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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 (iso-octano 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.

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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 n-heptano 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) iso-octano 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.

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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

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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% iso-octano 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·)

Reacción 300°∆H

LogA E logA+ E+ logA- E-

1. 22 OHRORH && +⇔+ 46.4 1.5 46.0 13.5 46.0 12.0 0.0

2. 22 OROR && ⇔+ -30.1 -1.4 -27.4 12.0 0.0 13.4 27.4

3. HQOOOR && ⇔2

n-heptano 7.50 0.9 8.0 11.9 19.0 11.0 11.0

iso-octano 7.50 0.0 11.24 11.0 22.4 11.0 11.0

4. OQOOHOOHQOO && ⇔+ 2 -30.1 -1.9 -27.4 11.5 0.0

13.4 27.4

5. HOOOHOQHOOQOO && +⇒ ´ -26.6 11.3 17.0

6. ROHRHHO && +⇒+ 2 -23.5 13.3 3.0

28

7. HOOOQOOHOQ && +⇒ ´´ 43.6 15.6 40.0

8. 222 OHOOHOHHO +⇒+ && -38.5 12.3 0.0

9. MHOMHOOH +⇒+ &2 51.4 16.88 46.0

10. ORCRCHOOOQ && +⇒ 2´

n-heptano -17.5 14.0 15.0

sRRCHOOOQ && +⇒ 2´

Iso-octano 18.5 14.0 15.0

11. HORCHOCCHQOO && ++=⇒ -3.0 14.4 31.0

12. ORCROOHRCHORO && +⇒+2 -0.6 11.45 8.6

13. ORCHOOHRCHOHO && +⇒+2 -0.6 11.7 8.64

14. HOEpoxHOCC && +⇒+= 2 -0.23 10.95 10.0

15. HOOHRRHHO +⇔+ &&2 8.0 0.9 8.0 11.7 16.0 10.8 8.0

16. RROOHRHRO && +⇔+2 8.0 1.1 8.0 11.2 16.0 10.1 8.0

17. OHORCHORCHO 2+⇒+ && n-heptano -31.5 13.22 0.0

Iso-octano -31.5 13.57 0.0

18. MCOsRMORC ++⇒+ && 10.7 16.78 15.0

19. 22 && RsOOsR ⇔+ -31.0 -1.4 -27.4 12.0 0.0 13.4 27.4

20. HOCCRsO && +=⇒2 17.5 11.75 28.9

21. ORCRsOOHRsORCHO && +⇒+ 2 -0.6 11.53 8.6

22. RRsOOHRsORH && +⇔+ 2 8.0 1.18 8.0 11.28 16.0 10.1 8.0

23. HOORsRsOOH && +⇒ 43.6 15.6 43.0

24. 2´2 && HOORsOORs +⇒+ -26.5 10.6 2.14

25. HOOXYOHCC && +⇒+= 2 -75.5 12.72 -1.04

26. HOORROOH && += 43.6 15.6 43.0

27. RCHOsROR +⇒ && -10.0 13.3 15.0

28. 22 && HOCCRO +=⇒ 4.0 9.85 23.0

29. HOeterRO && +⇒2

n-heptano -25.0 9.48 18.0

Iso-octano -25.0 8.78 18.0

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 n-heptano 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].

29

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 HO& . Después la adición de

2O junto con la descomposición de productos son los principales componentes de los cuales provienen los radicales HO& 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 ( 22OH ) que constituye el principal aporte de HO& . Estos radicales HO& sustraen de la molécula de formaldehído (OCH2 ) 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 2CO siendo muy importante el papel del radical HO& 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 HO& se forman los radicales heptilo de los cuales destaca el

3157 −HC que en una primera adición de 2O se oxida formando 32157 −OHC . Después este radical se isomeriza en seis radicales OOHHC 147 . De estas reacciones destaca la formación del radical 53147 −OOHHC . Con una segunda adición de 2O y con la descomposición sucesiva de los productos hacen que aumenten la cantidad de radicales HO& 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 2147 53 OOOHHC − 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 HO& que reaccionan con el combustible de

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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 HO& en la etapa HRT y es muy importante para la siguiente parte. En esta segunda parte de la HRT la principal fuente de radicales HO& es la reacción de un átomo de hidrógeno con una molécula de oxigeno aunque no es la única reacción que da como resultado radicales

