Tesis Doc o al
Ingenie ía Indus ial
Análisis de es a egias pa a la combus ión dual
gasóleo-hid ógeno o ien adas a la educción de
emisiones: desa ollo eó ico-expe imen al sob e
mo o diésel common- ail y aplicación en mo o es
diésel len os de dos iempos
Au o :
Ja ie Se ano Reyes
Di ec o :
F ancisco José Jiménez-Espada o Aguila
P o . D . de la Uni e sidad de Se illa
Dp o. Ingenie ía Ene gé ica
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía
Uni e sidad de Se illa
Se illa, 2019
Tesis doc o al: Análisis de es a egias pa a la combus ión dual gasóleo-hid ógeno o ien adas a la
educción de emisiones: desa ollo eó ico-expe imen al sob e mo o diésel common- ail y
aplicación en mo o es diésel len os de dos iempos.
Au o :
Ja ie Se ano Reyes
Tu o :
F ancisco José Jiménez-Espada o Aguila
El ibunal nomb ado pa a juzga el P oyec o a iba indicado, compues o po los siguien es
miemb os:
P esiden e:
Vocales:
Sec e a io:
Acue dan o o ga le la cali icación de:
Se illa, 2019
El Sec e a io del T ibunal
A mi amilia y amigos
Ag adecimien os
En p ime luga quie o exp esa mi más since o ag adecimien o a mi di ec o de esis. D.
F ancisco Jiménez-Espada o Aguila po deposi a su con ianza en mí y da me la opo unidad
de desa olla es e abajo an en iquecedo a odos los ni eles. Sin su ines imable ayuda nada
hubie a sido posible.
Al G upo de Máquinas y Mo o es Té micos de la Uni e sidad de Se illa, po la opo unidad y los
medios pues os a mi disposición pa a el desa ollo de es a esis.
Así mismo, me ecen mi mención y ag adecimien o D. Juan Ma ín Molina y D. An onio Cañiza es
Béja , cuya p edisposición, es ue zo y apoyo han sido undamen ales pa a lle a a cabo las a eas
de ca ác e expe imen al incluidas en el abajo.
A mi compañe o Ab aham López Lo a, ya que sin su labo en el desa ollo de los modelos
e modinámicos es e abajo no pod ía habe llegado a su conclusión.
Po úl imo ag adece a mis compañe os Daniel Palomo Gue e o y An onio Cab e a Ga cía-
Doncel, su compañe ismo y su disposición a ayuda siemp e.
Resumen
Es e abajo de in es igación con í ulo “Análisis de es a egias pa a la combus ión dual gasóleo-
hid ógeno o ien adas a la educción de emisiones: desa ollo eó ico-expe imen al sob e mo o
diésel common- ail y aplicación en mo o es diésel len os de dos iempos” se enma ca en el
con ex o ac ual de implan ación de nue as leyes y medidas pa a educi las emisiones de gases de
e ec os in e nade o, impulsa las ene gías eno ables e inc emen a la e iciencia ene gé ica. Es
po ello que en es a esis se ealiza un es udio de los p ocesos de combus ión de di e en es mo o es
de combus ión in e na al e na i os pa a su aplicación en dis in os ámbi os: mo o es de ehículos
con encionales, la p oducción de po encia y la p opulsión na al; el empleo de di e sas écnicas
pa a la educción de emisiones con aminan es en los mismos, analizando el impac o de és os en
la educción de emisiones y en las p es aciones del mo o . En el abajo se analizan dos modos de
combus ión di e en es, un p ime modo de combus ión diésel con encional y un segundo modo
de combus ión dual, que combina el hid ógeno y el diésel como combus ibles. El abajo incluye
dos pa es, aunque ambas es án ligadas:
Un p ime es udio basado en un mo o diésel con encional de u ismos de p oducción
ac ual que emplea á la expe imen ación y un modelo e modinámico pa a analiza ambos
modos de combus ión, así como la implemen ación de las écnicas de educción de
emisiones: eci culación de gases de escape y la inyección de agua en la admisión del
mo o .
Un segundo es udio de un mo o diésel de dos iempos de baja elocidad, mo o empleado
en la p opulsión na al y en la plan as de p oducción de po encia, median e el desa ollo
de un modelo e modinámico comple o, incluyendo el comp eso y la u bina, pa a el
análisis de los modos de combus ión en el mismo. El mo o empleado en es a pa e del
abajo es un mo o ep esen a i o de es e ipo de mo o es y que se encuen a p esen e en
muchas de las cen ales é micas que exis en en España, así como en la p opulsión de
g andes buques.
La p esen e esis es á di idida en nue e capí ulos:
En el p ime capí ulo se expone el con ex o y la legislación igen e en ma e ia de
emisiones. Así como se hace un b e e epaso de las e oluciones ecnológicas que han
expe imen ado los di e en es ipos de mo o es sob e los que se basa el abajo. Finalmen e
se jus i ica el abajo de in es igación y se plan ean los obje i os.
El segundo capí ulo es un es udio del a e del uso del hid ógeno en mo o es de combus ión
in e na al e na i os y de las écnicas pa a palia los e ec os nega i os de su u ilización.
El e ce capí ulo p esen a las di e en es he amien as pa a el análisis de los p ocesos de
combus ión. En p ime luga se desc ibe la ans o mación del mo o diésel con encional
pa a su u ilización con hid ógeno. Pos e io men e se desa olla el modelo e modinámico
de zona ce o que pe mi e el es udio de la asa de libe ación de calo del p oceso de
combus ión y inalmen e se expond á la alidación de dicho modelo.
El capí ulo cua o es el análisis del modo de combus ión diésel con encional pa a el
con ol de emisiones. Se analiza án y compa a án las écnicas de eci culación de gases
de escape y la inyección de agua en dos pun os de la admisión del mo o .
El quin o capí ulo es el es udio del modo de combus ión dual hid ógeno – gasóleo. El
es udio con empla dos en oques dis in os:
1) La u ilización del hid ógeno como combus ible p ima io y el gasóleo sólo como
uen e de ignición.
2) El empleo de ambos (hid ógeno y diésel) como combus ibles p ima ios.
El sex o capí ulo incluye el es udio del empleo del hid ógeno en mo o es des inados a la
p opulsión na al y a la p oducción de po encia. Es e capí ulo es udia el es ado del a e del
empleo de es e ipo de combus ible en dichos mo o es, así como una desc ipción gene al
de los mismos. Se desa olla y expone el modelo e modinámico del mo o diésel de dos
iempos len o, incluyendo los di e en es sub-modelos que lo componen y la alidación
del mismo. Finalmen e se ealiza un análisis de la ope ación del mo o en modo dual.
El sép imo capí ulo incluye las conclusiones que se alcanzan con el abajo de
in es igación.
El penúl imo capí ulo incluye los posibles desa ollos u u os.
Finalmen e, el capí ulo nue e, incluye las e e encias incluidas a lo la go de la esis.
I
Índice de con enidos
Ag adecimien os
Resumen
Índice de con enidos…………………………………………………………….
I
Lis ado de Figu as………………………………………………………………
IV
Lis ado de Tablas………………………………………………………………..
IX
Lis ado de ab e ia u as y símbolos…………………………………………….
X
1. In oducción…..................................................................................................
1
1.1. Con ex o……………………………………………………………………
1
1.1.1. Emisiones con aminan es y legislación…………………………………
2
1.1.2. Tecnologías pa a el con ol de emisiones en mo o es
diésel.........……………………………............................................................
8
1.1.3. Soluciones basadas en el hid ógeno pa a la gene ación de ene gía
mecánica...........................................................................................................
15
1.2. Jus i icación..................................................................................................
16
1.3. Obje i os.......................................................................................................
19
2. Fundamen os y es ado ac ual del empleo del hid ógeno en los mo o es de
combus ión in e na al e na i os..........................................................................
22
2.1. El H2 como combus ible en los mo o es de encendido po comp esión
con encionales....................................................................................................
22
2.2. Mecanismos pa a la educción de las emisiones con aminan es y pa a
e e i las posibles consecuencias nega i as de i adas del empleo de H2...........
32
3. He amien as pa a el análisis de los p ocesos de combus ión........................
40
3.1. T ans o mación mo o diésel pa a ope ación en modo dual..........................
41
3.2. Modelado de la combus ión..........................................................................
47
3.2.1. Modelo e modinámico 0-D.....................................................................
47
3.2.2. Ca ac e ización de la TLC median e una unción doble de Wiebe...........
53
II
3.2.3. Validación de la ca ac e ización de la TLC en los dis in os modos de
ope ación del modelo con y sin inyección de agua.............................................
54
4. Análisis de la ope ación en modo de diésel pa a con ol de emisiones........
61
4.1. Análisis en modo diésel.................................................................................
61
4.1.1. Inyección de agua en la admisión aguas a iba del u bo-comp eso
(AAR) en e aguas abajo del u bo-comp eso (AAB)......................................
62
4.1.2. Mé odo WI AAB en e a la écnica de eci culación de gases de escape
(EGR)................................................................................................................
68
5. Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno...........................
79
5.1. Análisis de la combus ión en modo dual........................................................
79
5.1.1. H2 como combus ible p incipal y diésel como uen e de ignición (HMF).
80
5.1.2. H2 y diésel como combus ible dual (HDF)...............................................
88
6. El H2 en mo o es 2T pa a la p oducción de po encia y la p opulsión na al
(es e capí ulo no es á disponible po con ene in o mación suscep ible de se
publicada)..............................................................................................................
100
7. Conclusiones.....................................................................................................
101
7.1. Conclusiones globales del abajo.................................................................
101
7.2. Conclusiones del desa ollo expe imen al y modelo e modinámico zona-
ce o......................................................................................................................
101
7.3. Conclusiones del empleo del H2 y el modelado de mo o es 2T pa a la
p oducción de po encia y la p opulsión ma ina (es a sección no es á disponible
po con ene in o mación suscep ible de se
publicada)............................................................................................................
104
8. Desa ollos u u os...........................................................................................
105
9. Re e encias........................................................................................................
107
Anexo A. Desc ipción equipos expe imen ales...................................................
126
III
Anexo B. Da os expe imen ales............................................................................
142
Anexo C. Publicaciones ela i as a la esis..........................................................
156
X
Lis a de ab e ia u as
Ac ónimos
2T
Dos iempos
4T
Cua o iempos
AAB
Inyección de agua en la admisión aguas abajo del u bo-comp eso
AAR
Inyección de agua en la admisión aguas a iba del u bo-comp eso
A
A gón
AVA
Ape u a de la ál ula de admisión
AVE
Ape u a de la ál ula de escape
BEV
Vehículos de ba e ías eléc icas
C
Ca bono
CE
Comisión Eu opea
CI
Mo o es de encendido po comp esión
CO
Monóxido de ca bono
CO2
Dióxido de ca bono
COP21
Con e encia mundial sob e el clima de Pa ís - 2015
COP22
Con e encia mundial sob e el clima de Ma akech - 2016
COP23
Con e encia mundial sob e el clima de Bonn - 2017
COP24
Con e encia mundial sob e el clima de Ka owice - 2018
COV
Coe icien e de a iación
CVA
Cie e de la ál ula de admisión
CVE
Cie e de la ál ula de escape
D
Diáme o del o i icio de desca ga de un inyec o de lujo di uminado
DIE
Rela i o al diésel
DWE
Emulsión de agua y diésel
DWI
Inyección de agua di ec a en el cilind o
ECA
Á eas de con ol de emisiones
ECU
Unidad de con ol elec ónico
EDC
Con ol diésel elec ónico
EGR
Reci culación de los gases de escape
FB
Inyec o de lujo di uminado
FC
Pila de combus ible
FCEV
Vehículo eléc ico de pila de combus ible
FSN
Núme o de humos del il o
XI
G
Espacio en e la pun a del ubo de alimen ación de líquido y el o i icio de
desca ga en un inyec o de lujo di uminado
GEI
Gases de e ec o in e nade o
GLP
Gas licuado del pe óleo
GNC
Gas na u al comp imido
H2
Hid ógeno
H2FC
Pila de combus ible de hid ógeno
H2MCI
Mo o es de combus ión in e na de hid ógeno
H2O
Agua
HC
Hid oca bu os
HCCI
Rela i o a un p oceso de combus ión homogénea en un mo o de encendido
po comp esión
HD
Vehículos pesados
HDF
Hid ógeno y diésel como combus ible dual
HEV
Vehículos híb idos eléc icos
HGV
Vehículos híb idos de gas
HMF
Hid ógeno como combus ible p incipal
IMO
O ganización Ma í ima In e nacional
MARPOL
Con enio In e nacional pa a p e eni la con aminación de buques
MCI
Mo o es de combus ión in e na
N2
Ni ógeno
NECD
Nue o Ciclo de Conducción Eu opeo
NO
Monóxido de ni ógeno
NO2
Dióxido de ni ógeno
NOx
Óxidos de ni ógeno
O
Rela i o al oxígeno
O2
Oxígeno
PM
Pa ículas (emisiones con aminan es)
PM10
Pa ículas meno es de 10 mic as
PM2.5
Pa ículas meno es de 2,5 mic as
PME
P esión media e ec i a
PMI
Pun o mue o in e io
PMS
Pun o mue o supe io
PTLC
Tasa de libe ación de calo pa ame izada
RC
Ra io de comp esión
RPM
Re oluciones po minu o
XII
SCR
Reducción ca alí ica selec i a
SI
Mo o es de encendido po chispa
SOC
Ángulo de inicio de la combus ión
SOx
Óxidos de azu e
TLC
Tasa de libe ación de calo
UE
Unión Eu opea
VGC
Comp eso es de geome ía a iable
VGT
Tu bo-comp eso con geome ía de en ada de u bina a iable
WI
Inyección de agua en la admisión
WLTP
Wo ld Ha monized Ligh -du y Vehicles Tes ing P ocedu e
Símbolos g iegos
µ
Relación en e las masas de H2O y H2
β
Pa áme o auxilia
η
Rendimien o
θ
Ángulo de cigüeñal
º (g ados)
πcmp
Relación de comp esión del comp eso
πp
Relación en e la p esión en el plenum de
admisión y la p esión en el plenum de escape
π b
Relación de expansión de la u bina
τ
Relación en e las masas de H2 y diésel
υ
Ángulo que o ma la biela con el eje del pis ón
º (g ados)
ϕ
Flujo en e ebanadas del modelo del mo o 2T
𝜘
Pa áme o de la elación G/D
Símbolos
Aa
Á ea lumb e a de admisión
m
Apa ed
Á ea de la pa ed del cilind o
m2
C1
Cons an e 1
C2
Cons an e 2
cp
Calo especí ico a p esión cons an e
J/kg K
cpis on
Velocidad media del pis ón
m/s
c
Calo especí ico a olumen cons an e
J/kg K
Dp
Diáme o del pis ón
m
dxq
Velocidad de la combus ión
G
Gas o másico
kg/s
XIII
g
Gas o olumé ico
m3/s
h
En alpía especí ica
J/kg
H
Calo de combus ión po unidad de masa
J/kg
Ha
Al u a lumb e a de admisión
m
hc
Coe icien e de película de Woschni
J/m2 K
Hcc
Al u a de la cáma a de combus ión
m
Hp
Posición del pis ón
lb
Longi ud de la biela
m
lm
Longi ud de la muñequilla
m
m
Masa
kg
m1
Fac o de o ma
m2
Fac o de o ma
n
Moles
mol
N
Re oluciones
e /min
p
P esión
Pa
PR
Cocien e en e la p esión de escape y la p esión
a mos é ica
Qc
Calo de con ección
J
Qd
Pode calo í ico diésel
J/kg
QH2
Pode calo í ico H2
J/kg
R
Cons an e Uni e sal de los gases
J/ kg K
s
En opía
J/K
T
Tempe a u a
K
u
Ene gía in e na
J
U
Ene gía in e na o al
J
V
Volumen
m3
Vcc
Volumen de la cáma a de combus ión
m3
𝑾
Po encia
W
xq
F acción de quemado
Subíndices y supe índices
0 -
Rela i o al inicio de la ase de combus ión
adm
Rela i o a la admisión
a m
Rela i o a las condiciones a mos é icas
cc
Rela i o a la cáma a de combus ión
cmb
Rela i o al combus ible, pod á se diésel, H2 y una combinación de ambos
XIV
cmp
Rela i o al comp eso
c
Rela i o a la elación comp eso - u bina
D
Rela i o al diésel
e - e ap
Rela i o a las condiciones de e apo ación
EGR
Rela i o al EGR
esc
Rela i o al escape
Rela i o al uel (diésel y H2)
gas
Rela i o a la condición de gas
H2
Rela i o al hid ógeno
inj - iny
Rela i o a la inyección
líq
Rela i o a la condición de líquido
pa ed o wll
Rela i o a la pa ed del cilind o
q
Rela i o a quemado
e
Rela i o a la condiciones de e e encia
Rela i o al e ige ado
sh
Rela i o al eje
b
Rela i o a la u bina
Capí ulo 1
In oducción
1
1. In oducción
Es e capí ulo desc ibe el ma co y la mo i ación de los es udios que cons i uyen la esis. Se
p esen a el con ex o legisla i o y el desa ollo ecnológico ac ual, que pone de mani ies o el
ca ác e no edoso en el que se desa olla la in es igación. Así mismo, se p esen a la jus i icación
y los obje i os del abajo.
