas o en condiciones frías para el motor. La variación de la
composición de la mezcla de carga mediante los gases residuales es un
modo de controlar la combustión en los HCCI. El VVT puede ser
implementado con actuadores para las válvulas mecánicos, hidráulicos ó
magnéticos. Investigadores de la Universidad de Standford mostraron que
puede ser inducida la combustión HCCI en un motor con relativa baja
relación de compresión (10:1). También mostraron que el VVT puede ser
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usado para el control de la ignición y para el cambio entre modos de
operación de un motor entre SI y HCCI y al revés. Al igual que el VCR el
VVT añade complejidad y coste al motor, aun siendo así son varios los
fabricantes que ya producen motores con VVT o tienen previsto hacerlo en
breve.
Control de la temperatura.
También existe la posibilidad de controlar la combustión HCCI
controlando la temperatura, presión y composición de la mezcla al
principio del tiempo de compresión. En este método de control la energía
térmica de los gases de escape mediante el EGR y el trabajo de compresión
de un sobrealimentador son gestionados de modo que se obtenga una
combustión óptima. La gran ventaja de este sistema es su simplicidad ya
que no se requieren modificaciones significativas del motor o el uso de
aditivos para combustibles. La desventaja de este sistema viene cuando
queremos una velocidad de respuesta rápida y este es demasiado lento en
su respuesta para las aplicaciones de transporte.
Aditivos para la mejora de la ignición.
El control de la ignición en un HCCI puede conseguirse mediante el
empleo de dos combustibles con diferente número de octano. El sistema
estaría diseñado para funcionar con un combustible de alto índice de
octano, mientras que el segundo combustible de bajo índice de octano se
inyecta a medida que se necesite para adelantar el encendido. Este sistema
ha sido estudiado para una combinación de metano y dimetil éter [7]. Este
método requiere de dos depósitos y de su abastecimiento, aunque
idealmente la cantidad consumida del segundo combustible sería mínima y
el llenado de este podría hacerse en las paradas por mantenimiento.
También se ha visto que el uso de ozono mejora de un modo excelente la
combustión incluso en mezclas muy pobres. El sistema de producción de
ozono es barato y de rápida respuesta aunque requiere de energía eléctrica.
C. Diferencias en resultados usando varios combustibles.
Una de las ventajas que presenta la combustión HCCI es su flexibilidad
frente al uso de combustibles. La combustión HCCI presenta poca
sensibilidad frente a las características del combustible como pueden ser la
capacidad de lubricación y velocidad de propagación del frente de llama,
de modo que pueden usarse cualquier combustible sea el numero de octano
o de cetano el que sea siempre aunque las condiciones de operación deben
de ser ajustadas al combustible lo que afecta al rendimiento. Un motor
HCCI con VCR o VVT puede operar en principio con cualquier tipo de
combustible líquido hidrocarburo o alcohol mientras sea premezclado antes
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de la ignición con el aire. La literatura de la combustión HCCI muestra que
esta se ha alcanzado con gran variedad de combustibles. Los principales
combustibles usados son la gasolina, gasóleo, propano, gas natural y
mezclas únicas y dobles de gasolina y gasóleo de referencia primaria (isooctano y n-heptano). También se han empleado con resultados
inconcluyentes combustibles como el metanol, etanol y acetona.
Gasolina.
Como combustible para un HCCI presenta muchas ventajas. Posee un
número de octano elevado lo cual permite relaciones de compresión
razonablemente elevadas con la redundancia en su rendimiento.
Actualmente los HCCI que usan gasolina pueden usar relaciones de
compresión que van desde 12:1 hasta 21:1 dependiendo del número de
octano de la gasolina, en EE.UU. desde 87 a 92 y hasta 98 en Europa,
temperatura de entrada de la mezcla y uso concreto del motor que puede
afectar en el calor residual retenido de modo natural. Estas relaciones de
compresión hacen que los HCCI a gasolina dispongan de relativos altos
rendimientos del orden de los CIDI. Emplear relaciones de compresión
mayores puede ser causante de problemas especialmente a altas cargas
cuando el cilindro a de soportar grandes presiones. Ventajas inherentes al
empleo de la gasolina son facilidad de evaporación, fácil preparación de la
mezcla y la facilidad de infraestructuras de repostaje.
Gasoil-Diésel.
El gasoil se auto inflama a relativas bajas temperaturas pero es difícil de
evaporar. Si queremos conseguir una combustión HCCI mediante el uso de
gasóleo la mezcla aire-combustible ha de ser calentada considerablemente
para la evaporación del combustible. La relación de compresión debe ser
muy baja de 8:1 o inferior para que la combustión sea satisfactoria, lo que
desemboca en rendimientos térmicos muy bajos. También puede inyectarse
combustible directamente en el cilindro sin precalentamiento de aire, de
modo que las temperaturas no son lo suficiente altas como para la
vaporización del combustible hasta bien avanzado la carrera de
compresión. Esta estrategia de inyección resulta a menudo en una
vaporización incompleta del combustible así como de una mezcla de mala
calidad en cuanto al grado de homogeneidad, lo que nos lleva a emisiones
de partículas y de NOx. Aun así se han logrado desarrollar mecanismos de
inyección directa tardía de gasoil, después del punto muerto superior y con
alto grado de swirl o turbulencia, que consiguen vaporizar y mezclar el
combustible antes de la ignición en cargas bajas. Este es el modo de
operación empleado en el Nissan MK comentado en la siguiente sección.
Al igual que la gasolina el gasoil dispone de una gran facilidad de
repostaje.
12
Propano.
Este es un excelente combustible para los HCCI ya que se pueden alcanzar
altos rendimientos térmicos debido a su alto número de octano (105) y es
fácil mezclarlo con aire al ser un gas. También por sus infraestructuras de
repostaje. Al poderse licuar a presiones moderadas la cantidad de
combustible que se pudiera llevar en el vehiculo es comparable a la que se
puede llevar para combustibles líquidos.
Gas Natural.
Debido a su elevado número de octano (110) se pueden emplear para
motores HCCI relaciones de compresión muy elevadas del orden de 15:1
hasta 21:1 resultando en altos rendimientos térmicos. Como en los motores
HCCI que usan gasolina o propano el diseño debe cuidarse de modo que
soporten bien las altas presiones máximas del cilindro. El gas natural es de
fácil disponibilidad tanto en Europa como en EE.UU.
D. Primeras aplicaciones para los motores HCCI.
Actualmente son dos los modelos comercialmente disponibles en el
mercado funcionando en modo HCCI en parte de sus ciclos de operación.
En ambos casos se limita la operación HCCI a bajas cargas, mientras a
altas cargas vuelven a emplear modos de operación convencionales.
Sistema de Combustión “MK” de Nissan.
El sistema de Cinética Modulada (Modulated Kinetics) de Nissan se
desarrolla a partir de un motor típico CIDI usando gasoil [8]. En cargas
bajas el motor funciona bajo unas condiciones altas de turbulencia para la
entrada de la carga, alta relación de EGR y un tiempo de inyección
retrasado, ya que bajo estas condiciones el tiempo necesario para que el
mezclado de la carga se realice es más corto que el necesario para la
autoignición por lo que la combustión HCCI es alcanzada con la calidad
necesaria para su funcionamiento. Resultando en unas emisiones
extremadamente bajas de partículas al igual que para los NOx. Por lo
general la inyección tardía de combustible provoca unos rendimientos
térmicos bajos, aun así este problema se minora al existir unas perdidas de
calor reducidas. De este modo el rendimiento del motor CIDI original se
mantiene o se ve mejorado levemente. Este motor opera en modo HCCI a
bajas cargas y cambia a modo diésel convencional para altas cargas aunque
los esfuerzos se dirigen a que el mapa de operación del motor MK sea más
amplio. La intención es extender el rango de operación del MK al mapa
completo de cargas y velocidades con el fin de cumplir con las pruebas del
modo 10-15 Japonés de emisiones. Las pruebas del modo 10-15 Japonés
13
son consideradas como la representación del modo de conducción urbano y
cubren un rango que va desde ralentí hasta un poco menos de media carga
y velocidad del motor.
El MK está comercialmente disponible en Japón en la versión de 2.5 litros
desde 1998.
El motor “AR” de motocicleta de Honda.
El motor de Honda Radical Activo (Active Radical) es un motor de dos
tiempos monocilíndrico que funciona de modo dual, es decir en altas
cargas, ralentí y en arranques fríos funciona como un SI mientras que
cambia a modo HCCI para cargas bajas. Tiene una relación de compresión
baja de 6.1:1 y la combustión HCCI se alcanza mediante una válvula de
escape que ayuda a la retención de gases calientes del escape del ciclo
anterior. Con lo que se alcanza la combustión HCCI a pesar de su baja
relación de compresión. A medida que aumentamos la carga la retención se
ve reducida hasta que la fracción de gases retenidos es demasiado baja para
inducir la combustión HCCI y se cambia a modo SI. Existe una franja del
mapa de operación del motor donde es posible operar en ambos tipos de
combustión. Este motor ha demostrado mejoras importantes en cuanto a
consumo reduciendo este un 27% respecto de un motor ordinario bajo
condiciones reales de uso. Las emisiones de hidrocarburos son reducidas
también en un 50% a pesar de que son demasiado altas con respecto de las
normativas actuales.
2.3. Relaciones Cinético Químicas.
La combustión HCCI está principalmente controlada por aspectos cinéticos
químicos y por lo tanto se han desarrollado programas de cálculo
encaminados a la mejor comprensión de los fenómenos que acaecen en
torno a los diferentes combustibles empleados y en los rangos de
operación. El software CHEMKIM se modificó de modo que pudiese ser
empleado para la comprensión de reactores de volumen variable empleando
los mecanismos químicos del n-heptano e iso-octano del Laboratorio
Nacional de Lawrence Livermore (LLNL). La elección de estos
combustibles se justifica por ser conocido su mecanismo cinético detallado
de combustión y su cinética de ignición va más allá del número de octano y
cetano típicos de la gasolina y del gasóleo. Estos modelos de aproximación
tratan la carga como un volumen único homogéneo y han demostrado ser
precisos a la hora de predecir la ignición [3] y no en cambio a la hora de
precisar las cantidades de calor liberadas y picos de temperaturas. Estos
cálculos sirven de guía a la hora de diseñar y se usarán en futuros
experimentos. Para el sustituto del gasóleo la ignición ocurre en dos etapas
comenzando a la temperatura de 800K lo que limita la relación de
14
compresión a 13:1 obteniéndose rendimientos menores a los CIDI lo que
concuerda con datos de la literatura [9]. Por otro lado para el sustituto de la
gasolina la ignición ocurre alrededor de los 1100K y en una etapa lo que
permite de mayores relaciones de compresión desde 15:1 hasta 18:1, y por
lo tanto de mejores rendimientos. Para un motor real las relaciones de
compresión serán menores debido a inhomogeneidades que presenta la
carga sobre todo debido a efectos de los gases residuales de la carga
anterior. Las pruebas realizadas muestran que el empleo de un combustible
como la gasolina y con compresiones del orden de los CIDI, desde 17:1
hasta 19:1, se pueden alcanzar rendimientos como los de los CIDI y con
bajas emisiones de NOx. De los resultados anteriores se desprende que la
ignición en dos etapas del gasóleo resulta en un amplio rango temporal de
la ignición cuando se varía la carga de combustible. Por otro lado para
combustibles de combustión en una etapa el momento de la ignición varia
solo unos grados desde baja carga a alta por lo cual los motores que
emplean combustibles del tipo gasolina requieren de menor ajuste por parte
de los sistemas de control a lo largo del mapa de operación. Los esfuerzos
e investigaciones se centraran más en combustibles del tipo gasolina como
el iso-octano que en los de tipo gasoil por estas razones; Resultados en
CHEMKIN así como en la literatura competente en el tema han mostrado
que los combustibles de ignición de una etapa y alto número de octano
presentan ventajas frente a los de tipo gasóleo para aplicaciones HCCI. Los
combustibles más volátiles o gaseosos del tipo gasolina son más fáciles
para conseguir una mezcla homogénea como requieren los HCCI. Los
combustibles líquidos presentan ventajas de almacenaje y de repostaje. Los
ensayos iniciales establecen la línea principal de operación de los HCCI
usando como combustible iso-octano y sistemas de premezcla perfecta.
Estas condiciones de operación están bien definidas, son fácilmente
repetibles y se aproximan mucho a las predicciones de CHEMKIN.
Después de analizar el inicio de la ignición y la liberación de calor en
condiciones iniciales, se irán cambiando sistemáticamente los parámetros
de operación como son temperatura de entrada, velocidad del motor y carga
de combustible para establecer los limites de operación de la mezcla
completamente homogénea. Los cambios en la ignición se compararán con
los cálculos de CHEMKIN para evaluar la capacidad predictiva de este
modelo y determinar su uso para futuros experimentos. Tras la plena
comprensión de la operación HCCI de la mezcla completamente
homogénea el Laboratorio Nacional de Sandía (SNL) investigó como
afectan los cambios en la mezcla, preparación de la carga y transferencia de
calor a la ignición HCCI, liberación de calor y a las emisiones. Muchos de
estos estudios se centran en la comprensión y uso de la estratificación
parcial de la carga como mecanismo de control para los HCCI y se
anotaron como barreras técnicas el control de la ignición a lo largo del
15
mapa de operación velocidad- carga, control de la liberación de calor a
altas cargas y las emisiones de hidrocarburos. Las investigaciones incluyen
inyección directa de combustible para la generación de estratificación
parcial de la carga, variación de la turbulencia para alterar las relaciones de
transferencia de calor y de mezclado dentro del cilindro, los efectos de los
gases de escape y residuales, e investigaciones sobre mecanismos de
recirculación de gases de escape y mezclado para lograr una estratificación
parcial de la mezcla. El Laboratorio Nacional de Sandía (SNL) empleó
técnicas ópticas láser de observación dentro del cilindro para distintos
sistemas de alimentación y de mezclado. Los resultados de estas medidas
tan detalladas se analizaron y se cotejaron con los resultados obtenidos para
la mejor comprensión de las relaciones causa efecto de modo que se
sugiriesen técnicas de control alternativas.