HO& . 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 HO& 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 2CO 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 CHOHC 52 en COHC 52 que posteriormente reacciona dando lugar a una molécula de 52HC más una de CO . El 52HC que reacciona con una molécula de oxígeno y con 2OH & produciendo 42HC y OHC 52 . El radical HO& puede sustraer un átomo de hidrógeno al 42HC dando como resultado 32HC que es la principal fuente del formaldehído. El formaldehído y el monóxido de carbono son los elementos clave en la formación del 2CO . También la especie 184 −HC se va consumiendo y se forma 74HC que a su vez reacciona y va produciendo

64HC y OHC 74 . La reacción de 64HC con el radical HO& para dar 52HC y COCH2 . Luego este COCH2 reacciona generando OCH2 y HCO que

pasarán primero a CO y luego a 2CO . El OHC 74 desaparece produciendo CHOCH3 y 32HC que puede oxidarse generando OCH2 y HCO . Por otro

lado el CHOCH3 está involucrado en la formación de COCH3 que también se descompondrá en 3CH y CO .

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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,

5.0=φ

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.

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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 373 )( OCHOCHC = [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 3)( OCHORC = 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]

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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 373 )( OCHOCHC = :

Reacción A

(cm3mol, s unidades)

EA (cal/mol)

mb+o2 ⇔ ho2+mb2ja 4.00E+13 41,300

mb2oo⇔mb2ooh4j 6.10E+10 25,076 mb+ho2⇔h2o2+mb2j 4.32E+13 14,400 mb+oh⇔h2o+mb3j 4.68E+07 -35 mb+oh⇔h2o+mb4j 5.25E+09 1,590 mb2oo⇔mb2ooh3j 1.09E+12 29,206 mb+ch3o2⇔ch3o2h+mb2j 4.00E+12 14,000 mb+mb2oo⇔mb2ooh+mb2j 2.16E+12 14,400 ch3+o2⇔ch2o+ho2b 5.50E+10 2,424 co2+ch3⇔ch3ocoa 1.50E+11 36,730

mp2d+ch3⇔mb2ja 1.00E+11 7,600

ch3o2+ch3⇔2ch3ob 7.00E+12 -1,000 mb+oh⇔h2o+mb2j 1.15E+11 63 mb+ch3o⇔ch3oh+mb2j 3.80E+10 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.

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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

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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

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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 (2CO + OH2 ) 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

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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 (2CO + OH2 ) 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

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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

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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

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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 aire-combustible 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

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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

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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.

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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

44

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.

45

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

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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

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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

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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

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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.

50

6.1. Resultados con inyección adelantada y combustible gasoil.

- Inyección adelantada 1.500 r.p.m. 20 Nm.

Figura 6.1

Inyección adelantada1500 r.p.m. 20 Nm.

-50

50

150

250

350

450

550

650

750

-23 -18 -13 -8 -3 2 7 12

Angulo Cigüeñal (º)

HR

R (

J/º)

EGR 0% 20 Nm

EGR 0% Simu.

EGR 14% 24Nm

EGR 14% Simu.

EGR 18% 26 Nm

EGR 18% Simu..

EGR 24% 29 Nm

EGR 24% Simu.

EGR 31% 32 Nm

EGR 31% Simu.

Figura 6.2

51

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.

52

- Inyección adelantada 1.800 r.p.m. 25 Nm.

Figura 6.3

Inyección adelantada 1.800 rpm

-50

50

150

250

350

450

550

650

750

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10

Angulo de Cigüeñal (º)

HR

R (J

/º)

Fr. 0.45 EGR0% 25Nm

Fr. 0.35 EGR15% 29Nm

Fr. 0.20 EGR19% 31Nm

Fr. 0.45 Sim.

Fr. 0.35 Sim.

Fr. 0.20 Sim.

Figura 6.4

53

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.

54

6.2. Resultados con inyección atrasada y combustible gasoil. - Inyección atrasada 2.400 r.p.m. 22 Nm.

Figura 6.5

Inyección Atrasada2.400 r.p.m. 22Nm

-10

40

90

140

190

240

290

0 5 10 15 20 25 30 35

Angulo Cigüeñal (º)

HR

R (J

/º)

EGR 0% Simu.

EGR 10%Simu.

EGR 15%Simu.

EGR 24%Simu.

EGR 32%Simu.

