resumen / abstract procesos alternativos de combustión en...

36 VOL. 15 No. 1 ENERO-ABRIL 2005

Guanajuato, Gto., México

RESUMEN / ABSTRACT

La combustión por compresión de unamezcla pobre homogénea, o premezclada,ha surgido en los últimos años como unaalternativa para la reducción simultánea delas emisiones de óxidos de nitrógeno(NOx) y partículas (PM) en los motoresde combustión interna. Este novedosoproceso se puede considerar como un hí-brido entre los motores de encendido pro-vocado (MEP) y los de encendido porcompresión (MEC), ya que usa una mez-cla homogénea (o altamente premezclada)de aire-combustible como en los motoresde encendido provocado, pero la mezcla secomprime hasta su auto-ignición, como enlos motores de encendido por compresión.Aunque el nombre más usado para identi-ficar este novedoso proceso de combustiónha sido el de HCCI (Homogeneous ChargeCompression Ignition), en la literatura hanaparecido una gran variedad de sistemasque aplican este concepto. En este trabajose presenta una revisión de dichos siste-mas.

Procesos Alternativos deCombustión en Motores de

Combustión Interna.Riesco-Ávila, J.M.*, Gallegos-Muñoz, A.*, Montefort-Sánchez, J.M.* y

Martínez-Martínez, S.**

PALABRAS CLAVE: Motores de combustión interna; Combustión homogénea;Emisiones.

KEYWORDS: Internal combustion engines; Homogeneous combustion; Emissions.

* Departamento de Ingeniería Mecánica,Facultad de Ingeniería Mecánica, Eléc-trica y Electrónica (FIMEE), Universi-dad de Guanajuato, Salamanca, Gto.,México. Correo electrónico:[email protected]

** División de Estudios de Posgrado, Fa-cultad de Ingeniería Mecánica y Eléc-trica, Universidad Autónoma de Nue-vo León, Monterrey, N.L., México.

INTRODUCCIÓN

No cabe duda que los motores de combustión internaalternativos (MCIA) han revolucionado completamenteel transporte, la generación de potencia y tal vez hanalterado la forma de operar de la sociedad de modo permanente.Hoy en día, el motor de combustión interna alternativo es una delas principales fuentes de potencia en nuestra sociedad y su usoabarca desde la propulsión marina y estaciones de generación deenergía eléctrica con potencias cercanas a los 100 MW, hastaherramientas manuales con potencias del orden de los 100 W. Losprimeros requieren el uso de grandes motores diesel de baja veloci-dad, con cilindros de hasta 1 000 mm de diámetro, mientras quelos últimos normalmente involucran el uso de motores de gasolinade dos tiempos, con cilindros de alrededor de 20 mm de diámetro.Entre estos dos extremos se encuentran los motores de automociónpara el transporte por carretera (automóviles, camiones,motocicletas), propulsión ferroviaria, propulsión aérea (sólo pe-queños motores), maquinaria agrícola, maquinaria de obras públi-cas y pequeños motores industriales (accionamiento de bombas,compresores, etc.).

Desde su aparición hace ya más de 125 años, el motor decombustión interna alternativo ha tenido que superar una serie deproblemas y nuevas exigencias, que con el paso del tiempo se lehan ido presentando. Las dos condicionantes más importantesactualmente son, sin duda, la emisión de contaminantes y elconsumo de combustible (Muñoz y Payri, 1989).

Si la combustión de los motores fuese completa yestequiométrica del aire con combustibles compuestos exclusiva-mente de carbono e hidrógeno (C

aH

b), las emisiones resultantes

serían únicamente: nitrógeno (N2), dióxido de carbono (CO

2) y

vapor de agua (H2O). Evidentemente, esto no es así, la combus-

tión siempre es incompleta y, dependiendo del tipo y condiciones

Recibido: 27 de Septiembre de 2004

Aceptado: 9 de Noviembre de 2004

Combustion by compression of a lean andhomogeneous (or premixed) air-fuelmixture has recently emerged as an effectivealternative to achieve simultaneous nitrogenoxides (NOx) and particulate matter (PM)reduction in internal combustion engines.This novel process can be considered as ahybrid between the spark ignition (SI)and the compression ignition (CI)combustions. To obtain it is necessary togenerate a homogeneous (or highlypremixed) mixture of fuel and air (suchas SI combustion), but this mixture iscompressed up to its auto ignition limit(such as DI combustion). Even thoughthis process has been identified asHomogeneous Charge CompressionIgnition (HCCI), a variety of systems thatuse this concept have recently appeared.This document presents a review of suchsystems.

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de funcionamiento de cada motor, en las emi-siones arrojadas a la atmósfera a través del tubode escape se puede localizar una cantidad decomponentes nocivos próxima al 1 %.

Entre las emisiones contaminantes arrojadaspor los MCIA destacan, por cantidad y toxici-dad, el monóxido de carbono (CO) en los mo-tores de encendido provocado (MEP) y las par-tículas sólidas en forma de cenizas y hollín enlos motores de encendido por compresión(MEC), resultantes de mezclas excesivamente ri-cas. Otras emisiones contaminantes generadasen la combustión de los MCIA son: los óxidosde nitrógeno (NOx), resultantes de las altas tem-peraturas de la combustión y los hidrocar-buros no quemados (HC), resultantes de com-bustión incompleta.

Aunque la emisión de CO2 es intrínseca al

proceso de combustión y no está actualmentelegislada como contaminante, también se consi-dera como un compuesto agresivo para el me-dio ambiente, debido a su probada influenciasobre el fenómeno climático conocido como“efecto invernadero”.

Si bien la cantidad de emisiones nocivas arro-jadas por un solo automóvil puede resultar in-significante, la concentración de los automóvi-les en las grandes urbes actuales implica unriesgo elevado de contaminación atmosféricapara la humanidad y, a medio plazo, un dete-rioro irreversible del planeta. Esto ha llevado adesarrollar una legislación cada vez más rigurosasobre las emisiones de los motores que ha obli-gado a los investigadores y técnicos a esforzarseen la concepción de motores más limpios ymenos ruidosos.

Se debe destacar que en los últimos años losniveles de las principales emisiones contaminan-tes se han reducido considerablemente y la nor-mativa para los próximos años prevé reducirestos niveles aún más. Por ejemplo, en la figura1 se muestran los valores límites según distintasnormativas (parte inferior), para las principalesemisiones de los motores diesel usados para

vehículos de transporte pesado por carretera otransporte interurbano de pasajeros. Estos mo-tores son conocidos en la literatura anglosajonacomo Heavy Duty Diesel Engines (HDDE). Enla parte inferior de la figura 1 se representan losvalores específicos (flujo másico por unidad depotencia) de las emisiones de NOx y de partícu-las, mientras que en la parte superior de estafigura está representado el nivel del consumoespecífico de combustible (Ge) obtenido con latecnología actual, en función de la emisión es-pecífica de NOx.

