1931
Modelo ciné ico pa a la simulación de la au oignición en un
p oceso de combus ión homogénea de encendido po
comp esión (HCCI).
To es Ga cía, Miguel; Chaca egui, Rica do; Sánchez, Da id; Jiménez-
Espada o , Fco José; Sánchez Tomas; Muñoz, An onio; Rica do
Chaca egui
Escuela Supe io de Ingenie os. Camino de los Descub imien os s/n. 41092-
SEVILLA(ESPAÑA)
Tl /Fax: 954486111/954486111. miguel_ o [email protected]
Resumen.
El conocimien o del pun o de au oignición de los mo o es bajo combus ión HCCI es un
apa ado undamen al en el u u o desa ollo de es os mo o es. En es e abajo a amos de
p opo ciona una he amien a compu acional, con un de allado es udio de la ciné ica
química, la cual esul a imp escindible pa a la comp esión del enómeno HCCI.
HCCI: Homogeneous comp esion combus ion igni ion.
Abs ac .
This pape e iews some o he engine esea ch esul s and a ailable da a om HCCI
combus ion kine ics s udies. Homogeneous Cha ge Comp ession Igni ion (HCCI)
combus ion has ecen ly eme ged as a iable al e na i e combus ion p ocess o he
con en ional spa k igni ion o comp ession igni ion p ocess o in e nal combus ion
engines, owing oo i s po en ial o high e iciency and ex emely low NOx and pa icula e
emissions.
Me hods o au oma ic quasi-s eady-s a e educ ion o eac ion mechanisms a li e ime
measu e o de ec equilib a ed species has been de eloped and applied o homogeneous
model o HCCI engine uelled wi h i s wo uels.
1. In oducción
El p oceso HCCI combina las p incipales ca ac e ís icas de los sis emas de combus ión más
comunes. Pa imos de una p emezcla supues a homogénea de combus ible–ai e, como ocu e
en un mo o de encendido p o ocado (o gasolina), y po o a pa e, la mezcla es comp imida
has a que comienza la au oignición y pos e io combus ión, que es p opio de mo o es diesel.
Las en ajas son nume osas y dependen del p oceso de combus ión con el que se
compa en.
Compa ándolo con los mo o es de gasolina, HCCI p esen a un p oceso de combus ión
mucho más e ec i o, debido undamen almen e a la eliminación de las pe didas de
ca ga, la u ilización de mayo es elaciones de comp esión y al se un p oceso de
combus ión cuasi-ins an aneo que no necesi a la p opagación del en e de llama.
1932
Máquinas y Mo o es Té micos
Respec o a los mo o es de encendido po comp esión, los mo o es HCCI minimizan las
emisiones de NOx y de pa ículas, debido a la ausencia de al os g adien es de
empe a u a y una p emezcla ica en ai e.
2. Aspec os químicos
La ciné ica química juega un g an papel en la au oignición y oxidación del combus ible
que ca ac e iza el p oceso de combus ión en HCCI. Po lo que es necesa io en ende los
mecanismos de eacción de la combus ión de hid oca bu os, pa a una co ec a
in e p e ación de los da os expe imen ales y un buen desa ollo de los mo o es HCCI.
El combus ible u ilizado pa a es e abajo es una mezcla de iso-oc ano C8H18 y n-
hep ano C7H16, po lo que es la oxidación de pa a inas e iso-pa a inas en lo que nos
cen amos, an o el iso-oc ano y el n-hep ano, se compo an de o ma simila (enlaces
simples de ca bono) po lo que su desa ollo es pa alelo. Desa ollamos un modelo
ciné ico educido, compues o po 33 especies y 66 eacciones:
3 Modelo ma emá ico
El obje i o es p og ama un modelo ma emá ico bajo en ono MATLAB pa a el análisis
de la combus ión HCCI en un MCIA de cua o iempos.
Es e modelo a a pe mi i de e mina la e olución de la empe a u a, p esión, asa de
libe ación de calo , pe dida de calo , po encia desa ollada, e olución de las especies y
emisiones del mo o , al a ia pa áme os como: diáme o del cilind o, elación de
comp esión, cilind ada uni a ia, pm, empe a u a de en ada, can idad y composición
del combus ible consumido, dosado.
Las hipó esis de pa ida son:
- Los gases se compo an de o ma ideal
- Modelo unidimensional: Es e modelo conside a que las a iables e modinámicas (P,
T, V) dependen únicamen e del iempo, o lo que es lo mismo, del ángulo de gi o del
cigüeñal.
-Geome ía
El ecin o en el que es a con inado el gas, es un cilind o cuyo olumen a ía con el
iempo.
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Máquinas y Mo o es Té micos
4. Plan eamien o
El modelo cons a de 37 a iables dependien es del iempo, 33 de ellas co esponden a
las especies p esen es en la mezcla, y las o a cua o son la p esión, empe a u a,
olumen y pe didas mecánicas.
Tenemos un sis ema de 37 ecuaciones independien es (34 di e enciales y 3 o dina ias)
no lineales y acopladas, pa a de e mina la e olución de las 37 a iables en el in e io
del cilind o.
5. E olución del modelo
El modelo ciné ico ( eacciones y cons an es ciné icas) que se plan ea se di ide en 4
pa es:
5.1-Oxidación del n-Hep ano
Se p oduce un c aqueo é mico que ompe el hep ano en moléculas simples, debido a las
al as empe a u as.
5.2-Oxidación del iso-oc ano
Tiene la misma es uc u a que la pa e an e io .
Es as dos pa es cons an de 24 eacciones de las cuales 12 son e e sibles.