22Nm 0%EGR

18 Nm 10% EGR

16Nm 15% EGR

14Nm 24%EGR

8Nm 32% EGR

Figura 6.6

55

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.

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- Inyección atrasada 1.800 r.p.m. 13 Nm.

Inyección atrasada 1.800 r.p.m.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30 35

Angulo Cigüeñal

Pre

sión

(Bar

)

13 Nm 0% EGR12 Nm 10%EGR9Nm 15% EGR7Nm 24% EGR5Nm 32% EGR

Figura 6.7

Inyección Atrasada 1800 r.p.m.

-10

40

90

140

190

240

290

0 5 10 15 20 25 30 35

Angulo Cigüeñal (º)

HR

R (

J/º)

13 Nm 0%EGR

12 Nm 10%EGR

9Nm 15%EGR

7 Nm 24%EGR

5 Nm 32%EGR

EGR 0% Simu.

EGR 10% Simu.

EGR 15% Simu.

EGR 24% Simu.

EGR 32% Simu.

Figura 6.8

57

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.

58

6.3. Resultados con inyección atrasada y combustible biodiésel.

1. Biodiésel B0 (gasoil puro).

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

340 350 360 370 380 390

Angulo Cigüeñal (º)

Pre

sión

(B

ar)

EGR 0%

EGR 11,5%

EGR 16,6%

EGR 24,3%

Biodiésel B0 2.100 r.p.m. Dosado rel.=0,45

Figura 6.9

-5

45

95

145

195

245

295

340 359 364 369 374 379 384 389 394 399

Angulo Cigüeñal (º)

HR

R (J

/º)

EGR 0%

EGR 11,5%Simu.

EGR 16,6%

EGR 24,3%

EGR 0%Simu.

EGR 11,5%

EGR 16,6%Simu.

EGR 24,3%Simu.

Biodiésel B0 2.100 r.p.m. Dosado rel.=0,45

Figura 6.10

59

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.

60

2. Biodiésel B30.

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

340 350 360 370 380 390

Angulo Cigüeñal (º)

Pre

sión

(Bar

)

EGR 0,0%

EGR 11,5%

EGR 16,6%

EGR 24,3%

Biodiésel B302.100 r.p.m. Dosado rel.=0,45

Figura 6.11

-5

45

95

145

195

245

295

340 359 364 369 374 379 384 389 394 399

Angulo Cigüeñal (º)

HR

R (J

/º)

EGR 0%

EGR 11,5%

EGR 16,6%

EGR 24,3%

EGR 0% Sim.

EGR 11,5%Sim.

EGR 16,6%Sim.EGR 24,3%Sim

Biodiésel B302.100 r.p.m. Dosado rel.=0,45

Figura 6.12

61

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.

62

3. Biodiésel B65.

Biodiésel B652.100 r.p.m. Dosado rel,=0,45

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

340 350 360 370 380 390

Angulo Cigüeñal (º)

Pre

sión

(Bar

)

EGR 0%

EGR 11,5%

EGR 16,6%

EGR 24,3%

Figura 6.13

-5

45

95

145

195

245

295

340 359 364 369 374 379 384 389 394 399

Angulo Cigüeñal (º)

HR

R (J/

º)

EGR 0%

EGR 11,5%

EGR 16,6%

EGR 24,3%

EGR 11,5%Sim.EGR 0%Sim.EGR 16,6%Sim.EGR 24,3%Sim.

Biodiésel B652.100 r.p.m. Dosado rel,=0,45

Figura 6.14

63

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.

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4. Biodiésel B100 (biodiésel puro).

Biodiésel B1002.100 r.p.m. Dosado rel,=0,45

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

340 350 360 370 380 390Angulo Cigüeñal (º)

Pre

sión

(Bar

)

EGR 0%

EGR 11,5%

EGR 16,6%

EGR 24,3%

Figura 6.15

-5

45

95

145

195

245

295

340 359 364 369 374 379 384 389 394 399

Angulo Cigüeñal (º)

HR

R (J/

º)

EGR 0%

EGR 11,5%

EGR 16,6%

EGR 24,3%

EGR 0%Sim.EGR 11,5%Sim.EGR 16,6%Sim.EGR 24,3%Sim.

Biodiésel B1002.100 r.p.m. Dosado rel,=0,45

Figura 6.16

65

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.

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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.

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