1.1. Con ex o
En 2015 se i mó el p ime acue do inculan e mundial sob e el clima en la Con e encia de Pa ís
(COP21), en el que un o al de 195 países acep a on dicho acue do [1]. Los p incipales pun os de
dicho acue do desde el pun o de is a de las emisiones con aminan es ue on los siguien es:
Las emisiones globales deben alcanza su ni el máximo cuan o an es.
Aplica después ápidas educciones basadas en los mejo es c i e ios cien í icos
disponibles.
Fija euniones cada cinco años pa a ma ca nue os obje i os más ambiciosos basándose
en c i e ios cien í icos.
La Unión Eu opea (UE) o mó pa e de dicho acue do y ha desa ollado un plan pa a alcanza
una se ie de obje i os espec o a las emisiones con aminan es a co o, medio y la go plazo. Dichos
obje i os son los siguien es [2]:
Obje i os cla e de la UE pa a 2020
Reduci un 20% las emisiones de gases de e ec o in e nade o (GEI) con espec o a los
ni eles de 1990.
Al menos el 20% del consumo o al de ene gía debe p ocede de ene gías eno ables.
Inc emen a un 20% la e iciencia ene gé ica
Obje i os cla e de la UE pa a 2030
Reduci al menos un 40% las emisiones de GEI con espec o a los ni eles de 1990.
Al menos el 27% del consumo o al de ene gía p oceden e de ene gías eno ables.
Inc emen a al menos el 27% de la e iciencia ene gé ica
Obje i o a la go plazo
Pa a 2050 la UE se ha ijado el obje i o de educi sus ancialmen e sus emisiones, en un
80-95% con espec o a los ni eles de 1990.
Capí ulo 1
In oducción
2
Du an e los sucesi os años se han ido celeb ando cumb es mundiales sob e el cambio climá ico,
COP22 (2016) en Ma akech (Ma uecos), COP23 (2017) en Bonn (Alemania) y COP24 (2018)
en Ka owice (Polonia); en las que los países que se acogie on al acue do de Pa ís han
log ado supe a sus di e encias y alcanza un pac o que de ine las eglas de un acue do mundial
sob e el cambio climá ico pa a sen a las bases de un “lib o de eglas”, que pe mi a aplica los
acue dos alcanzados en la cumb e de Pa ís de 2015.
1.1.1. Emisiones con aminan es y legislación
La emisión de sus ancias con aminan es a la a mós e a, de i adas de la combus ión de
combus ibles ósiles, es un p oblema an o local como global, que p o oca e ec os pe judiciales
en la salud de las pe sonas y se es i os, en el uncionamien o de los ecosis emas y en la
deg adación de ma e iales [3]. Los p oduc os noci os emi idos a la a mós e a más impo an es
son el monóxido de ca bono (CO), el dióxido de ca bono (CO2), los hid oca bu os (HC), los
óxidos de ni ógeno (NOx), las pa ículas (PM) y los óxidos de azu e (SOx), es as úl imas sólo
pa a los g andes mo o es diésel [4] que pueden u iliza combus ibles con al os con enidos de
azu e (en España máximo de 1%).
El sec o del anspo e, an o de pe sonas como de bienes, emplea p incipalmen e los
combus ibles líquidos de i ados del pe óleo, debido a su al a densidad de ene gía y acilidad de
anspo e y almacenamien o. Ac ualmen e ap oximadamen e el 95% de la ene gía del anspo e
p o iene de combus ibles líquidos de i ados del pe óleo y al ededo del 60% de odo el pe óleo
p oducido se des ina a la ab icación de combus ibles pa a el anspo e [5, 6]. Dicho sec o
ep esen a ap oximadamen e el 23% de las emisiones de CO2 y si enemos en cuen a los GEI, el
dióxido de ca bono iene la asa más al a en e los gases de e ec o in e nade o, y es la p incipal
azón del calen amien o global [7]. Además, dicho sec o es uno de los que más con ibuyen a la
emisión de NOx y pa ículas (PM2.5 y PM10). Siendo dichas emisiones de pa icula in e és en las
ciudades, ya que un g an núme o de pe sonas es án di ec amen e expues as [8].
En el mundo exis en al ededo de 1.100 millones de ehículos de pasaje os y 380 millones de
ehículos come ciales y se espe a que dichas ci as aumen en al doble pa a el año 2040, sob e
odo en países con me cados eme gen es como China e India [9]. El anspo e e es e y
ma í imo se ealiza p incipalmen e con mo o es de combus ión in e na (MCI) y el anspo e aé eo
con mo o es a eacción [10]. Se espe a pa a el 2050 un aumen o del 40% y 58% en los kilóme os
de pasaje os y kilóme os de ca ga, espec i amen e. Es e aumen o en kilóme os iene un e ec o
pe judicial an o en el es ue zo en cu so po una mayo e iciencia de combus ible como en la
Capí ulo 1
In oducción
3
calidad del ai e local, ya que el aumen o de kilóme os iene como esul ado un aumen o en las
emisiones absolu as de con aminan es [11].
Además, la na egación juega un papel muy impo an e en el sis ema global del anspo e, ya que
mue e el 80% de las me cancías del mundo [12]. Las emisiones p oceden es del anspo e
ma í imo ienen un g an impac o sob e la calidad del ai e, sob e odo en zonas p óximas a la cos a,
ya que al menos el 70% de las emisiones de los buques se p oducen den o de los 400 km más
p óximos a la cos a [13, 14].
En los úl imos años se han impues o muchas polí icas en odo el mundo pa a educi los e ec os
nega i os de las emisiones de los mo o es diésel en la salud humana y el medio ambien e. En
Eu opa, las emisiones de los ehículos se han egulado a a és de los es ánda es de emisión de
la Comisión Eu opea (CE) desde 1992 [15]. Dichas no mas a ni el eu opeo son las no mas
“Eu o”, que egulan los lími es acep ables pa a las emisiones de gases de combus ión de los
ehículos nue os endidos en los Es ados Miemb os de la Unión Eu opea. Las no mas de emisión
se de inen en una se ie de di ec i as de la Unión Eu opea con implan ación p og esi a que son
cada ez más es ic i as. Ac ualmen e, las emisiones de NOx, HC, CO y PM es án eguladas pa a
la mayo ía de los ipos de ehículos, incluyendo au omó iles, camiones, enes, ac o es y
máquinas simila es, ba cazas, pe o excluyendo los ba cos de na egación ma í ima y los a iones.
A lo la go de las úl imas dos décadas, la CE se ha cen ado especialmen e en la educción de las
emisiones de CO2 de los u ismos y camiones, pa a educi su impac o en el cambio climá ico
[16]. La necesidad de es a educción iene impulsada po el aumen o de las emisiones de CO2 del
anspo e po ca e e a en un 17% en e 1990 y 2014. Es a e olución puede asigna se al
c ecimien o del anspo e an o pe sonal como de me cancías y es á acompañada po un mayo
consumo de combus ible.
Tabla 1.1. Limi aciones de emisiones pa a ehículos diésel [17]
Eu o 1
Eu o 2
Eu o 3
Eu o 4
Eu o 5
Eu o 6
Válida a
pa i de
01/1992
01/1996
01/2000
01/2005
09/2009
08/2014
NOx (g/km)
-
0,55
0,50
0,25
0,18
0,08
CO (g/km)
3,16
1,00
0,64
0,50
0,50
0,50
HC (g/km)
-
0,15
0,06
0,05
0,05
0,09
PM
0,14
0,08
0,05
-
0,005
0,005
HC + NOx
(g/km)
1,13
0,70
0,56
0,30
0,23
0,17
Capí ulo 1
In oducción
4
Tabla 1.2. Limi aciones de emisiones pa a ehículos gasolina [18]
Eu o 1
Eu o 2
Eu o 3
Eu o 4
Eu o 5
Eu o 6
Válida a
pa i de
01/1992
01/1996
01/2000
01/2005
09/2009
08/2014
NOx (g/km)
-
-
0,015
0,08
0,06
0,06
CO (g/km)
2,72
2,20
2,30
1,00
1,00
1,00
HC (g/km)
-
-
0,20
0,10
0,10
0,10
PM
-
-
-
-
0,005*
0,005*
HC + NOx
(g/km)
0,97
0,5
-
-
-
-
*Sólo con inyección di ec a
Se ha demos ado que la egulación Eu opea de las emisiones de los au omó iles ha allado en lo
que espec a a las emisiones de NOx de los mo o es diésel ( egulaciones Eu o 5 y Eu o 6) en
compa ación con los dis in os es ánda es de emisión. Debido a las decisiones his ó icas que han
a o ecido la ecnología diésel, Eu opa se ha con e ido en una isla diésel, dis anciándose del
es o del mundo en es e aspec o. Como esul ado, p ác icamen e odos los ciudadanos eu opeos
espi an ai e que se conside a pe judicial pa a la salud humana [18]. El hecho de habe una
disc epancia cada ez mayo en e los esul ados de las p uebas de labo a o io y la ealidad cuando
se a a de medición de la emisiones de CO2 y los escándalos elacionados con el “Dieselga e”
[19], supone una p esión signi ica i a sob e la ecnología de los ehículos de pasaje os como se
conoce has a la echa y desencadena deba es sob e el u u o del anspo e pe sonal basado en la
combus ión [8]. De es a mane a, la UE con inúa p esionando a la indus ia au omo iz pa a que
desa olle disposi i os auxilia es de con ol de emisiones y ehículos lib es de combus ibles
ósiles.
Debido a las disc epancias obse adas en e los esul ados en los ensayos de labo a o io y en el
uso eal del ehículo, a ni el mundial se ha impulsado la de inición de un nue o ciclo de ensayo
en el labo a o io en condiciones más dinámicas aplicables a los ehículos [20]. En Eu opa se
plan eó la necesidad de lle a a cabo, además, un ensayo de los ehículos en condiciones eales
de conducción. Has a aho a el sis ema u ilizado se llamaba NECD (Nue o Ciclo de Conducción
Eu opeo), ue diseñado en 1990 y analizaba los gases du an e un ciclo de conducción con una
elocidad de 34 y 120 km/h en un eco ido de 11 kilóme os en 20 minu os. El nue o
p ocedimien o WLTP (Wo ld Ha monized Ligh -du y Vehicles Tes ing P ocedu e), se i á pa a
medi los consumos y emisiones de los ehículos de mane a más igu osa y que
simula si uaciones más ealis as. Fue in oducido en 2017 pa a los ehículos nue os, pe o a pa i
del 1 de sep iemb e de 2018 se á obliga o io pa a odos los ehículos [21]. La abla 1.3 ecoge las
p incipales di e encias en e el ciclo de ensayo NEDC y el WLTP.
Capí ulo 1
In oducción
5
Tabla 1.3. P incipales di e encias en e el sis ema NEDC y el nue o sis ema WLTP [21]
NEDC
WLTP
Tiempo de conducción
20 minu os
30 minu os
Fases de conducción
2 ases, 66% conducción
u bana, 34% ex au bana
4 ases más dinámicas, 52%
conducción u bana, 48%
ex au bana
Longi ud del eco ido
11 km
23,25 km
Velocidad máxima
120 km/h
131 km/h
Velocidad media
33,6 km/h
46,6 km/h
Media pa ados
25% / 14 pa adas (280 s)
13% / 9 pa adas (226 s)
Equipamien o opcional incluido
No
Sí
Pun os de cambio
Especi icados de acue do a la
elocidad
Indi idualmen e
Tempe a u a del es
En e 20 y 30º C
Medidas a 23ºC, alo es
co egidos a 14ºC
Las egulaciones pa a la na egación ma í ima en ma e ia de emisiones ienen impues as po la
O ganización Ma í ima In e nacional (IMO). Siendo dicha O ganización un o ganismo de las
Naciones Unidas c eado pa a p omo e la segu idad ma í ima, que ag upa 167 es ados miemb os
y 3 miemb os asociados. Fue a inales de la década de 1980, cuando la IMO impulsó las p ime as
medidas pa a la p e ención de la con aminación a mos é ica p oducida po el sec o ma í imo
[22], pues o que an es sólo se habían cen ado en o as uen es de con aminación más isibles
(de ames de hid oca bu os).
En cuan o a la no ma i a sob e emisiones p oducidas po los p opulso es de na íos, las no mas
de la IMO sob e con aminación de buques es án con enidas en el “Con enio in e nacional pa a la
p e ención de la con aminación de los buques”, conocido como MARPOL 73/78 [23]. Las
no mas de emisión de la IMO se conocen como no mas Tie I, Tie II y III. Las no mas Tie I se
de inie on en la e sión de 1997 del Anexo VI, mien as que los es ánda es Tie II y Tie III
ue on in oducidos po las enmiendas del Anexo VI adop adas en 2008, como sigue:
Tie I de 1997: el "P o ocolo de 1997" de MARPOL, que incluye el Anexo VI, se de inió
pa a en a en igencia 12 meses después de se acep ado po 15 Es ados miemb os que
englobasen al menos el 50% del me cado mundial del anspo e ma í imo. El 18 de mayo
de 2004, Samoa deposi ó su a i icación como el 15 ° Es ado (se unió a Bahamas,
Bangladesh, Ba bados, Dinama ca, Alemania, G ecia, Libe ia, las Islas del Ma iscal,
No uega, Panamá, Singapu , España, Suecia y Vanua u). En esa echa, el Anexo VI ue
a i icado po los Es ados con el 54,57%. En consecuencia, el Anexo VI en ó en igo el
19 de mayo de 2005 y se aplica e oac i amen e a los mo o es nue os de más de 130 kW
ins alados en emba caciones cons uidas el 1 de ene o de 2000 o después de esa echa, o
que expe imen an una con e sión impo an e después de esa echa. El eglamen o
ambién se aplica a las pla a o mas ijas y lo an es y a las pla a o mas de pe o ación
Capí ulo 1
In oducción
12
de escape del mo o . Como consecuencia del desplazamien o de ai e, una meno can idad de O2
es á disponible pa a la combus ión (e ec o de dilución). Es a educción de O2 disponible pa a la
combus ión p o oca a su ez una educción de la elación ai e/combus ible, que a ec a
sus ancialmen e las emisiones de escape [41]. Además, la mezcla de los gases de escape con el
ai e de admisión aumen a el calo especí ico de la mezcla de admisión, lo que esul a en una
educción de la empe a u a de la llama (e ec o é mico) [42, 43]. Sin emba go, el uso de EGR
conduce a un aumen o de la can idad de PM. El uso de EGR a la go plazo causa p oblemas en los
mo o es de i ados del aumen o de los depósi os de ca bono, la deg adación del acei e lub ican e
y un mayo desgas e del mo o [44]. Además de la necesidad de aumen a la p esión en ca gas
medias y al as cuando se usa EGR mien as se man iene la elación ai e/combus ible a un ni el
adecuado pa a minimiza su impac o nega i o en las emisiones de PM, especialmen e con una
ca ga al a del mo o donde el caudal de EGR y la empe a u a de escape son al os [45].