5.3-Reacciones O2-H2
Los adicales o mados aquí, son los p ecu so es de la combus ión.
Son eacciones ápidas e ines ables en las que median e dis in as combinaciones
ob enemos: OH, O2H2, HO2. Se u iliza on los da os ciné icos encon ados en [Re .1].
5.4 - Oxidación del CO
Aquí se conside a la oxidación del CO a CO2, es as eacciones apo an más de la mi ad
del calo o al libe ado du an e la combus ión.
6. Es udio de la au oignición
Como de inición del e aso de ignición amos a oma la u ilizada en la [Re . 3] n es e
documen o se asume que la au oignición iene luga cuando la concen ación de una
de e minada especie in e media X, alcanza un alo c í ico Xc. Se oma la
concen ación de un adical: como el H2O2(Fig 1).
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Máquinas y Mo o es Té micos
Figu a 1 Figu a 2
La igu a 2, es un ejemplo, y ep esen a el e aso de ignición pa a dis in as
empe a u as iniciales, disminuyendo al aumen a la empe a u a.
6.1 Re aso de la ignición y composición de la alimen ación
En la igu a 3 se mues a, el e ec o que iene la composición del combus ible sob e el
e aso de ignición, pa a lo que la composición de la alimen ación a ía desde 100 % n-
hep ano has a 100% de iso-oc ano. Se a a ope a con una elación de comp esión de
17, 2000 pm un consumo de 3 li os/ho a y un dosado de 0.3. La empe a u a inicial se
ija en 350 K.
En las siguien es igu as se ep esen an y compa an dos casos pa icula es, pa a una
alimen ación 100% n–hep ano y pa a o a 100% iso–oc ano. El comienzo de la
combus ión se localiza en odas las e oluciones ep esen adas, como el pun o donde
comienza el sal o ap eciable en la a iable que se es é analizando.
Figu a 3
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Máquinas y Mo o es Té micos
En las igu as 4 y 5 el sal o de la p esión y empe a u a en el momen o que iene luga la
combus ión. En odas es as g a icas se obse a que la alimen ación de n–hep ano pu a,
au oigniciona an es que la de iso-oc ano pu a.
Figu a 4
Figu a 5
6.2 Re aso de ignición y empe a u a inicial
La empe a u a inicial es o o ac o que in luye de o ma muy no o ia en el pun o de
ignición, en es e apa ado se a a es udia es a in luencia. Pa ello se a a ope a con un
mo o de 705 c.c, una elación de comp esión de 22 a 3000 pm. Se alimen a á con 5
li os /ho a de una mezcla 50% oc ano - 50% hep ano y un dosado de 0.8
Figu a 4
En la Fig. 6, se mues a como e oluciona el iempo de e aso pa a dis in as
empe a u as iniciales.

1936
Máquinas y Mo o es Té micos
6.3 Re aso de ignición y e oluciones po minu o
Se a a mos a el e aso de ignición, pa a egímenes de gi o a iando en e 1000 y
3000 pm. Se u iliza á un mo o de 705 c.c. alimen ado con 3 li os/ho a de una mezcla
50% hep ano-50%-oc ano, un dosado de 0.5, una empe a u a inicial de 400 k y una
elación de comp esión de 17
Figu a 7 Figu a 8
Al aumen a las RPM del mo o , el iempo del que se dispone pa a el p oceso de
combus ión disminuye (Fig. 7), po lo que es necesa io que ambién lo haga el pun o de
ignición, pa a que sea posible la combus ión a al as e oluciones.
El pun o de ignición su e un e aso espec o del PMS, cuando aumen an las RPM,
como se mues a en la igu a 8.
6.4 Reci culación de los gases de escape (EGR)
La ci culación de gases de escape al in e io del cilind o, iene un e ec o impo an e
an o en la emisión de gases como en el p oceso de combus ión.
Exis en dos ipos de eci culación: Cuando los gases eci culados ienen mayo
empe a u a que la alimen ación esca " ho EGR"(Fig 9 ) y cuando los gases se en ían
an es de in oduci los en el cilind o "cooled EGR"(Fig 10 ).
En Fig 9 y Fig 10, se compa a el "ho EGR" y "cooled EGR", las condiciones de
ope ación son: Mo o de 705 cc, alimen ación de 2 li os /ho a de una mezcla del 95%
n-hep ano y 5% iso-oc ano. La elación de comp esión es de 15 y el égimen de gi o es
de 1500 pm. La empe a u a inicial es de 420 K y dependiendo de que usemos cooled
EGR o Ho EGR la empe a u a de los gases eci culados se á de 390 K o 550 k
espec i amen e.
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Máquinas y Mo o es Té micos
Figu a 9 Figu a 10
Es os dos mé odos se u ilizan pa a disminui las emisiones de NOx, ya que eliminan los
al os g adien es de empe a u as locales.
7. Conclusiones
Con el modelo compu acional p esen ado se dispone de una he amien a ú il y cómoda
pa a la simulación del iempo de au o ignición de los mo o es bajo combus ión HCCI
es udiando la ciné ica del p oceso la cual esul a undamen al pa a la comp ensión de
dicho modo de combus ión.
8. Re e encias
1. “A educed chemical kine ic model o HCCI combus ión o p ima y e e ence uels
in a apid comp esión machine”; Shigeyuki Tanaka, James C. Keck; Combus ion and
lame 113(2003).
2. “Unde s anding HCCI Engine Combus ion”; Sandia Na ional Labo a o ies.
Ma ch/Ap il 2003, Volumen 25, Nº2.
3. “HCCI Engines. Key esea ch and de elopen issues” ISBN 0-7680-1123-X PT94