2.4. Principales líneas de desarrollo para I+D.
Las actuales investigaciones han arrojado mucha luz sobre la comprensión
de la combustión HCCI y de su funcionamiento pero se deben hacer
grandes esfuerzos en cuanto a investigación y desarrollo antes de la
producción de estos motores para aplicaciones de vehículos ligeros y
pesados. Estas son las áreas necesitadas de investigación y desarrollo;
A. Control del tiempo de ignición.
Se necesita de I+D para el desarrollo de métodos de control del momento
de la ignición para HCCI a medida que la carga y la velocidad varían. Este
control del momento de ignición es mucho más complejo que para otro tipo
de motor al no depender de un mecanismo directo de encendido o
inyección. En este caso la ignición viene determinada por la cinética
química de la mezcla, que a su vez viene determinada por la temperatura,
tiempo y composición de la mezcla. A medida que la velocidad y la carga
varían, o sea tiempo y mezcla, el tiempo de ignición a no ser que se
compense mediante la temperatura de la carga. La medida de la
compensación dependerá fuertemente del tipo de combustible, ya que para
combustibles de ignición en una etapa requerirán de mucha menos
compensación como la gasolina que para los de dos etapas como el gasoil.
Se han propuesto varios métodos de control de la temperatura cerca del
punto muerto superior y algunos han demostrado su validez para
condiciones concretas. De las técnicas más certeras puede ser el EGR
aunque su respuesta es lenta y en transitorios no funciona bien. También
empleando la variación de la relación de compresión VCR ha demostrado
recientemente ser un excelente mecanismo de control del tiempo de
ignición. Por último la distribución variable podría ser el modo más versátil
de controlar la temperatura de la carga al permitir un control sobre la
16
relación de compresión efectiva y de la cantidad de gases de escape
retenidos además de presentar ventajas para altas cargas y arranques en
frío.
B. Control de la combustión a altas cargas.
Se requiere de I+D a altas cargas de modo que se realice la combustión
HCCI de modo más lento evitando ruido excesivo y daños en el motor. La
liberación de calor en un HCCI es por lo general relativamente lenta por su
cinética y por pequeñas inhomogeneidades de la carga de modo que se
produce una operación suficientemente suave y niveles de ruido aceptables
a cargas bajas y medias. A altas cargas la cinética es más rápida y la
liberación de calor en un HCCI puede ser muy rápida causando ruido
excesivo y daños en el motor. Dos soluciones parecen factibles.
En primer lugar y a corto plazo el motor podría funcionar en modo
convencional SI o CIDI en altas cargas. Operando en modo SI conlleva
ventajas para el control de los NOx y en modo CIDI ofrece ventajas en
cuanto a rendimiento. El cambio de modo HCCI a SI necesitaría de reducir
la relación de compresión y sería algo directo para un motor equipado con
VVT o VCR. Resultados recientes del motor VVT Stanford indican que
este concepto de operación entre modos es posible pero necesita de
desarrollo para que el mapa de operaciones se amplíe y el momento de
transición entre HCCI y SI o CIDI sea más suave bajo carga. En segundo
lugar la temperatura de la carga y o mezcla podría ser parcialmente
estratificada para suavizar la liberación de calor. Dado que pequeñas
variaciones de temperatura (10º) pueden alterar significativamente el
tiempo de ignición, la estratificación térmica es un medio factible de
amortiguar la liberación de calor. La estratificación de la mezcla podría
alcanzarse mediante corrientes variables internas en el cilindro produciendo
liberaciones de calor no uniforme, o por mezcla incompleta de la mezcla
aire-combustible con gases residuales calientes. Además de esta
estratificación térmica es posible realizar una estratificación isoterma de la
mezcla bien combustible-aire, o bien de la mezcla de carga fresca con los
gases residuales que pueden producir combustión HCCI escalada. El
potencial de la estratificación tanto térmica como de las especies es alto y
hasta hace poco estaba muy poco explorado. Hasta dónde puede llegar la
estratificación a la hora de suavizar la operación de un HCCI es
desconocido, pero es muy probable que el rango de operación pudiera ser
muy ampliado con esta técnica razón por la cual es necesario determinar
los límites y su potencial desarrollando métodos para la consecución
necesaria de estratificación e investigar si la operación mediante esta
técnica aumenta los NOx y las emisiones de partículas.
17
C. Arranque en frío.
Es necesaria I+D para el desarrollo de conceptos que superen el problema
de los arranques en frío sin comprometer el funcionamiento en caliente del
motor. Hasta el momento se había focalizado todos los esfuerzos en el
funcionamiento del motor HCCI en caliente y casi nada en este aspecto. La
combustión HCCI es fuertemente dependiente de la temperatura de la
carga. En los arranque en frío la carga no recibe precalentamiento desde los
colectores y la transferencia de calor de la carga comprimida a las paredes
de la cámara de combustión fría es alta. Esto hace que la combustión HCCI
se vea inhibida en estos primeros momentos del arranque. Existen tres
posibilidades factibles. La primera es arrancar el motor en modo SI y luego
pasar a HCCI después de un pequeño calentamiento. Esto requiere de una
reducción de la relación de compresión durante el modo SI con lo que el
motor deberá ir equipado con VVT o VCR. En este caso el VVT tiene
ventajas al permitir la retención de los gases calientes con lo que la
transición a HCCI es más rápida. En segundo lugar el motor podría
arrancar en modo HCCI aumentando la relación de compresión mediante
VVT o VCR. Tercera opción seria el empleo de un calentador para ayudar
la ignición HCCI hasta que el motor estuviera caliente. También es posible
el empleo de la combinación de estos tres sistemas.
D. Control de emisiones.
Es necesario desarrollar sistemas de control de emisiones así como de
estrategias de modo que sea posible mantener unos niveles de emisiones
aceptables y sobre todo a bajas cargas. En un motor HCCI estos niveles son
muy bajos a bajas cargas y no es necesario un control para reducirlas, sin
embargo a medida que vamos extendiendo el rango hasta cargas altas la
liberación de calor puede resultar demasiado rápida y resultar en niveles
inaceptables de NOx.
D.1. Emisiones de Hidrocarburos (HC) y Monóxido de Carbono (CO).
Por lo general los motores HCCI tienen altas emisiones de HC inquemados
a pesar de que a altas cargas sus niveles son similares a un SI y
probablemente puedan ser controladas mediante la oxidación con
catalizadores. Pero a cargas bajas los niveles de HC son peores debido a la
baja temperatura de la combustión y por lo tanto aun más bajas en los
contornos con las paredes del cilindro y el combustible no arde. Además a
cargas muy bajas las temperaturas son demasiado bajas para completar la
reacción de oxidación del CO a CO2. Una estrategia de estratificación
podría mitigar el problema a bajas cargas, en vez de tener una mezcla
homogénea que pudiera ser muy pobre el combustible podría ser
concentrado en torno al centro del cilindro de modo que la mezcla ardería
sin problemas en modo HCCI y además no habría combustible cerca de las
18
paredes del cilindro. La estratificación parcial del combustible podría
alcanzarse mediante un sistema de combustible DI similar a aquellos ya
empleados en motores gasolina SIDI o mediante la disposición especial de
los flujos de entrada similares a los empleados por Mitsubishi y Toyota en
sus primeros motores de carga estratificada. Estos sistemas podría reducir
con creces las emisiones de HC aun a pesar de seguir siendo necesario el
usote catalizadores. Aun se requiere de I+D para determinar el potencial de
las técnicas de estratificación de la carga o de otros métodos para controlar
las emisiones de HC y CO así como del desarrollo de catalizadores de
oxidación de baja temperatura adecuados para los HCCI.
D.2. Emisiones de NOx a altas cargas.
Los motores HCCI producen muy bajas emisiones de NOx al operar con
una carga de premezcla muy diluida pero a medida que aumentamos la
carga y la cantidad de combustible aumenta, también lo hace la temperatura
de combustión y esto puede llevarnos a emisiones significativas de NOx.
Para los motores HCCI sin estratificación la alta tasa de liberación de calor
a altas cargas es un limitante para la potencia que puede proporcionar el
motor antes incluso que los niveles de NOx sean excesivos. El uso de la
estratificación parcial, tanto de temperatura como en composición, hace
que el rango de operación para los HCCI con estratificación parcial, desde
ahora SCCI, se extienda a altas cargas con una tasa de liberación más suave
y minimizando picos de temperatura y por lo tanto los NOx. Se requiere de
estudios que determinen qué tipo de incrementos en la carga pueden
realizarse antes de que las emisiones de NOx sean un problema para los
SCCI y de I+D para el estudio de estas técnicas de control de los NOx a
altas cargas a la vez que conservando las ventajas y rendimientos de los
HCCI/SCCI.
E. Operación en transitorios.
Se necesita I+D para el desarrollo de sistemas de control suficientemente
rápidos para mantener una ignición adecuada en las transiciones de carga y
de velocidad del motor. Los transitorios rápidos presentan dificultades ya
que la temperatura de la carga no es la adecuada para las condiciones de
operación a medida la velocidad y la carga varían. Los momentos
transitorios podrían ser superados mediante la hibridación eléctrica del
motor lo que ayudaría a los HCCI a entrar rápidamente en el mercado. De
todas formas el potencial de los HCCI con sistemas de control como el
VCR y el VVT podrían ser suficientes para lograr una operación suave y
continua durante los transitorios. Mediante el uso de estos sistemas y buen
software de control la relación de compresión podría variar de un ciclo al
siguiente de modo que la adaptación de velocidad y combustible durante
transitorios fuera exactamente la necesaria. Se necesitaría de I+D para
19
determinar las características exactas de los sistemas VCR y VVT, de
prototipos y de los ensayos necesarios y de los algoritmos de control.
F. Sistemas de Control.
Se requiere de I+D para el desarrollo de metodologías de lazo cerrado o
“feedback” de la información para los sistemas de combustible y de aire
para el correcto control y mantenimiento de una combustión optimizada
para cada momento de carga y velocidad del motor. De los mecanismos de
control, de los sensores que estos estén formados y de los algoritmos
apropiados de control depende que la combustión HCCI sea exitosa para su
aplicación en motores comercialmente exitosos. Sistemas como el VCR y
VVT tienen el potencial de ser capaces de controlar aspectos de la
combustión HCCI como son el tiempo de encendido, los arranques en frío,
transitorios, tipo de combustible y el paso del modo SI. Otros mecanismos
de control como son la inyección variable directa DI, tipos de inyectores, y
las diversas estrategias de mezcla de la carga de combustible, aire y gases
de recirculación tienen gran potencial de controlar la tasa de liberación de
calor, emisiones y el uso de diferentes combustibles. También son de
aplicación métodos tan directos como el EGR. Aparte de estos métodos de
control y de sus dispositivos físicos asociados se debe desarrollar
algoritmos de control y sensores asociados de modo que se produzca una
realimentación de información en lazo cerrado. Bajo estos métodos de
feedback los sistemas de control del motor varían parámetros de
funcionamiento como caudal de combustible y EGR como respuesta a los
sensores. Este feedback permite que el rendimiento y emisiones del motor
sea optimizada de un modo continuo. Los tipos de sensores que se
necesitarían podrían ser de monitorizado del tiempo de ignición, de
liberación de calor, de niveles de EGR, de emisiones HC y NOx. En la
actualidad dichos sensores no son viables desde el punto de vista
económico de producción en serie para estos motores HCCI.
G. Desarrollo de sistemas de combustible.
Se necesita de I+D para desarrollar sistemas de abastecimiento de
combustible para los diferentes tipos de inyecciones propuestas como la
inyección DI de los SI, la de los inyectores diésel o una combinación de
ambas. Cada una presenta ventajas dependiendo del tipo de combustible y
del régimen de operación. Para un combustible tipo gasóleo el tipo de
inyector requerido depende de la estrategia a seguir a la hora de realizar la
mezcla y de la combustión. Como en el modelo MK de Nissan se ha
empleado un inyector del tipo gasoil DI con las modificaciones necesarias
para lograr la combustión HCCI. Para un combustible del tipo gasolina los
inyectores del tipo DI con modificaciones necesarias parecen ser los
adecuados para lograr la combustión HCCI mediante la estratificación de
20
combustible a altas cargas y la reducción de HC y CO a cargas bajas,
aunque es probable que se necesite un inyector especial con características
diferentes a los actuales DI de gasolina para la combustión HCCI si
queremos alcanzar estos objetivos para todo el rango de operación. Por lo
tanto se necesitan esfuerzos de investigación en este sentido para conseguir
las características deseadas en los inyectores HCCI.
H. Efectos en motores de varios cilindros.
Se necesita de I+D para el desarrollo de colectores de admisión y escape
para motores de varios cilindros que aseguren una uniformidad del flujo de
entrada y salida para una operación lo suficientemente suave. En motores
de varios cilindros la dinámica de ondas puede provocar tanto en el escape
como en la admisión pequeñas diferencias en las cantidades de gases
remanentes y en las cantidades de la carga fresca entregadas en los
diferentes cilindros. En los motores SI o CIDI estas cantidades no causan
efectos significativos en la combustión pero los motores HCCI son muy
sensibles a pequeños cambios en la temperatura de la carga comprimida, y
estos cambios son capaces de provocar variaciones en el momento de la
ignición. Se necesitara de investigación en esta dirección para el desarrollo
en el diseño de colectores que minimicen este problema para todo el rango
de operación y de sensores y sistemas de control que mantengan una
combustión homogénea en los cilindros.
I. Modelado de la combustión.
Se necesita de I+D en el campo del modelado computacional de la
dinámica de fluidos (CFD) y de modelos de combustión en HCCI para la
evaluación de posibles diseños geométricos en motores de un modo
relativamente rápido y barato. Los modelos de combustión son básicos para
el desarrollo de sistemas de combustión y métodos de control para los
HCCI. Se han empleado el uso combinado de modelos cinético-químicos y
modelos CFD tradicionales como Kiva con relativo éxito para la
investigación de algunos aspectos de los HCCI [3,4,7,10]. También se han
realizado esfuerzos en técnicas de modelado avanzado en turbulencias para
algunos detalles de los HCCI aunque se requiere de un mayor grado de
desarrollo de estas técnicas predictivas de modelado numérico para avanzar
en cuanto al concepto en HCCI. Tres son las áreas de desarrollo en cuanto a
modelado;
1. Cinética química. En la actualidad ya existen modelos cinéticos de
probado valor en cuanto a investigación para la combustión HCCI
para combustibles primarios como el iso-octano y n-heptano. No
obstante no ocurre así para los mecanismos cinéticos de los
combustibles comercialmente disponibles en el mercado como la
21
gasolina y el gasoil y necesitan ser desarrollados bajo las condiciones
de combustión HCCI.
2. Modelos CFD. El fenómeno de la estratificación parcial tanto
térmica como de mezcla son claves en el desarrollo práctico de los
motores HCCI. Para ello es necesario el desarrollo de modelos
capaces de predecir los procesos de estratificación que ocurren en los
colectores y de mezclado que ocurren dentro de los cilindros. Estos
modelos deben ser lo suficientemente potentes como para ser
capaces de resolver temporal y espacialmente los procesos de
mezclado en transitorios y efectos de capa limite. También deberán
de ser compatibles con las soluciones de modelos cinéticos
reducidos, modelos y submodelos de chorro de inyectores y de
turbulencia.