El a amien o pos e io de los gases de escape, pa a educi las emisiones de NOx se impuso a
pa i de la en ada en igo de la no ma Eu o 4, median e la in oducción de la educción ca alí ica
selec i a (SCR) [39]. Una al e na i a al SCR es un ca alizado adso ben e ( ampa de NOx) que
abso be NOx en condiciones de gases de escape "pob es" y los de uel e en pe íodos co os con
gases de escape " icos". El desa ollo de sis emas SCR iene como obje i o mejo a la con e sión
de NOx en el ango de empe a u as bajas y al as [27].
Los sis emas pa a educi las pa ículas diésel p esen an muchos ipos di e en es de il os, como
il os de me al de sin e ización po osa, espumas ce ámicas o me álicas o sepa ado es de
pa ículas de lujo, el il o de lujo de pa ed de ce ámica sigue siendo la mejo opción.
O as écnicas como la inyección de agua o el empleo de H2 como combus ible al e na i o se
abo da án en el capí ulo 2, ya que la esis abo da dichas écnicas pa a con ola las emisiones.
La Fig. 1.5 p esen a una línea empo al complemen a ia a la Fig. 1.4, donde se pueden obse a
cómo se han ido inco po ando las di e en es ecnologías a lo la go de los años.
A endiendo a la elec i icación de los ehículos y alejándonos del p opio desa ollo del mo o
diésel, exis e una al e na i a pa a educi el impac o de las emisiones con aminan es. Po un lado
end íamos los ehículos pu amen e eléc icos o ehículos de ba e ías eléc icas (BEV), en los
que oda la ene gía del ehículo p o iene de la elec icidad. Po o a pa e es a ían los ehículos
híb idos eléc icos (HEV), que ob ienen oda o pa e de su po encia de MCI. Los di e en es g ados
ac uales de elec i icación que exis en es án basados en ba e ías de ion-li io [47].
Capí ulo 1
In oducción
13
Fig. 1.5. Línea empo al de la apa ición de las ecnologías pa a el con ol de emisiones
La ecnología HEV es á p incipalmen e o ien ada a ehículos con mo o es de encendido po
chispa (SI). Los mo o es diésel (CI), que ya son bas an e e icien es, no se bene ician an o de la
hib idación como los SI, aunque la hib idación pod ía pe mi i la ecupe ación de la ene gía
pe dida en el enado y la educción del amaño has a cie o pun o. La ecnología HEV es una
ecnología desa ollada y que se encuen a gene alizada en e p ác icamen e odos los ab ican es
de au omó iles, ya que o ece a los ab ican es de au omó iles una o ma comp obada de educi
el consumo de combus ible y las emisiones de CO2 pa a cumpli con los obje i os es ablecidos
po muchos gobie nos [48]. Casi odas las ma cas poseen un modelo híb ido en e los ehículos
que o e an, siendo los ehículos HEV ac uales con mayo núme o de en as el Toyo a P ius y el
Honda Insigh . Los híb idos diésel-eléc icos son usados en locomo o as y ba cos. En g andes
buques o en locomo o as, a ios gene ado es diésel gene an la elec icidad, que median e un
con olado se ansmi e a los mo o es p opulso es eléc icos. Igualmen e se conocen como
ehículos híb idos aquellos que emplean p incipalmen e gasolina y o o combus ible de ipo gas
(HGV). El mo i o po el que se emplean mo o es SI pa a el uso de gas, ya sea GLP o GNC, se
debe a que poseen ca ac e ís icas muy pa ecidas a la gasolina y no esul a posible emplea es os
combus ibles pa a alimen a un mo o diésel, que unciona de una o ma comple amen e dis in a.
Los BEV, son igualmen e una ealidad. El caso más conocido de es e ipo de ehículos es el de la
ma ca Tesla, aunque exis en o os ab ican e como Po sche y Nissan, con su modelo Nissan Lea ,
que ienen ac ualmen e ehículos BEV en el me cado. El p oblema p incipal de los BEV es que
equie en ba e ías y componen es elec ónicos mucho más g andes, haciéndolos mucho más ca os
[48]. Debemos ene en cuen a que el desa ollo de los BEV supone una se ie de e os, ales como:
Capí ulo 1
In oducción
14
Impac o medioambien al
Aunque los BEV no p oducen con aminan es como las PM, NOx, CO y HC, sí que debemos ene
en cuen a la apo ación que los BEV ealizan en los GEI, ya que depende de cómo se p oduce la
elec icidad u ilizada pa a alimen a los BEV [49, 50], y los al os ni eles de emisiones de GEI
que se asocian con la ab icación de ba e ías de es e ipo de ehículos [51].
Los BEV ienen un impac o muy signi ica i o en la oxicidad pa a los se es humanos y el agua
dulce, así como la eu o ización del agua dulce, p incipalmen e debido a la p oducción de me ales
necesa ios pa a las ba e ías [52 - 54].
Su u ilización es a ía en ocada p incipalmen e a los pequeños ehículos de pasaje os
Las limi aciones impues as po el amaño de la ba e ía y al cos o de la misma, ac ualmen e limi an
el uso de los BEV esencialmen e al sec o de au omó iles de pasaje os y ehículos de epa o en
lo as cau i as u banas.
El impac o que supond ía en el sec o eléc ico ene que alimen a odos los BEV y la
cons ucción de la in aes uc u a necesa ia pa a la ca ga de los mismos
Los cambios en la gene ación y dis ibución de elec icidad se án necesa ios si el obje i o es
eemplaza los au omó iles con encionales po BEV, po lo que se eque i ía g andes in e siones
p e ias en in aes uc u a de ca ga y gene ación de ene gía adicional [55, 56].
La segu idad a la ho a de cons ui y ecicla las ba e ías
La segu idad no es á sólo elacionada con lo con aminan es que pueden se los ma e iales con los
que se cons uyen las ba e ías, sino ambién con la segu idad del suminis o de li io necesa io pa a
las ba e ías. El p oceso de ex acción es labo ioso y las ese as, aunque abundan es, se
concen an en unos pocos países como Aus alia, Chile y A gen ina, y la p oducción ac ual es
p incipalmen e en China.
Además a medida que la can idad y el amaño de las ba e ías aumen an con la can idad de BEV,
el eciclaje de las ba e ías se á cada ez más impo an e pa a ecupe a el ma e ial y así educi el
impac o en la cadena de suminis o y elimina los desechos de mane a segu a. El eciclaje de la
ba e ía de iones de li io es pa icula men e complicado debido a la o ma en que se ensamblan y
po que los paque es de ba e ías a ían en o ma, son g andes y pesados y con ienen muchos
ma e iales di e en es [57, 58].
Capí ulo 1
In oducción
15
1.1.3. Soluciones basadas en el H2 pa a la gene ación de ene gía mecánica
Pa a comba i los incon enien es de los BEV la indus ia au omo iz se encuen a desa ollando
ac ualmen e una ecnología no edosa, los ehículos eléc icos de pila de combus ible (FCEV).
Los FCEV son ope ados po mo o es eléc icos alimen ados con elec icidad de una pila de
combus ible (FC). La ene gía p ima ia en los FCEV puede p o eni de di e sos combus ibles
como el me anol y el H2, pe o es és e úl imo el que alimen a la pila de combus ible y que al
eacciona con O2 del ai e en un p oceso ca alí ico gene a co ien e con inua (H2FC) [59]. Las
H2FC han ob enido ecien emen e el in e és de ab ican es e in es igado es, pues o que ienen el
po encial de log a las emisiones ce o en ehículos y una al a e iciencia. Las H2FC con ie en la
ene gía almacenada en un combus ible di ec amen e en elec icidad sin combus ión. A di e encia
de una ba e ía en la que el suminis o de p oduc os químicos es á limi ado po el amaño de la
ba e ía, las pilas de combus ible pueden alimen a se con inuamen e con combus ible pa a
p oduci elec icidad inde inidamen e [60]. Una pila de combus ible consis e en es elemen os:
un ánodo, un cá odo y un elec oli o. Según el elec oli o que emplean las FC se pueden clasi ica
como ácidas o alcalinas.
El p oceso in e no de las H2FC es el siguien e: el H2 se in oduce en el ánodo y se di ide en iones
de H2 y elec ones lib es. Los iones de H2 luyen a a és del elec oli o hacia el cá odo, donde se
in oduce el O2. En el cá odo, el O2 se une con los iones de H2 pa a o ma agua. Pa a comple a
el p oceso, los elec ones lib es libe ados en el ánodo deben uni se con el H2 y el O2 en el cá odo.
El mo imien o de elec ones del ánodo al cá odo c ea una co ien e que se puede u iliza pa a
alimen a un disposi i o eléc ico [60].
Uno de los incon enien es de las H2FC es que equie en H2 de al a pu eza pa a e i a que la célula
se en enene, en con apa ida con los mo o es de combus ión in e na alimen ados con hid ógeno
(H2MCI) que pueden quema H2 de baja pu eza. Las pilas de combus ible además ienen una baja
densidad y la e iciencia máxima puede alcanza el 60%, son conside ablemen e ca as y ca ecen
de una in aes uc u a de eabas ecimien o de H2 [61]. Además, usa la pila de combus ible de H2
como único suminis ado de ene gía en los ehículos equie e de un disposi i o de a anque.
Como consecuencia de ello, los ab ican es de au omó iles han desa ollado los FCEVs, que
combinan la en ega de ene gía en e una FC y una ba e ía. Me cedes Benz F-Cell de Daimle ,
Che ole Vol de Gene al Mo o s, Toyo a FCHV de Toyo a y Honda FCX de Honda son
ehículos híb idos con sis ema de ene gía de ba e ía y FC [62]. El ene que al e na en e la pila
de combus ible y la ba e ía, hace que se equie a un sis ema de adminis ación de ene gía (EMS).
La inclusión de dicho sis ema y de las ba e ías, que además son cos osas po que la ida ú il de la
ba e ía debe ex ende se pa a educi la ca ga de eemplazo de la ba e ía, hacen que el p ecio de
Capí ulo 1
In oducción
16
dichos ehículos sea ele ado. Las FC son una ealidad, los p ime os ehículos come ciales que
salie on al me cado ue on el ix35 Fuel Cell y el NEXO de Hyundai y el Toyo a Mi ai.
Desde el pun o de is a del modo de combus ión HCCI, ambién exis e la posibilidad de emplea
H2 pa a p oduci ene gía median e es e mé odo de combus ión homogénea. El empleo de H2 pa a
un mo o uncionando en modo HCCI, da como esul ado p esiones máximas y g adien es de
p esión en el cilind o muy ele ados, lo que limi a el uso de dicho modo de combus ión pa a ca gas
pa ciales y posiblemen e equi iendo cambios de diseño pa a man ene la con iabilidad del mo o
[63]. O o incon enien e se ía la necesidad de calen a el ai e de en ada pa a ga an iza la au o-
ignición, que educe el endimien o olumé ico. Los ensayos expe imen ales que se han lle ado
a cabo con es a ecnología dan como esul ado una al a e iciencia del uso del combus ible, mayo
que en un mo o diésel con encional, y unos ni eles de emisiones muy educidos [64].
O a ecnología que pod ía emplea el H2 se ían las u binas de gas [65], ep esen ando una
al e na i a iable a la ecnología de las FC en cuan o a con iabilidad [66], ida ú il espe ada y
cos o. Exis en a ios ab ican es como Gene al Elec ic o Siemens que han adap ado algunos de
sus modelos al uso de H2.
En el caso de emplea H2 en la u bina de gas, la cáma a de combus ión es el único componen e
que equie e un g an es ue zo de ediseño pa a la ope ación en 100% de H2, debido a las
ca ac e ís icas del combus ible [67, 68]. Sin emba go, hoy en día el uso del H2 como combus ible
es á limi ado a las u binas de gas con quemado es de llama de di usión [69, 70], eniendo como
incon enien e una asa de p oducción de NOx es eces más al a que en el caso de la combus ión
de gas na u al [65]. Po lo que en es e sen ido se ía necesa io el empleo de ecnología de educción
de emisiones de NOx.
1.2. Jus i icación
El uso del H2 como combus ible al e na i o es una de las opciones que la mayo ía de los gobie nos
que se acogie on al acue do de Pa ís con emplan pa a un sis ema de ene gía sos enible. Tan o el
Depa amen o de Ene gía de Es ados Unidos [71] como la Di ección Gene al de In es igación de
la CE [72], el Minis e io de Economía, Come cio e Indus ia de Japón [73] y el Minis e io de
Ene gía Reno ables de la India [74], han edac ado in o mes que sos ienen al H2 como una de las
p incipales al e na i as pa a el u u o. Es una de las p incipales uen es de ene gía limpia, además
de se el elemen o más abundan e del uni e so.
Uno de los p incipales a ac i os del empleo del H2 adica en la a iedad de mé odos pa a
p oduci lo, así como en la iabilidad a la go plazo de algunos de ellos ya que se puede ob ene a
a és de uen es de ene gías eno ables [75]. Aunque ac ualmen e el 95% del H2 es p oducido a
Capí ulo 1
In oducción
17
a és de mé odos basados en combus ibles ósiles [76]; y únicamen e un 5% p o iene de uen es
de ene gías eno ables [77]. Po es e mo i o, la gene ación de H2 oda ía se conside a un p oceso
cos oso y con aminan e. La p oducción H2 en abundancia y de o ma económica po uen es
eno ables es c í ica pa a da el sal o a una nue a e a de uso del H2 [78]. A endiendo a su o ma
de p oducción se puede clasi ica [79]:
A. H2 p oducido de uen es con encionales.
i) Re o mado con apo de agua y gas na u al. La mayo pa e del H2 que se p oduce
se ealiza a a és de es e mé odo. El gas na u al eacciona con apo de agua a
al a empe a u a y se o ma gas de sín esis, una mezcla de H2, CO y una pequeña
can idad de CO2. Luego, el CO eacciona con agua pa a p oduci H2 adicional
[80].
ii) Oxidación pa cial de hid oca bu os. Se basa en una eacción exo é mica con O2
y apo a p esión mode adamen e al a con o sin un ca alizado según la ma e ia
p ima y el p oceso seleccionado [79].
iii) Gasi icación de ca bón. El ca bón se con ie e en gas de sín esis, luego se ex ae
H2 y se sepa a el CO2 [81].
B. H2 p oducido de uen es de ene gía eno able
i) Ene gía sola o o ol aica pa a con e sión di ec a. Se puede p oduci H2 po :
a) Fo ólisis, basado en el hecho de que las moléculas de agua abso ben ene gía a
una elocidad de 285.57 kJ / mol de agua de la adiación ul a iole a, pudiendo
en p incipio libe a H2 [79].
b) Elec ólisis o o ol aica, donde células o o ol aicas y un elec olizado se
combinan pa a c ea un disposi i o que gene a H2 [80].
ii) Ene gía eólica. El H2 se puede p oduci po elec ólisis u ilizando u binas eólicas
como uen e de elec icidad.
iii) Ene gía hid áulica. En es e caso la ene gía eléc ica necesa ia pa a la elec ólisis
se p oduce a pa i de ene gía hid áulica.
El uso de H2MCI supone una en aja en cuan o a peso y cos e espec o a las al e na i as BEV,
HEV y FCEV, pudiendo además unciona con H2 de baja pu eza. Además, los H2MCI ienen una
e iciencia ce cana a la de H2FC, a un cos e meno , que equie e sólo modi icaciones de bajo cos e
del MCI.