Sin un avance tecnológico importante, ladrástica reducción requerida en las emisiones deNOx perjudicará el consumo del combustible eincrementará los costos del motor considerable-mente. No obstante, se tienen que buscar estra-tegias de reducción que satisfagan tanto los re-quisitos legislativos como los del mercado, comose muestra en la parte superior de la figura 1(Moser et al., 2001).

Desafortunadamente, la reducción simultá-nea de las emisiones de NOx y PM es difícildebido a que la mayoría de las estrategias parareducir alguno, causa un incremento en el otro.Además, las estrategias para reducir emisiones,especialmente las enfocadas a NOx, a menudocausan un incremento en el consumo de com-bustible.

Las investigaciones tradicionales se enfocanen la reducción de uno de estos contaminantes,NOx o PM, mediante la gestión eficiente delaire de admisión y la optimización de losparámetros de inyección (Payri et al., 2003;Benajes et al., 2004a), mientras que el otrocontaminante se reduce mediante un postra-tamiento de los gases de escape, como un catali-zador para reducir NOx (Miller et al., 2000), ouna trampa de oxidación de partículas (Allanssonet al., 2000). En la figura 2 se muestran lasposibles estrategias a seguir para la reducción enlas emisiones de estos contaminantes, con el finde satisfacer las normativas futuras. Estas estra-tegias son:


• Reducción de NOx con recirculación de gasesde escape (EGR) y reducción de partículascon una trampa de oxidación.

• Reducción de partículas optimizando el pro-ceso de combustión y reducción de NOx conpostratamiento de los gases de escape (catali-zador selectivo –SCR–).

0 2 4 6 8NOx [g/kWh]

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Part

ícul

as [g

/kW

h]

190

200

210

220

230G

e [g

/kW

h]

EURO I (1992)

EURO II (1998)

EURO III (2000)

EURO IV (2005)EURO V (2008)

USA (1998)USA (2004)

USA (2007)

Requisitos deMercado

Requisitos Legislativos

Tecnologíaactual

0 2 4 6 8 10 12

NOx [g/kWh]

0.00

0.05

0.10

Par

tícul

as [g

/kW

h]

EGR Frío

Tecnologíaactual

Catalizador SCR

EGR Frío+

Trampa de partículas

EURO V IV IIIUSA 07

Figura 1. Evolución de las normativas anticontaminantes en Europa yEstados Unidos y requisitos de mercado (Moser et al., 2001).

Figura 2. Estrategias de reducción de emisiones contaminantes en motoresdiesel (HDDE) (Moser et al., 2001).

Parece evidente que, pese a la intro-ducción de nuevas tecnologías y los pre-visibles desarrollos futuros, no será posi-ble cumplir los límites de contaminantesimpuestos por las futuras normas ac-tuando sobre el proceso de combustióny será imprescindible el pos-tratamientode los gases de escape. Sin embargo, re-cientemente se está investigando un pro-ceso alternativo, o complementario, decombustión para los MCIA, el cual escapaz de reducir simultáneamente la emi-sión de NOx y PM, con eficiencias tér-micas similares a las de los motores dieselconvencionales.

Aunque el nombre más usado paraidentificar este novedoso proceso decombustión es HCCI (HomogeneousCharge Compression Ignition), en la lite-ratura han aparecido una gran variedadde sistemas que aplican este concepto. Acontinuación se presenta una breve revi-sión de dichos sistemas.

PROCESOS ALTERNATIVOS

La combustión por compresión deuna mezcla pobre homogénea, opremezclada, ha surgido en los últimosaños como una alternativa para la reduc-ción simultánea de la emisión de óxidosde nitrógeno (NOx) y partículas (PM)en los motores de combustión interna.

Este novedoso proceso se puede con-siderar como un híbrido entre los moto-res de encendido provocado (MEP) ylos de encendido por compresión

(MEC), ya que usa una mezcla homogénea (oaltamente premezclada) de aire-combustiblecomo en los motores de encendido provocado,pero la mezcla se comprime hasta su auto-igni-ción, como en los motores de encendido porcompresión. De esta forma, la combustión em-pieza casi simultáneamente en muchos puntosdentro de la cámara de combustión y tienelugar sin propagación de un frente de llama en


ausencia de regiones con temperaturas localesaltas, lo que reduce la formación de NOx. Ade-más, la ausencia de una fase de combustión pordifusión y regiones de dosados ricos evita laformación de PM.

Con algunas variantes en los métodos, com-bustible, o tipo de motor utilizados, a lo largode los años han aparecido diferentes nombrespara sistemas de combustión con estas caracte-rísticas; por ejemplo, ATAC (Onishi et al.,1979), por “Active-Thermo AtmosphereCombustion”; CIHC (Najt y Foster, 1983), por“Compression-Ignited Homogeneous Charge”;HCCI (Thring, 1989), por “HomogeneousCharge Compresion Ignition”; PREDIC (Takedaet al., 1996), por “PREmixed lean DIeselCombustion”; AR (Ishibashi y Asai, 1996), por“Active Radical”; PCCI (Aoyama et al., 1996),por “Premixed Charge Compression Ignition”;UNIBUS (Yanagihara, 1996), por “UNIformBUlky combustion System”; HiMICS (Yokota etal., 1997 y 1998), por “Homogeneous chargeintelligent Multiple Injection CombustionSystem”; HCDC (Susuki et al., 1997a y 1997b)por “Homogeneous Charge Diesel Combustion”;MULDIC (Hashizume et al., 1998), por“MULtiple stage DIesel Combustion”; MK(Kimura et al., 1999), por “Modulated Kinetics”;PCI (Iwabuchi et al., 1999), por “PremixedCompression-Ignited combustion”; o CAI (Lavyet al., 2000), por “Controlled Auto-Ignition”.Sin embargo, estos términos son específicos paralas características particulares del motor o siste-ma de inyección usado y generalmente no sonapropiados para motores con características di-ferentes.

Groenendijk y Müller (2002), señalan quelos nombres que resaltan las condiciones de ho-mogeneidad y mezcla pobre de la combustiónson los más adecuados para describir correcta-mente los rasgos del proceso. Consideran quenombres como el de AR o el de MK no sonmuy afortunados, ya que tanto en la combus-tión convencional como en la homogénea, elinicio de la combustión se debe a la activaciónde radicales y que es ciertamente necesaria una

“modulación” efectiva de la cinética química dela combustión.

El acrónimo más aceptado actualmente es elde HCCI (ignición por compresión de una car-ga homogénea); sin embargo, Zhao et al.,(2001) mencionan que éste no es adecuado paradescribir los mecanismos de combustión identi-ficados por Onishi et al., (1979) y Lavy et al.,(2000), en motores de dos y cuatro tiempos,respectivamente, donde las mezclas aire-com-bustible no eran homogéneas.

La combustión homogénea tampoco es elcaso en sistemas como el PREDIC o el MK.Aunque en el primero se puede considerar quela mezcla es casi homogénea al inicio de lacombustión, en el segundo definitivamente nolo es, ya que en este caso la mezcla se encuentraaltamente premezclada, pero no es homogénea.