3. Submodelos. Para los HCCI son de uso válido tanto la inyección
directa como de puerto por lo tanto son necesarios submodelos para
reproducir la dispersión, vaporización y la mezcla de estos
inyectores. El mezclado con turbulencia es básico para la
estratificación parcial y se necesita incorporar modelos de
turbulencia mejorados en los modelos existentes de CFD. También
deben ser explorados en mayor profundidad conceptos de turbulencia
avanzada como el de Turbulencia Uni-Dimensional (ODT) y el
Large Eddy Simulation (LES) para procesos dentro del cilindro en
HCCI.
3. La Cinética Química en la combustión HCCI.
De los aspectos hasta ahora comentados y para las diferentes técnicas
propuestas para el control de la combustión HCCI, hemos podido ver que
todos ellos están enfocados a causar algún tipo de efecto sobre el momento
de ignición de la combustión o lo que es lo mismo causar un efecto directo
sobre la cinética química del proceso de combustión, que es la clave para
una operación correcta en cuanto a carga y velocidad en un motor HCCI.
La cinética química en la combustión de un motor HCCI es similar a la
cinética de la detonación de los motores convencionales de encendido
provocado, con la diferencia de que en los HCCI no tienen tanto peso los
fenómenos de difusión y el efecto de turbulencia comparados con la
cinética química que domina el proceso. Esta diferencia se debe por un lado
a que la carga es de premezcla y antes de la ignición el grado de
homogeneidad es muy elevado y no se aplican modelos de difusión. Y por
otro lado a que los fenómenos de turbulencia (swirl) no tienen efecto sobre
la combustión debido a que no presenta un frente de llama como en la
combustión convencional y se produce de modo casi instantáneo en todo el
volumen del cilindro. Por lo tanto en la combustión HCCI es de gran
22
relevancia conocer los procesos cinético químicos completos que controlan
el inicio de la autoignición para cada tipo de combustible, de modo que el
desarrollo de modelos numéricos y de sus predicciones se puedan
contrastar de modo satisfactorio mediante resultados experimentales y que
las futuras predicciones puedan tener modelos fiables sobre los que basarse
previamente. Desarrollaremos los mecanismos de oxidación más
importantes para los hidrocarburos de sustitución o PFR (Primary
Reference Fuels) para tener una comprensión lo suficientemente amplia de
estos mecanismos de oxidación en la combustión.
3.1. Los diferentes modelos cinéticos.
Se pueden encontrar cuatro grandes grupos para los mecanismos de
oxidación de los combustibles de sustitución como son el n-heptano y el
iso-octano. Estos son los mecanismos de un solo paso, mecanismos
generalizados, mecanismos detallados y mecanismos reducidos.
A. Mecanismos de un solo paso.
En este caso el mecanismo real compuesto de numerosas reacciones
elementales se simplifica de modo que se ve reducido a una o dos
ecuaciones en las que se modela el comportamiento químico de la carga.
No se incluye información cinética ninguna y son la manera más directa de
describir la oxidación de un hidrocarburo, su ajuste es mediante datos
experimentales como es el desarrollado por Najt y Foster [11]. Estos son
capaces de modelar el proceso de autoignición o de duración de la
combustión pero no de las dos cosas a la vez, además requiere del aporte de
resultados empíricos previos para la correcta obtención de resultados, de
ahí su limitado uso para los modelos de combustión HCCI que requiere de
ambos aspectos para su descripción.
B. Mecanismos generalizados.
En estos mecanismos no se explican las rutas cinéticas para cada especie
sino que las agrupa según comportamientos químicos según sean especies
intermedias, radicales, productos, etc. Dentro de estos mecanismos se
encuentra el mecanismo Shell en el cual incluye 8 reacciones y 5 especies.
Existen variaciones de este modelo como la llevada a cabo por Hu y Keck
[12] en la que consideraron 13 especies y 18 reacciones para detallar el
comportamiento de algunos radicales, continuando su modificación por
varios autores hasta incluir más ecuaciones y especies hasta la fecha en la
que consta de 45 especies y 69 reacciones. La limitación que presenta este
modelo es la ausencia de las reacciones a alta temperatura, con lo que no se
puede emplear para predecir tanto la liberación de energía producida como
de las presiones máximas alcanzadas dentro del cilindro, aunque
23
posteriormente Zheng en el 2002 solucionó este aspecto añadiendo una
serie de modelos de hidrocarburos de cadena larga.
C. Mecanismos detallados.
Estos mecanismos consisten en una serie de reacciones químicas en
cascada mediante las cuales los hidrocarburos iniciales se descomponen en
pequeñas especies carbonadas. Hasta ahora los modelos descritos están
basados en datos obtenidos experimentalmente y sólo son válidos para
predecir la autoignición y el calor liberado en las mismas condiciones de
operación en las que se determinaron las del modelo de predicción, con lo
que para que un modelo de predicción sea fiable en un rango más amplio
de operación haya que incluir mecanismos de reacción mucho más
detallados. Para el iso-octano y n-heptano estos mecanismos detallados
constan de 10.000 reacciones y de 1.000 especies. Para estas simulaciones
es necesario separar el modelo térmico del modelo cinético al ser este el
modelo más exhaustivo. Es posible la realización de predicciones con estos
mecanismos mediante el software CHEMKIN.
D. Mecanismos reducidos.
Estos mecanismos reducidos derivan de los anteriormente descritos
mecanismos detallados como consecuencia de no ser necesaria tal precisión
como presentan los mecanismos detallados para la mayoría de las
aplicaciones en las que se emplea un modelo cinético para una combustión
HCCI. En estos mecanismos se centran en las reacciones más importantes
que caracterizan cada fase del proceso de oxidación del combustible
proporcionando gran información y a la vez presentando la ventaja de ser
un proceso de cálculo más simple, Dryer 1991. Esta simplificación de los
mecanismos detallados se basa en la aproximación mediante las especies
intermedias constantes, esto es la suposición de que la generación de ciertas
especies intermedias es igual a la reacción de estas mismas con un
resultante neto de producción constante e igual a cero, Soyhan et al 2000.
De este modo el mecanismo detallado puede caracterizarse de un modo
reducido pudiendo lograr que un mecanismo detallado para un combustible
formado por n-heptano e iso-octano comprendiendo unas 75 reacciones
pase a ser descrito por 20 reacciones para un mecanismo reducido. Los
mecanismos reducidos presentan muchas ventajas a la hora de obtener
resultados concretos sobre características del motor como son pérdidas
mecánicas, curvas características, operatividad del motor, etc.
24
3.2. El combustible.
Es lógico que las características del combustible a emplear en la
combustión HCCI deba de cumplir con unas características y
especificaciones definidas de modo que facilite y sea lo más optimo posible
para las condiciones requeridas en la operación de estos motores.
A. Debe ser químicamente estable de modo que no se descomponga en
otros compuestos químicos formando depósitos poliméricos.
B. Debe ser fácilmente evaporable de modo que la mezcla con el
comburente sea lo más óptima posible.
C. Debe estar libre de partículas contaminantes o agua.
D. Debe contener cantidades de azufre, aromáticos, benceno,
antidetonantes y otros aditivos de acuerdo con los valores
establecidos según las especificaciones vigentes.
E. Debe cumplir con otras especificaciones como el color, densidad a
15ºC, presión de vapor, etc, de la legislación sobre combustibles.
Además de estas características los combustibles de uso para motores de
explosión se caracterizan principalmente por su facilidad de autoignición y
ésta es caracterizada por el número de octano (NO). Para la medida de esta
tendencia a la autoignición existen dos tipos de ensayos. El RON (Research
Octane Number) que representa el comportamiento en ciudad a bajo
régimen con numerosas aceleraciones. Y el MON (Motor Octane Number)
octanaje probado en un motor estático que intenta reproducir la situación en
carretera, alto régimen y conducción regular. La escala de referencia para
los combustibles se basa en los combustibles de referencia (PRF) tomando
como NO=0 para el n-heptano y como NO=100 para el iso-octano. El nheptano es el punto cero en la escala del octanaje. No es un producto
deseable del petróleo, ya que arde de forma explosiva, a diferencia de sus
isómeros ramificados que arden de una forma más lenta y dan un mayor
rendimiento. Se eligió como punto cero de la escala del octanaje, por la
posibilidad de obtener n-heptano de alta pureza, sin estar mezclado con
otros isómeros del heptano u otros alcanos. El (2,2,4-trimetilpentano) isooctano es un isómero del octano. Es un alcano ramificado que tiene una
cadena principal de pentano con tres radicales metilo unidos (lo que da un
total de 8 carbonos). Se utiliza como el punto de referencia 100 de la escala
de octanaje.
25
Figura 1.
Mediante la mezcla de estos do s combustibles es posible caracterizar a
cualquier combustible comercial de modo que como resultado obtengamos
un NO igual al del combustible original.
3.3. El modelo cinético.
Como hemos visto anteriormente la combustión HCCI está gobernada
fuertemente por mecanismos de la cinética química más que por aspectos
de los fenómenos de difusión y el efecto de turbulencia. Inicialmente los
análisis teóricos realizados para la combustión HCCI se basaron en códigos
que se apoyaban en la mecánica de fluidos y en modelos cinéticos muy
simples. Por el contrario sabemos que es vital el uso de códigos de análisis
detallados de la cinética química si queremos conseguir resultados con la
suficiente fidelidad de los procesos que ocurren en una combustión HCCI
de modo que podamos obtener conclusiones que permitan mejorar los
aspectos deseados de estos motores. En este sentido destacan trabajos como
los de Ranzi et al. [13] con un modelo reducido de la oxidación de los PRF
a baja, media y alta temperatura. También el modelo semidetallado de
Roberts et al. [14]. El modelo cinético empleado es del tipo 0-Dimensional
considerando la cámara de combustión como un reactor de mezcla perfecta
de volumen variable, con distribución uniforme de presión, temperatura y
concentración de las especies químicas. Para las pérdidas de calor se ha
empleado la correlación de Woschi [15]. Al suponer la temperatura
uniforme a lo largo de la cámara de combustión los resultados en cuanto a
tiempo de combustión se refiere serán más cortos que los resultados
obtenidos experimentalmente y también obtendremos valores aumentados
de presión máxima en el cilindro a los que se dan en la realidad. Los
modelos cinéticos detallados contienen un gran número de reacciones y
especies que al ser comparados con modelos de predicción de la
autoignición en combustión fluido dinámicos para motores pueden llegar a
ser muy costosos tanto a la hora de realizar cálculos computacionales como
prácticos. En estos casos es muy deseable el empleo de modelos cinéticos
26
reducidos como el primer modelo reducido y metodología funcional
desarrollado por Halstead et al [16] capaz de reproducir la tendencia a la
detonación de hidrocarburos específicos de interés. No obstante algunos
aspectos tales como el consumo de combustible antes de la ignición, tasa de
liberación de calor acumulada y concentración de especies no están bien
modelados. Para resolver estos aspectos un nuevo modelo cinético reducido
fue desarrollado por Li et al. [17] que son de aplicación a 87 PRF (87% isooctano y 13% n-heptano) y 63 PRF (63% iso-octano y 37% n-heptano) y
para unas condiciones de motor dadas. Este modelo predecía el retraso en
la ignición y la tasa de liberación de calor en la pre-ignición para estos
combustibles dentro de un margen de error del 15%. Entonces el modelo se
aplicó con n-butano y iso-butano donde las predicciones del modelo
coincidían bien con los experimentos a falta de pequeños ajustes en tres
parámetros. Las simulaciones obtenidas en este trabajo están basadas en un
modelo cinético detallado de alta presión (en base a trabajos de Curran et
al. [18]) en los que la autoignición depende fuertemente de las condiciones
de temperatura en la zona central del cilindro y para las cuales el modelo
cinético es más que aceptable en cuanto a resultados de predicción sobre la
ignición y sobre la formación de especies intermedias y de productos de la
combustión. El modelo para la simulación de los PRF toma en cuenta unas
1064 especies que participan en un total de 4391 reacciones. La oxidación
de un hidrocarburo de cadena larga tiene lugar a partir de una serie de
reacciones elementales en cadena según el trabajo de Li et al. [17] y fue
desarrollado para modelar la autoignición en un motor SI con combustibles
de referencia y de sus mezclas contribuyendo al trabajo de Hu y Keck [12]
añadiendo once reacciones y siete especies activas de modo que produjeran
un aumento en la tasa de liberación de calor específico sin consumir por
completo el combustible e incluyendo las vías químicas de producción del
CO. Las nuevas reacciones incluyen las vías químicas para la oxidación de
aldehídos (RCHO), oleofinas (C=C), radicales carbonilos (O=R·) y
radicales pequeños alilos (Rs·)
∆H °300
LogA
E
logA+
E+
logA-
E-
1. RH + O 2 ⇔ R& + HO& 2
2. R& + O 2 ⇔ RO& 2
3. RO& 2 ⇔ QOOH&
n-heptano
iso-octano
4. QOOH& + O 2 ⇔ QOOHOO&
46.4
-30.1
1.5
-1.4
46.0
-27.4
13.5
12.0
46.0
0.0
12.0
13.4
0.0
27.4
7.50
7.50
-30.1
0.9
0.0
-1.9
8.0
11.9
11.0
11.5
19.0
22.4
0.0
11.0
11.0
13.4
11.0
11.0
27.4
5. OOQOOH& ⇒ OQ´OOH + OH&
6. OH& + RH ⇒ H 2O + R&
-26.6
11.3
17.0
-23.5
13.3
3.0
Reacción
27
11.24
-27.4
7. OQ´OOH ⇒ OQ´O& + OH&
8. HO 2& + H 2O& ⇒ HOOH + O 2
9. HOOH + M ⇒ 2OH& + M
10. OQ´O& ⇒ 2 RCHO + RCO&
n-heptano
43.6
15.6
40.0
-38.5
51.4
12.3
16.88
0.0
46.0
-17.5
14.0
15.0
18.5
-3.0
14.0
14.4
15.0
31.0
-0.6
-0.6
-0.23
11.45
11.7
10.95
8.6
8.64
10.0
11.7
11.2
16.0
16.0
13.22
13.57
16.78
12.0
11.75
11.53
11.28
15.6
10.6
12.72
15.6
13.3
9.85
0.0
0.0
15.0
0.0
28.9
8.6
16.0
43.0
2.14
-1.04
43.0
15.0
23.0
9.48
8.78
18.0
18.0
OQ´O& ⇒ 2 RCHO + Rs&
Iso-octano
11. QOOH& ⇒ C = C + RCHO + OH&
12. RO 2& + RCHO ⇒ ROOH + RCO&
13. HO 2& + RCHO ⇒ HOOH + RCO&
14. C = C + HO 2& ⇒ Epox + OH&
15. HO 2& + RH ⇔ R& + HOOH
16. RO 2& + RH ⇔ ROOH + R&
17. RCHO + OH& ⇒ RCO& + H 2O
n-heptano
Iso-octano
18. RCO& + M ⇒ Rs& + CO + M
19. Rs& + O 2 ⇔ RsO 2&
20. RsO 2& ⇒ C = C + OH&
21. RCHO + RsO 2& ⇒ RsOOH + RCO&
22. RH + RsO 2& ⇔ RsOOH + R&
23. RsOOH ⇒ RsO& + OH&
24. RsO& + O 2 ⇒ Rs´O + HO 2&
25. C = C + HO& ⇒ 2OXY + OH&
26. ROOH = RO& + OH&
27. RO& ⇒ Rs& + RCHO
28. RO 2& ⇒ C = C + HO 2&
29. RO 2& ⇒ eter + OH&
n-heptano
Iso-octano
8.0
8.0
0.9
1.1
-31.5
-31.5
10.7
-31.0
17.5
-0.6
8.0
43.6
-26.5
-75.5
43.6
-10.0
4.0
-25.0
-25.0
8.0
8.0
-1.4
-27.4
1.18
8.0
10.8
10.1
8.0
8.0
13.4
27.4
10.1
8.0
3.3.1. La oxidación del n-heptano.
Según las numerosas investigaciones sobre los mecanismos de oxidación
del n-heptano en modelos cinéticos detallados con modelos
termodinámicos 0-D [17], se sabe que la reacción de combustión del nheptano se desarrolla en dos etapas, una de liberación de calor a baja
temperatura (Low temperature reaction, LTR) y otra a alta (High
temperature reaction) siendo a su vez esta en dos etapas [18].
