Estudio del proceso de combustión premezclada controlada por la reactividad del combustible en un motor de encendido por compresión

Resumen

MOTIVACIÓN En la actualidad, los fabricantes de motores necesitan satisfacer al usuario mediante tecnologías que cumplan con las regulaciones medioambientales vigentes y que demuestren un consumo de combustible contenido, sin que ésto suponga una merma en prestaciones. Para ello, la comunidad científica ha realizado un importante esfuerzo de investigación, en busca de soluciones limpias y eficientes. Fruto de dicho esfuerzo ha surgido un nuevo modo de combustión, el cual agrupa las principales estrategias de control aplicables a los procesos de combustión premezclados en motores de encendido por compresión: la combustión premezclada controlada por la reactividad del combustible (RCCI). Así pues, el objetivo de esta tesis doctoral es determinar y analizar el potencial del modo de combustión RCCI, para controlar el nivel de emisiones y el consumo de combustible, en un motor de encendido por compresión para el transporte pesado por carretera. DESARROLLO Para abordar dicho objetivo, la presente tesis se ha desarrollado en tres etapas. En la primera, se ha realizado una aproximación experimental desde una combustión Diesel convencional hasta una combustión RCCI, cuya fenomenología se ha estudiado en detalle mediante modelado 3D-CFD. Con este análisis se ha obtenido una descripción fundamental del proceso de combustión RCCI, que constituye la base de la investigación. En la segunda etapa, se han llevado a cabo estudios paramétricos para las distintas variables de control del proceso de combustión objeto de estudio, analizando de forma secuencial el proceso de mezcla, el de combustión, las prestaciones y las emisiones contaminantes, mediante el uso combinado de fuentes de información experimental y teórica. De este modo, se ha identificado cómo afecta la actuación sobre las distintas variables de control del proceso de combustión RCCI, a las prestaciones y emisiones contaminantes del mismo. Finalmente, para alcanzar el objetivo de la tesis doctoral, se ha comprobado la viabilidad de este modo de combustión para operar en todo el rango de carga del motor. Aplicando un algoritmo de optimización multi-objetivo de acuerdo con el contexto socio-económico, se ha definido la combinación de estrategias de control a emplear en función de las condiciones de operación. Y por último, se ha comparado críticamente dicha operación en modo RCCI frente a una combustión Diesel convencional, en todo el rango de carga del motor. CONCLUSIÓN Con este trabajo se ha demostrado que el modo de combustión RCCI tiene un gran potencial tecnológico para su implementación en los motores futuros para el transporte pesado por carretera. BIBLIOGRAFÍA - IDAE. Guías Conducción eficiente de vehículos industriales 001. Fundación Transporte y Energía, España, 2011. - International Energy Agency. Key world Statistics 2014. España, 2014. - Zamboni G, Capobianco M. Experimental study on the effects of HP and LP EGR in an automotive turbocharged diesel engine. Applied Energy 2012;94:117-28. - Pickett LM, Siebers DL, Non-sooting, low flame temperature mixing-controlled DI Diesel combustion. SAE paper 2004-01-1399; 2004. - Benajes J, Molina S, Novella R, Amorim R. Study on low temperature combustion for light-duty Diesel engines. Energy and Fuels 2010;24:355-64. - Benajes J, Molina S, Novella R, Belarte E. Evaluation of massive exhaust gas recirculation and Miller cycle strategies for mixing-controlled low temperature combustion in a heavy duty diesel engine. Energy 2014;71:355-66. - Yao M, Zheng Z, Liu H. Progress and recent trends in homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines. Progress in Energy and Combustion Science 2009;35:398-37. - Dodge LG, Simescu S, Neely GD, Maymar MJ, Dickey DW. Effect of Small Holes and High Injection Pressures on Diesel Engine Combustion. SAE technical paper 2002-01-0494;2002. - Benajes J, Novella R, García A, Arthozoul S. The role of in-cylinder gas density and oxygen concentration on late spray mixing and soot oxidation processes. Energy 2011;36:1599-11. - Wada Y, Senda J. Demonstrating the Potential of Mixture Distribution Control for Controlled Combustion and Emissions Reduction in Premixed Charge Compression Ignition Engines. SAE technical paper 2009-01-0498;2009. - Torregrosa AJ, Broatch A, García A, Mónico LF. Sensitivity of combustion noise and NOx and soot emissions to pilot injection in PCCI Diesel engines. Applied Energy 2013;104:149-57. - Millo F, Giacominetto PF, Bernardi MG. Analysis of different exhaust gas recirculation architectures