Las p opiedades de combus ión del H2 son muy di e en es de las de la gasolina, el diésel o el gas
na u al como mues a la abla 1.5, se quema mucho más ápido que es os combus ibles, lo que
signi ica que se puede log a una al a e iciencia quemando H2 en un MCI, op imizando la o ma
de la cáma a de combus ión, la elación de comp esión y la calib ación de la sinc onización de la
Capí ulo 1
In oducción
18
ignición, pa a e i a el knocking [82, 83]. Tiene, así mismo, una densidad ene gé ica mucho
mayo que los combus ibles no males, 1 kg de H2 puede p o ee el iple de ene gía que uno de
diésel o gasolina [78]. El H2, po o a pa e, posee unos lími es de in lamabilidad más amplios
como puede obse a se en la abla 1.5, lo que lo hace adecuado pa a ope a en un ango amplio
de condiciones de mo o , incluso pa a dosados muy bajos [78].
El H2 equie e de una uen e de ignición pa a que se inicie la combus ión del mismo debido a la
al a empe a u a de au o-ignición. Es o nos puede hace pensa que es e combus ible es más
adecuado pa a los mo o es SI [84, 85]. En la ac ualidad exis e una solución come cial, el BMW
Hyd ogen 7, que u iliza gasolina y H2 como combus ibles [86].
El H2 es conside ado el mejo candida o pa a mezcla con el diésel pa a sa is ace las
ca ac e ís icas eque idas po el mo o [87 – 89]. Las en ajas e incon enien es del empleo del H2
como el combus ible idóneo pa a mezcla lo con diésel se mues an en la abla 1.6.
A endiendo a las en ajas e incon enien es desc i os a con inuación, exis en a ias azones pa a
jus i ica la in es igación y conside a el empleo del H2 como combus ible en H2MCI:
El p og eso ecien e en las es a egias de con ol pa a la educción de NOx y PM.
Los a ances ealizados en el modelado de dicho ipo de mo o es y el análisis de los ciclos
de combus ión.
El po encial de usa el H2 con la misma in aes uc u a de ab icación ya desa ollada
pa a los MCIA alimen ados con gasolina o diésel.
Se i á como puen e pa a el desa ollo de o as ecnologías basadas en H2 y que
ac ualmen e es án lejos de alcanza su esul ado óp imo, como las H2FC.
Tabla 1.5. Ca ac e ís icas p incipales del H2, diésel, gasolina y gas na u al [84, 85]
Hid ógeno
Diésel*
Gasolina*
Gas Na u al
Densidad (kg/m3) (1 ba , 293.15 K)
0,09
820 - 950
737
0,7 – 0,9
Pode calo í ico In e io (PCI) (MJ/kg)
120
43
42.5
47
Pode calo í ico Supe io (PCS) (MJ/kg)
142
46
47
52
Ene gía mínima de ignición (mJ)
0,02
-
-
0,29
Tempe a u a de au o-ignición (K)
858
473
520 - 583
813
Lími es de in lamabilidad en ai e ( ol%)
4 - 75
0.6 – 7.5
1.4 - 7.6
5 - 15
* Combus ibles líquidos
Capí ulo 1
In oducción
19
Tabla 1.6. Ven ajas e incon enien es del uso del H2 en mo o es CI
Ven ajas
Causas y consecuencias
Inc emen a el a io H/C [90].
Se educe el empleo de diésel y con ello el núme o de
ca bono p esen e. Es a educción se e á aducida en una
educción de las emisiones ípicas de los mo o es que
emplean únicamen e combus ibles ósiles.
Mejo a la homogeneidad de la mezcla
[78].
La al a di usi idad del H2 p o oca que la mezcla es é mejo
p emezclada con el ai e.
Reduce la du ación de la combus ión [91].
Debido a la al a elocidad de p opagación de la llama del
H2 en elación con o os combus ibles.
Mejo es condiciones pa a un p oceso de
combus ión comple a [78].
Es una consecuencia del aumen o de la homogeneidad de la
mezcla.
Inc emen o de la e iciencia indicada [90].
P o ocado po que la combus ión más ápida se ace ca al
olumen cons an e.
Se educen las emisiones de CO, CO2 y
HC.
Un meno uso de diésel educe es e ipo de emisiones
con aminan es, ya que el H2 no p oduce CO2 ni CO en su
combus ión, además de no p oduci HC inquemados.
Incon enien es
Causas y consecuencias
Necesi a una uen e de ignición [92].
Debido a su ele ada empe a u a de au o-ignición, po lo
que equie e o bien una uen e auxilia como el diésel pa a
inicia la combus ión, o un al o RC o calen a el ai e de
admisión con lo que se educi á la e iciencia olumé ica y
po lo an o la po encia del mo o .
Condiciones a o ables pa a que se
p oduzcan knocking [88].
Resul a po la ignición espon ánea de una pa e de la mezcla
en la cáma a de combus ión po delan e de la p opagación
de la llama. El knock suele ocu i bajo al os a ios de
comp esión (RC), baja elocidad de gi o y al a ca ga.
Rápida libe ación de ene gía química en
la mezcla es an e sin quema [90].
Es esul ado del knocking; y p o oca al as p esiones locales
y gene a ondas de p esión. Es as ondas de p esión se
ansmi en a a és de la es uc u a del mo o , lo que esul a
en sonido de combus ión y allos mecánicos del mo o
debido a un aumen o de la ensión é mica y mecánica.
Aumen o de las emisiones de NOx [93].
Es una consecuencia de la combus ión más ápida causada
po la adición de H2, que al aumen a su can idad conduce a
p esiones y empe a u as máximas en el cilind o más al as.
1.3. Obje i os
El con ex o ac ual deja cla o que las medidas adop adas pa a la educción de emisiones
con aminan es no han log ado alcanza los obje i os que se plan ea on en el pasado. Las
es icciones medioambien ales son cada día más es ic i as, ijándose pa a ello unos lími es de
emisiones mucho más exigen es en odos los ámbi os que aba ca es e abajo.
Aunque el desa ollo de los mo o es de combus ión y las écnicas pa a con ola las emisiones de
los mismos no han dejado de e oluciona desde hace décadas, con is as a cumpli con los
obje i os plan eados en el acue do de Pa ís puede que no sean su icien es y se deban acome e
Capí ulo 1
In oducción
20
o o ipo de desa ollos. Los ehículos eléc icos se p esen an como la al e na i a pa a alcanza
el ni el ce o de emisiones, pe o es a al e na i a no se á óp ima a co o-medio plazo. Es po ello
que la comunidad cien í ica plan ea como una al e na i a pa a cumpli con los equisi os
medioambien ales el uso del H2.
El p oyec o de esis doc o al que se p opone se ocupa del es udio de la po encialidad del uso del
H2 como combus ible pa a se empleado en el anspo e de pasaje os o me cancías, ya sea ía
e es e o ma í ima y en la p oducción de po encia, empleando pa a ello mo o es diésel
con encionales y mo o es diésel de 2T len os. Pa a dicho es udio se ha á uso de dis in as
he amien as, ales como la expe imen ación y el empleo de modelos e modinámicos de zona
ce o y mul i-zona en los dis in os casos que se expond án a lo la go del abajo. El es udio es a á
además comple ado con la inco po ación de écnicas pa a la educción de emisiones
con aminan es asociadas a la combus ión del H2.
Además del obje i o global que se expone en el pá a o an e io , se plan ean los siguien es
obje i os pa a el caso de la aplicación del H2 como combus ible en mo o es diésel con encionales:
1) De e mina el alcance del mé odo de inyección de agua en la admisión (WI) pa a la
educción de emisiones de NOx y pa ículas en modo de combus ión diésel. Se plan ea
ealiza un es udio del mé odo WI en dos pun os di e en es del mo o (aguas a iba del
u bo-comp eso y aguas abajo del u bo-comp eso ), compa ando el ni el de emisiones
y las p es aciones del mo o pa a ambos casos.
2) Analiza la po encialidad del uso de H2O como agen e pa a la educción de emisiones de
NOx en el modo de combus ión H2, así como pa a con ola la p oblemá ica que p esen a
es e ipo de combus ión así como pa a inc emen a el ango de ope ación.
3) Compa a los mé odos WI y EGR, pa a de e mina qué mé odo es mejo desde el pun o
de is a de la educción de emisiones. El en oque de es e análisis es el de implemen a la
écnica más adecuada an o pa a el desa ollo expe imen al como pa a los di e sos
modelos que se exponen en el abajo.
4) Es udia dos modos de combus ión dual con WI: i) H2 como combus ible p incipal y
diésel sólo como combus ible pilo o pa a la ignición y ii) H2 y diésel, ambos como ene gía
p ima ia. Los dos modos de combus ión dual se án es udiados pa a di e en es
elocidades, ca gas y ángulos de inyección, lo que nos pe mi i á ealiza un análisis del
modo de combus ión dual más amplio que los que se han desa ollado has a aho a.
Capí ulo 1
In oducción
21
En el caso del es udio de los mo o es diésel len os de 2T la expe imen ación en el mo o es á ue a
del alcance de es a esis, aunque sí se dispone de in o mación de allada de ope ación de un mo o
ep esen a i o de oda la gama que ha pe mi ido la alidación de los modelos de cálculo. Es po
ello que pa a el es udio de es e ipo de mo o es se ealizan modelos e modinámicos ce o-
dimensionales o CFD. En es e abajo pa a el es udio de la combus ión de H2 en es e ipo de
mo o es se plan ea:
5) El desa ollo de un modelo e modinámico pa a el es udio de la combus ión de H2 con
WI en un mo o diésel de 2T. Ob eniendo como esul ado un mapa de uncionamien o
del mismo jun o con los mapas de ope ación del g upo de sob ealimen ación. Es e modelo
se alimen a de leyes uncionales que p opo cionan los pa áme os pa a ob ene la asa de
libe ación de calo de un p oceso de combus ión dual a pa i de unas condiciones
iniciales. Es o pe mi i á el es udio del p oceso de combus ión siemp e que se conozcan
las condiciones iniciales.
Capí ulo 2
Fundamen os y es ado ac ual del empleo del H2 en los MCIA’s
28
en a o del H2 educe las emisiones de CO2. El enómeno de educción de es e ipo de emisiones
se p oduce pa a odas las ca gas del mo o .
c.3) Emisiones de NOx
Como ya hemos apun ado an e io men e, el aumen o de la can idad de H2 in oluc ada en la
combus ión dual ae consigo un aumen o de la can idad de NOx. Cuando nos e e imos a los NOx
hacemos e e encia al óxido ní ico (NO), siendo és e el más abundan e den o de los NOx (en
o no al 80%), y al dióxido de ni ógeno (NO2), que es el más noci o pa a la salud. La o mación
de NOx depende en g an medida de la empe a u a en el in e io del cilind o, la concen ación de
O2 (dosado) y el iempo de esidencia pa a que enga luga la eacción [125]. La o mación de
NOx es á desc i a po a ios mecanismos, en el caso de los NO po : el “Mecanismo de Zeldo ich”
o é mico, el “Mecanismo de Fenimo e” o p omp y el “Mecanismo La oie” o “Mecanismo de
Zeldo ich ex endido”.
La uen e p incipal de NO es la oxidación del ni ógeno molecula a mos é ico, aunque el
ni ógeno con enido en el combus ible ambién es conside ado como una uen e de meno
incidencia pa a la o mación de NO. El “Mecanismo de Zeldo ich” [126] es el p edominan e a
al as empe a u as:
𝑁2+𝑂2𝑘1
↔𝑁𝑂+𝑁 (2.5)
𝑁+𝑂2𝑘2
↔𝑁𝑂+𝑂 (2.6)
Donde k1 y k2 son las cons an es de elocidad de eacción de cada una de ellas según la ley de
A henius. La eacción global se puede desc ibi como:
𝑁2+𝑂2𝑘
↔2𝑁𝑂 (2.7)
La elocidad de eacción global se ige p incipalmen e po la p ime a eacción (Ec. 2.5), ya que
la segunda eacción (Ec. 2.6) es mucho más ápida que la p ime a y ocu e inmedia amen e
después de la p ime a. En condiciones icas, es deci con un a io combus ible/ai e al o, debido a
la al a de oxígeno, la eacción de la Ec. 2.6 se debili a, po lo an o, se incluye una e ce a eacción
en el mecanismo (Ec. 2.8), ambién conocido como “Mecanismo de Zeldo ich ex endido” [127]:
𝑁+𝑂𝐻𝑘3
↔𝑁𝑂+𝐻 (2.8)
𝑘𝑓1=1,47∙1013∙𝑒−75286,81
𝑅∙𝑇 (2.9)
𝑘𝑓2=6,40∙109∙𝑒−6285,5
𝑅∙𝑇 (2.10)
Capí ulo 2
Fundamen os y es ado ac ual del empleo del H2 en los MCIA’s
29
𝑘𝑓3=3,80∙1013 (2.11)
Donde:
T es la empe a u a en el in e io del cilind o (K).
R es la cons an e uni e sal de los gases.
La ene gía de ac i ación iene unidades de cal/mol.
El mecanismo de Fenimo e su ge del hecho que la o mación de NO no pueda explica se
únicamen e con el mecanismo de Zeldo ich. Es e mecanismo, a di e encia del an e io , no
depende de la empe a u a, y solamen e explica la o mación de al ededo del 5% del o al de NO
en mo o es diésel [126]. La eacción dominan e que explica es e mecanismo es:
𝐶𝐻+𝑁2↔𝐻𝐶𝑁+𝑁 (2.12)
En el caso de la o mación de NO2 las eacciones que in e ienen son las siguien es:
𝑁𝑂 + 𝐻𝑂2 → 𝑁𝑂2 + 𝑂𝐻 (2.13)
𝑁𝑂2 + 𝐻 → 𝑁𝑂 + 𝑂𝐻 (2.14)
𝑁𝑂2 + 𝑂 → 𝑁𝑂 + 𝑂2 (2.15)
𝐻 + 𝑂2 + 𝑀 → 𝐻𝑂2 + M (2.16)
Como la combus ión de H2 es posible en un amplio ango de elaciones de combus ible-ai e, la
combus ión de una mezcla ica en ai e y H2 a al as empe a u as c ea un ambien e ideal pa a la
o mación de emisiones de NOx [113]. Aunque la empe a u a de combus ión aumen a con la
adición de H2, las emisiones son más bajas a elocidades más al as debido al meno iempo de
esidencia [128]. Algunos es udios apun an que cuando se exceden alo es de la elación de ai e-
H2 de 0,75 se p oduce un aumen o en las emisiones de NOx [129]. El H2 iene una elocidad de
p opagación de llama mayo que la del diésel [130, 131], po lo que aumen a á la p obabilidad de
que se p oduzca la combus ión comple a en el modo de combus ión dual. La combus ión comple a
conlle a una mayo p esión máxima en el in e io del cilind o, con lo que a su ez aumen a la
empe a u a y po consecuencia los NOx [129].
c.4) Emisiones de HC
Las emisiones de HC son u o de la combus ión incomple a de los combus ibles ósiles, en el
caso de la combus ión en modo dual a consecuencia de la combus ión incomple a del diésel. Dicha
combus ión incomple a se debe a las bajas empe a u as del p oceso de combus ión [132, 133], lo
Capí ulo 2
Fundamen os y es ado ac ual del empleo del H2 en los MCIA’s
30
que conlle a la deposición de combus ible en las pa edes y oquedades de la cáma a [134]. Va ios
es udios de in es igación e idencian la educción signi ica i a de las emisiones de HC en mo o es
CI en modo dual pa a odas las ca gas [111, 135]. La educción en las emisiones de HC se debe
a la mayo elocidad de combus ión del H2, lo que mejo a la combus ión del diésel. Además la
ausencia de ca bono en el combus ible de H2 educe las emisiones de HC en mayo medida [136,
137].
c.5) Emisiones de PM o humos
La emisión de pa ículas o de humos en los mo o es CI se debe a la he e ogeneidad de la mezcla
ai e-combus ible. Dichas emisiones disminuyen signi ica i amen e con el aumen o del g ado de
homogeneidad en la mezcla ai e-combus ible. Po lo gene al, ocu e en egiones donde exis e una
can idad insu icien e de ai e (pa a la oxidación) en la cáma a de combus ión. Si la elación ai e-
combus ible disminuye, la emisión de pa ículas puede aumen a signi ica i amen e. A al as
ca gas, la emisión de humo es al a debido a que se suminis a una mezcla ica pa a sa is ace la
al a demanda de ca ga [97].
