Capitulo 2
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Swirl y combustión HCCI 2. INFLUENCIA Swirl y combustión DEL MOVIMIENTO SWIRL EN LA COMBUSTIÓN HCCI. El modo de combustión HCCI es bastante más complejo de modelar y regular que la combustión diesel o la combustión de gasolina debido a que el inicio de combustión está determinado por la cinética química de la misma. La cinética química en la combustión HCCI esta dominada principalmente por la temperatura, presión y composición de la mezcla. La finalidad de este proyecto es dilucidar el efecto que tiene el swirl sobre la combustión HCCI. Es decir que se pretende correlacionar el swirl con la combustión HCCI a través de algunos de las variables que influyen sobre la cinética química. El Swirl a priori puede influir sobre dos de estas variables: sobre la temperatura y sobre la composición. Sobre la temperatura puede influir al variar la transmisión de calor debido a la variación los coeficientes de películas ya que estos dependen en parte de la velocidad del fluido. Sobre la composición el swirl puede influir sobre el proceso de mezcla alterando así el ratio aire-combustible. En este capítulo se presenta la información disponible acerca del efecto del swirl sobre la combustión HCCI obtenida experimentalmente y por simulación. Además se intenta buscar una explicación teórica al efecto que se observa que tiene el swirl sobre la transmisión de calor y sobre el proceso de mezcla. 2.1. Influencia sobre la transmisión de calor. En primer lugar se explicará el efecto que tiene la transmisión de calor sobre la combustión HCCI. La transmisión de calor influye directamente sobre la temperatura. Durante el proceso de admisión las paredes del cilindro están a mayor temperatura que el gas de entrada y por lo tanto la transmisión de calor es hacía el gas, mientras que durante la carrera de compresión el gas aumenta de temperatura debido a la compresión y la transmisión de calor es hacia las paredes del cilindro. La diferencia de temperatura entre el gas y las paredes del cilindro durante el proceso de admisión es mucho más pequeña que la que ocurre durante el proceso de compresión, es decir que es mucho mayor la transmisión de calor durante la carrera de compresión que durante la carrera de admisión. Si aumenta la transmisión de calor debido a un cambio de la distribución de velocidades en el cilindro entonces tenemos que la temperatura de la carga disminuirá. 23 Swirl y combustión HCCI Swirl y combustión Una temperatura de la carga menor retrasa el encendido de la mezcla pues para alcanzar la temperatura de autoignición se necesita de un mayor grado de compresión pues se está perdiendo más calor que antes a través de las paredes. Este retraso de la autoignición puede tener un efecto positivo o negativo en función de la ubicación del punto de autoignición original. En las siguientes líneas se detalla el efecto que tiene el retraso de la autoignición en función de la ubicación del original. -Si el punto original se encuentra antes del punto de autoignición de máximo rendimiento el retraso de la autoignición provoca que aumente el rendimiento de la combustión. Además la presión máxima y gradiente de presiones son mayores, lo que puede dar lugar a combustión detonante en ciertas circunstancias. -Si el punto original se encuentra después del punto de autoignición de máximo rendimiento el retraso de la autoignición provoca que disminuya el rendimiento de la combustión. Además la presión máxima y gradiente de presiones son menores lo que disminuye el riesgo de que se produzca combustión detonante. La información que se presenta a continuación proviene de resultados de un modelo [41] y de resultados experimentales [42]. Como en cada referencia se utiliza un combustible distinto, en la primera hidrógeno y en la segunda gasolina, tan solo se presentan en este trabajo los resultados que coinciden en ambos trabajos. Según [41] y [42] el aumento del índice de swirl se traduce en un aumento de la transmisión de calor. Concretamente se traduce en un aumento de las pérdidas de calor a través de las paredes. 