Zhao et al., (2001) consideran que el térmi-no “CAI”, (auto-ignición controlada), describemás adecuadamente los rasgos genéricos de estenuevo proceso de combustión, debido en pri-mer lugar a que éste es iniciado por auto-ignición de la carga (mezcla aire-combustible)y en segundo lugar a que necesita ser controla-do con el fin de evitar una combustión deto-nante violenta (knocking). Además, consideranque el término CAI también es compatiblecon la clasificación convencional en la literatu-ra anglosajona de los motores de combustióninterna (IC) en motores de combustión encen-didos por chispa (SI) y por compresión (CI).En este caso, los términos serían MEP (Motorde Encendido Provocado), MEC (Motor deEncendido por Compresión) y MAEC (Motorde Auto-Encendido Controlado).

Independientemente del nombre utilizado,este proceso alternativo ha sido probado conéxito (aunque limitado) en motores de dos ycuatro tiempos, así como con combustibles lí-quidos y gaseosos. A continuación se presentauna breve revisión de los diferentes sistemasencontrados en la literatura. La discusión secentra en los motores de cuatro tiempos.


Clasificación de los procesos de combustiónalternativos

Independientemente del motor, estrategia otipo de combustible utilizado, una clasificacióninteresante de los procesos de combustión alter-nativos es mediante la forma en que el combus-tible se introduce a la cámara de combustión,como se muestra en la figura 3.

El método de inyección del combustible re-presenta una distinción importante, ya que tie-ne un efecto considerable en las característicasdel motor y limita los métodos de control delinicio de la combustión que se pueden emplear.Aunque existen diferentes sistemas y estrategiasde inyección del combustible en los motoresque utilizan este proceso de combustión, se pue-de distinguir entre tres grupos (figura 3): losque inyectan el combustible corriente arriba delas válvulas de admisión (inyección indirecta),conocidos en la literatura como PFI, por sussiglas en inglés, Port Fuel Injection; los queinyectan el combustible directamente en la cá-mara de combustión (inyección directa); y unatercera opción que combina las dos primeras,denominada aquí inyección mixta. Además,cuando la inyección se realiza directamente en lacámara de combustión, ésta puede hacerse ade-lantada durante la carrera de compresión; o re-trasada, muy cerca del punto muerto superior(PMS) o durante la carrera de expansión. Acontinuación se describen las principales carac-terísticas de cada uno de ellos.

Inyección indirecta

La manera más simple de conseguir una mez-cla homogénea es inyectando el combustibleantes de la válvula de admisión e introduciendola mezcla al cilindro durante la carrera de com-presión. Para la inyección del combustible, ge-neralmente se emplea un sistema de inyecciónde baja presión (electrónico o carburador), comolos empleados comúnmente en los motores degasolina. En esta categoría se encuentran lossistemas CIHC, HCCI, PCCI y CAI.

Los primeros en probar este sistema en unmotor de cuatro tiempos fueron Najt y Foster(1983), quienes utilizaron una mezcla de iso-octano y n-heptano, en un motor monoci-líndrico con relación de compresión variable.Posteriormente, Thring (1989) demostró quela combustión homogénea también se podíalograr utilizando gasóleo como combustible.Desde entonces, se han probado una gran varie-dad de combustibles y mezclas, con igual nú-mero de configuraciones de motor, aunque lainyección indirecta es más atractiva para com-bustibles gaseosos y altamente volátiles. El usode combustibles pesados, como el gasóleo, pro-voca que éste se deposite en el colector de admi-sión, incrementando el consumo de combusti-ble y puede producir desgastes en el motordebido a la degradación del aceite de lubrica-ción. Para asegurar la vaporización del combus-tible en estos casos, se requiere el uso de unafuente de calor auxiliar en la admisión y/o EGRcomo fuente de calor suplementaria (Ryan yCallahan, 1996; Gray y Ryan, 1997). Por otrolado, Christensen et al., (1999b) demostraronque se puede utilizar casi cualquier combustiblelíquido, si se utiliza un motor con relación decompresión variable.

Aunque es casi imposible alcanzar una “ho-mogeneidad” completa, ya que siempre habráheterogeneidad en la composición y la tempera-tura, para alcanzar un alto grado de mezcla (uhomogeneidad) en el cilindro, la inyección delcombustible en el colector de admisión se bene-ficia de la turbulencia generada cuando la mez-

Inyeccióndel combustible

Directa MixtaIndirecta

Adelantada Retrasada

Figura 3. Métodos de inyección del combustible en los proce-sos de combustión alternativos.


cla se acelera al pasar por la válvula de admisión(Stanglmaier et al., 2001).

Para obtener la auto-ignición, el combustiblese mezcla con aire caliente en el colector deadmisión y la temperatura de la mezcla aire-combustible se incrementa aún más durante lacarrera de compresión. Con este sistema no hayun control directo sobre el tiempo de ignición;éste sólo puede controlarse indirectamente ajus-tando los parámetros de operación correctamen-te para que la ignición ocurra cerca del PMS.Entre los parámetros más importantes que afec-tan el inicio de la combustión se encuentran larelación de compresión, la temperatura y pre-sión de admisión, el tipo de combustible utili-zado, el dosado relativo y la tasa de EGR. To-dos ellos han sido ampliamente estudiados ydescritos en la literatura. Además de la falta decontrol en el inicio de la combustión, otro granproblema con estos sistemas es la alta tasa decombustión. Si la mezcla es muy rica, la tasa decombustión será muy rápida y generará proble-mas de detonación (knock). Por otro lado, conuna mezcla muy pobre no habrá potencia sufi-ciente para vencer las pérdidas por fricción o lacombustión será incompleta (misfire).

Para limitar la tasa de combustión, se debenusar mezclas muy diluidas. Esta dilución se pue-de alcanzar mediante una alta relación aire/com-bustible (mezclas pobres) (Christensen et al.,1997 y 1998a) y/o con grandes cantidades deEGR (Christensen et al., 1998b). Una terceraalternativa es usar agua como diluyente(Christensen et al., 1999a).

Inyección directa

El segundo método de inyección utilizado enlos procesos de combustión alternativos es me-diante la inyección directa del combustible en lacámara de combustión. A su vez, este métodose divide en dos estrategias: en la primera lainyección se realiza muy adelantada en la carrerade compresión, cuando la densidad del gas esbaja; y en la segunda, la inyección se realizacerca del PMS o durante la carrera de expan-

sión, con una densidad del gas alta. A continua-ción se describen ambas estrategias.

Inyección directa adelantada

Otro de los métodos usados para obteneruna mezcla homogénea de aire-combustible den-tro del cilindro es mediante la inyección adelan-tada (muy avanzada con respecto al PMS), deuna parte o todo el combustible directamenteen la cámara de combustión. Dentro de estossistemas se encuentran el HiMICS, UNIBUS,PCI, PREDIC y MULDIC.