La emisión de PM de un mo o en modo combus ible dual es signi ica i amen e meno en
compa ación con el modo diésel con encional, especialmen e a ca gas ele adas. Es e ipo de
emisiones aumen an d ás icamen e con el aumen o de la ca ga en el caso del modo diésel,
mien as que el aumen o de la ca ga no iene una in luencia signi ica i a en las emisiones de PM
en el caso del modo de combus ible dual [138]. Es o pod ía debe se a que la adición de H2 aumen a
el g ado de homogeneidad de la mezcla, lo que conduce a una mejo combus ión.
La o mación de humo se p oduce cuando la elación C/O excede la unidad [122]. La elación
c í ica de C/O pa a la o mación de emisiones disminuye signi ica i amen e al disminui la
empe a u a del cilind o. En el modo dual al aumen a la can idad apo ada de H2, la elación C/O
puede disminui signi ica i amen e con la disminución del combus ible diésel, lo que esul a en
una educción d ás ica de la emisión de humo [97].
Un esumen de los e ec os del modo de combus ión dual que la bibliog a ía ecoge pa a el
inc emen o de la can idad de H2 en modo dual se encuen a ecogido en la abla 2.1.
Capí ulo 2
Fundamen os y es ado ac ual del empleo del H2 en los MCIA’s
31
Tabla 2.1. Resumen de los e ec os de la combus ión en modo dual [97]
Pa áme o de es udio
Aumen o de la can idad de H2 a
al a y media ca ga
Aumen o de la can idad de H2 a
baja ca ga
E iciencia é mica
Aumen a (mayo que en modo
diésel)
Se educe
Rendimien o olumé ico
Se educe
Se educe
P esión en el in e io del
cilind o
Aumen a
Se educe
Tempe a u a en el in e io del
cilind o
Aumen a
Se educe
Tempe a u a de los gases de
escape
Aumen a
Aumen a
TLC
C ece
Dec ece
Re aso a la ignición
Se educe
Va iable
Du ación de la combus ión
Se educe
Aumen a
Rendimien o de la combus ión
Aumen a
Se educe
CO
Se educe
Se educe
CO2
Se educe
Se educe
NOx
Aumen a
Aumen a
HC
Se educe
Se educe
PM/humos
Se educe
Se educe
Igualmen e en la abla 2.2 se p esen a un ba ido de los es udios expe imen ales que se han
ealizado en los úl imos años en modo de combus ión dual en mo o es CI con encionales. Se hace
especial hincapié en la can idad de H2 implicada en los mismos y las ca ac e ís icas de los mo o es
en las que se ealizan, con is as a compa a dichos ensayos con los que se han desa ollado en el
abajo que engloba es a esis.
Tabla 2.2. Ba ido de ensayos expe imen ales en modo de combus ión dual en mo o es CI
Mo o ensayado (Po encia nominal
en modo diésel, RC, nº cilind os,
PME alcanzada)
Can idad de H2 máxima in oluc ada
Re e encia
103 kW - 17,5 - 4 cil.
15% de sus i ución de ene gía apo ada al 75%
de ca ga y 1800 - 3600 RPM
[98]
3,7 kW – 16,5 – 1 cil.
6,7% de sus i ución de ene gía apo ada al
100% de ca ga y 1500 RPM
[99]
7,4 kW – a iable – 1 cil. – 9,2 ba
- 19,5% de sus i ución de ene gía al 100% de
ca ga y RC 19,5
- 59% de sus i ución de ene gía al 100% de
ca ga y RC 16,5
[100]
5,2 kW – 17.5 – 1 cil.
42% de sus i ución de ene gía apo ada al 100%
de ca ga y 1500 RPM
[102]
7,5 kW – 19 – 1 cil.
53% de sus i ución de ene gía apo ada al 100%
de ca ga y 1500 RPM
[103]
4,4 kW – 17.5 – 1 cil.
150 g/h al 100% de ca ga y 1500 RPM
[107]
Capí ulo 2
Fundamen os y es ado ac ual del empleo del H2 en los MCIA’s
32
7,4 kW – 19,5 – 4 ba
56,4% de sus i ución de ene gía apo ada en
modo PHCCI al 100% de ca ga y 1500 RPM
[108]
17,4 – 1 cil.
10% de sus i ución de ene gía apo ada al 100%
de ca ga y 2400 RPM
[110]
5,2 kW – 17,5 – 1 cil.
0,15 kg/h apo ados al 80% de ca ga y 1500
RPM
[111]
49 kW – 17,1 – 4 cil.
20% de sus i ución de ene gía apo ada al 100%
de ca ga y 1800 RPM
[112]
3,7 kW – (14,5-24,5) – 1 cil.
0,4 kg/h apo ados al 100% de ca ga y 1500
RPM
[116]
62,5 kW – 17,5 – 4 cil.
50% de sus i ución de diésel al 80% de ca ga y
1500 RPM
[119]
16,7 – 1 cil.
10% de olumen compa ido a al a ca ga y 16%
de olumen a baja ca ga
[121]
55 kW – 18,2 – 4 cil. – 5 ba
12,8% de sus i ución de ene gía apo ada al
100% de ca ga y 1500 RPM
[128]
5 kW – 16,7– 4 cil.
12,8% de sus i ución de ene gía apo ada al
100% de ca ga y 1500 RPM
[139]
3,7 kW – 16,5 – 1 cil. – 5,42 ba
10% de sus i ución de ene gía apo ada al 100%
de ca ga y 1500 RPM
[140]
9,2 kW – 18,1– 1 cil.
20% de sus i ución de ene gía apo ada al 60%
de ca ga y 2400 RPM
[141]
7,4 kW – 17,5 – 1 cil.
11,5% de sus i ución de ene gía apo ada al
100% de ca ga y 3600 RPM
[142]
107 kW – 17,3 – 4 cil. – 5,9 ba
10% de sus i ución de ene gía apo ada a baja
ca ga y 1500 RPM
[143]
2.2. Mecanismos pa a la educción de las emisiones con aminan es y pa a e e i
las posibles consecuencias nega i as de i adas del empleo de H2
Como ya hemos in oducido an e io men e, el empleo de H2 en modo de combus ión dual jun o
con el gasóleo o ece una se ie de bene icios como son: una ele ada e iciencia é mica, una al a
e iciencia de la combus ión y educe en g an medida las emisiones de i adas del uso de
combus ibles con base ca bono (CO, CO2, HC y PM). Sin emba go, el modo de combus ión dual
aún no sol en a algunos p oblemas que la combus ión en modo con encional diésel ya p esen aba
y supone o os desa íos a soluciona como son: no desapa ecen las emisiones de NOx, pudiendo
incluso aumen a , se puede p oduci knocking y la can idad máxima de H2 a emplea es limi ada,
ya que el aumen o de la can idad de H2 puede conduci a la au o-de onación. Igualmen e se pod ía
p oduci la ignición espon ánea de una pa e de la mezcla en la cáma a de combus ión po delan e
de la p opagación de la llama, p o ocando al a p esiones locales y gene ando ondas de p esión
que pod ían daña el mo o .
Capí ulo 2
Fundamen os y es ado ac ual del empleo del H2 en los MCIA’s
33
A con inuación se desc iben una se ie de medidas pa a in en a mi iga los e ec os nega i os del
modo de combus ión dual, an o en los mo o es CI con encionales como en los mo o es CI 2T
len os. Algunos de ellos pueden sol en a más de un incon enien e, aunque pueden p esen a
o os:
Uso del EGR.
Inyección de agua.
Modi ica la elación de comp esión.
Combus ión en modo HCCI.
Aumen o de la can idad de ai e en la admisión.
Modi ica la inyección pilo o (diésel).
Uso de SCR.
EGR
La eci culación de los gases de escape se p esen a como una posible solución pa a mi iga el
aumen o de los NOx y el aumen o de la can idad de H2 del modo dual. La eci culación de los
gases de escape consis e en eci cula pa e de dichos gases al colec o de admisión y ya se emplea
ac ualmen e en los mo o es CI en el modo de combus ión diésel.
Como ya comen amos en el capí ulo 1.1.2, con el EGR se pod ía educi las emisiones de NOx
po los e ec os de dilución y é mico que p o ocan la eci culación de gases de escape. Sin
emba go, es a eci culación lle a asociada un aumen o de los humos, así como una penalización
en el endimien o olumé ico [144]. El empleo de EGR en el modo de combus ión dual se ha
es udiado ampliamen e. Dichos es udios apun an a que se puede alcanza una mayo cuo a de
eci culación de gases si se ealiza en modo dual, sin alcanza la i egula idades en la combus ión
que ienen luga en el modo diésel con encional [145]. Los es udios apun an que el empleo de
EGR a ca gas bajas y mode adas p o oca una educción de casi 3 eces en los NOx y una
educción al ededo de un 10% de los humos. Sin emba go, a al as ca gas las emisiones de NOx
sí se en educidas, pe o los humos aumen an. Además, la emisión de CO aumen a, sin emba go,
la emisión de CO2 disminuye, lo que hace que la emisión o al de ca bono se eduzca en
compa ación con el modo diésel. También se obse a un lige o aumen o en la emisión de HC
[146]. Igualmen e la eci culación de los gases de escape ae consigo una eci culación de H2O
p esen e en dichos gases. El e ec o de un aumen o en la acción de agua p esen e en la cáma a
se á analizado a con inuación.
Capí ulo 2
Fundamen os y es ado ac ual del empleo del H2 en los MCIA’s
34
El sis ema EGR se puede implemen a an o en los mo o es CI con encionales, como en los
mo o es CI 2T len os. Una mues a de ello es la Fig. 2.1 que mues a esquemas del sis ema EGR
siendo la (a) en un mo o de au omoción y la (b) en un mo o len o 2T.
(a)
(b)
Fig. 2.1. (a) Sis ema EGR de un mo o CI con encional. (b) Sis ema EGR de un mo o CI 2T
len o MAN 4T50ME-X [147]
Inyección de agua
La inyección de agua es el mé odo más e ec i o pa a educi la empe a u a en el in e io del
cilind o. Es a educción de empe a u a p oduce a su ez una disminución de las emisiones de
NOx [144] y pod ía posibili a el aumen o de la acción de H2, así como educi la endencia al
knocking [97], ya que en ía las uen es é micas de ignición y educe la elocidad de eacción
Capí ulo 2
Fundamen os y es ado ac ual del empleo del H2 en los MCIA’s
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química [148]. La disminución de la empe a u a es esul ado del aumen o en la capacidad é mica
de la mezcla (e ec o é mico), que aca ea un e aso en el inicio de la combus ión. La disminución
de la concen ación de O2 p oduce un e ec o de dilución. Se p oduce además un pequeño e ec o
químico debido a la in oducción de adicales OH del agua [149].
Exis en di e en es mé odos pa a la adición de agua al mo o [150, 151]:
Emulsión de agua y diésel (DWE).
La inyección di ec a de agua en el cilind o (DWI).
La inyección de agua en algún pun o del colec o de admisión (WI)
El DWE se de ine como una emulsión de agua en combus ible diésel es ánda , que puede se con
adi i os especí icos, p incipalmen e su ac an es, pa a es abiliza el sis ema [152] o median e la
emulsión a a és de ecnología de emulsión ul asónica que pe mi e un uso más e icien e de los
combus ibles, ales como combus ibles pesados o diésel, mezclando agua en el combus ible base.
La p esencia de agua en el combus ible diésel p oduce una educción conside able en las
emisiones de NOx y PM. El en oque DWE mues a dos e ec os: 1) la educción de la empe a u a
pico en el cilind o, lo que esul a en un ni el más bajo del NOx o mado y 2) una mejo a en la
a omización y mezcla del combus ible con el ai e ci cundan e que mejo a las ca ac e ís icas de la
combus ión, siendo más ápida y e icien e [152, 153]. Es as mejo as se a ibuyen a las mic o-
explosiones de las go as de agua que se deben a la di e encia de ola ilidad en e el agua y el
combus ible [154, 155]. Un aspec o impo an e es que las emulsiones diésel se pueden usa sin
modi icaciones del mo o , aunque el po cen aje de agua añadido educe la po encia alcanzable
ap oximadamen e en la misma p opo ción.
En el caso del DWI, el agua se suminis a di ec amen e a la cáma a de combus ión median e un
inyec o . El mé odo DWI pe mi e que el agua se inyec e en el momen o y luga co ec os pa a
ob ene la mayo educción de NOx. El en oque del DWI pe mi e cambia la elación
agua/combus ible mien as a ía los pa áme os del mo o ( elocidad y ca ga) o du an e el
a anque en ío del mo o , a di e encia del DWE [156 – 158]. Una de las en ajas de es e modo
de inyección es que el e aso del encendido se puede man ene en ni eles bajos, incluso si se
inyec a una g an can idad de agua, ob eniendo una g an educción de NOx [151]. Los
incon enien es de es e mé odo son: la complejidad de la in eg ación de componen es adicionales
al sis ema de mo o exis en e y los equisi os adicionales de un ediseño del sis ema de suminis o
de combus ible [154].
Desde el pun o de is a de inco po a el suminis o de agua al ai e de en ada (WI) exis en a ias
es a egias: 1) inyección mul ipun o de agua en el colec o de admisión ce ca de las ál ulas de
admisión [159 – 162], 2) inyección de agua en un pun o aguas a iba del comp eso [161 - 163] y
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Fundamen os y es ado ac ual del empleo del H2 en los MCIA’s
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3) inyección en un pun o aguas abajo del comp eso [163, 142]. En cuan o a las en ajas del
mé odo WI se incluyen un aumen o del endimien o olumé ico debido al e ec o de en iamien o
y una dis ibución de agua casi homogénea en la cáma a de combus ión. Algunos es udios
expe imen ales concluye on que una mayo asa de agua con ibuía a un mayo e aso en la
ignición, una mayo libe ación de calo pico y meno es emisiones de NOx [144]. Finalmen e, WI
es el p ocedimien o de meno cos e y que meno ans o mación del mo o equie e pa a inyec a
agua en el mo o .
En la li e a u a exis en es udios expe imen ales con inyección de agua en el modo de combus ión
dual. La inyección de agua en un mo o CI en modo dual a a és del colec o de admisión jun o
con el H2 aumen a la po encia de salida, ya que disminuye signi ica i amen e la empe a u a de
la mezcla sin quema [164]. En é minos de ene gía la mayo pa e de los es udios encon a on
que el H2 pod ía sus i ui al diésel has a en un 38% de la ca ga comple a sin penalización de
e iciencia y po encia de salida. Sin emba go, log a on una sus i ución en é minos de ene gía de
H2 de has a el 66% jun o con la inyección de agua pa a un uncionamien o sua e del mo o y una
educción d ás ica de los humos y las emisiones de NOx [165].