28
En la primera etapa LTR, la oxidación del n-heptano comienza con la
formación de cuatro radicales heptilo distintos debido a la sustracción de
átomos de hidrógeno por parte de los radicales O& H . Después la adición de
O2 junto con la descomposición de productos son los principales
componentes de los cuales provienen los radicales O& H que se encuentran
en esta etapa. En un segundo lugar la etapa HTR comienza cuando los
radicales alquílicos comienzan a descomponerse. En esta primera parte de
la HTR está caracterizada por la descomposición del peróxido de hidrógeno
( H 2O2 ) que constituye el principal aporte de O& H . Estos radicales O& H
sustraen de la molécula de formaldehído ( CH 2O ) un hidrógeno dando lugar
a moléculas CHO que pasarán a CO en un proceso de oxidación. En la
etapa de alta temperatura la liberación de calor está asociada a la oxidación
del CO a CO2 siendo muy importante el papel del radical O& H tanto en esta
reacción de oxidación como en el proceso de desprendimiento de átomos
de hidrógeno del n-heptano de su primera etapa. Cabe destacar que existe
un periodo de transición entre las dos etapas denominado como región de
coeficiente de temperatura negativo (Negative Temperature Coefficient,
NTC) que se pasará a comentar a continuación como para cada mecanismo.
3.3.1.1. Proceso de liberación de calor a baja temperatura (Low
temperature reaction, LTR).
En la sustracción de los átomos de hidrógeno del combustible por los
radicales O& H se forman los radicales heptilo de los cuales destaca el
C7 H15 − 3 que en una primera adición de O2 se oxida formando C7 H15O2 − 3 .
Después este radical se isomeriza en seis radicales C7 H14OOH . De estas
reacciones destaca la formación del radical C7 H14OOH 3 − 5 . Con una
segunda adición de O2 y con la descomposición sucesiva de los productos
hacen que aumenten la cantidad de radicales O& H y que aumente la
velocidad de descomposición de las cadenas.
3.3.1.2. Región de coeficiente de temperatura negativo (Negative
Temperature Coefficient, NTC).
A bajas temperaturas la formación del C7 H14OOH 3 − 5O2 se ve favorecida y a
medida que la temperatura aumenta por los productos de reacción es más
fácil su descomposición. A este proceso se debe la baja reactividad del
sistema durante esta etapa.
3.3.1.3. Proceso de liberación de calor a alta temperatura (High temperature
reaction, HTR).
A altas temperaturas tenemos que los radicales heptilo se descomponen
antes que reaccionar con oxígeno y el peróxido de hidrógeno se
descompone en dos radicales O& H que reaccionan con el combustible de
29
modo muy eficaz liberando una tasa de energía alta. Con lo que esta
liberación de radicales por parte del peróxido de hidrógeno constituye la
principal fuente de radicales O& H en la etapa HRT y es muy importante para
la siguiente parte. En esta segunda parte de la HRT la principal fuente de
radicales O& H es la reacción de un átomo de hidrógeno con una molécula de
oxigeno aunque no es la única reacción que da como resultado radicales
O& H . En esta etapa hay que destacar las reacciones de descomposición del
formaldehído para producir CO . El mecanismo de formación de CO se
debe al ataque de un radical O& H al formaldehído dando como resultado el
radical HCO que posteriormente pasará a ser CO como resultado de
reaccionar con moléculas de oxígeno. Por último en esta etapa ocurre la
reacción de oxidación del CO a CO2 con lo que finaliza la combustión del
n-heptano.
3.3.1.4. Mecanismos de las especies intermedias.
En un modelo cinético detallado ha de mostrar los mecanismos por el cual
se generan las especies intermedias y los mecanismos por los cuales estas
se convierten en productos finales de nuestra reacción. Los mecanismos
más importantes son el de la descomposición del C2 H 5CHO en C2 H 5CO que
posteriormente reacciona dando lugar a una molécula de C2 H 5 más una de
CO . El C2 H 5 que reacciona con una molécula de oxígeno y con HO& 2
produciendo C2 H 4 y C2 H 5O . El radical O& H puede sustraer un átomo de
hidrógeno al C2 H 4 dando como resultado C2 H 3 que es la principal fuente
del formaldehído. El formaldehído y el monóxido de carbono son los
elementos clave en la formación del CO2 . También la especie C4 H 8 − 1 se va
consumiendo y se forma C4 H 7 que a su vez reacciona y va produciendo
C4 H 6 y C4 H 7O . La reacción de C4 H 6 con el radical O& H para dar C2 H 5 y
CH 2CO . Luego este CH 2CO reacciona generando CH 2O y HCO que
pasarán primero a CO y luego a CO2 . El C4 H 7O desaparece produciendo
CH 3CHO y C2 H 3 que puede oxidarse generando CH 2O y HCO . Por otro
lado el CH 3CHO está involucrado en la formación de CH 3CO que también
se descompondrá en CH 3 y CO .
30
Figura 2.
Major n-heptane oxidation pathways using the Chaos et al. [59] mechanism.
Xheptane=1000 ppmXheptane=1000 ppm, XO2=0.022XO2=0.022, balance = Ar. 1275 K, 16 atm,
φ = 0 .5
3.3.2. La oxidación del iso-octano.
Sobre la oxidación del iso-octano comentaremos que se produce de un
modo muy parecido a la del n-heptano y que también se caracteriza por
tener dos etapas de baja y alta temperatura con la diferencia de que entre
ambos mecanismos existen diferencias en sus constantes cinéticas al ser
diferentes compuestos químicos y en las energías de activación de las
reacciones individuales. No obstante ambos combustibles comparten las
mismas etapas generales de oxidación mientras difieren en las etapas
menores de generación de especies intermedias como alquenos, éteres y
peróxidos que hacen que exista una diferencia sensible en su
comportamiento a la autoignición y consecuentemente en el RON.
3.3.3. Bio-Diésel.
Los combustibles derivados de las grasas vegetales y animales son una
alternativa a los productos derivados del petróleo para las aplicaciones de
combustión en motores Diésel. Estas grasas son convertidas en biodiésel
mediante la transesterificación que es el proceso mediante el cual se hace
reaccionar un alcohol como el metanol con los triglicéridos contenidos en
una grasa vegetal o animal formando ácidos grasos ésteres alkilos
(Biodiésel) y glicerina. Esta reacción requiere aporte en forma de calor y de
un fuerte catalizador básico como hidróxido de sodio o de potasio. La
reacción simplificada de la transesterificación es la siguiente:
BaseTriglycerides + Free Fatty Acids (<4%) + Alcohol ——> Alkyl esters + glycerin.
31
La principal razón del empleo del biodiésel en motores HCCI es que
permite la reducción simultáneamente de las emisiones de NOx y de
partículas así como de la eliminación de CO2. Las ventajas en cuanto a
emisiones de CO2 se basa en que los biodiésel son renovables y atrapan el
CO2 durante la fase de crecimiento de la planta, de que poseen un
contenido ultra bajo en azufre y en aromáticos, además de un elevado
número de cetano generalmente mayor al de un gasóleo mineral, más
fácilmente biodegradable, y presentar oxígeno en sus moléculas facilitando
una combustión más limpia. Algunos de sus inconvenientes son su alta
viscosidad, bajo contenido energético, puntos de fluidez y nublado altos
con los consecuentes posibles problemas de obstrucción en condiciones de
operación a bajas temperaturas, aumento de emisiones de NOx cuando
comparamos con gasóleo mineral en combustión diésel. El contenido en
oxigeno del biodiésel contribuye al aumento de emisiones de NOx en
combustión diésel hasta en un 15%. De acuerdo con el mecanismo de
Zeldovich la formación de NOx es notable a alta temperatura pero también
depende del contenido en oxígeno.
A continuación describimos el modelo cinético para un sustituto del
biodiésel como es el butanoato de metilo C3 H 7C (= O)OCH 3 [19] empleado en
las simulaciones numéricas. A pesar de no tener el peso molecular del
biodiésel sí que posee las características químicas básicas estructurales del
modo RC (= O)OCH 3 donde R es un radical alquilo. De modo que sea lo
suficientemente grande como para que la rápida reacción de isomerización
del RO2 tenga el peso necesario en las reacciones de baja temperatura, y
que controlan el proceso de autoignición del biocombustible bajo
condiciones de operación que se dan en los motores diésel. Tanto el metil
butanoato como el metil formato han sido empleados en procesos de
oxidación a baja temperatura tomados a estudio en reactores pequeños de
volumen constante isotermo con oxígeno como oxidante [20,21]. Con
temperaturas desde 520 a 740 K y presiones de 13 a 54KPa. En la mayoría
de los casos emplearon mezclas ricas, pero en algunos casos se llevaron a
cabo con dosados relativos desde 0.65 a 0.1. La presión es por lo general el
único parámetro de diagnosis con resultados en forma de tiempo de
inducción o de tasa de elevación de la presión máxima. Estas mediciones
para las especies principales del metil formato están disponibles [20,
22,23]. El metil butanoato [22,21] mostró una zona con coeficiente de
temperatura negativo (NTC) con un pico máximo en torno a los 585K. No
se observaron comportamientos NTC para metil esteres de cadena más
corta incluyendo metil formato [22]. Se asocia a la región NTC el
fenómeno de llama fría [24]. Se encontraron para el metil butanoato
mientras no ocurrió así para metil esteres de cadena más corta [21]
incluyendo metil formato [24]. Más recientemente Baronnet y Brocard [26]
32
resumieron observaciones de llama fría y NTC y propusieron criterios
propios para estos sucesos basados en la disponibilidad de la rápidas vías
de la isomerización de los radicales alquilperóxido (RO2) derivados del
combustible. Ya que existen muchos radicales alquilperóxido provenientes
del metil butanoato que pueden participar en reacciones rápidas de
isomerización, estos criterios predicen con éxito el NTC y la llama fría para
este compuesto. No obstante el metil formato cumple estos criterios
también mediante la transferencia de un átomo de hidrógeno de un aldehído
de un anillo de 6 miembros. Baronnet y Brocard achaca esta falta de NTC y
de llama fría a su baja entalpía de combustión. En la siguiente tabla se
muestran las reacciones en las que el metil butanoato es más sensible para
las temperaturas en y por encima de la región NTC.
Las principales características del metil butanoato son;
- Low Heat Value: 28.4 MJ/kg.
- A/F esteq.= 8.77
- Densidad 898 Kg/m3.
A continuación describimos el modelo cinético para un sustituto del
biodiésel como es el butanoato de metilo C3 H 7C (= O)OCH 3 :
A
(cm3mol, s
unidades)
4.00E+13
6.10E+10
4.32E+13
4.68E+07
5.25E+09
1.09E+12
4.00E+12
2.16E+12
5.50E+10
1.50E+11
1.00E+11
7.00E+12
1.15E+11
3.80E+10
Reacción
mb+o2 ⇔ ho2+mb2j
mb2oo ⇔ mb2ooh4j
mb+ho2 ⇔ h2o2+mb2j
mb+oh ⇔ h2o+mb3j
mb+oh ⇔ h2o+mb4j
mb2oo ⇔ mb2ooh3j
mb+ch3o2 ⇔ ch3o2h+mb2j
mb+mb2oo ⇔ mb2ooh+mb2j
ch3+o2 ⇔ ch2o+ho2b
co2+ch3 ⇔ ch3ocoa
a
mp2d+ch3 ⇔ mb2j
ch3o2+ch3 ⇔ 2ch3ob
mb+oh ⇔ h2o+mb2j
mb+ch3o ⇔ ch3oh+mb2j
a
EA
(cal/mol)
41,300
25,076
14,400
-35
1,590
29,206
14,000
14,400
2,424
36,730
7,600
-1,000
63
2,800
Valores para temperatura de 715K. “mb” indica metil butanoato, “mp” indica metil propanoato, “j” indica
lugar de un radical. Cuando numerado (e.j. mb2j) indica la posición de un carbono donde C=O carbono
en carbono 1. “d” indica doble enlace. Para el radical hidroperoxialquil (e.j. mb2ooh4j) el primer número
indica la situación del ooh y el segundo la situación del radical. Las reacciones a van en el sentido tal y
como está escrito. Las reacciones b con constantes de equilibrio definidas.
En la figura 3 se muestran las reacciones más destacadas para los mecanismos de reacción de alta
temperatura y de baja temperatura para el biodiésel, suponiendo que los carbonos están saturados con
átomos de hidrógeno excepto cuando se denote radical.
33
Figura 3. Mecanismos generales de las reacciones de alta y baja temperatura del Metil butanoato.
Para el modelado del gasóleo se ha contemplado como una mezcla de los
PRF a 95% de iso-octano y de 5% de n-heptano, 95 PRF.