for passenger car Diesel engines. Applied Energy 2012;98:79-91. - Benajes J, Molina S, Martín J, Novella R. Effect of advancing the closing angle of the intake valves on diffusion-controlled combustion in a HD diesel engine. Applied Thermal Engineering 2009;29:1947-54. - Han X, Zheng M, Wang J. Fuel suitability for low temperature combustion in compression ignition engines. Fuel 2013;109:336-49. - Inagaki K, Fuyuto T, Nishikawa K, Nakakita K, Sakata I. Dual-Fuel PCI Combustion Controlled by In-Cylinder Stratification of Ignitability. SAE technical paper 2006-01-0028;2006. - Kokjohn SL, Hanson RM, Splitter DA, Reitz R.D. Experiments and Modeling of Dual-Fuel HCCI and PCCI Combustion Using In-Cylinder Fuel Blending. SAE technical paper, 2009-01-2647; 2009. - Benajes J, Molina S, García A, Belarte E, Vanvolsem M. An investigation on RCCI combustion in a heavy duty diesel engine using in-cylinder blending of diesel and gasoline. Applied Thermal Engineering 2014;63:66-76. - Duffour F, Ternel C, Pagot, A. IFP Energies Nouvelles Approach for Dual Fuel Diesel-Gasoline Engines. SAE technical paper 2011-24-0065;2011. - Kokjohn SL, Hanson RM, Splitter DA, Reitz RD. Fuel reactivity controlled compression ignition (RCCI): A pathway to controlled high-efficiency clean combustion. International Journal of Engine Research 2011;12:209-26. - Ma S, Zheng Z, Liu H, Zhang Q, Yao M. Experimental investigation of the effects of diesel injection strategy on gasoline/diesel dual-fuel combustion. Applied Energy 2013;109: 202-12. - Splitter D, Wissink M, Hendricks TL, Ghandhi JB, Reitz R. Comparison of RCCI, HCCI, and CDC Operation from Low to Full Load. THIESEL 2012 Conference. - Cheng AS, Upatnieks A, Mueller CJ. Investigation of fuel effects on dilute, mixing-controlled combustion in an optical direct-injection diesel engine. Energy and Fuels 2007; 21(6):3750-64. - Benajes J, López JJ, Novella R, García A. Advanced Methodology for Improving Testing Efficiency in a Single-Cylinder Research Diesel Engine. Experimental Techniques 2008;32:41-47. - Benajes J, Serrano JR, Dolz V, Novella R. Analysis of an extremely fast valve opening camless system to improve transient performance in a turbocharged high speed direct injection diesel engine. International Journal of Vehicle Design 2009;49:192-13. - Christian R, Knopf F, Jasmek A, Schindler W. A New Method for the Filter Smoke Number Measurement with Improved Sensitivity. MTZ Motortechnische Zeitschift 1993;54:16-22. - Lapuerta M, Armas O, Hernández JJ. Diagnostic of D.I. Diesel Combustion from In-Cylinder Pressure Signal by Estimation of Mean Thermodynamic Properties of the Gas. Applied Thermal Engineering, 1999;19:513¿29. - Payri F, Molina S, Martín J, Armas O. Influence of measurement errors and estimated parameters on combustion diagnosis. Applied Thermal Engineering 2006;26:226-36. - Way RJB. Methods for Determination of Composition and Thermodynamic Properties of Combustion Products for Internal Combustion Engine Calculations. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers 1976;190(60):686-97. - Senecal PK, Richards KJ, Pomraning E, Yang T, Dai MZ, McDavid RM, Patterson MA, Hou S, Shethaji T. A New Parallel Cut-Cel lCartesian CFD Code for Rapid Grid Generation Applied to In-Cylinder Diesel Engine Simulations. SAE technical paper 2007-01-0159;2007. - Dukowicz J. A particle fluid numerical model for liquid sprays. Journal of Computational. Physics 1980;2:111-566. - Beale J, Reitz RD. Modeling spray atomization with the Kelvin-Helmholtz/Rayleigh-Taylor hybrid model. Atomization and Sprays 1999;9(6):623-50. - Han Z, Reitz RD. A Temperature Wall Function Formulation for Variable Density Turbulence Flow with Application to Engine Convective Heat Transfer Modeling. International Journal Heat and Mass Transfer 1997;40. - Babajimopoulos A, Assanis DN, Flowers DL, Aceves SM, Hessel RP. A fully coupled computational fluid dynamics and multi-zone model with detailed chemical kinetics for the simulation of premixed charge compression ignition engines. International Journal of Engine Research 2005;6. - Ra Y, Reitz RD. A reduced chemical kinetic model for IC engine combustion simulations with primary reference fuels. Combustion and Flame 2008;155. - Kong SC, Sun Y, Reitz RD. Modeling Diesel Spray Flame Lift-off, Sooting Tendency, and NOx Emissions Using Detailed Chemistry with Phenomenological Soot Model. ASME Journal of Gas Turbines and Power 2007;129:245-51. - Hanson RM, Kokjohn SL, Splitter DA, Reitz RD. Low load investigation of reactivity controlled compression ignition (RCCI) combustion in a heavy-duty engine. SAE technical paper 2011-01-0361;2011.