La combustión homogénea con inyección di-recta adelantada se describe en la literatura úni-camente con gasóleo como combustible. Debi-do a que la inyección se realiza en una carga deaire de baja densidad, el choque del combusti-ble con la pared del cilindro es un problemagrave. Algunos investigadores han realizado es-fuerzos significativos para minimizar el choquede pared mediante el desarrollo de inyectores derespuesta rápida (Yanagihara, 1996 y 2001) debaja penetración (Iwabuchi et al., 1999), o me-diante el uso de inyectores laterales (Takeda yNiimura, 1995) y han obtenido mejoras signifi-cativas. No obstante, el choque de pared es unproblema que probablemente permanezca en lainyección directa de gasóleo en ambientes debaja densidad. Es probable que en el futuro,cuando se desarrollen mejores técnicas de prepa-ración de la mezcla, la inyección directa delcombustible llegue a ser el método preferido enlos motores con combustión homogénea.

En esta estrategia la inyección del combusti-ble se realiza con uno o varios inyectores, comose describe a continuación.

Inyección directa adelantada con un inyector

Los sistemas HiMICS, UNIBUS y PCIusan un solo inyector para la inyección delcombustible.

El concepto HiMICS (homogeneous chargeintelligent multiple injection combustion system)fue desarrollado por Hino motors en 1997. El


sistema de inyección utilizado es un commonrail (con una presión de inyección de 90 MPa)y un inyector central con dos posibilidades; unode 6 orificios con un diámetro de 0,23 mm yun ángulo entre chorros de 125º; o uno de 30orificios de 0,1 mm de diámetro y tres ángulosentre chorros: 12x155º, 12x105º, 6x55º.

Este concepto se basa en la combustión porcompresión de una mezcla pobre premezclada,combinada con inyecciones múltiples. Para for-mar la mezcla pobre homogénea, parte del com-bustible se inyecta en una etapa adelantada du-rante la carrera de compresión y el resto seinyecta alrededor del PMS, de la misma formaque en la inyección tradicional. En la figura 4 semuestran los patrones de inyección utilizados.En esta figura, M representa la inyección princi-pal, P, E y A representan una inyección piloto,una adelantada y una posterior a la inyecciónprincipal, respectivamente.

Los resultados experimentales muestran quetanto el trade-off entre la emisión de NOx y elconsumo de combustible, como el de las emi-siones de NOx y humos, se pueden mejorar conla combustión HiMICS, casos (c) y (d), con

respecto a los casos (a) y (b), cuando la inyec-ción principal se retrasa considerablemente y laemisión de NOx es extremadamente baja. Lainyección retrasada, 30º DPMS, mostró ser efec-tiva en la reducción de humos. El problema deeste tipo de combustión es los altos niveles deemisión de HC y CO. Sin embargo, con el usode EGR la emisión de HC se redujo hasta enun tercio.

Por otro lado, los conceptos UNIBUS(uniform bulky combustion system) de Toyota yPCI (premixed compressed ignited combustion)de Mitsubishi, son muy parecidos entre sí. Enambos casos se utiliza un sistema de inyeccióncommon rail. El primero utiliza un inyector dealta respuesta (piezo-inyector) y el segundo unode baja penetración, evitando así que el com-bustible llegue a las paredes de la cámara decombustión. La inyección se realiza muy ade-lantada en la carrera de admisión, hasta 120ºantes del PMS. Con este tipo de inyección, laemisión de NOx es extremadamente baja y prác-ticamente no hay emisión de humos, aunque elconsumo de combustible es ligeramente mayorque con la combustión diesel convencional.

Inyección directa adelantada condos o más inyectores

La inyección directa adelantada usando va-rios inyectores, PREDIC y MULDIC, fue desa-rrollada por el New Ace Institute en 1996. En elprimer caso, PREDIC (premixed lean dieselcombustion), la inyección se realiza mediante dosinyectores laterales, o con un inyector central,como se muestra en la figura 5.

Cuando la inyección se realiza con los dosinyectores laterales, figura 5a, ambos inyectan lamisma cantidad de combustible, a la mismapresión y en el mismo punto de inyección. Deesta manera, los chorros chocan en la regióncentral del cilindro mejorando el proceso demezcla con el aire y reduciendo la penetración,lo que evita el choque del combustible con lasparedes de la cámara de combustión. Ambastoberas de inyección son de dos orificios de0,17 mm de diámetro y 30º entre chorros.

100%

95%

50%50%

50% 35% 15%

(a) M

(b) PM

(c) EM

(d) EMA

Ángulo de giro del cigüeñal [grad DPMS]

-30 0 +30 +60

Figura 4. Patrones de inyección utilizados en la combustiónHiMICS (Yokota et al., 1997).


Como se muestra en la figura 5a, estos chorrosinyectan el combustible con un ángulo de 30ºcon respecto a la horizontal.

Con esta estrategia de inyección se obtieneuna notable reducción en la emisión de NOx(menos de 1/10 del valor mínimo que se obtie-ne con la operación diesel convencional), cuan-do la inyección se realiza 80º APMS y con undosado relativo de 0,37. Aunque el incrementoen el consumo de combustible es relativamentepequeño, 15 % aproximadamente, la emisiónde HC y CO se incrementa considerablemente(hasta 2 000 y 5 000 ppm, respectivamente).

El inicio de la inyección en estos casos estálimitado por fallos en la combustión (misfire),para inyecciones más adelantadas, y problemasde detonación (knocking), para inyecciones másretrasadas.

Para dosados más ricos, se reduce la regiónentre el fallo de la combustión y los problemasde detonación, y sólo es posible incrementar lacantidad de combustible hasta dosados relativosde 0,4, manteniendo bajo el nivel de emisiónde NOx.

Para la inyección con un solo inyector cen-tral, se utiliza una tobera de 30 orificios de 0,08mm de diámetro, repartidos en tres niveles de10 orificios cada uno, como se muestra en la

figura 5b. La presión de inyección se varía entre100 y 200 MPa y el rango de inyección entre80º y 20º APMS. Al igual que en el caso de losdos inyectores, el límite para el dosado relativoes de 0,37, para evitar problemas de detonacióny mantener muy bajo el nivel de emisión NOx.Aunque en este caso, estas condiciones se lograncuando el combustible se inyecta alrededor de40º antes del PMS.

Para incrementar el rango de operación con lacombustión PREDIC, Hashizume et al., (1998),proponen el concepto MULDIC (multiple stagediesel combustion), el cual consiste en dos etapasde combustión; la primera corresponde a la com-bustión premezclada de una mezcla pobre(PREDIC) y la segunda a una combustión pordifusión con condiciones de alta temperatura ybaja concentración de oxígeno.

En esta estrategia, la primera etapa de inyec-ción se realiza con los dos inyectores laterales,como en la combustión PREDIC, y la segundacon un inyector central de 6 orificios de 0,17mm de diámetro, con un ángulo entre chorrosde 155º. Con el fin de reducir la emisión dehumos, también se probó un inyector de 8orificios de 0,08 mm de diámetro, con el mis-mo ángulo entre chorros que el anterior.

El sistema de inyección permite controlarindependientemente tanto la cantidad como eltiempo de inyección de cada etapa. La presiónmáxima de inyección en el inyector central fuede 250 MPa y de 120 MPa para los laterales.