3.4. Características del software empleado.
En la simulación de la combustión HCCI mediante un modelo cinético
detallado se ha empleado el código numérico AURORA que pertenece al
programa CHEKIN v 3.7. en el que se ha simulado en condiciones de fase
gaseosa un reactor de mezcla perfecta tanto para condiciones estacionarias
como transitorias empleando para la resolución del mismo un sistema de
ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales que caracteriza el
comportamiento cinético de las especies presentes en el modelo del
programa CHEMKIN. En concreto para la caracterización de un modelo
para un motor de combustión interna alternativo se hace uso de AURORA
ya que permite el empleo de un reactor de comportamiento análogo al de
un motor de combustión interna alternativo. Mediante la combinación de
este modelo con un modelo cinético detallado de un PRF se puede obtener
un modelo complejo que simule las condiciones de una combustión HCCI
en un motor de combustión interna alternativo y que posteriormente nos
permitirá evaluar la influencia del EGR en el control de la autoignición de
su influencia sobre la combustión HCCI. Para su correcto funcionamiento
el modelo de la aplicación AURORA requiere de las propiedades
termodinámicas de la totalidad de las especies que intervienen en el
proceso en forma de polinomio [27], las reacciones consideradas en el
modelo cinético, las constantes cinéticas de estas reacciones, las
34
características del motor y las condiciones de presión, temperatura para los
instantes iniciales.
4. El EGR (Exhaust Gas Recirculation) o recirculación de gases de escape.
4.1. Aspectos generales del EGR.
La recirculación de gases de escape o EGR es conocido desde hace largo
tiempo y empleado con éxito en los motores de combustión interna
alternativos para la obtención de bajos niveles de emisiones de NOx. De
esta técnica existen dos variantes denominadas EGR interno y EGR
externo. En el EGR interno se induce la recirculación de los gases durante
el cruce de válvulas provocando un solapamiento en los tiempos de
abertura de las mismas en el que cuando la válvula de escape se encuentra
en el movimiento de cerrado a su posición de asentamiento se solapa con la
apertura de la válvula de admisión provocando que una parte de los gases
de escape del ciclo previo recirculen y acaben de nuevo en el cilindro junto
con la mezcla nueva. Mediante esta técnica no es posible la recirculación
de un gran volumen de gases teniendo como máximo un 10% de la
capacidad del cilindro. Mientras que por otro lado en el EGR externo la
recirculación de gases se consigue de modo que en el colector de escape se
encuentra situada una válvula de control mediante la cual se hace recircular
los gases de escape desde el colector de escape hacia la admisión del
cilindro. De este modo la relación de gases recirculados respecto de la
mezcla fresca puede ser variada en una gran proporción. Este EGR externo
el de más extendido uso en los motores de combustión interna alternativos
dado su gran capacidad de regulación en cuanto a cantidad de gases
recirculados y sus posibilidades de control de NOx. Como se comentó
anteriormente tres son los efectos derivados de esta técnica, y son el efecto
diluyente (N2 y CO2), el efecto térmico (TEGR) y el efecto químico (CO,
CH2O, CH3CHO y NO). El efecto diluyente debido a los gases inertes es
básicamente la esencia del EGR. Se toman como las especies
principalmente constituyentes de este efecto diluyente al CO2 y al N2. Y
gracias a esta dilución conseguimos una reducción de la temperatura
máxima de la combustión en el cilindro y un control sobre el momento de
autoignición en función de la cantidad de gases recirculados. Los gases
recirculados se componen de gases residuales del ciclo anterior y de gases
recirculados hacia la admisión. Los gases recirculados dependen en gran
medida del tipo de reglaje de válvulas sobre todo y de la carga a la que se
esté operando, y en menor medida al dosado y a la relación de compresión.
Un rango de operación típico de un EGR puede estar entre un 10% a un
30% dependiendo de lo que el motor en cuestión tolere ya que dependerá
35
en gran medida de las características de la combustión, el dosado, la carga a
la que está operando y la velocidad de giro del motor. Una consecuencia
directa del uso de EGR es un a combustión más inestable que conlleva unas
emisiones de hidrocarburos sin quemar en el escape mayores. Un aspecto
importante a destacar es el hecho del efecto que la dilución de la mezcla
causa sobre la combustión, de modo que esta dilución dificulta en cierta
medida la combustión y dependiendo del motor tolerará en mayor o menor
medida las cantidades de EGR máximas de modo que no dificulten la
combustión de un modo negativo. De modo que motores de combustión
más rápidas toleran mayores cantidades de EGR que otros de combustión
más lenta. En la práctica el efecto que causa la recirculación de gases sobre
el motor cuando opera con dosados relativos menores a la unidad es
semejante al producido por una operación con exceso de aire ya que el
efecto final sobre la carga es la dilución de la mezcla. El uso del EGR es de
aplicación a cargas parciales con dosado relativo menor a la unidad aunque
es de interés su empleo en motores gasolina cuyo dosado relativo es la
unidad. Para estas condiciones se observa que mediante el aumento de
gases recirculados se ve reducida la cantidad de combustible empleado por
el motor y también la temperatura de los gases de escape.
A. Esta reducción de combustible se debe a que se reduce el trabajo en
el lazo de bombeo debido a la presión en la admisión del cilindro por
parte de los gases recirculados con el consecuente aumento de
rendimiento del ciclo.
B. Tengo menores pérdidas de calor en el cilindro ya que la temperatura
media de los gases es menor.
C. Se reduce el grado de disociación a alta temperatura de los gases
quemados lo que permite que la energía química del combustible se
convierta en energía térmica en la combustión en el cilindro.
4.2. El EGR en motores gasolina.
Cabe destacar que en los motores gasolina el empleo del EGR afecta
directamente a la combustión de los mismos al causar efectos
contrapuestos, por un lado alarga el tiempo en la combustión y la
propagación de la llama, y por otro lado afecta a la calidad de la
combustión al ser más dificultosa e inestable al estar la mezcla más diluida.
Esto provoca que los niveles admisibles de EGR tengan un límite práctico
dependiendo de factores propios a cada motor como pueden ser la
geometría, etc. El efecto diluyente de los gases de escape recirculados
sumada a la capacidad calorífica de los mismos ( CO2 + H 2O ) hacen que las
temperaturas máximas alcanzadas en la combustión se vean reducidas y de
un modo directamente proporcional las emisiones de NOx. Se emplean las
36
técnicas antes comentadas para el EGR interno mediante los reglajes de
válvulas y externo mediante una válvula de control que a su vez está
controlada por una unidad de procesamiento que gestiona las variables de
funcionamiento del motor tales como presión en el colector o régimen de
giro. Según la literatura se ha observado que el efecto en las emisiones de
NOx se debe completamente a la capacidad de dilución de los gases de
recirculación sin dependencia de la composición del gas en sí [28], así
valores de EGR del 10% pueden suponer reducciones de emisiones de NOx
entre el 30% al 50% y observándose una disminución de su efectividad a
medida que los niveles de EGR crecen. Un valor típico para el empleo del
EGR está entorno al 20% dependiendo de la estabilidad de la combustión
del motor. Aparte del efecto beneficioso sobre los NOx que observamos al
recircular gases ocurre que el nivel de hidrocarburos inquemados es
directamente proporcional al nivel de EGR empleado, llegando a producir
combustiones incompletas en torno a valores mayores de EGR del 20%. La
causa de estas combustiones incompletas esta causada por la dilución de la
mezcla y la disminución de la oxidación tras el frente de llama provocando
un aumento significativo en hidrocarburos inquemados. En el EGR la
cantidad de gases retenidos en el volumen muerto del cilindro depende de
las presiones de entrada y salida, la relación de compresión, la temperatura
durante el escape, la inercia de la corriente de gases de escape y del cruce
de válvulas. Este valor a plena carga va desde el 7% al 8%.
4.3. El EGR en motores Diésel.
Para los motores Diésel esta técnica es la de mayor peso a la hora de
controlar los niveles de emisiones de NOx emitidos por el motor. El
empleo del EGR se lleva a cabo para aquellos momentos en los que el
motor trabaja a cargas parciales nada más, ya que al recircular gases ya
empleados en la combustión del ciclo anterior estamos reduciendo la
cantidad de oxígeno neta disponible y esto nos limita la calidad de la
combustión pudiendo llegar a producir altas cantidades de hidrocarburos
inquemados y de partículas. Esta reducción del oxígeno libre disponible
para usar en la reacción de combustión y de la dilución llevada a cabo por
los gases recirculados ( CO2 + H 2O ) además de su alto calor específico hacen
que se alcancen temperaturas máximas menores en la combustión, y que la
concentración de las especies tras la ignición sea menor reduciendo
drásticamente la producción de los NOx. Sin embargo de los aspectos
comentados sobre el EGR la principal causa de la reducción de los NOx se
debe al efecto de dilución que se produce sobre la cantidad de oxígeno en
la admisión [29]. Trabajos en los que los autores contrastan los efectos
causados sobre las emisiones de las diferentes variables del EGR dando
como resultados que la disociación del dióxido de carbono tiene un
37
pequeño impacto sobre las emisiones, llamado efecto cinético. Que la alta
capacidad calorífica del dióxido de carbono, llamado efecto capacitivo,
tiene influencia limitada sobre las emisiones. Y finalmente que la reducción
del oxígeno libre disponible para usar en la reacción de combustión o
efecto de dilución es el efecto dominante en el EGR teniendo impacto
directo sobre los niveles de emisiones contaminantes reduciendo los niveles
de NOx drásticamente pero con el efecto no deseado de aumentar las
emisiones en partículas y en hidrocarburos sin quemar, con la consecuente
disminución de potencia del motor al producirse una combustión de menor
calidad o un aumento de consumo para una misma potencia. Como hemos
visto para los motores gasolina un valor típico estaría en torno al 20% y
para un motor Diésel podría gestionar incluso valores superiores a un 50%
de los gases totales dependiendo del motor. Debido a la alta temperatura de
los gases de escape respecto de los gases frescos en la admisión es
necesaria la implementación de un sistema de EGR con enfriamiento
intermedio para los gases de recirculación de modo que esto supone un
aumento del caudal másico de los gases admitidos debido a la disminución
de densidad. Por un lado aumento la cantidad de gases recirculados al
cilindro reduciendo el lazo de bombeo al aumentar la cantidad de masa de
gases recirculados con la consecuente reducción de consumo específico y
también consigo un aumento del oxígeno disponible con el consecuente
incremento de la temperatura de la combustión. Y por otro reduzco la
temperatura de la mezcla fresca que redunda en una temperatura final de la
combustión menor. Estos efectos, algunos de ellos contrapuestos, acaban
por mejorar el efecto total del EGR refrigerado respecto del mismo sin
refrigerar. Este tipo de refrigeración ha sido empleada con éxito en
vehículos de transporte ligero donde la refrigeración de los gases calientes
se hacia mediante un intercambiador de calor que admitía por un lado gases
calientes y por otro agua que a posteriori se refrigeraba mediante un
radiador y contra el aire exterior. Una variación existente para la mejora de
la recirculación de los gases para cargas parciales es el empleo del efecto
venturi para motores con sobrealimentador de geometría variable de modo
que se facilita el flujo de los gases de escape hacia la admisión, tomando
desde el colector de escape los gases calientes y haciéndolos pasar por un
refrigerador antes de ser mezclados con el aire fresco mediante un tubo
venturi que hace caer la presión en el circuito de aire fresco después de
haber sido refrigerado por el intercooler. A medida que se cierran los alabes
guía del turbocompresor en la zona de los gases de escape, la presión antes
de la turbina se ve incrementada por lo que los gases recirculados, que
circulan desde el colector de escape y a través del enfriador del EGR y
luego al caudalímetro EGR para acabar en el tubo venturi, aumentan su
presión y se mezclan en mayor proporción con los gases frescos
38
consiguiendo el efecto deseado de aumento de gases recirculados a cargas
parciales de más de un 15%.
Esquema básico de un sistema de EGR con enfriamiento.
Muchos de los sistemas de EGR refrigerados se encuentran controlados por
accionamientos y válvulas eléctricas o neumáticas. En esta configuración la
válvula de EGR se sitúa antes del tubo venturi donde se mezclan los gases
frescos y de escape. El control de mariposa permite a los gases de escape
ser dirigidos después del enfriador en la etapa de calentamiento del motor
de modo que el convertidor catalítico alcance su temperatura de trabajo
rápidamente. Mediante una unidad de control a la que se le suministran los
datos de velocidad de giro del motor, aire admitido y combustible esta
actúa sobre la válvula EGR determinando la cantidad óptima de gases
recirculados para cada momento. En la regulación del EGR son en los
momentos de transición de una carga a otra y de unas revoluciones a otras
cuando el sistema EGR presenta unos niveles de humos mayores debido a
que la regulación ha de ser mejorada y que esté basada en una medida real
de la masa de EGR y no en las condiciones del motor. Una de las razones
es la falta de precisión que a bajas cargas se produce en el sensor del caudal
debido a que el bajo caudal circulante hace difícil que su lectura sea
precisa, precisamente a bajas cargas es cuando las cantidades de EGR son
mayores y se necesita de mayor precisión para su optimización.
Otra situación en la que el EGR está necesitado de mejorar es cuando
aumentamos la carga del motor y se produce un aumento en el consumo de
combustible, momento en el que el sistema de control del EGR y el sistema
de alimentación se tienen que reajustar tardando un tiempo en hacerlo y
consecuentemente produciendo exceso humos. No obstante siempre
existirá un cierto retraso y la respuesta nunca será instantánea ya que los
gases de escape que participan en el sistema EGR han de realizar cierto
recorrido desde el colector de escape hasta el de admisión y siempre la
39
respuesta en la regulación será posterior a la señal de demanda de variación
de las condiciones de operación. Es por este motivo que existe otra técnica
para el EGR denominada en cabeza del cilindro, para la cual se elimina el
bombeo de los gases de recirculación y también supone una reducción en
cuanto a costes del sistema aparte de ser más compacto. Esta se realiza
mediante unos conductos entre los puertos de admisión y escape y
regulados por una válvula por cilindro, de modo que abre una entrada de
aire que comunica con el colector de escape proporcionando una inyección
de aire secundario que permite oxidar los gases de escape durante el
calentamiento del motor. La General Motors [30] incorporó este sistema en
motores Diésel de inyección directa y tiene la ventaja adicional de que
sirve para calentar la cabeza del cilindro tras el arranque en frío y también
consigue un enfriamiento de los gases de recirculación de unos 30 grados.