Igualmen e se han ealizado p uebas en mo o es CI de 2T len os empleando las dis in as écnicas
de adición de agua al mo o . En el caso del DWE, la in luencia a ía según el ipo de mo o , pe o
en gene al un 1% del agua educe las emisiones de NOx en un 1%. Los mé odos de emulsión de
agua y combus ible mezclan el combus ible con agua dulce a bo do del ba co pa a o ma una
emulsión adecuada pa a inyección en la cáma a de combus ión [147]. En el caso del uel pesado
empleado en es e ipo de mo o es, se puede emulsiona has a un 30% de agua en el combus ible,
esul ando en ap oximadamen e una educción del 30% de los NOx. Los cons uc o es de es e ipo
de mo o es, MAN y Wä silä [147, 166], apun an que la p opo ción de agua ag egada pa a la
emulsión de agua y combus ible es á limi ada p incipalmen e po la capacidad máxima de en ega
de las bombas de inyección de combus ible, la iscosidad de la emulsión y el g ado de
calen amien o eque ido pa a educi la iscosidad pa a la inyección. La ob ención de la máxima
educción de NOx a plena ca ga ambién obliga ía a ediseña no solo el sis ema de inyección sino
ambién el á bol de le as y su accionamien o.
En el caso de DWI, Wä silä en sus mo o es de elocidad media (400-750 pm) lo ha p obado
inyec ando el agua y el combus ible en una p opo ción ípica de agua/combus ible de 0,4 a 0,7:1,
consiguiendo una educción de las emisiones de NOx de un 50%-60% sin a ec a nega i amen e
a la po encia gene ada [147]. Así mismo, MAN y Wä silä han p obado el mé odo WI. En el caso
de Wä silä lo ha implemen ado en mo o es de 4 iempos, log ando unas educciones de NOx del
30% al 60% con unas elaciones de agua/combus ible 1,5:2. MAN, po su lado, ambién ha
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Fundamen os y es ado ac ual del empleo del H2 en los MCIA’s
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pe seguido la educción de NOx al aumen a la humedad del ai e de ca ga con apo de agua,
llegando a educi la o mación de NOx has a en un 65%.
Modi icación de la elación de comp esión
La educción del RC se ealiza con obje o de pode aumen a la can idad de H2 que se in oduce
en la cáma a de combus ión. No exis en muchos es udios sob e la in luencia del RC en el aumen o
de la can idad de H2 in oluc ada en el modo de combus ión dual. Algunos de esos es udios
ob u ie on un aumen o de ap oximadamen e el 40% de la can idad de H2 que se puede in oduci
en la cáma a de combus ión. Uno de ellos necesi ó baja 8 pun os el RC [116] y en o os casos
sólo 3 pun os [148].
La educción del RC conlle a una educción del endimien o del mo o , aunque si se pa e de RC
ele adas la sensibilidad es pequeña y po an o la penalización en el endimien o ambién. Sin
emba go, pa a aumen a la p opo ción de H2, el RC del mo o debe educi se pa a educi la
empe a u a en el cilind o y aumen a la esis encia al knocking. El uso combinado de la educción
del RC y las es a egias de inyección de agua en un mo o de CI en modo dual pod ía pe mi i
alcanza los ni eles máximos de H2 [97]. Un es udio que combinaba ambos mé odos encon ó
una mejo a signi ica i a de la p opo ción de H2 en un 60% desde el modo de combus ión dual
con encional (RC base de 19.5: 1) has a ap oximadamen e un RC de 16.5: 1 y un consumo de
agua de 340 g/kWh [148].
Combus ión en modo HCCI
El obje i o de la combus ión HCCI es educi el g ado de he e ogeneidad de la mezcla,
consiguiendo educi las emisiones de NOx y PM. Cuando la can idad de la ca ga p emezclada
aumen a, las emisiones de NOx se educen debido a que la empe a u a en el in e io del cilind o
se educe, mien as que las emisiones de PM disminuyen, p ác icamen e desapa ecen, debido al
aumen o de g ado de homogeneidad [97]. Los es udios de es e modo de combus ión dual apun an
a que se puede consegui un aumen o de la can idad de H2 de en o no al 20% [108] y una mejo a
sus ancial del endimien o é mico [167].
Aumen a la can idad de ai e en la admisión
Aumen a la can idad de ai e en la admisión iene como obje o educi la penalización que supone
in oduci el H2 en la co ien e de ai e de en ada [109 - 111]. Además inc emen a la can idad de
Capí ulo 3
He amien as pa a el análisis de los p ocesos de combus ión
44
Fig. 3.3. Nube ípica de las go as o madas del inyec o FB
Como ya hemos comen ado an e io men e se han lle ado a cabo una se ie de ensayos
expe imen ales. Tal como mues a la Fig. 3.4, p ime o se han ealizado ensayos en modo diésel
pa a compa a los mé odos WI y EGR; pa a pos e io men e ensaya en modo dual.
Fig. 3.4. Ensayos expe imen ales en ambos modos de ope ación
La Fig. 3.5 mues a la ins alación del banco de ensayos pa a el caso de la expe imen ación con
WI. En es e ipo de expe imen ación el EGR ha sido deshabili ado y el suminis o de H2 ha sido
bloqueado. La Fig. 3.6 mues a la con igu ación del banco de ensayos pa a lle a a cabo los
ensayos en modo diésel con EGR. Es a úl ima con igu ación es la o iginal del mo o , sal o po el
hecho de la inco po ación de la oma de H2 a la admisión.
Capí ulo 3
He amien as pa a el análisis de los p ocesos de combus ión
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Fig. 3.5. a) Con igu ación del mo o en modo diésel pa a la expe imen ación con WI aguas abajo
del u bo-comp eso (WI AAB). b) Con igu ación del mo o en modo diésel pa a la
expe imen ación con WI aguas a iba del u bo-comp eso (WI AAR)
Fig.3.6. Con igu ación del mo o en modo diésel pa a la expe imen ación con EGR
La Fig. 3.7 mues a la con igu ación del banco de ensayos pa a expe imen ación en modo dual.
En dicha con igu ación se ha deshabili ado el EGR y la écnica de WI que se emplea es aguas
Capí ulo 3
He amien as pa a el análisis de los p ocesos de combus ión
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abajo del u bo-comp eso . La jus i icación del empleo de dicha écnica es á ecogida en el
capí ulo 4 de la esis. De acue do con las Fig. 3.5 – 3.7, la abla 3.2 ecoge odos los pa áme os
de las medidas ealizadas en el banco de ensayos.
Fig. 3.7. Mon aje expe imen al en caso de la combus ión en modo dual
Tabla 3.2. Senso es empleados en el mon aje expe imen al
Re e encia
Senso
Unidades
P ecisión de la
medida
Comen a ios
1
Tempe a u a
ºC
(–40+120)°C (≤3%)
Ai e de en ada an es del
comp eso
2
Tempe a u a
ºC
0–1000°C ± 1.5 ºC
Ai e de en ada an es del
comp eso
3
Tempe a u a
ºC
0–1000°C ± 1.5 ºC
Ai e de en ada después del
comp eso
4
Tempe a u a
ºC
0–1000°C ± 1.5 ºC
Ai e de en ada después del
e ige ado
5
P esión
ba [absolu a]
0–10 ba (≤0.5%)
P esión a la salida del
comp eso
6
Tempe a u a
ºC
0–1000°C ± 1.5 ºC
Ai e en ada después de la
WI
7
Tempe a u a
ºC
0–1000°C ± 1.5 ºC
Flujo de escape an es de la
u bina
8
Tempe a u a
ºC
0–1000°C ± 1.5 ºC
Flujo de escape después de la
u bina
9
P esión
ba [ ela i a]
0–250 ba ± 0.5%
P esión in e io del cilind o
10
P esión
ba [ ela i a]
0–250 ba ± 0.5%
P esión in e io del cilind o
11
Medido de la
exci ación del
inyec o
A
0–30 A ± 1%
Ampe íme o
Capí ulo 3
He amien as pa a el análisis de los p ocesos de combus ión
47
3.2. Modelado de la asa de libe ación de calo
El obje i o de es a sección es el desa ollo de un modelo e modinámico de zona ce o, que nos
pe mi a ob ene la asa de libe ación de calo (TLC) y la empe a u a en el in e io del cilind o a
a és de los da os expe imen ales, pa a su pos e io análisis. El modelado de la asa de libe ación
de calo se ealiza a a és del ci ado modelo 0-D y su pos e io ca ac e ización a a és de una
unción doble de Wiebe. La jus i icación del empleo de la unción doble de Wiebe pa a la
pa ame ización de la TLC se encuen a en el pun o 3.2.2.
El modelo ha á uso de las condiciones de ensayo (caudal de diésel, caudal de H2, caudal de agua,
caudal de ai e y pa ) y de los da os ob enidos a a és de la expe imen ación (cu a de p esión
den o del cilind o y cu a de inyección) pa a emplea los como en adas del mismo. El modelo
e modinámico consis e en la esolución de una se ie de ecuaciones que se desc ibi án en el
siguien e pun o, cuyo esul ado es la TLC y la cu a de empe a u a en el in e io del cilind o. La
TLC di ec a que se ob iene del modelo 0-D se pa ame iza á pos e io men e median e la unción
doble de Wiebe.
La Fig. 3.8 mues a la me odología pa a el análisis del p oceso de combus ión de los dis in os
ensayos ealizados. Dicha igu a se mues a como hemos explicado an es: las en adas al modelo,
la es uc u a in e na, compues a po las di e en es ecuaciones que componen el modelo y las
salidas que se ob ienen. En la igu a el é mino dThe a es equi alen e a dθ.
3.2.1. Modelo e modinámico 0-D
Se ha desa ollado un modelo 0-D con obje o de analiza las ca ac e ís icas de la combus ión. El
modelo de combus ión es pa icula men e adecuado pa a el con ol, la ca ac e ización, la
op imización y el diagnós ico del p oceso de combus ión po que consume muy poco iempo de
cálculo y es ácil de o mula y calib a . El modelo de combus ión 0-D se usa gene almen e pa a
p opo ciona las ca ac e ís icas de combus ión que se en ienden p incipalmen e a a és de la TLC
[122, 176]. En dicho modelo, la acción quemada de combus ible o la elocidad de combus ión
del p oceso se ca ac e iza no malmen e median e la unción de Wiebe.
Además, es e modelo de combus ión 0-D es muy alioso pa a el análisis de las emisiones de gases
de escape. Aunque el modelo no pe mi e la p edicción de NOx, CO y la o mación de pa ículas,
ya que no iene una disc e ización espacial den o de la cáma a de combus ión, la p esión de
combus ión y la e olución de la empe a u a dada po el modelo es una he amien a muy aliosa
pa a comp ende los esul ados expe imen ales elacionados con los gases de escape.
Capí ulo 3
He amien as pa a el análisis de los p ocesos de combus ión
48
Fig. 3.8. Me odología seguida pa a la ob ención de la TLC pa ame izada
Co ec amen e calib ado y alidado, el modelo de zona única 0-D p opues o es adecuado pa a el
cálculo p eciso de la e olución de la p esión con el in de p edeci el endimien o del mo o u
ob ene condiciones lími e pa a modelos de combus ión especí icos con una al a e iciencia
compu acional.
El modelo es á diseñado pa a p opo ciona la TLC di ec a a a és de las condiciones iniciales y
las cu as de inyección y p esión en el in e io del cilind o. La TLC di ec a pos e io men e se
ca ac e iza á median e una unción doble de Wiebe, donde el ángulo de inicio de combus ión
(SOC) end á dado po la cu a de p esión, como explica emos más adelan e. Además el modelo
Capí ulo 3
He amien as pa a el análisis de los p ocesos de combus ión
49
es aplicado a odos los ensayos expe imen ales, ya sean en modo diésel o en modo de combus ión
dual (diésel y H2).
En el desa ollo del modelo se ienen en cuen a las siguien es conside aciones, debido a la
compleja in e acción en e los enómenos ísicos y químicos que ocu en du an e la combus ión:
Una dis ibución uni o me de p esión (p) en el in e io de la cáma a. La p esión en el
in e io de la cáma a es conocida. Es o se debe a que las elocidades del luido y de la
llama son mucho más pequeñas que la elocidad del sonido [177]. Po ende p(θ) y dp/dθ
se conocen.
Una dis ibución uni o me de empe a u a (T) en el in e io de la cáma a.
θ es el ángulo de gi o del cigüeñal.
Una dis ibución uni o me de especies químicas en el in e io de la cáma a.
Las pé didas de calo a a és de las pa edes es án implemen adas.
Las pé didas ( ugas de combus ible) a a és de los anillos no es án conside adas.
La inyección de combus ible, diésel en nues o caso, es á conside ada.
El modelo calcula á desde el cie e de la ál ula de admisión (CVA) has a la ape u a de
la ál ula de escape (AVE).
La cáma a de combus ión se conside a como un eac o de mezcla pe ec a con olumen
a iable.
Las especies químicas conside adas son ai e (A , N2 y O2), combus ible (diésel y H2) y
los p oduc os de la combus ión es equiomé icos (CO2 y H2O). La conside ación del H2
depende á del modo de combus ión a la que se aplique el modelo.
El olumen V(θ) y su de i ada dV/dθ son conocidos.
La conside ación de la ans e encia de calo , dependiendo de las condiciones de
ope ación, es necesa ia pa a ob ene p edicciones p ecisas de los pa áme os indicados o
el es ado e modinámico de la ca ga [178].
Se asume que el H2 en el modo de combus ión dual se mezcla pe ec amen e con el ai e
en la admisión.
La TLC se ob iene a pa i de la elocidad de combus ión (dxq), es deci , la acción de la masa
o al de combus ible (m ), sólo diésel en modo con encional y diésel + H2 en el caso dual, que se
quema en e los ángulos de cigüeñal θ y θ + dθ:
𝑑𝑥𝑞
𝑑𝜃 =1
𝑚𝑓⋅𝑑𝑚𝑓
𝑑𝜃 (3.1)
Capí ulo 3
He amien as pa a el análisis de los p ocesos de combus ión
50
La TLC (dHq) se á: 𝑑𝐻𝑞
𝑑𝜃 =𝑚𝑓𝐻𝑓⋅𝑑𝑥𝑞
𝑑𝜃 (3.2)
En el caso de combus ión en modo dual se asumi á que el H2 y el diésel comenza án y con inua án
su combus ión simul áneamen e, es deci , ienen una asa de quemado común. Siendo mD la masa
de diésel y mH2 la masa de H2.
𝑑𝑚𝐷
𝑑𝜃 =𝑚𝐷⋅𝑑𝑥𝑞
𝑑𝜃,(3.3.𝑎) 𝑑𝑚𝐻2
𝑑𝜃 =𝑚𝐻2⋅𝑑𝑥𝑞
𝑑𝜃 (3.3.𝑏)
Pa a la ob ención de dxq/dθ hay que esol e los balances de masa y ene gía que se plan ean a
con inuación. El cambio de masa de las especies debido a la inyección de combus ible (dxinj/dθ)
y la eacción de combus ión se dan a con inuación, y se supone que son en condiciones
es equiome ias: 𝑑𝑚𝑗
𝑑𝜃 =𝜕𝑚𝑗
𝜕𝑥𝑞⋅𝑑𝑥𝑞
𝑑𝜃 +𝜕𝑚𝑗
𝜕𝑥𝑖𝑛𝑗⋅𝑑𝑥𝑖𝑛𝑗
𝑑𝜃 (3.4)
𝜕𝑥𝑞𝑚𝑁2=0, 𝜕𝑥𝑖𝑛𝑗𝑚𝑁2=0 (3.4.𝑎)
𝜕𝑥𝑞𝑚𝐴𝑟=0, 𝜕𝑥𝑖𝑛𝑗𝑚𝐴𝑟=0 (3.4.𝑏)
𝜕𝑥𝑞𝑚𝑂2=−𝑀𝑂2
𝑀𝐷∙𝑚𝐷∙(𝑛+𝑚
4)−12𝑀𝑂2
𝑀𝐻2·𝑚𝐻2, 𝜕𝑥𝑖𝑛𝑗𝑚𝑂2=0 (3.4.𝑐)
𝜕𝑥𝑞𝑚𝐶𝑂2=𝑀𝐶𝑂2
𝑀𝐷∙𝑚𝐷∙𝑛, 𝜕𝑥𝑖𝑛𝑗𝑚𝐶𝑂2=0 (3.4.𝑑)
𝜕𝑥𝑞𝑚𝐻2𝑂=𝑀𝐻2𝑂
𝑀𝐷∙𝑚𝐷+𝑀𝐻2𝑂
𝑀𝐻2 ·𝑚𝐻2, 𝜕𝑥𝑖𝑛𝑗𝑚𝐻2𝑂=0 (3.4.𝑒)
Donde mj ep esen a la masa de la especie j. Dado que la elocidad de combus ión es la misma
an o pa a el diésel como pa a el H2:
𝜕𝑥𝑞𝑚𝐷=−𝑚𝐷, 𝜕𝑥𝑞𝑚𝐻2=−𝑚𝐻2 (3.5)
Y dado que el único combus ible que se inyec a es el diésel, ya que el H2 se mezcla con el ai e y
se in oduce du an e la ca e a de admisión:
𝜕𝑥𝑖𝑛𝑗𝑚𝐷=𝑚𝐷, 𝜕𝑥𝑖𝑛𝑗𝑚𝐻2=0 (3.6)
Donde la composición del combus ible que se inyec a (diésel) es CnHm (n=10,8 y m=18.7). El
cambio en la masa o al en la cáma a se debe exclusi amen e al combus ible inyec ado, ya que la
masa o al se conse a en la eacción de combus ión.