La primera etapa de inyección se realiza a150º APMS, donde es posible mantener unabaja emisión de NOx con la combustión de lamezcla pobre premezclada. El tiempo de inyec-ción de la segunda etapa se varía entre 2º APMSy 30º DPMS. El régimen de giro del motor y eldosado relativo utilizado son de 1 000 rpm y0,71, respectivamente, que corresponden a lascondiciones de plena carga del motor utilizado.En la primera etapa, la cantidad de combustibleinyectado es de 60 mm3/ciclo, que correspondea un dosado relativo de 0,36. Esta cantidad decombustible representa la cantidad máxima que

Inyectores laterales Inyector central

30º155º105º55º

(a) (b)

Figura 5. Localización de los inyectores usados en el sistemaPREDIC (Takeda et al., 1996).


se puede inyectar sin tener problemas de deto-nación. En la segunda etapa se inyectan 64 mm3/ciclo, para obtener un dosado relativo global de0,71.

Con esta estrategia es posible reducir simul-táneamente la emisión de NOx y la de humos,incluso a plena carga del motor. El consumo decombustible con la combustión MULDIC esmayor que con la operación convencional delmotor, debido a la prematura ignición de laprimera etapa de la combustión y a la extrema-damente retrasada segunda inyección para la se-gunda etapa de la combustión. Sin embargo, laoptimización de la primera etapa de la combus-tión para aproximarla a una combustión a volu-men constante incrementa la eficiencia térmica.Por otro lado, con la combustión MULDIC laemisión de NOx se redujo a menos de la mitadde los valores correspondientes a una combus-tión diesel convencional, con el mismo consu-mo de combustible.

Inyección directa retrasada

Tal vez el método más novedoso de com-bustión premezclada en motores diesel es elsistema MK (modulated kinetics) propuesto porNissan en 1998. En este concepto se utili-za un sistema de inyección common railcon un inyector de 5 orificios de 0,22mm de diámetro.

El concepto MK se caracteriza esencial-mente como un proceso de combustiónpremezclada de baja temperatura, que re-duce simultáneamente la emisión de NOxy hollín. Las bajas temperaturas de com-bustión se alcanzan mediante el uso dealtas tasas de EGR, con lo que la emisiónde NOx se reduce hasta en un 90 %. Porotro lado, la reducción en la emisión dehollín se logra promoviendo la combus-tión premezclada mediante un incremen-to en el tiempo de retraso y mejorando ladispersión del combustible con el uso deuna cámara de combustión toroidal degran diámetro de cavidad. Además, con

un incremento en el nivel de torbellino (swirl)se obtiene una importante reducción en la emi-sión de HC y hollín. En la figura 6 se resumenlos efectos de la combustión MK en las emi-siones.

Para evaluar el efecto de la combustión MKen el rendimiento del motor, además del rendi-miento indicado se utilizan dos parámetros adi-cionales: la fracción de energía aparente liberada,que se define como la relación entre la energíaaparente liberada y la energía entregada por elcombustible. En esta definición, la energía apa-rente liberada toma en cuenta las pérdidas deenergía a través de las paredes de la cámara decombustión, por lo que una reducción en estaspérdidas incrementa la fracción de energía apa-rente liberada. El otro parámetro es la eficienciade conversión de energía en trabajo, definidacomo la relación entre el trabajo indicado y laenergía aparente liberada. El producto de estosdos parámetros es el rendimiento indicado delciclo. En la figura 7 se resumen los efectos de lacombustión MK sobre estos parámetros. Así, seobserva que al reducir la concentración de oxí-geno, las bajas temperaturas de combustiónincrementan la fracción de energía aparente (de-

0 50 100

NOx [ppm]

0

2

4

6

Hollí

n [F

SN]

600

0

1000

2000

3000

HC

[ppm

]

0

0I

II

III

I

II

III

Incremento delTorbellino (swirl)

[3 5]

Retraso en IDI[-7º 3º DPMS]

Reducción en laconcentración de O2

[21% 15%]

1400 rpm mf = 20mm3/cc

Figura 6. Efecto de la combustión MK en las emisiones (Kimura et al.,1999).


bido a que se reducen las pérdidas de energía),lo que produce un incremento en el rendimien-to térmico. Con el retraso en el inicio de lainyección, se reducen tanto la fracción de ener-gía aparente como la eficiencia de conversión,con lo que se perjudica el rendimiento indica-do. Sin embargo, con el incremento en el nivelde torbellino, estos parámetros se incremen-taron, con lo que el rendimiento indicado semejoró significativamente.

Estudios realizados demuestran que el incre-mento en la fracción de energía debida al incre-mento en el nivel de torbellino se debe princi-palmente a una reducción en las pérdidas deenergía a través de las paredes de la cámara decombustión. La explicación a esto esque con el incremento en el torbelli-no, el combustible se distribuye me-jor en el centro de la cámara decombustión, manteniendo la tempe-ratura de las paredes más baja que conel torbellino más bajo. Además, lamejor distribución del combustiblemejora el proceso de combustión,incrementando la eficiencia de con-versión y reduciendo la emisión deHC y hollín, como se vio anterior-mente.

Un beneficio adicional de la com-bustión MK es que reduce el gradientede presión máximo en el cilindro, quees una medida del nivel de ruido de lacombustión.

La inyección directa retrasada pare-ce evitar la mayoría de los problemasasociados con el choque de pared delcombustible en los sistemas de com-bustión homogénea y proporciona al-gún control del inicio de la combus-tión; sin embargo, debido al cortotiempo de retraso del gasóleo la apli-cación de este concepto se limita acargas parciales del motor.

Para poder extender el uso de este sistema acargas altas, el tiempo de retraso deberá sermayor que el tiempo de inyección. Esto se hapodido lograr con la combinación de alta pre-sión de inyección, una relación de compresiónbaja y el uso de EGR frío. En la figura 8 semuestra el efecto de estos parámetros en el tiem-po de retraso.

Los resultados muestran que es posible man-tener el bajo nivel en la emisión de NOx y dehollín, sin perjudicar el consumo de combusti-ble, con dosados relativos de hasta 0,77 aproxi-madamente, ya que con dosados relativos másricos se incrementan tanto el nivel de emisiónde humos como el consumo de combustible.

0 I II III80

81

82

83

84

85

Frac

ción

de

ener

gía

apar

ente

[%]

0 I II III47

48

49

50

51

52

Efic

ienc

ia d

e co

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sión

[%]

0 I II III38

39

40

41

42

43

Ren

dim

ient

o in

dica

do [%

]

Figura 7. Efecto de la combustión MK en el rendimiento del motor (Kimura etal., 1999).

-5 0 5 10 15Duración de la inyección - tiempo de retraso [grad]

1ª Generación

Alta presión[Bomba rotativa CR(130MPa)]

Baja relación de compresión[17,5 16,0]

EGR frío[Tadm 400 340K]

2000 rpm pme = 0,7 MPa 20% EGR IDI = 6º DPMS

Figura 8. Efecto de la presión de inyección, la relación de compresión y elEGR en la relación entre la duración de la inyección y el tiempo deretraso (Kimura et al., 1999).