Son las restricciones en cuanto a emisiones contaminantes por las
normativas actuales la razón principal de que el EGR halla tenido un
desarrollo tan intenso en los motores Diésel actuales y en concreto en los
motores de automoción en los cuales para la mayoría de su rango de uso el
motor trabaja a cargas bajas y velocidades medias, con lo que se requieren
cantidades de EGR entre el 30% y el 60% que son fácilmente alcanzables.
Por el contrario a altas cargas el EGR requiere de unas cantidades que no
son alcanzables si se quiere mantener una relación adecuada airecombustible por lo que se requiere de otras técnicas que ayuden a reducir
los niveles de emisiones como el retraso de la inyección. Para el control
electrónico de los sistemas de EGR se pueden disponer según la
disposición de lazo abierto en la cual el control actúa según a la demanda
de potencia que le es requerida al motor y de las condiciones ambientales
bajo las que trabaja. Para este tipo de control los gases de escape se toman
del colector de escape antes de la turbina del sistema de sobrealimentación
y conducidos a través de un conducto regulado por una válvula de vacío
que permanece cerrada durante el arranque y en momentos en los que la
temperatura del refrigerante sea inferior a la requerida por el motor. Como
se comentó anteriormente dispone de un tubo de venturi para ayudar el
flujo de los gases de escape hacia el colector de admisión.
En el sistema de control de EGR de lazo cerrado se requiere de un sensor
que determine la posición de la válvula de EGR y su posicionamiento
depende del control de varios parámetros de medida como pueden ser el
flujo de gases de escape o el aire de entrada, de modo que se realimenta la
información sobre la marcha, siendo la más efectiva la medida de los gases
recirculados. También se ve afectada su posición con parámetros como
pueden ser el ensuciamiento de la válvula. Un problema que se plantea en
la medida de los gases recirculados es que el propio dispositivo de medida
afecta de modo sensible a la circulación de los gases al ser la diferencia
entre presiones de escape y del colector baja. Con lo que se plantea un
40
modo indirecto para determinar la cantidad de gases recirculados mediante
la medida directa del flujo de aire admitido y la temperatura y presión en el
colector de admisión. Esta se determina mediante la comparación de la
cantidad de aire admitido mediante un sensor de caudal de aire respecto de
la que admitiría en condiciones normales el motor sin EGR. Mediante este
sensor permite la realización de un historial con la finalidad de registrar el
rendimiento volumétrico del motor y la realización de medidas de
corrección. Hay que comentar que el EGR permite rebajar los niveles de
NOx empeorando la potencia del motor al hacer la combustión más
dificultosa pero por otro lado que este efecto puede ser reducido mediante
el avance de la inyección que mejora la homogeneidad de la mezcla
mejorando el consumo de combustible pero a su vez empeorando los
niveles de NOx. De aquí la dificultad de encontrar el punto óptimo de
funcionamiento y la estrategia de control que defina la cantidad de EGR
para cada situación de carga y giro del motor. La cantidad de gases
recirculados para las condiciones en transitorios se encuentra parametrizada
pero este no se emplea durante fuertes aceleraciones ni durante el arranque
del motor.
4.4. El EGR en motores de Dos Tiempos.
Al igual que ocurre en los demás motores de combustión interna y como se
ha comentado anteriormente el EGR también posee la facultad de reducir la
formación de NOx en los gases de escape de los motores de dos tiempos
debido a la reducción de temperatura máxima alcanzada y al efecto de
dilución que causa una combustión más lenta dentro del cilindro [31,32].
Se ha demostrado que con valores de EGR del 10% se pueden alcanzar
reducciones de los niveles de NOx del entorno del 25% con unos aumentos
en el consumo de combustible del 2%. Por lo general los sistemas de EGR
en motores de dos tiempos son para motores sobrealimentados y requieren
de refrigeración intermedia y de eliminación de partículas y compuestos de
azufre de la corriente de gases debido a la posibilidad de formación de
ácido sulfúrico en el enfriador al reducir la temperatura de los gases. Al
igual que se comentó anteriormente siempre que exista la posibilidad de
emplear cualquier gas inerte como diluyente es una posibilidad factible que
dependerá del entorno industrial en el que se encuentre el motor operando.
4.5. Características de la válvula EGR.
La válvula EGR ha de ser capaz de regular un flujo de gases calientes con
una rapidez tal que sea capaz de adaptarse a los requerimientos del motor
para cada situación y regulada por el dispositivo de control electrónico u
ordenador de modo que esta regulación de los gases se produzca con una
41
tolerancia del volumen de gases de entorno un ± 3% del flujo estimado de
EGR para ese momento dado. Por lo general las válvulas de EGR están
accionadas mediante sistemas neumáticos de vacío a pesar de los
inconvenientes que presentan como son el tiempo de respuesta, la
complejidad del sistema de vacío y su coste. Se consiguen mediante
bombas de vacío similares a las que se utilizan en los sistemas de
servofreno o mediante el uso de bombas eléctricas. La apertura de la misma
se realiza mediante la fuerza producida por el circuito de vacío a la vez que
también actúa la fuerza debida a los propios gases recirculados, mientras
que el retorno es inducido por un muelle que actúa de resorte en su interior
cuando la fuerza de vacío cesa ayudado por una válvula que permite la
entrada de aire en el circuito de vacío para una más rápida respuesta de la
válvula EGR. Valores típicos de respuesta de una válvula de EGR son de
100 ms. a 200 ms. en la apertura y de 50ms. a 100 ms.
El sistema de vacío que actúa sobre la válvula EGR está gobernado por una
válvula de control de vacío que es regulada mediante un solenoide.
Se muestra la configuración típica de un sistema de EGR de vacío.
42
La tendencia actual es la mejora de los sistemas de regulación de modo que
se elimine el sistema de vacío y el sistema de control esté constituido
exclusivamente por sistemas de accionamiento eléctricos mediante el uso
de solenoides y sensores de posición de la válvula de modo que su
regulación sea mucho más exacta al realizarse así un control de lazo
cerrado y mejorar la respuesta en cuanto a tiempo de accionamiento se
refiere.
4.6. El EGR y la durabilidad de los componentes del motor.
Como hemos podido ver hasta ahora el empleo del EGR ha derivado en una
reducción de las emisiones de los NOx, de la temperatura de combustión y
un aumento en las emisiones de partículas. Estas variaciones de las
condiciones de los gases del motor afectan directamente a la durabilidad de
los materiales tanto al motor en sí como a los componentes del EGR y en
cuanto al diseño de los elementos mecánicos y de control [33].
Los problemas derivados de la corrosión sobre los distintos elementos del
EGR y del motor son preocupantes sobre todo en el periodo de vida de los
mismos cuando han sobrepasado la mitad de su vida estimada. Los
problemas que nos encontramos son los siguientes:
- Corrosión a altas temperaturas
- Corrosión debido a la condensación con sulfúrico sobre todo en
lugares de clima frió y al apagar el motor.
- Debido a la abrasión de las partículas con efecto erosivo y de
ensuciamiento del aceite de lubricación por las partículas.
Los componentes que se ven afectados por estos problemas son el
enfriador del EGR, tuberías del circuito de gases recirculados, juntas y
43
sellos, mecanismo de mezcla, colectores tanto admisión como escape,
válvulas del cilindro, segmentos del pistón, sobrealimentador en la turbina.
Para poder realizar una correcta selección de materiales y posterior
validación es necesario determinar la composición de los gases de escape
(aire + Sulfatos + Nitratos + ácidos orgánicos + agua), y sabiendo que los
condensados serán ácidos. Se deberá llevar a cabo pruebas de corrosión en
laboratorio sobre los materiales seleccionados a alta temperatura simulando
los gases de escape. También de corrosión simulando sustancias de
condensados realizando inmersiones a altas temperaturas, a altas
temperaturas y presión, y pruebas electroquímicas de fenómenos de
polarización. Y por último una combinación de ambas a alta temperatura y
posterior inmersión en condensados. Las pruebas de inmersión revelan
diferencias en cuanto a materiales y también en cuanto a tecnologías de
unión además de simular condiciones de operación del motor. En las
pruebas electroquímicas se encontró datos que permiten la comparación
entre distintos materiales y las tendencias generales de corrosión que
presentan los diferentes materiales. También se encontró el las pruebas de
corrosión de gases simulados de EGR que estos son más corrosivos que el
aire sobre los componentes de los sistemas que intervienen en todo el
proceso de recirculación. Como conclusión general se puede decir que
existe un grado alto de corrosión para los diferentes sistemas que
intervienen el sistema de EGR ya que se concluye que los gases calientes
recirculados son más corrosivos que el aire a alta temperatura. La corrosión
que sufren los materiales debida a los condensados de naturaleza ácida del
EGR es un factor a tener en cuenta el la vida útil de los componentes. La
exposición cíclica de los materiales a los gases del EGR seguida de la
exposición a los condensados aumenta la sensibilidad de los materiales a la
corrosión degenerando con mayor facilidad y en detrimento de la
durabilidad de los mismos. La estrategia seguida para el éxito en la
selección de materiales para asegurar la fiabilidad del sistema de EGR ha
sido la realización de pruebas de laboratorio tanto de gases de recirculación
como de condensados determinando la mejor opción para cada
componente, posteriores pruebas montando en motor de laboratorio para su
posterior prueba de campo en vehículo para la evaluación de la durabilidad
y fiabilidad definitivas.
4.7. Influencia del EGR sobre la combustión HCCI.
Como hemos comentado anteriormente el empleo del EGR en los motores
de combustión interna conlleva varios efectos que son de gran interés para
el control de la autoignición al ejercer modificaciones sustanciales sobre el
tiempo de duración de la misma.
44
4.7.1. El efecto de dilución es aquel mediante el cual al introducir los gases
de escape con la mezcla fresca reducimos la cantidad de oxígeno
disponible, es decir la relación aire-combustible y modificando
sustancialmente la ignición de la carga. Como se comentó anteriormente el
efecto diluyente debido a los gases inertes es básicamente la esencia del
EGR. Se toman como las especies principalmente constituyentes de este
efecto diluyente al CO2 y al N2. Y gracias a esta dilución conseguimos una
reducción de la temperatura máxima de la combustión en el cilindro y un
control sobre el momento de autoignición en función de la cantidad de
gases recirculados.
4.7.2. El efecto Térmico debido a que la carga de gases recirculados
aumentan la temperatura media de los gases en el cilindro al iniciar la
carrera de compresión aunque como ya hemos comentado anteriormente
este efecto variará en gran medida dependiendo de si el EGR está
refrigerado o no. En nuestro caso este efecto no se lleva a estudio al
realizarse la refrigeración de los gases de recirculación hasta la temperatura
ambiente, por lo tanto se considera como EGR isotermo. Para aislar este
efecto y poder contrastarlo con otros efectos se puede analizar el motor sin
EGR y posteriormente realizar un precalentamiento de la carga de modo
controlado simulando la temperatura que proporcionaría los gases del EGR
a la mezcla y contrastar resultados.
4.7.3. El efecto capacitivo comentado anteriormente y debido en gran
medida a que la capacidad térmica de la mezcla aumenta debido a la gran
capacidad térmica del CO2 y del vapor de agua introducidos en la carga por
los gases recirculados. De este modo implica que la temperatura alcanzada
por la mezcla será menor a medida que aumenta la cantidad de EGR en la
carga y a su vez la presión máxima alcanzada en el cilindro y
consecuentemente se ve retrasado el punto de ignición de la mezcla.
4.7.4. El efecto cinético es aquel debido a la participación de los productos
del EGR en distintas reacciones químicas que de un modo u otro afectan al
proceso de autoignición. De modo que las distintas reacciones químicas se
ven alteradas y así su cinética lo que afecta de modo directo al punto de
ignición de la mezcla.
5. El motor experimental.
Para llevar a cabo una comparación mediante la cual se validen los
resultados obtenidos experimentalmente con el modelo cinético detallado
que empleará el software antes mencionado es necesaria la descripción del
motor de ensayo sobre el cual se compararán dichos resultados así como de
45
las variables del motor sobre las cuales se han obtenido lecturas reales
durante el ensayo de laboratorio. Mediante un sistema de adquisición de
datos se ha medido la presión interna del cilindro y su evolución temporal,
composición de los gases, temperatura de los gases en el cilindro, cantidad
de aire admitido, tasa de liberación de calor y cantidad de gases
recirculados. Con estas mediciones es posible caracterizar el proceso de
combustión del motor y así validar los datos obtenidos en la simulación.
La instalación consta de los siguientes elementos;
- El banco de ensayos está formado por un motor DEUTZ-DÍTER FL
906 sobre el cual se realizará el ensayo y mediciones.
- Un sistema de EGR con refrigeración.
- Sistema de medición de aire admitido.
- Sistema de medición de combustible aportado.
- Sistema de calentamiento en la admisión.
- Sistema de medición de gases recirculados.
- Depósito de expansión para gases en la admisión.
- Depósito de expansión para gases en el escape.
- Freno eléctrico con regulación mediante regulador de frecuencia.
Esquema de la instalación.
El sistema de EGR con refrigeración mediante el cual regularemos la
cantidad de gases recirculados para cada situación de carga y giro del
motor posee una soplante con regulación de giro mediante un regulador de
frecuencia con la cual provocaremos la succión de los gases de escape
pasando por el refrigerador intermedio y después por la propia soplante.
Los gases recirculados se toman desde el escape después del depósito de
46
expansión y remanso de los gases de escape de modo que la presión y el
flujo de los gases de escape se uniformice lo máximo y así al tomar los
gases hacia el EGR sea una corriente lo más uniforme posible. También
está constituido por una válvula de control EGR y un sistema de medición
de gases recirculados. El depósito de expansión situado en la admisión
tiene la misión de mezclar la mezcla fresca con los gases recirculados. El
sistema de calentamiento se encuentra después de este depósito de
expansión en la admisión y con la finalidad de dar la temperatura necesaria
a los gases antes del colector de admisión para los ensayos en los que se
necesite. El freno eléctrico de transmisión mecánica es un elemento muy
importante a la hora de realizar los ensayos ya que con él podremos regular
la velocidad de arrastre de modo que equivale a variar la carga de la cual
tendría que arrastrar el motor en diferentes condiciones de operación. De
igual modo que actúa de carga puede actuar arrastrando el motor
asegurando un régimen de giro constante y determinado que deseemos,
además de emplearse para el arranque del motor en el inicio de la
operación. El motor DEUTZ-DÍTER FL 906 es un motor monocilíndrico
de cuatro tiempos de aspiración natural y de inyección directa y ha sido
modificado de modo que se posibilite la combustión HCCI usando como
combustible el gasoil. Está refrigerado por aire y sus características son las
siguientes:
-
Tipo monocilíndrico de cuatro tiempos.
