Modelo cinético para la simulación de la autoignición en un proceso de combustión homogénea de encendido por compresión (HCCI)

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. 1933 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). 1934 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 1935 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. 1937 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