Capí ulo 3
He amien as pa a el análisis de los p ocesos de combus ión
51
𝑑𝑚
𝑑𝜃=∑𝑑𝑚𝑗
𝑑𝜃 =𝑚𝐷⋅𝑑𝑥𝑖𝑛𝑗
𝑑𝜃
𝑗 (3.7)
Aplicando la ecuación de es ado é mico dependien e de la empe a u a pa a H2O, O2, N2, CO2,
A , H2 y combus ible (en la o ma di e encial) (3.8), asumiendo p opiedades de gas pe ec o. Es e
supues o es azonable, como lo mues an [179]:
𝑉∙𝑑𝑝
𝑑𝜃+𝑝∙𝑑𝑉
𝑑𝜃=𝑚∙(𝑅∙𝑑𝑇
𝑑𝜃+𝑇∙𝑑𝑅
𝑑𝜃)+𝑅∙𝑇∙𝑑𝑚
𝑑𝜃 (3.8)
Donde:
𝑅=∑𝑅𝑗⋅𝑚𝑗
𝑚
𝑗 (3.9.𝑎)
𝑑𝑅
𝑑𝜃=−1
𝑚𝑅⋅𝑑𝑚
𝑑𝜃+1
𝑚∑𝑅𝑗⋅𝑑𝑚𝑗
𝑑𝜃
𝑗 (3.9.𝑏)
Si sus i uimos (3.9) en la ecuación (3.8), ob enemos una p ime a ecuación en é minos de dT/dθ
y dxq/dθ:
𝑚⋅𝑅⋅𝑑𝑇
𝑑𝜃+𝑇⋅(∑𝑅𝑗⋅𝜕𝑥𝑞𝑚𝑗
𝑗)⋅𝑑𝑥𝑞
𝑑𝜃=𝑉⋅𝑑𝑝
𝑑𝜃+𝑝⋅𝑑𝑉
𝑑𝜃−𝑇(∑𝑅𝑗⋅𝜕𝑥𝑖𝑛𝑗𝑚𝑗
𝑗)⋅𝑑𝑥𝑖𝑛𝑗
𝑑𝜃 (3.10)
La 1ª ley de la e modinámica es ablece que el cambio en la ene gía in e na es á compues o po
el calo de combus ión, el calo de con ección, el abajo de comp esión y el lujo de en alpía
in oducido po el combus ible inyec ado:
𝑑
𝑑𝜃(∑𝑚𝑗⋅𝑢𝑗(𝑇)
𝑗)=(𝐻𝐷𝑚𝐷+𝐻𝐻2𝑚𝐻2)⋅𝑑𝑥𝑞
𝑑𝜃+𝑑𝑄𝑐
𝑑𝜃−𝑝∙𝑑𝑉
𝑑𝜃+(ℎ𝐷,𝑖𝑛𝑗+𝑅⋅𝑇𝑟𝑒𝑓)⋅𝑚𝐷⋅𝑑𝑥𝑖𝑛𝑗
𝑑𝜃 (3.11)
Donde HD y HH2 son los calo es de combus ión del diésel y del H2 po unidad de masa y hDinj es
la en alpía del diésel a la empe a u a de inyección. Podemos en onces ob ene el di e encial de
la ene gía in e na:
𝑑
𝑑𝜃(∑𝑚𝑗⋅𝑢𝑗(𝑇)
𝑗)=∑𝑚𝑗⋅𝑑𝑢𝑗
𝑑𝜃
𝑗+𝑢𝑗⋅𝑑𝑚𝑗
𝑑𝜃
=(∑𝑚𝑗⋅𝑐𝑣,𝑗
𝑗)⋅𝑑𝑇
𝑑𝜃+(∑𝑢𝑗⋅𝜕𝑥𝑞𝑚𝑗
𝑗)⋅𝑑𝑥𝑞
𝑑𝜃+𝑢𝐷⋅𝑚𝐷⋅𝑑𝑥𝑖𝑛𝑗
𝑑𝜃 (3.12)
Capí ulo 3
He amien as pa a el análisis de los p ocesos de combus ión
52
Una segunda ecuación es ob enida en é minos de dT/dθ y dxq/dθ:
(∑𝑚𝑗⋅𝑐𝑣,𝑗
𝑗)⋅𝑑𝑇
𝑑𝜃+(−𝐻𝐷𝑚𝐷−𝐻𝐻2𝑚𝐻2+∑𝑢𝑗⋅𝜕𝑥𝑞𝑚𝑗
𝑗)⋅𝑑𝑥𝑞
𝑑𝜃
=𝑑𝑄𝑐
𝑑𝜃−𝑝∙𝑑𝑉
𝑑𝜃+(ℎ𝐷,𝑖𝑛𝑗−𝑢𝐷+𝑅⋅𝑇𝑟𝑒𝑓)⋅𝑚𝐷⋅𝑑𝑥𝑖𝑛𝑗
𝑑𝜃 (3.13)
El cambio de ase se iene en cuen a a a és del é mino hDinj-uD. El combus ible se inyec a como
líquido a la empe a u a de inyección y se calien a has a la empe a u a de e apo ación; luego se
e apo a y se calien a en es ado gaseoso a la empe a u a de la cáma a. La p ecisión de la o ma
de la asa de inyección no es un p oblema c í ico [180, 181].
ℎ𝐷𝑖𝑛𝑗−𝑢𝐷=ℎ𝐷,𝑔𝑎𝑠(𝑇𝑖)
−(𝑢𝐷,𝑔𝑎𝑠(𝑇)−𝑢𝐷,𝑔𝑎𝑠(𝑇𝑒)+𝐻𝐷,𝑒𝑣𝑝+𝑢𝐷,𝑙𝑖𝑞(𝑇𝑒)−𝑢𝐷,𝑙𝑖𝑞(𝑇𝑖)) (3.14)
Po úl imo el calo ans e ido a las pa edes (dQc/dθ) es á modelado median e un coe icien e de
película: 𝑑𝑄𝑐
𝑑𝜃=−ℎ𝑐𝐴𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑(𝑇−𝑇𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑) (3.15)
Donde Apa ed es el á ea de la cáma a de combus ión y Tpa ed es la empe a u a de la pa ed o de la
cáma a de combus ión. Donde el coe icien e de la película (hc) de Woschni es [122]:
ℎ𝑐=3.26𝐷𝑝−0.2(𝑝
1000)0.8𝑇−0.55[𝑐𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛𝐶1+𝑉𝑐𝑐𝑇0
𝑝0𝑉0(𝑝−𝑝0)𝐶2] (3.16)
Con:
Dp es el diáme o del pis ón.
cpis ón es la elocidad media del pis ón.
Vcc es el olumen de la cáma a de combus ión.
T0, p0 y V0 son la empe a u a, la p esión y el olumen al inicio de la ase de combus ión.
C1 y C2 son cons an es. C1=2.28 y C2=0 [122].
Las ecuaciones (3.10) y (3.13) es ablecen un sis ema de ecuaciones lineales que nos pe mi e
ob ene los alo es de dT/dθ y dxq/dθ. Cuando se conoce dxq/dθ, se de e minan los di e enciales
de masa. La in eg ación de dT/dθ, dxq/dθ y dmj/dθ median e la in eg ación de la ecuación
di e encial nos pe mi e ob ene la empe a u a en la cáma a, la elocidad de libe ación de calo y
la masa de cada especie con enida en el cilind o.
No hay in o mación ciné ica en los esul ados expe imen ales, po lo an o, el inicio de la
combus ión se de ine a pa i de la de i ada de la p esión en el cilind o. La du ación de la
Capí ulo 3
He amien as pa a el análisis de los p ocesos de combus ión
53
combus ión se ha es ablecido como el ángulo en e el inicio de la combus ión y el 10% de la
ene gía en la cola de la TLC.
3.2.2. Ca ac e ización de la TLC median e una unción doble de Wiebe
La combus ión es un p oceso complejo y, po lo an o, se necesi a un análisis especial al inclui lo
en el balance ene gé ico. Se puede u iliza una a iedad de en oques pa a modela la combus ión,
desde unos muy básicos has a o os más a anzados. En el caso de una ase de combus ión
p emezclada dominan e, como es el caso de los mo o es de inyección di ec a, una unción única
de Wiebe no es adecuada pa a modela las ca ac e ís icas de la TLC. Pa a una simulación más
p ecisa de las ca ac e ís icas de la TLC en mo o es diésel, una combinación de dos unciones de
Wiebe (o simila es) se ía más ap opiada [182, 183]. Aunque como apun a la bibliog a ía la
unción idónea pa a modela el p oceso de combus ión que nos ocupa en nues o es udio es la
unción doble de Wiebe, se ealizó un análisis de dos unciones más pa a modela la TLC. Los
modelos analizados ue on: la unción única de Wiebe y una unción poligonal hipe bólica [210].
Ninguna de las dos mos ó esul ados acep ables, es deci no ap oximaban de o ma co ec a la
TLC di ec a ob enida del modelo median e una TLC pa ame izada, po lo que ue on desca adas.
El obje i o de es a ca ac e ización es ob ene los pa áme os de una cu a doble de Wiebe que
nos pe mi an de ini el p oceso de combus ión. La pa ame ización de la unción doble Wiebe se
basa en el modelo Ghojel, el p ime modelo doble de Wiebe ideado pa a la p edicción de la TLC
en mo o es diésel de inyección di ec a.
La acción de quemado (xq) y la elocidad de combus ión (dxq/ dθ) pa a el modelo de Ghojel
ienen dadas po :
𝑥𝑞=+ 𝐴1∙[1−𝑒−[𝑚1(𝑚1+1)⁄ ]∙(𝜃 𝜃𝑐1
⁄ )𝑚1+1]+ 𝐴2∙[1−𝑒−[𝑚2(𝑚2+1)⁄ ]∙(𝜃 𝜃𝑐2
⁄ )𝑚+1] (3.17)
𝑑𝑥𝑞
𝑑𝜃=+𝑚1𝐴1
𝜃𝑐1 ∙(𝜃
𝜃𝑐1)𝑚1∙[𝑒−[𝑚1(𝑚1+1)⁄ ]∙(𝜃 𝜃𝑐1
⁄ )𝑚1+1]+
+𝑚2𝐴2
𝜃𝑐2 ∙(𝜃
𝜃𝑐2)𝑚2∙[𝑒−[𝑚2(𝑚2+1)⁄ ]∙(𝜃 𝜃𝑐2
⁄ )𝑚2+1] (3.18)
Donde θ se mide desde el inicio de la TLC y el inicio de la ase de combus ión lo ob enemos de
la de i ada de la cu a de p esión medida en el in e io del cilind o. Es e esquema de libe ación
de calo se puede obse a en la Fig. 6 [184] de la e isión de Ghojel [182]. La de inición del
p oceso de combus ión median e los 6 pa áme os (A1, A2, m1, m2, c1 y c2) nos pe mi i á expo a
dicho p oceso al modelo del mo o diésel de 2T len o conside ando la combus ión dual de diésel
y H2.
Capí ulo 3
He amien as pa a el análisis de los p ocesos de combus ión
60
Se puede obse a que en odos los casos, la aplicación de la unción doble de Wiebe ep oduce
ielmen e el compo amien o de los da os que se han ob enido de o ma expe imen al. La p incipal
di e encia en e las cu as de TLC di ec a y la PTLC son las oscilaciones que p esen a la p ime a
de ambas, y que es esul ado de las oscilaciones p esen es en la cu a de p esión expe imen al
como consecuencia de las ib aciones que se p oducen en el in e io del cilind o du an e el
p oceso de combus ión. Dichas oscilaciones se pod ían il a en la cu a de p esión expe imen al,
pe o de es a o ma se pe de ía pa e de la in o mación eal, ya que la ecuencia de las oscilaciones
y la asociada a la ampa de p esión pueden se coinciden es.
Capí ulo 4
Análisis de la ope ación en modo diésel pa a el con ol de emisiones
61
4. Análisis de la ope ación en modo de diésel pa a el con ol de emisiones
Es e capí ulo iene como obje i o el es udio del modo de combus ión diésel y el compo amien o
de los dis in os mé odos de educción de emisiones, analizando pa a ello las emisiones
con aminan es medidas y las p es aciones del mo o , haciendo uso pa a ello del modelo 0-D
aplicado a los da os expe imen ales. En p ime luga se ealiza una compa ación en é minos de
emisiones en modo diésel de las écnicas de WI y EGR pa a selecciona el mé odo más adecuado
pa a la educción de NOx y pa ículas. Una ez de e minado qué mé odo es mejo se implemen a á
en los ensayos en modo dual y se analiza an an o las emisiones como las p es aciones del mo o
en dicho modo de combus ión.
4.1. Análisis en modo diésel
En el análisis del modo diésel con inyección de agua se an a conside a dos o mas de inyec a
agua al mo o : 1) Inyección de agua en la admisión aguas a iba del u bo-comp eso (WI AAR)
y 2) Inyección de agua en la admisión aguas abajo del u bo-comp eso (WI AAB). Con el
obje i o de ca ac e iza el mo o en es e modo se selecciona on como condiciones básicas:
Dos elocidades de mo o : 1500 RPM y 2000 RPM.
T es condiciones de ca ga: 40, 80 y 120 Nm.
Dos ángulos de inyección p incipales: +2º y +10º an es del pun o mue o supe io (PMS).
Además se lle a on a cabo ensayos con una p e-inyección con una sepa ación de la p incipal de
+15º pa a ambos ángulos de inyección p incipales. La Fig. 4.1 mues a un esumen de las
condiciones ensayadas en es e modo de ope ación y que cub en el ango p incipal de ope ación
del mo o .
Fig. 4.1. Ba e ía de expe imen os en modo diésel
Capí ulo 4
Análisis de la ope ación en modo diésel pa a el con ol de emisiones
62
4.1.1. Inyección de agua en la admisión aguas a iba del u bo-comp eso
(AAR) en e aguas abajo del u bo-comp eso (AAB)
El es udio de ambos mé odos de WI se ealiza con is as a selecciona el más idóneo en e ambos
pa a su pos e io compa ación con el EGR. Pa a el análisis se hace uso de la expe imen ación,
compa ando los esul ados ob enidos de las dos opciones de WI en é minos de emisiones y
p es aciones en el mo o .
El in e és del empleo del mé odo WI AAR en e al mé odo WI AAB adica en dos hechos:
1. La implemen ación de es e mé odo es más sencilla, ya que no equie e ningún ipo de
modi icación del mo o , aunque los cambios necesa ios en el mo o en el mé odo WI
AAB son muy pequeños.
2. Se busca educi la ca ga é mica del mo o , lo que pe mi i á educi el abajo del
comp eso y po an o aumen o el endimien o olumé ico.