Cilindrada
708 cm3.
Diámetro
95 mm.
Carrera
100 mm.
Relación de compresión
18,4:1
Potencia máxima
11 Kw. a 3.000 rpm.
Par máximo
45 Nm. a 2.100 rpm.
Combustible
Gasoil.
Refrigeración
Aire.
Bomba de inyección tipo
Mecánica.
Bomba de engrase tipo
Engranajes.
Válvula de admisión
Apertura: 2º
APMS.
Cierre:
36º DPMI.
- Válvula de escape
Apertura: 36º APMI.
Cierre:
2º
DPMS.
Las propiedades principales del combustible empleado en los ensayos
experimentales se detallan en la tabla siguiente. Todas las mezclas de
biodiésel poseen una más alta viscosidad, densidad, tensión superficial y
baja volatilidad que los gasóleos minerales. Estas diferencias influencian el
desarrollo del spray, atomización de la gota así como de la dinámica de los
47
inyectores conduciendo a mayores tamaños de gotas que pueden causar
penetraciones mayores del líquido y también riesgos de salpicaduras en las
paredes del cilindro. Esto puede aumentar las emisiones de hidrocarburos
inquemados y de CO, reduciendo el rendimiento de la combustión y
contribuyendo a la dilución del aceite lubricante y así pues a dañar el
pistón. El índice de cetano afecta en gran medida a las características de la
autoignición. Cuanto mayor sea este en el biodiésel causará que el inicio de
la combustión ocurra antes comparado a un gasoil mineral.
Propiedades principales del combustible empleado en los ensayos
experimentales:
6. Simulaciones realizadas y resultados.
El objetivo de este trabajo es contrastar los resultados obtenidos mediante
simulación numérica (mediante CHEMKIN) de un sustituto del biodiésel y
de sus mezclas con gasóleo, en nuestro caso hemos empleado el Metil
Butanoato descrito anteriormente en la sección 3.3, con los resultados
obtenidos experimentalmente del laboratorio también de biodiésel y de sus
mezclas con gasóleo previos a este trabajo. En estos ensayos
experimentales previos se han empleado mezclas de gasóleo con biodiésel,
desde B0 hasta B100, en distintas proporciones de modo que se pueden
observar las distintas tendencias a medida que se aumenta la cantidad de
EGR y para cada caso de mezcla de gasóleo y biodiésel. Posteriormente
contrastaremos estos resultados con los obtenidos numéricamente para
validar las tendencias que se observan experimentalmente con las obtenidas
mediante simulación y de este modo validar el modelo numérico
predictivo. El modelo cinético empleado es del tipo 0-Dimensional
considerando la cámara de combustión como un reactor de mezcla perfecta
de volumen variable, con distribución uniforme de presión, temperatura y
concentración de las especies químicas. Para las pérdidas de calor se ha
empleado la correlación de Woschi [15]. Al suponer la temperatura
uniforme a lo largo de la cámara de combustión además de no contemplar
las imperfecciones de la combustión como son impurezas del combustible,
inhomogeneidades y tener en cuenta un volumen ideal los resultados en
48
cuanto a tiempo de combustión se refiere serán más cortos que los
resultados obtenidos experimentalmente y también obtendremos valores
aumentados de presión máxima en el cilindro a los que se dan en la
realidad. Basándonos en las condiciones empleadas para los distintos
experimentos previos realizados sobre el motor de ensayo como son % de
EGR, revoluciones de giro, par, dosado relativo, realizaremos las
simulaciones mediante el software con el fin de contrastar y validar los
resultados obtenidos. Tanto para las comparativas de combustible gasóleo
tanto en inyección adelantada como atrasada y para biodiésel, desde B0 a
B100, provienen de ensayos realizados por el grupo de motores térmicos de
Sevilla en el laboratorio en una instalación experimental como se ha
mostrado en el esquema [34]. En primer lugar vamos a realizar
simulaciones para el combustible gasoil en condiciones de inyección
adelantada, como ocurre en los CIDI, y variando las cantidades de EGR.
Después realizaremos simulaciones con la inyección atrasada y variando
las cantidades de EGR. Después simularemos para cada una de las mezclas
de biodiésel desde B0, siendo este gasoil puro, hasta B100, siendo este
biodiésel puro, igualmente variando las cantidades de EGR y con la
inyección atrasada dado que el biodiésel presenta una serie de problemas
anteriormente comentados con el resultado de daños severos a corto plazo
en el motor. Para un mejor estudio superpondremos las gráficas de los
casos simulados con las realizadas en los ensayos experimentales de modo
que se puedan analizar con la máxima claridad las tendencias de los
diferentes casos. Hay que resaltar que al estar comparando combustibles
distintos que difieren en propiedades generales tanto físicas como en
cuanto a cinética química, encontraremos similitud en comportamiento y
tendencias generales pero no será posible una coincidencia en cuanto a
valores tanto de inicio de ignición como de tasa de liberación de calor.
Además nuestro modelo cinético no contempla imperfecciones en cuanto a
impurezas del combustible, inhomogeneidades de la mezcla, volumen real
al ser un análisis adimensional con lo que el punto de ignición se adelanta
al ser más perfecto en estos aspectos que lo que provocan es retrasar las
ignición (más imperfecta), y alcanzar un mayor valor al ser una combustión
en condiciones idóneas. Para las simulaciones numéricas se han tomado las
mismas condiciones que para los ensayos experimentales.
Las condiciones para los ensayos experimentales son las mostradas en el
esquema de la instalación y con una inyección 10º antes del PMS, control
de EGR independiente, relación de compresión de 18.4:1, alto grado de
turbulencia y una presión máxima de inyección de unos 650 bar. Estas
modificaciones en la presión de inyección proporcionan una mejora en
cuanto a homogeneidad de la mezcla aumentando la relación en cuanto a
superficie de las gotas del combustible, incentivando una evaporación más
rápida y una reducción del tiempo de inyección.
49
6.1. Resultados con inyección adelantada y combustible gasoil.
- Inyección adelantada 1.500 r.p.m. 20 Nm.
Figura 6.1
Inyección adelantada
1500 r.p.m. 20 Nm.
750
EGR 0% 20 Nm
650
EGR 0% Simu.
550
EGR 14% 24Nm
EGR 14% Simu.
HRR (J/º)
450
EGR 18% 26 Nm
350
EGR 18% Simu..
EGR 24% 29 Nm
250
EGR 24% Simu.
150
EGR 31% 32 Nm
EGR 31% Simu.
50
-50 -23
-18
-13
-8
-3
Angulo Cigüeñal (º)
Figura 6.2
50
2
7
12
Figura 6.1 y 6.2:
Ensayos y simulaciones con inyección adelantada, correspondiente a una
velocidad de giro del motor de 1.500 r.p.m. y el combustible consumido
proporciona a un par de 20 Nm. inicialmente para 0% de EGR, es decir no
existe recirculación de gases. En línea continua se reflejan los datos
experimentales mientras que en discontinua los datos simulados. Se
presenta la gráfica de presión frente a ángulo de cigüeñal donde se observa
la característica curva que proporciona una inyección temprana para
motores de cuatro tiempos. A medida que aumentamos la cantidad de EGR
se observa un retraso en la curva de presión al igual que una disminución
de la presión máxima alcanzada debida a los efectos producidos por el
EGR de dilución y capacitivo. Se observa como el área que encierra la
curva de presión antes del punto muerto superior se ve reducida en mayor
medida que el área de trabajo positivo después del punto muerto superior,
implicando una reducción en el trabajo negativo y aumentando par.
Para la gráfica de HRR se aprecia una relación directa con la gráfica de
presiones. Se puede observar como coinciden las mayores pendientes de
presión con los picos máximos de las tasas de liberación de calor y en
cuanto al ángulo de cigüeñal. A medida que aumenta el porcentaje de gases
de EGR se observa una disminución del máximo en la tasa de liberación de
calor HRR, a la vez que un desplazamiento hacia la derecha en el eje de
abscisas, es decir un retraso en la ignición debida a los efectos producidos
por el EGR sobre todo de dilución y capacitivo, acompañada de un
aumento progresivo del par suministrado por el motor debido a que
disminuye la parte de trabajo negativo por ser una ignición temprana. Los
resultados obtenidos numéricamente en línea discontinua se aproximan de
modo análogo a los obtenidos experimentalmente y mantienen la misma
tendencia, aunque con un leve adelanto a los experimentales. Este adelanto
de los resultados de simulación con respecto a los experimentales en cierta
medida se debe a una imprecisión del modelo empleado al ser este 0
dimensional y no tener en cuenta las posibles inhomogeneidades existentes
en el interior de la cámara de combustión, impurezas e imperfecciones de la
combustión que atrasen la ignición y aumenten el tiempo de duración del
proceso de combustión. Aunque disminuye HRR máxima y la presión
máxima en el cilindro, disminuye el trabajo negativo y el efecto global
resultante es aumento de par.
51
- Inyección adelantada 1.800 r.p.m. 25 Nm.
Figura 6.3
Inyección adelantada 1.800 rpm
750
Fr. 0.45 EGR
0% 25Nm
650
Fr. 0.35 EGR
15% 29Nm
HRR (J/º)
550
Fr. 0.20 EGR
19% 31Nm
450
Fr. 0.45 Sim.
350
Fr. 0.35 Sim.
Fr. 0.20 Sim.
250
150
50
-50 -25
-20
-15
-10
-5
Angulo de Cigüeñal (º)
Figura 6.4
52
0
5
10
Figura 6.3 y 6.4:
Ensayos y simulaciones con inyección adelantada, correspondiente a una
velocidad de giro del motor de 1.800 r.p.m. y el combustible consumido
proporciona a un par de 25 Nm. inicialmente para 0% de EGR, es decir no
existe recirculación de gases. En línea continua se reflejan los datos
experimentales mientras que en discontinua los datos simulados. Al ser un
caso muy similar al anterior la tendencia es la misma en todos los aspectos.
Se ha realizado la simulación y comparativa de este ensayo para poner de
manifiesto que se cumplen las predicciones y de un modo igual al caso
anterior. Exceptuando por que al ser las revoluciones superiores los pares
son ligeramente superiores también. Se presenta la gráfica de presión frente
a ángulo de cigüeñal donde se observa la característica curva que
proporciona una inyección temprana para motores de cuatro tiempos. A
medida que aumentamos la cantidad de EGR se observa un retraso en la
curva de presión al igual que una disminución de la presión máxima
alcanzada debida a los efectos producidos por el EGR sobre todo de
dilución y capacitivo. Se observa como el área que encierra la curva de
presión antes del punto muerto superior se ve reducida en mayor medida
que el área de trabajo positivo después del punto muerto superior,
implicando una reducción en el trabajo negativo y aumentando par. Para la
gráfica de HRR se aprecia una relación directa con la gráfica de presiones.
Se puede observar como coinciden las mayores pendientes de presión con
los picos máximos de las tasas de liberación de calor y en cuanto al ángulo
de cigüeñal. A medida que aumenta el porcentaje de gases de EGR se
observa una disminución del máximo en la tasa de liberación de calor
HRR, a la vez que un desplazamiento hacia la derecha en el eje de abscisas,
es decir un retraso en la ignición debida a los efectos producidos por el
EGR sobre todo de dilución y capacitivo, acompañada de un aumento
progresivo del par suministrado por el motor debido a que disminuye la
parte de trabajo negativo por ser una ignición tan temprana. Aunque
disminuye HRR máxima y la presión máxima en el cilindro, disminuye
trabajo negativo y el efecto global resultante es aumento de par. Los
resultados obtenidos numéricamente en línea discontinua se aproximan de
modo análogo a los obtenidos experimentalmente aunque con un leve
adelanto a los experimentales. Este adelanto de los resultados de
simulación con respecto a los experimentales en cierta medida se debe a
una imprecisión del modelo empleado al ser este 0 dimensional y no tener
en cuenta las posibles inhomogeneidades existentes en el interior de la
cámara de combustión, impurezas e imperfecciones de la combustión que
atrasen la ignición y aumenten el tiempo de duración del proceso de
combustión.
53
6.2. Resultados con inyección atrasada y combustible gasoil.
- Inyección atrasada 2.400 r.p.m. 22 Nm.
Figura 6.5
Inyección Atrasada
2.400 r.p.m. 22Nm
290
EGR 0% Simu.
EGR 10%Simu.
240
EGR 15%Simu.
EGR 24%Simu.
HRR (J/º)
190
EGR 32%Simu.
140
22Nm 0%EGR
18 Nm 10% EGR
90
16Nm 15% EGR
14Nm 24%EGR
40
-10
8Nm 32% EGR
0
5
10
15
20
Angulo Cigüeñal (º)
Figura 6.6
54
25
30
35
Figura 6.5 y 6.6:
Ensayos y simulaciones con inyección atrasada, correspondiente a un
ensayo en el que la velocidad de giro del motor es de 2.400 r.p.m. y el
combustible consumido proporciona a un par de 22 Nm. inicialmente para
0% de EGR. En línea continua se reflejan los datos experimentales
mientras que en discontinua los datos simulados.
Se presenta la gráfica de presión frente a ángulo de cigüeñal donde se
observa la característica curva que proporciona una inyección atrasada. A
medida que aumentamos la cantidad de EGR se observa un retraso en la
curva de presión al igual que una disminución de la presión máxima
alcanzada debida a los efectos producidos por el EGR de dilución y
capacitivo. Se observa como el área que encierra la curva de presión se ve
reducida implicando una reducción en el trabajo y una sensible
disminución del par suministrado. A medida que aumenta el porcentaje de
gases de EGR se observa un aumento en el máximo valor de la tasa de
liberación de calor HRR debido a que al aumentar el retraso de la ignición
se mejora la combustión al disponer de más tiempo para el mezclado de la
carga, aumentando la combustión difusiva y obteniendo valores de HRR
máx. mayores. Al mismo tiempo se produce un desplazamiento hacia la
derecha en el eje de abscisas, es decir un retraso en la ignición debida a los
efectos producidos por el EGR sobre todo de dilución y capacitivo, como
ocurría con la inyección adelantada, con la diferencia de que en este caso a
pesar de que el calor se libera durante un período más largo (ángulo de
cigüeñal), pierdo par debido a la disminución de presión media efectiva al
encontrarse el pistón muy avanzado en su recorrido de descenso. Al igual
que antes los resultados obtenidos numéricamente en línea discontinua se
aproximan de modo análogo a los obtenidos experimentalmente aunque un
tanto adelantados a los experimentales. Este adelanto de los resultados de
simulación con respecto a los experimentales en cierta medida se debe a
una imprecisión del modelo empleado al ser este 0 dimensional y no tener
en cuenta las posibles inhomogeneidades existentes en el interior de la
cámara de combustión, impurezas e imperfecciones de la combustión que
atrasen la ignición y aumenten el tiempo de duración del proceso de
combustión.