Inyección mixta

Una tercera alternativa de inyección es la quecombina las dos anteriores (indirecta y directa),denominada aquí como inyección mixta. Esteconcepto propuesto por el Traffic Safety andNuisance Research Institute en 1997, conocidocomo HCDC (homogeneous charge dieselcombustion) (Suzuki et al., 1997a y 1997b), usaun inyector electrónico de gasolina de baja pre-sión en el colector de admisión (5 MPa depresión de inyección) y un sistema de inyecciónde bomba en línea para la inyección directa delcombustible en la cámara de combustión. Elinyector utilizado para la inyección directa es de4 orificios de 0,21 mm de diámetro o uno de 4orificios de 0,14 mm de diámetro, con unapresión de inyección de 18 MPa.

En este sistema la mayor parte del combusti-ble se inyecta en el colector de admisión paraformar la premezcla homogénea y la combus-tión se inicia inyectando una pequeña cantidadde combustible directamente en la cámara decombustión.

Con el fin de mantener la emisiones de NOxy humos en un nivel bajo, en la combustiónHCDC es importante incrementar lo más posi-ble la relación entre el combustible inyectadopara la premezcla y el inyectado directamente;sin embargo, esta relación máxima está limitadapor la detonación de la premezcla y depende dela carga del motor.

Originalmente, el combustible utilizado enla premezcla fue iso-octano (2, 2, 4-trime-tilpentano) por su alta resistencia al autoencen-dido y para investigar el efecto antidetonante dela premezcla, se mezcló con heptano normalpara ajustar el índice de octano del combustible.La ignición de la premezcla se realizó mediantela inyección directa de combustible diesel(Suzuki et al., 1997a y 1997b). Sin embargo,el uso de dos combustibles no es práctico, aun-que la emisión de NOx y humos se redujosimultáneamente en un amplio rango de opera-ción del motor.

Posteriormente, el concepto HCDC se apli-có utilizando combustible diesel tanto para for-mar la premezcla como en la inyección directa(Suzuki et al., 1998; Odaka et al., 1999). Eneste caso, a bajas cargas no se tuvieron proble-mas de detonación de la premezcla, inclusocuando la mayor parte del combustible se in-yectó en premezcla. Por otro lado, para cargasaltas, con más del 60 % del combustible inyec-tado en premezcla se tuvieron problemas dedetonación, lo que incrementó la emisión deNOx y la de humos. Sin embargo, optimizandola presión de admisión y el inicio de la inyec-ción directa, fue posible operar en motor aplena carga, sin incrementar el nivel de las emi-siones de NOx y de humos.

Modo de operación dual

Una de las principales limitantes de la com-bustión premezclada es el rango de operación alque se puede aplicar. En términos del dosadorelativo, para mezclas muy pobres la combus-tión falla, mientras que cuando el dosado relati-vo se incrementa, la combustión pude llegar aser altamente detonante.

Una forma alternativa de abarcar todo el ran-go de carga del motor es usando un modo deoperación dual; esto es, a cargas altas el motorpodría trabajar de forma convencional (MEP oMEC), usando sistemas de postratamiento parareducir las emisiones; por otro lado, en cargasparciales, donde los sistemas de postratamientono son efectivos debido a las bajas temperaturasde los gases de escape, el motor podría trabajaren combustión homogénea, o premezclada(Shimazaki et al., 2003). Obviamente, este mé-todo es más atractivo en motores que trabajanmucho tiempo a cargas parciales, los cuales sebeneficiarían de la reducción de emisiones eneste rango de operación.

El primero en sugerir el uso del modo deoperación dual fue Thring (1989). Él proponeque en ralentí y cargas parciales el motor podríatrabajar en combustión homogénea, mientrasque para el arranque y la operación a plena carga


podría hacerlo como un MEP convencional. Deesta forma, se podrían mantener las ventajas dela alta potencia específica y bajas emisiones departículas de los MEP al mismo tiempo que laeconomía de los MEC en ralentí y cargas parcia-les (no habría pérdidas por estrangulamiento).Además, este motor podría ser menos ruidosoque un motor diesel en ralentí y en cargas par-ciales.

Recientemente, el Institut Français du Pétroledesarrolló un sistema de combustión capaz deeliminar casi totalmente las emisiones de NOx ypartículas, manteniendo el rendimiento estándarde los motores diesel de inyección directa. Estesistema, llamado NADITM (Narrow Angle DirectInjection) (Walter et al., 2003), usa la combus-tión homogénea en cargas parciales y trabaja encombustión diesel convencional en cargas altas.

A cargas parciales (incluyendo los ciclosMVEG –Motor Vehicle Emissions Group– y FTP–Federal Test Procedure–), la combustión ho-mogénea permite reducir considerablemente lasemisiones de NOx y partículas, manteniendouna buena eficiencia de combustible. A 1 500 y2 500 rpm, las emisiones de NOx y partículasse mantuvieron por debajo de 0,05 g/kWh,(100 y 10 veces más bajo que con un motordiesel convencional, respectivamente) alcanzan-do valores de 0,6 y 0,9 MPa de presión mediaefectiva indicada (imep). A plena carga, estesistema de combustión es coherente con losestándares de densidad de potencia de los futu-ros motores diesel.

Características de la combustión premezclada

A pesar de la gran variedad de sistemas decombustión premezclada existentes, como se havisto hasta ahora, fundamentalmente todos es-tos métodos dependen de la combustión porcompresión de una mezcla pobre y/o altamentediluida, que carece de regiones con temperaturaslocales altas o frentes de llama.

Aunque se puede considerar que la combus-tión premezclada es un híbrido entre la com-bustión de encendido provocado y la de encen-

dido por compresión, en realidad el proceso decombustión es completamente diferente. En lacombustión premezclada, toda la mezcla se que-ma casi simultáneamente, ya que las reaccionesque dan lugar al inicio de la combustión empie-zan simultáneamente en muchos puntos dentrode la cámara de combustión. De esta manera, seevita la propagación inestable de la llama, conregiones de dosados pobres y ricos, característicade los motores de encendido por compresión.Además, a diferencia de los motores de encendi-do provocado, las variaciones ciclo a ciclo sonmuy pequeñas ya que la combustión empiezaen muchos puntos. En los MEP estas variacio-nes son grandes ya que el desarrollo inicial de lallama varía significativamente debido a que enla vecindad de la bujía la mezcla no es homogé-nea y a variaciones en las condiciones del flujo(Johansson, 1996).

Cuando la inyección se realiza muy adelanta-da durante la carrera de compresión, la mayoríade los procesos de combustión premezcladamuestran una peculiar liberación de energía endos etapas, como se muestra en la figura 9. Laprimera etapa de esta curva está asociada conreacciones cinéticas a baja temperatura (llamasfrías y/o azules), y el tiempo de retraso entre laprimera y la liberación de calor principal seatribuye al “Régimen de Coeficiente de Tempe-ratura Negativo” de estas reacciones (Pucher etal., 1996).