2.2. Influencia sobre el proceso de mezcla. Existen dos procesos de mezcla: el proceso de mezcla térmica y el proceso de mezcla de aire-combustible. El proceso de mezcla aire-combustible puede producirse en el colector de admisión o en el mismo cilindro (inyección directa), el proceso de mezcla aire-combustible afectará a la combustión HCCI si se produce en el interior del cilindro. En primer lugar se explicará el proceso de mezcla térmica considerando que al cilindro entra una mezcla homogénea de aire-combustible. La mezcla entra toda a la misma temperatura pero una vez en el interior del cilindro empieza a intercambiar calor con las 24 Swirl y combustión HCCI Swirl y combustión paredes que están a distinta temperatura, este intercambio de calor hace que la mezcla cercana a las paredes este a distinta temperatura que la mezcla más alejadas de las mismas. Es decir que la mezcla presente en el cilindro tiene distintas temperaturas en función de su posición. La diferencia entre la máxima y la mínina temperatura puede llegar a ser de 100 k. El proceso de mezcla térmica consiste en disminuir este gradiente de temperaturas mediante el transporte de calor convectivo debido al movimiento de los gases en el interior del cilindro. Uno de los movimientos del transporte convectivo es el swirl. Una menor diferencia de temperaturas hace que una zona mayor de la mezcla entre en ignición al mismo tiempo reduciendo el tiempo de la combustión HCCI. Además si el proceso de mezcla es insuficiente pueden aparecer zonas cercanas a las paredes que no alcancen la temperatura de autoignición produciéndose en este caso inquemados en los gases de escape. Por otro lado el proceso de mezcla aire combustible se produce en el interior del cilindro cuando el combustible se inyecta de forma directa. Este proceso de mezcla siempre se produce junto con el de mezcla térmica. En el momento de la inyección hay zonas con un dosado muy rico y otras con un dosado muy pobre. El proceso de mezcla consiste en la mezcla de los gases de las disitintas zonas para obtener un dosado homogéneo en todo el cilindro. Uno de los movimientos que potencian esta mezcla es el swirl. Si la inyección de combustible se produce de forma tardía, el combustible no logrará dispersarse de forma homogénea en el cilindro dando lugar a una carga estratificada. Es decir el dosado de la mezcla no será homogéneo. Esto tiene las siguientes implicaciones: -La temperatura de autoignición depende del dosado por lo que en el cilindro cada punto tendrá una temperatura de autoignición distinta. Es decir la ignición será más escalonada dando lugar a una mayor duración de la combustión y por tanto a un menor gradiente de presión en el cilindro. Este efecto puede ser casi imperceptible. -La estratificación puede dar lugar a puntos que sobrepasen o estén en los límites de inflamabilidad. Esto supone una mayor emisión de partículas de hidrocarburos sin quemar y de CO procedente de una mala combustión. En la bibliografía [43] la forma de medir el efecto del swirl experimentalmente sobre el proceso de mezcla se realiza de forma indirecta. Se mide el efecto del swirl sobre las emisiones de HC y de CO y a menores emisiones de las mismas para el mismo el punto de inyección de combustible y condiciones de funcionamiento del motor mejor es la mezcla. En 25 Swirl y combustión HCCI Swirl y combustión las siguientes líneas se muestran los resultados y conclusiones del efecto del swirl sobre las emisiones. En la bibliografía se opera un cilindro de un motor de 6 cilindros en modo HCCI mientras que los otros 5 se operan en diesel. Parte de los gases de salida de los 5 cilindros operados en combustión diesel son recirculados al cilindro que se opera en modo HCCI. En la figura 2.1 se muestra la influencia del punto de inyección en las emisiones de humo para dos índices de swirl distintos. El caso del índice de swirl bajo presenta un mínimo local para un punto de inyección a -290 º del PMS. Es interesante observar que el nivel de humos es menor a la salida del cilindro en modo HCCI que a la entrada, esto demuestra que la combustión HCCI consume las partículas sin quemar que son producidas en la combustión diesel de los otros cinco cilindros. El efecto del incremento del swirl es claro, reduce las emisiones de humo para todos los puntos de inyección. La figura 2.1 está representada con un eje y logarítmico. Fig. 2.1 Teniendo en consideración la escala se observa que la reducción de humo es mayor para los puntos de inyección más adelantados y más atrasados. Esto muestra que el incremento del swirl incrementa el proceso de mezcla aire-combustible. El incremento del proceso de mezcla es importante para la inyección muy adelantada ya que el pistón a alta temperatura puede 26 Swirl y combustión HCCI Swirl y combustión calentar los gases cercanos al mismo produciéndose una combustión menos homogénea. Para la inyección tardía el proceso de mezcla es igualmente importante para evitar la presencia de zonas con un dosado rico en