55
- Inyección atrasada 1.800 r.p.m. 13 Nm.
Inyección atrasada 1.800 r.p.m.
70
13 Nm 0% EGR
12 Nm 10%EGR
9Nm 15% EGR
7Nm 24% EGR
5Nm 32% EGR
60
50
Presión
(Bar)
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Angulo Cigüeñal
Figura 6.7
Inyección Atrasada 1800 r.p.m.
290
240
13 Nm 0%EGR
12 Nm 10%EGR
HRR (J/º)
190
9Nm 15%EGR
7 Nm 24%EGR
140
5 Nm 32%EGR
EGR 0% Simu.
90
EGR 10% Simu.
EGR 15% Simu.
40
EGR 24% Simu.
EGR 32% Simu.
-10
0
5
10
15
20
Angulo Cigüeñal (º)
Figura 6.8
56
25
30
35
Figura 6.7 y 6.8
Ensayos y simulaciones con inyección atrasada, correspondiente a un
ensayo en el que la velocidad de giro del motor es de 1.800 r.p.m. y el
combustible consumido proporciona a un par de 13 Nm. inicialmente para
0% de EGR. En línea continua se reflejan los datos experimentales
mientras que en discontinua los datos simulados.
Se presenta la gráfica de presión frente a ángulo de cigüeñal donde se
observa la característica curva que proporciona una inyección. Este caso es
semejante al caso anterior con la diferencia de que las r.p.m. a las que gira
el motor son menores, y aunque las gráficas son similares se observa que
los valores máximos son inferiores. Como en el caso anterior a medida que
aumentamos la cantidad de EGR se observa un retraso en la curva de
presión al igual que una disminución de la presión máxima alcanzada
debida a los efectos producidos por el EGR de dilución y capacitivo. Se
observa como el área que encierra la curva de presión se ve reducida
implicando una reducción en el trabajo y una sensible disminución del par
suministrado. A medida que aumenta el porcentaje de gases de EGR se
observa un aumento en el máximo valor de la tasa de liberación de calor
HRR esto se debe a que al aumentar el retraso de la ignición se mejora la
combustión al disponer de más tiempo para el mezclado de la carga,
aumentando la combustión difusiva y obteniendo valores de HRR máx.
mayores. Al mismo tiempo se produce un desplazamiento hacia la derecha
en el eje de abscisas, es decir un retraso en la ignición debida a los efectos
producidos por el EGR sobre todo de dilución y capacitivo. A pesar de que
el calor se libera durante un período más largo (ángulo de cigüeñal), en este
caso pierdo par debido a la disminución de presión media efectiva al
encontrarse el pistón muy avanzado en su recorrido de descenso. Este
adelanto de los resultados de simulación con respecto a los experimentales
en cierta medida se debe a una imprecisión del modelo empleado al ser este
0 dimensional y no tener en cuenta las posibles inhomogeneidades
existentes en el interior de la cámara de combustión, impurezas e
imperfecciones de la combustión que atrasen la ignición y aumenten el
tiempo de duración del proceso de combustión. Los resultados obtenidos
numéricamente en línea discontinua se aproximan de modo análogo a los
obtenidos experimentalmente aunque un tanto adelantados a los
experimentales.
57
6.3. Resultados con inyección atrasada y combustible biodiésel.
1. Biodiésel B0 (gasoil puro).
Biodiésel B0
2.100 r.p.m. Dosado rel.=0,45
75
EGR 0%
70
Presión (Bar)
EGR 11,5%
65
EGR 16,6%
60
EGR 24,3%
55
50
45
40
35
30
340
350
360
370
380
390
Angulo Cigüeñal (º)
Figura 6.9
Biodiésel B0
2.100 r.p.m. Dosado rel.=0,45
295
EGR 0%
245
EGR 11,5%
Simu.
EGR 16,6%
HRR (J/º)
195
EGR 24,3%
145
EGR 0%
Simu.
95
EGR 11,5%
45
EGR 16,6%
Simu.
EGR 24,3%
Simu.
-5
340
359
364
369
374
379
384
Angulo Cigüeñal (º)
Figura 6.10
58
389
394
399
Figura 6.9 y 6.10:
Ensayos y simulaciones con inyección atrasada, correspondiente a un
ensayo en el que la velocidad de giro del motor es de 2.100 r.p.m. y el
combustible consumido es B0 con dosado relativo de 0,45. En línea
continua se reflejan los datos experimentales mientras que en discontinua
los datos simulados. Este caso al ser B0 es igual a gasoil puro con lo que
los resultados y conclusiones de estas figuras son semejantes a las
obtenidas con gasoil e inyección atrasada. Se presenta la gráfica de presión
frente a ángulo de cigüeñal donde se observa la característica curva que
proporciona una inyección atrasada similar a los casos anteriores.
A medida que aumentamos la cantidad de EGR se observa un retraso en la
curva de presión al igual que una disminución de la presión máxima
alcanzada debida a los efectos producidos por el EGR sobre todo de
dilución y capacitivo. Se observa como el área que encierra la curva de
presión se ve reducida implicando una reducción en el trabajo y una
disminución del par suministrado. La tendencia es a reducir la presión
máxima al ser más tardía la ignición y estar la posición del pistón muy
avanzado en la carrera de expansión. La tendencia para HRR es la misma
que en los casos anteriores con gasoil e inyección atrasada donde a medida
que aumenta el porcentaje de gases de EGR se observa un aumento en el
máximo valor de la tasa de liberación de calor (HRR), a la vez que un
desplazamiento hacia la derecha en el eje de abscisas, es decir un retraso en
la ignición debida a los efectos producidos por el EGR sobre todo de
dilución y capacitivo. Este comportamiento se debe a que al aumentar el
retraso de la ignición se mejora la combustión al disponer de más tiempo
para el mezclado de la carga, aumentando la combustión difusiva y
obteniendo valores de HRR máx. mayores. Al igual que antes los
resultados obtenidos numéricamente en línea discontinua se aproximan de
modo análogo a los obtenidos experimentalmente aunque un tanto
adelantados a los experimentales.
59
2. Biodiésel B30.
Biodiésel B30
2.100 r.p.m. Dosado rel.=0,45
75
EGR 0,0%
EGR 11,5%
70
EGR 16,6%
65
EGR 24,3%
Presión (Bar)
60
55
50
45
40
35
30
340
350
360
370
380
390
Angulo Cigüeñal (º)
Figura 6.11
Biodiésel B30
2.100 r.p.m. Dosado rel.=0,45
295
EGR 0%
EGR 11,5%
245
EGR 16,6%
EGR 24,3%
HRR (J/º)
195
EGR 0% Sim.
145
EGR 11,5%
Sim.
EGR 16,6%
Sim.
EGR 24,3%
Sim
95
45
-5
340
359
364
369
374
379
384
Angulo Cigüeñal (º)
Figura 6.12
60
389
394
399
Figura 6.11 y 6.12:
Ensayos y simulaciones con inyección atrasada con velocidad de giro del
motor de 2.100 r.p.m. y combustible consumido es B30 con dosado relativo
de 0,45. En línea continua se reflejan los datos experimentales mientras que
en discontinua los datos simulados.
En este caso tenemos mezcla de gasoil con biocombustible al 30% de modo
que podemos observar que para la gráfica de presión aunque la tendencia
general es igual al caso anterior, es decir de retraso y de disminución de las
presiones máximas debido a los efectos producidos por el EGR sobre todo
de dilución y capacitivo, y de retraso y aumento de las HRR máximas
debido a que al aumentar el retraso de la ignición se mejora la combustión
al disponer de más tiempo para el mezclado de la carga, aumentando la
combustión difusiva y obteniendo valores de HRR máx. mayores, efectos
producidos por el EGR sobre todo de dilución y capacitivo. Se observa un
ligero avance tanto en las presiones máximas como en los valores máximos
de HRR respecto de B0. Este comportamiento se achaca al incremento en
el número de cetano del combustible mezcla acelerando los tiempos y
mejorando la combustión, adelantando la ignición respecto de B0. También
se observa que tanto para las presiones máximas como para los valores de
HRR máximos es menos sensible al uso del EGR, siendo menores las
diferencias entre las curvas de 0% y 32% de EGR tanto para presiones
como HRR.
61
3. Biodiésel B65.
Biodiésel B65
2.100 r.p.m. Dosado rel,=0,45
75
EGR 0%
Presión (Bar)
70
EGR 11,5%
65
EGR 16,6%
60
EGR 24,3%
55
50
45
40
35
30
340
350
360
370
380
390
Angulo Cigüeñal (º)
Figura 6.13
Biodiésel B65
2.100 r.p.m. Dosado rel,=0,45
295
EGR 0%
EGR 11,5%
245
EGR 16,6%
EGR 24,3%
HRR (J/º)
195
EGR 11,5%
Sim.
EGR 0%
Sim.
EGR 16,6%
Sim.
EGR 24,3%
Sim.
145
95
45
-5
340
359
364
369
374
379
Angulo Cigüeñal (º)
Figura 6.14
62
384
389
394
399
Figura 6.13 y 6.14:
Ensayos y simulaciones con inyección atrasada con velocidad de giro del
motor de 2.100 r.p.m. y combustible consumido es B65 con dosado relativo
de 0,45. En línea continua se reflejan los datos experimentales mientras que
en discontinua los datos simulados.
En este caso tenemos mezcla de gasoil con biocombustible al 65% de modo
que podemos observar que para la gráfica de presión aunque la tendencia
general es igual al caso anterior, es decir de retraso y de disminución de las
presiones máximas debido a los efectos producidos por el EGR sobre todo
de dilución y capacitivo, y de retraso y aumento de las HRR máximas
debido a que al aumentar el retraso de la ignición se mejora la combustión
al disponer de más tiempo para el mezclado de la carga, aumentando la
combustión difusiva y obteniendo valores de HRR máx. mayores, efectos
producidos por el EGR sobre todo de dilución y capacitivo. Se observa un
ligero avance tanto en las presiones máximas como en los valores máximos
de HRR respecto de B30. Este comportamiento se achaca al incremento en
el número de cetano del combustible mezcla acelerando los tiempos y
mejorando la combustión, adelantando la ignición respecto de B30.
También se observa tanto para las presiones máximas como para los
valores de HRR máximos una pérdida de sensibilidad mayor al uso del
EGR incluso que en el caso de B30, siendo menores las diferencias entre
las curvas de 0% y 32% de EGR tanto para curvas de presiones como para
curvas de HRR.
63
4. Biodiésel B100 (biodiésel puro).
Biodiésel B100
2.100 r.p.m. Dosado rel,=0,45
75
EGR 0%
70
EGR 11,5%
EGR 16,6%
65
EGR 24,3%
Presión (Bar)
60
55
50
45
40
35
30
340
350
360
370
380
390
Angulo Cigüeñal (º)
Figura 6.15
Biodiésel B100
2.100 r.p.m. Dosado rel,=0,45
295
EGR 0%
EGR 11,5%
245
EGR 16,6%
HRR (J/º)
195
EGR 24,3%
EGR 0%
Sim.
EGR 11,5%
Sim.
EGR 16,6%
Sim.
EGR 24,3%
Sim.
145
95
45
-5
340
359
364
369
374
379
Angulo Cigüeñal (º)
Figura 6.16
64
384
389
394
399
Figura 6.15 y 6.16:
Ensayos y simulaciones con inyección atrasada con velocidad de giro del
motor de 2.100 r.p.m. y combustible consumido es B100 con dosado
relativo de 0,45. En línea continua se reflejan los datos experimentales
mientras que en discontinua los datos simulados.
En este caso el combustible empleado es biodiésel puro y para la gráfica de
presiones se observa como el efecto del EGR sobre la curva es casi nulo
existiendo una pequeña diferencia entre 0% EGR y 32% EGR, es decir
entre los valores máximos y mínimos de EGR manteniendo la tendencia al
retraso y a la disminución de presiones máximas. No obstante se observa el
mayor adelanto de todos los casos, encontrándose más adelantado el valor
máximo de presión que para B65. La tendencia para la presión es la misma
que en los casos anteriores aunque el retraso es muy pequeño para todos los
valores de EGR. Para la gráfica de HRR observamos que la tendencia varía
respecto de las tendencias anteriores, es decir los valores HRR máximos
decrecen y se retrasan ligeramente. También existe poca sensibilidad en los
valores de HRR a los efectos de las distintas cantidades de EGR,
prácticamente nula. Produciéndose como efecto principal el adelanto de los
valores de HRR máximos, mayor adelanto de todos los casos anteriores, y
produciéndose unas diferencias mínimas entre las distintas cantidades de
EGR empleadas consecuencia del combustible empleado. Esto nos indica
una falta de sensibilidad muy grande hacia los efectos del EGR, solamente
apreciable al aplicar el máximo grado de EGR. De modo que se puede
pensar que la cinética química que controla el inicio de la ignición en el
biodiésel es mucho más importante que la reducción de la temperatura
debida a los efecto dilutivo y capacitivo debidos al EGR.
Ya que el índice de cetano es superior a cualquiera de las mezclas
anteriores esto se ve reflejado en el mayor adelanto del valor máximo de
HRR y de presiones también.
65
7. Conclusiones.
El modelo cinético detallado se presenta como un herramienta apropiada
para la simulación de ciertos aspectos que caracterizan la operación de los
motores HCCI alimentados con gasóleo tanto en inyección temprana como
tardía y con biodiésel solamente con inyección tardía debido a los
problemas que presenta la evaporación del biocombustible y de los
problemas de durabilidad y corrosión del motor que de este aspecto se
derivan. La recirculación de gases de escape se presenta como una manera
viable del control del punto de ignición en los motores HCCI y será de
importancia capital para el desarrollo de los motores HCCI. La influencia
del EGR se hace menos palpable cuanto mayor es el contenido de biodiésel
en el combustible con lo que presenta ciertas limitaciones en el uso para los
biocombustibles. El modelo cinético presenta limitaciones por las
simplificaciones como son la consideración 0-dimensional de nuestro
sistema y por las heterogeneidades de la realidad que este modelo no es
capaz de reproducir con fidelidad que se ponen de manifiesto por ejemplo a
altos contenidos de EGR. Como desarrollo futuro de integrar este modelo
cinético en uno de mayor complejidad CFD o multidimensional de modo
que se puedan obtener resultados de otros aspectos del proceso de
combustión con la suficiente definición y fidelidad.
66
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