La combustión premezclada con inyecciónretrasada, sistema MK, no presenta la etapa deoxidación a baja temperatura (llamas frías). Eneste caso, la tasa de liberación de energía exhibeun perfil de una sola etapa, con un incrementogradual de la liberación de energía al inicio de lacombustión, como se muestra en la figura 10.

Efecto sobre las emisiones

La principal motivación para el estudio de lacombustión premezclada radica en su potencialpara la reducción significativa de las emisionesde NOx y partículas en comparación con lascombustiones por compresión o de encendido


provocado convencionales. En esta sección seproporciona una breve visión general de las ca-racterísticas de emisión de la combustiónpremezclada.

Óxidos de nitrógeno (NOx)

Tal vez la mayor atracción de la combustiónpremezclada es que ésta puede reducir la emi-sión de NOx entre un 90 % y un 98 % encomparación con la combustión diesel conven-cional. La ausencia de un frente de llama en la

combustión premezclada y el uso de mezclaspobres y/o altamente diluidas, hacen que lastemperaturas de combustión sean muy bajas,evitando así la formación de NOx.

Partículas

Los resultados experimentales muestran quela combustión premezclada también producebajos niveles de emisión de partículas (PM). Secree que el mecanismo para la reducción en laemisión de este contaminante es la ausencia decombustión por difusión y regiones de dosadosricos, lo que evita la formación de hollín. Deesta manera, aunque se utilicen grandes cantida-des de EGR para diluir la mezcla, la emisión departículas en el escape será baja, ya que el EGRprácticamente no incrementará su formación(Dec y Kelly-Zion, 2000).

Hidrocarburos sin quemar ymonóxido de carbono

En contraste con la emisión de NOx y PM,en la combustión premezclada la emisión deHC y CO es generalmente más alta que en lacombustión convencional. Un factor que con-tribuye a esto es la baja temperatura dentro delcilindro debido a las mezclas pobres y/o losaltos niveles de EGR necesarios para la opera-ción satisfactoria de la combustión premezclada.

La alta emisión de HC se debe a varios facto-res. Cuando la inyección se realiza muy adelan-tada, parte del combustible puede quedar depo-sitado en las paredes de la cámara de combustióndando lugar al incremento en la emisión deHC. Por otro lado, las bajas temperaturas decombustión que evitan la formación de NOx,llegan a ser tan bajas que el combustible no seoxida completamente, lo que contribuye a in-crementar la emisión de HC. Incluso si la mez-cla está bien preparada y casi homogénea, la tasade combustión cerca de las paredes probable-mente será más lenta, debido a las bajas tempe-raturas cerca de la pared, lo que provoca que lacombustión sea incompleta (quenching).

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0Ángulo de cigüeñal [grad]

0

40

80

120

DFQ

L [J

/gra

d]

0

40

80

Tasa

de

inye

cció

n [g

/s]

Tiempo de mezcla

Llamas fríaso azules

Figura 9. Características de la combustión premezclada coninyección adelantada.

-10 0 10 20 30 40 50Ángulo de cigüeñal [grad]

0

100

200

300

DFQ

L [J

/gra

d]

Figura 10. Características de la combustión premezclada coninyección retrasada.


Cuando el inicio de la combustión ocurre enel PMS o después, la combustión principal tie-ne lugar durante la carrera de expansión. Si elvolumen se incrementa durante la combustiónpremezclada, la temperatura de combustión sereduce aún más, especialmente al final del pro-ceso, por lo que la oxidación del combustiblepuede llegar a ser incompleta, lo queincrementaría la emisión de HC. Este efecto deincrementar el volumen durante la combustiónes más fuerte cuando la inyección se realizacerca o después del PMS, sistema MK, o con elincremento en la relación de compresión, yaque en este caso, el cambio en el volumen conrespecto al del PMS se incrementa con la rela-ción de compresión (Christensen et al., 1999b).

La emisión de CO es generalmente un indi-cativo de la oxidación incompleta del combus-tible (baja relación aire/combustible). En lacombustión premezclada, la emisión de CO de-pende en gran medida de la carga y de la tempe-ratura de admisión. Con carga alta y aire calien-te en la admisión, la emisión de CO serápequeña (Christensen et al., 1998a y 1998b).Sin embargo, con mezclas pobres y bajas tem-peraturas, la emisión de CO se incrementa con-siderablemente.

Rendimiento

La combustión premezclada se caracteriza ge-neralmente por altas tasas de liberación de ener-gía, lo que la puede aproximar al ciclo Ottoideal si la posición de la combustión está biensincronizada con la posición del pistón. Ade-más, las bajas temperaturas asociadas con estetipo de combustión reducen la transferencia decalor hacia las paredes, lo que favorece el rendi-miento indicado del ciclo.

El rendimiento indicado depende principal-mente del rendimiento de la combustión y de laposición de la combustión en el ciclo (fase de lacombustión). En la combustión homogénea,además, el rendimiento de la combustión tam-bién se ve fuertemente afectada por el inicio dela combustión. Esto significa que la fase de la

combustión más favorable para el rendimientoindicado no da el mejor rendimiento de la com-bustión. Esto explica por qué el rendimientoindicado en algunos casos se incrementa inclusocuando se empeora la calidad de la combustión(mayor emisión de HC y CO) (Christensen etal., 1999a).

Algunos investigadores publican rendimien-tos indicados comparables con los de un motordiesel de inyección directa a cargas parciales(Thring, 1989; Christensen et al., 1998a, 1998by 1999a; Aoyama et al., 1996; Walter yGatellier, 2003). Sin embargo, el rendimientoindicado en la combustión homogénea puededisminuir cuando se usa gasóleo, debido a lasdificultades para la preparación de la mezcla(mala vaporización de este combustible), el cho-que de pared y las dificultades para controlar lafase de la combustión (Takeda et al., 1996;Gray y Ryan, 1997; Nakagome et al., 1997;Harada et al., 1998; Christensen et al., 1999b;Hasegawa y Yanagihara, 2003). Sin embargo,estrategias como la de inyecciones múltiples(Yokota et al., 1997 y 1998), mejora el consu-mo en la región donde se obtiene un nivel muybajo de emisión de NOx.

Finalmente, a pesar de que en la combustiónMK el inicio de la combustión se da despuésdel PMS, lo que perjudica el rendimiento de lacombustión, el alto nivel de torbellino y lasbajas temperaturas de combustión incrementanel rendimiento térmico del ciclo.

Retos de la combustión premezclada

El estudio de los diferentes sistemas que uti-lizan el concepto de combustión homogénea, opremezclada, realizado hasta ahora, muestra losbeneficios potenciales de este tipo de combus-tión. Sin embargo, este estudio también revelaalgunas dificultades que se deberán vencer antesde poder explotar completamente este tipo decombustión. Entre estas dificultades se encuen-tran la preparación de la mezcla, el control de lacombustión y el grado de carga. A continuaciónse repasa brevemente cada una.