el momento de la autoignición. La razón para la reducción del nivel de humos cuando se aumenta el nivel de swirl incluso para un punto de inyección -290 º antes del PMS se encuentra en la combustión de las partículas que entran al cilindro. El aumento del índice de swirl mejora la distribución del aire de entrada al cilindro. Es decir se minimiza la cantidad de bolsas con nada o escaso combustible presente en las cuales las partículas que entran escapan de la combustión. La figura 2.2 muestra la influencia del punto de inyección en las emisiones de CO para dos índices de swirl distintos. Otra vez puede observarse que los niveles de emisión más bajos ocurren para el caso de alto índice de swirl. La mejora del proceso de mezcla es otra vez la razón más importante para estos bajos niveles. Para la inyección muy adelantada o muy atrasada la mejora del proceso de mezcla reduce la cantidad de regiones de dosado rico, lo que hace que se reduzca la producción de CO. La reducción de CO incluso para un punto de inyección 290 º antes del PMS puede explicarse parcialmente por la formación de una mezcla más homogénea. Fig. 2.2 Además se conoce por la experimentación con motores HCCI de premezcla que una gran parte de las emisiones de CO proceden de la capa límite térmica. Este hecho abre la 27 Swirl y combustión HCCI Swirl y combustión puerta a una nueva razón para la reducción de las emisiones de CO con el aumento del swirl. Una parte de la reducción de CO debida al aumento del índice de swirl se debe (incluso en las condiciones más homogéneas) a una capa límite térmica más fina resultado de mayores velocidades en el interior del cilindro. Fig. 2.3 En la figura 2.3 se observa la influencia del punto de inyección en las emisiones de HC para dos índices de swirl. Una vez más se observa que el aumento del nivel de swirl disminuye las emisiones. La reducción es notablemente mayor para los puntos de inyección más adelantados o más atrasados. El aumento del nivel de swirl obviamente disminuye el mojado del pistón y/o aumenta la vaporización del combustible que se encuentra en la superficie del pistón. La disminución en las emisiones de HC es menor para los puntos de inyección que dan lugar a mezclas más homogéneas (alrededor de -290 º antes del PMS). Este resultado es esperable ya que la mayoría de las emisiones de HC se generan en los huecos y cavidades cuando la mezcla es totalmente homogénea. Las emisiones sobretodo se producen cuando el cilindro se encuentra en las inmediaciones del PMS ya que en esta posición es en la que las cavidades tienen mayor relación área/volumen. 28 Swirl y combustión HCCI Swirl y combustión Figs. 2.4 En la figura 2.4 se observa la eficiencia de la combustión en función del punto de inyección y para dos índices de swirl distintos. Está claro que el aumento del índice de swirl mejora la combustión, especialmente para los puntos de inyección muy adelantados o muy atrasados. 29 Swirl y combustión HCCI Swirl y combustión Fig. 2.5 La figura 2.5 muestra la influencia del punto de inyección sobre las emisiones de NOX para dos índices de swirl. En el cuadro superior se observa que el nivel de NOX aumenta fuertemente con el aumento del nivel de swirl para los últimos puntos de inyección. El aumento del nivel de swirl crea una mezcla cercana a las condiciones estequiométricas. Una combustión más intensa de las zonas ricas en combustible también puede contribuir al mayor nivel de NOX. Sin embargo debe tenerse en cuenta que en la práctica los punto de inyección 30 Swirl y combustión HCCI Swirl y combustión muy atrasados son de poco interés para la carga de combustible elegida. Los niveles de emisiones más bajos se encuentran para un punto de inyección 290 antes del PMS para el caso de swirl bajo y 310º antes del PMS para el caso de alto swirl. Para estos puntos de inyección se observa que la influencia del aumento del swirl no es negativa como puede observarse en el cuadro inferior de la figura 2.5. Sin embargo las emisiones de NOX de entrada al cilindro son ligeramente mayores para el caso de alto swirl comparándolas con las emisiones de entrada en el caso de bajo swirl. Las razones para este comportamiento no son claras. De todas formas los niveles de emisiones de NOX son claramente inferiores para ambos niveles del índice de swirl que el de entrada cuando los puntos de inyección están adelantados. Estos resultados indican que el aumento del swirl no tiene por que aumentar la formación de NOX para condiciones homogéneas a pesar de la mejora en la eficiencia de la combustión. 31