Preparación de la mezcla

Una preparación efectiva de la mezcla homo-génea y evitar el choque de pared es crucial paraalcanzar altas eficiencias, reducir las emisiones deHC y PM y evitar la dilución del aceite. Lahomogeneidad de la mezcla influye directamenteen las reacciones que controlan la fase de la com-bustión en la combustión homogénea; sin em-bargo, existe evidencia experimental de que sepueden alcanzar bajos niveles de emisión de NOxy humos incluso con un cierto grado de nohomogeneidad en la mezcla (combustión MK), oincluso con una combustión que no sea comple-tamente premezclada (Benajes et al., 2004b).

La preparación homogénea de la mezcla esmás difícil con combustibles de baja volatilidad,como el gasóleo, que requieren elevadas tempe-raturas de admisión para reducir la emisión dehumos, cuando la inyección se realiza en elcolector de admisión.

Control de la combustión

Uno de los principales problemas de la com-bustión homogénea es el control de la posiciónde la combustión en el ciclo (fase de la combus-tión), cuando la inyección se realiza muy adelan-tada. A diferencia de la combustión de encendi-do provocado y de la de encendido porcompresión, en la combustión homogénea noexiste un método directo para controlar el iniciode la combustión. En este caso, el inicio de lacombustión es una complicada función de laspropiedades y concentración del combustible, lahomogeneidad de la mezcla, la fracción de gasesresiduales, la tasa de EGR, la relación de compre-sión, la temperatura de admisión y algunos otrosparámetros que dependen del diseño del motor.

Para controlar la fase de la combustión sehan utilizado diferentes estrategias, las cuales sepueden dividir entre las que intentan controlarla evolución de la temperatura a la que se expo-ne la mezcla y las que intentan alterar las pro-piedades de la mezcla para reducir su auto-inflamabilidad.

La temperatura de la mezcla en el cilindro seha controlado variando el inicio de la inyección,controlando la temperatura de admisión, inyec-tando agua en la mezcla y variando la relaciónde compresión. Por otro lado, para alterar lareactividad de la mezcla se han variado las pro-piedades del combustible, el dosado relativo, omediante EGR. El EGR también se puede usarpara modificar la temperatura de la mezcla.

Todos estos métodos han sido probados a lolargo de los años; sin embargo, en la actualidadno existe un método simple que resuelva esteproblema.

Grado de carga

Otra desventaja de la combustión homogé-nea es el limitado grado de carga en el cual sepuede aplicar. Una combustión homogénea es-table se puede lograr con dosados relativos po-bres y/o con grandes cantidades de EGR. Sinembargo, cuando el dosado se aproxima a valo-res estequiométricos (sin dilución con EGR), sepierde la estabilidad de la combustión, seincrementa la tasa de liberación de energía, apa-recen problemas de detonación y se pierden losbeneficios en la reducción de emisiones.

Se han probado diferentes estrategias paraincrementar el rango de operación de la com-bustión homogénea, entre éstas se encuentran lasobrealimentación del motor, la combustión endos etapas de inyección (MULDIC), la com-bustión mixta y el modo de operación dual.

Síntesis

En este trabajo se presenta una revisión delos sistemas de combustión que utilizan el con-cepto de combustión homogénea, o premez-clada, los cuales se muestran en la tabla 1. Enlas tablas 2, 3 y 4 se resumen las principalescaracterísticas de los sistemas revisados. Dada lagran variedad de motores, combustibles y estra-tegias utilizadas, sobre todo en el sistema HCCI,los valores presentados en estas tablas son repre-sentativos y tal vez no incluyan algunos resulta-


Acrónimo Nombre Referencia

ATAC Active-Thermo Atmosphere Combustion Onishi et al., (1979)

CIHC Compression-Ignited Homogeneous Charge Najt y Foster, (1983)

HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition Thring, (1989)

PREDIC Pre-mixed Lean Diesel Combustion Takeda et al., (1996)

AR Active Radical Ishibasi y Asai, (1996)

PCCI Pre-mixed Charge Compression Ignition Aoyama et al., (1996)

UNIBUS Uniform Bulky Combustion System Yanagihara, (1996)

HiMICS Homogeneus Charge Inteligent Multiple Injection Combustion System

Yokota et al., (1997)

HCDC Homogeneous Charge Diesel Combustion Suzuki et al., (1997a y 1997b)

MULDIC Multiple Stage Diesel Combustion Hashizume et al., (1998)

MK Modulated Kinetics Kimura et al., (1999)

PCI Pre-mixed Compression-Ignited Combustion Iwabuchi et al., (1999)

CAI Controlled Auto-Ignition Lavy et al., (2000)

Tabla 1. Sistemas de combustión alternativos.

Inyección Sistema NOx PM HC/CO Gi

Indirecta

CIHC HCCI PCCI CAI

Muy bajo Bajo (-27%) Alto Comparable/DI

HiMICS Bajo Bajo Alto

(3000-8000ppm)

Mejora en un área limitada

UNIBUS PCI

Muy bajo Muy bajo Aceptable

(2000ppm) Alto (+10%)

Directa adelantada

PREDIC, MULDIC Muy bajo

Se reducen (1/2) Alto Alto (+15%)

Directa retrasada MK

Muy bajo (-90%)

Muy bajo Bajo

(


Inyección Sistema Configuración Choque de pared

Relación de compresión

Cilindrada (cc)

Indirecta

CIHC HCCI PCCI CAI

Simple Sí Variable (10-28)

500-2000

HiMICS Simple Sí 18 2147

UNIBUS Simple Sí Variable (12-21)

915

PCI Simple Limitado 12 2000

Directa adelantada

PREDIC, MULDIC

Muy complicada Sí 16,5 2004

Directa retrasada MK Simple No 18 y 16

488 622

Tabla 4. Comparación en el diseño entre los sistemas de combustión alternativos.

Inyección Sistema Control

inicio de la reacción

Detonación a carga alta

Grado de carga EGR

Indirecta

CIHC HCCI PCCI CAI

No Alta Grande

(pmi 16 bar) Alto

(65%)

HiMICS Posible No Grande Bajo

(15%)

UNIBUS Posible Alta Pequeño

(pmi 3 bar) ?

PCI Posible Alta Grande con sobrealimentación

No pero posible

Directa adelantada

PREDIC, MULDIC Posible Alta

Muy limitado (Fr


dos particulares que se pueden encontrar en laamplia literatura disponible hoy en día sobreeste tema.

En la tabla 2 se muestra una comparación enlas emisiones entre los sistemas alternativos ana-lizados. Esta tabla refleja las principales ventajasde la combustión homogénea (reducción en laemisión de NOx y PM) y una de sus principalesdesventajas (alta emisión de HC y CO). Porotro lado, se muestra también que el rendi-miento de estos sistemas en general es compara-ble al de la combustión diesel convencional.

Finalmente, en las tablas 3 y 4 se presentanalgunas características de la combustión en estossistemas, así como de los motores utilizados.

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resumen / abstract procesos alternativos de combustión en...

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