En odas las igu as que se an a mos a , se incluye el caso de e e encia "Sin agua/Sin EGR",
que co esponde a las condiciones básicas sin ningún mé odo pa a con ola las emisiones. En
cualquie igu a un ángulo posi i o indica que se p oduce an es del PMS y un ángulo nega i o se
p oduce pos e io al PMS.
En los casos en que el mo o no puede alcanza el pa eque ido pa a las condiciones de ensayo,
es os pun os no se mos a án en las igu as. Se ha decidido inclui sólo esul ados es ables cuando
el COV cumple con el c i e io que Heywood es ableció, es o es que en el caso de los mo o es pa a
p opulsión de au omó iles, el pa áme o COV debe ía es a po debajo del 10%. El coe icien e
de a iación (COV) hace e e encia a la elación en e el amaño de la media y la a iabilidad de
la a iable que se es á es udiando.
(a)
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
500
1000
1500
2000
NOx (ppm)
NOx 2000RPM 10º
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
8 l/h WI AAR -- 5
16 l/h WI AAR -- 6
24 l/h WI AAR -- 7
1
234
567
1
2
34
5
67
1
2
345
7
6
Capí ulo 4
Análisis de la ope ación en modo diésel pa a el con ol de emisiones
63
(b)
(c)
(d)
(e)
Fig. 4.2. Emisiones de NOx pa a di e en es condiciones – modo diésel: (a) 2000 RPM y +10º, (b)
1500 RPM y +10º, (c) 2000 RPM y +2º, (d) 2000 RPM y +10º - +25º y (e) 1500 RPM y +10º -
+25º
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
500
1000
1500
2000
2500
NOx (ppm)
NOx 1500 RPM 10º
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
8 l/h WI AAR -- 5
16 l/h WI AAR -- 6
24 l/h WI AAR -- 7
1
4
2
37
5
1
2
7
6
6
5
4
3
2
3
4
1
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
100
200
300
400
500
600
700
800
NOx (ppm)
NOx 2000RPM 2º
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
8 l/h WI AAR -- 5
16 l/h WI AAR -- 6
24 l/h WI AAR -- 7
1
27
6
5
4
3
1
2
4
37
6
5
1
2
7
6
5
34
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
500
1000
1500
2000
NOx (ppm)
NOx 2000 RPM 10º Ppal 25º P e
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
8 l/h WI AAR -- 5
16 l/h WI AAR -- 6
24 l/h WI AAR -- 7
7
6
5
4
3
2
2
7
6
5
4
3
2
4
3
1
11
40 Nm 80 Nm
0
500
1000
1500
2000
2500
NOx (ppm)
NOx 1500 RPM 10º Ppal 25º P e
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
8 l/h WI AAR -- 5
16 l/h WI AAR -- 6
24 l/h WI AAR -- 7
1
4
5
67
2
1
4
3
6
57
23
Capí ulo 4
Análisis de la ope ación en modo diésel pa a el con ol de emisiones
64
La Fig.4.2 mues a las emisiones de NOx pa a dis in as condiciones de ensayo pa a los casos WI
AAB y WI AAR. Se obse a que los NOx suben con la ca ga en casi odas las si uaciones sin WI
en las Figs. 4.2 (a) – 4.2 (e), no ocu e en odas las si uaciones, como se obse a en la Fig. 4.2
(b), ya que al a a se de un mo o sob ealimen ado el dosado pod ía baja con el aumen o de la
ca ga y po ende la empe a u a en el in e io de la ca ga, que como ya hemos comen ado
an e io men e es uno de los pa áme os que con ola la o mación de es e ipo de emisiones.
Cuando se p oduce un aumen o de las emisiones de NOx pod ía debe se a un aumen o de la
empe a u a en el in e io del cilind o debido al aumen o de la ca ga. A mayo empe a u a se
espe an mayo es concen aciones de NOx. Es o se debe a la ue e dependencia de la o mación
de NOx con la empe a u a en el cilind o, la concen ación de O2 y la du ación de la eacción, a
a és del mecanismo de Zeldo ich [90, 185]. Una empe a u a y una p esión de combus ión más
al as en la cáma a a o ecen la eacción química que o ma NO y NO2, si hay su icien e O2 [186].
Igualmen e se puede obse a en las Figs. 4.2 (b) y 4.2 (e) que el e ec o educ o de WI AAR es
meno que WI AAB a 1500 RPM pa a odas las ca gas, siendo el caso de mayo educción de
NOx espec o al caso básico ap oximadamen e del 40%. Pa a 2000 RPM se obse a que las
educciones pa a el caso WI AAB son mayo es o del o den del WI AAR, dependiendo de la ca ga
a la que se encuen e el mo o como se puede obse a en las Figs. 4.2 (a), 4.2 (c) y 4.2 (d). Siendo
la educción de NOx más pa ecida cuan o mayo es la ca ga, pe o la can idad de agua eque ida
en el caso WI AAR es mayo que pa a WI AAB, llegándose a eque i el doble de agua inyec ada
pa a que las endencias sean simila es e incluso meno es.
Se obse a así mismo, que el ángulo de inyección no iene in luencia en la educción median e el
mé odo WI, pe o sí la iene en los ni eles iniciales de NOx p esen es, ya que cuan o más adelan o
p esen e la inyección de combus ible más iempo de esidencia end á el N2 pa a oxida se en la
cáma a de combus ión y p oduci NOx y mayo empe a u a en la cáma a, ambos ac o es
po encian la o mación de NOx. En el caso de p esen a una p e-inyección se obse a que las
emisiones iniciales son mayo es espec o a los casos que no p esen an p e-inyección, como se
puede e si se compa an las Figs. 4.2 (a) con 4.2 (d) y 4.2 (b) con 4.2 (e). Pa a odas las
condiciones que p esen an p e-inyección se ob u ie on mejo es esul ados pa a WI AAB. El
iempo de esidencia es un ac o cla e pa a la p oducción de NOx, es po ello que como podemos
obse a en la Fig. 4.2 cuan os mayo es son las RPM, meno es el iempo de esidencia y meno es
alo es se obse an en las emisiones con la misma ca ga y ángulo de inyección.
Capí ulo 4
Análisis de la ope ación en modo diésel pa a el con ol de emisiones
65
(a)
(b)
(c)
(d)
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
50
100
150
Soo (mg/m3)
Soo 2000RPM 10º
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
8 l/h WI AAR -- 5
16 l/h WI AAR -- 6
24 l/h WI AAR -- 7
7
6
5
4
123
7
6
5
4
3
2
1
7
6
5
4
3
2
1
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Soo (mg/m3)
Soo 1500 RPM 10º
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
8 l/h WI AAR -- 5
16 l/h WIAAR -- 6
24 l/h WI AAR -- 7
1234567
6
7
5
4
3
2
1
1
4
3
2
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
50
100
150
200
250
Soo (mg/m3)
Soo 2000 RPM 2º
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
8 l/h WI AAR -- 5
16 l/h WI AAR -- 6
24 l/h WI AAR --7
7
6
5
4
3
2
17
56
4
3
2
1
12
3
45
7
6
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
50
100
150
Soo (mg/m3)
Soo 2000 RPM 10º Ppal 25º P e
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
8 l/h WI AAR -- 5
16 l/h WI AAR -- 6
24 l/h WI AAR -- 7
7
6
5
4
3
2
1
7
6
5
4
3
2
1
4
3
2
1
Capí ulo 4
Análisis de la ope ación en modo diésel pa a el con ol de emisiones
66
(e)
Fig. 4.3. Emisiones de pa ículas pa a di e en es condiciones – modo diésel: (a) 2000 RPM y
+10º, (b) 1500 RPM y +10º, (c) 2000 RPM y +2º, (d) 2000 RPM y +10º - +25º y (e) 1500 RPM y
+10º - +25º
En el caso de las emisiones de pa ículas, Fig. 4.3., se obse a que la concen ación aumen a con
la ca ga pa a odas la si uaciones sin WI (Fig. 4.3 (a) – 4.3 (e)). El ni el de pa ículas se obse a
que aumen a a medida que la can idad de agua y el pa aumen an pa a los casos WI AAR a
di e en es RPM y con indi e encia de que exis a p e-inyección. En cambio pa a los casos WI
AAB, las concen aciones de pa ículas son del o den de los casos básicos (“Sin agua/Sin EGR”)
pa a ca gas bajas y medias. Sólo en los casos con ca gas ele adas, las emisiones de pa ículas
aumen an con espec o al caso básico, aunque en meno medida que lo hace el caso WI AAR, el
peo de los casos pa a WI AAB es 12 kg/h, como puede e se en la igu a 4.3.
En el caso de las pa ículas, un mayo iempo de esidencia supone un mayo iempo pa a que la
combus ión sea comple a y se eduzcan los inquemados. Además la concen ación de pa ículas
aumen a con la ca ga ya que se aumen a la can idad de diésel (mezcla más ica) y con ello la
elación C/O c ece. Es a a i mación se puede co obo a a endiendo al Anexo B y obse ando los
alo es de los caudales de ai e y combus ible (diésel) pa a el caso que nos ocupa. Se puede
comp oba como el aumen o de la ca ga lle a consigo un aumen o del dosado, lo que es lo mismo
un aumen o de la elación C/O. Dicha elación es á ligada a la p oducción de es e ipo de
emisiones como ya explicamos en el capí ulo 2. La Fig. 4.4 mues a la a iación del dosado
ela i o cuando se aumen a la ca ga pa a los casos es udiados. Se puede obse a que el dosado
ela i o sube con la ca ga indi e en emen e de las condiciones de ensayo.
Fig. 4.4. Relación del dosado ela i o con la ca ga
40 Nm 80 Nm
0
10
20
30
40
50
Soo (mg/m3)
Soo 1500 RPM 10º Ppal 25º P e
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
8 l/h WI AAR -- 5
16 l/h WI AAR -- 6
24 l/h WI AAR -- 7
7
5
4
3
2
1
7
6
6
5
4
3
2
1
0,015
0,215
0,415
0,615
0,815
30 50 70 90 110 130
Dosado eal i o
Pa (Nm)
Rango de dosados a 40 Nm
Rango de dosados a 80 Nm
Rango de dosados a 120 Nm
Capí ulo 4
Análisis de la ope ación en modo diésel pa a el con ol de emisiones
67
La Fig. 4.5 mues a el endimien o en e a la can idad de agua inyec ada, siendo dicha can idad
mayo cuan o más a la de echa del eje de abscisas nos encon emos. La e iciencia en el caso WI
AAR es meno del o den de un 3% a un 5% pa a odas las condiciones, compa ado con los casos
WI AAB (Fig. 4.5 (a) – 4.5 (b)). De aquí en adelan e el endimien o se de ine como:
𝜂= 𝑊
𝑃𝐶𝐼𝑐𝑚𝑏∙𝑚𝑐𝑚𝑏
(a)
(b)
Fig. 4.5. Rendimien o pa a di e en es condiciones de ensayo: (a) 2000 RPM, +10º y 80-120 Nm y
(b) 2000 RPM, +2º y 40-80 Nm
El paso del agua inyec ada a a és del u bo-comp eso en los casos de WI AAR p oduce la
e osión de los álabes, como se mues a en la Fig. 4.6. La causa de la e osión es el paso del agua
inyec ada a a és del u bo-comp eso , p incipalmen e po que algunas go as no han enido
iempo su icien e pa a apo iza se e impac an con los álabes a al a elocidad. Es e p oblema no
exis e en los casos de WI AAB, ya que el agua se inyec a después del paso del ai e a a és del
u bo. Po es a azón, el mé odo WI AAR no puede conside a se como una solución pe manen e
pa a el con ol de NOx.
Obse ando los esul ados en ma e ia de emisiones y el endimien o concluimos que el mejo
mé odo pa a inyec a agua en la admisión es aguas abajo del u bo-comp eso (WI AAB).
Además, e i amos así los p oblemas de e osión en los álabes del u bo.
0,320
0,330
0,340
0,350
0,360
0,370
0,380
Rendimien o
2000 RPM +10º 80 Nm WI AAB
2000 RPM +10º 80 Nm WI AAR
2000 RPM +10º 120 Nm WI AAB
2000 RPM +10º 120 Nm WI AAR
Mayo can idad de agua
0,240
0,290
0,340
0,390
Rendimien o
2000 RPM +2º 40 Nm WI AAB
2000 RPM +2º 40 Nm WI AAR
2000 RPM +2º 80 Nm WI AAB
2000 RPM +2º 80 Nm WI AAR
Mayo can idad de agua
Capí ulo 4
Análisis de la ope ación en modo diésel pa a el con ol de emisiones
68
Fig. 4.6. Fo og a ías de los álabes del u bo-comp eso as la u ilización del mé odo WI AAR
4.1.2. Mé odo WI AAB en e a la écnica de eci culación de gases de escape
(EGR)
Del pun o an e io enemos que el mejo mé odo de WI es el de aguas abajo del u bo-comp eso
po lo que en es a sección es udia emos dicho mé odo en e al mé odo EGR.
Igualmen e en odas las igu as se mues a el caso básico “Sin Agua /Sin EGR”. Las Figs. 4.7 y
4.8 p esen an los esul ados expe imen ales de las emisiones de NOx pa a los mé odos WI AAB
y EGR pa a las dis in as condiciones de ensayo lle adas a cabo.
(a)
(b)
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
500
1000
1500
2000
NOx (ppm)
NOx 2000RPM 10º
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
15% EGR -- 5
30% EGR -- 6 1
1
234
5
6
2
345
6
1
2
34
5
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
100
200
300
400
500
600
700
800
NOx (ppm)
NOx 2000RPM 2º
Sin WI/ Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
15% EGR -- 5
30% EGR -- 6
1
25
6
4
3
1
25
6
4
3
1
2
5
4
3
Capí ulo 4
Análisis de la ope ación en modo diésel pa a el con ol de emisiones
69
(c)
(d)
Fig. 4.7. Emisiones de NOx pa a di e en e RPM, ca ga y ángulo p incipal de inyección. (a) 2000
RPM y +10º, (b) 2000 RPM y +2º, (c) 1500 RPM y +10º y (d) 1500 RPM y +2º.
(a)
(b)
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
500
1000
1500
2000
2500
NOx (ppm)
NOx 1500 RPM 10º
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
15% EGR -- 5
30% EGR -- 6
1
5
6
4
3
2
1
2
5
4
3
1
2
4
3
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
200
400
600
800
1000
NOx (ppm)
NOx 1500 RPM 2º
Sin WI/Sin EGR --1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
15% EGR -- 5
30% EGR -- 6
5
6
4
3
2
1
2
5
4
3
1
2
3
4
1
40 Nm 80 Nm 120 Nm
0
500
1000
1500
2000
NOx (ppm)
NOx 2000 RPM 10º Ppal 25º P e
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
15% EGR -- 5
30% EGR -- 6
1
5
6
4
3
2
1
25
6
4
3
1
5
4
3
2
40 Nm 80 Nm
0
500
1000
1500
2000
2500
NOx (ppm)
NOx 1500 RPM 10º Ppal 25º P e
Sin WI/Sin EGR -- 1
4 l/h WI AAB -- 2
8 l/h WI AAB -- 3
12 l/h WI AAB -- 4
15% EGR -- 5
30% EGR -- 6
1
5
6
4
3
2
1
25
4
3
Capí ulo 4
Análisis de la ope ación en modo diésel pa a el con ol de emisiones
76
(b)
(c)
(d)
Fig. 4.13. Tasa de libe ación de calo : (a) 2000 RPM, +10º Ppal y 40 Nm, (b) 1500 RPM, +10º Ppal
y 80 Nm, (c) 1500 RPM, +10º Ppal, +25º P e y 40 Nm y (d) 2000 RPM, +10º Ppal, +25º P e y 80
Nm
Como ya hemos comen ado la inclusión de agua iene e ec os sob e la empe a u a en el in e io
del cilind o y en la TLC, pe o no hemos comen ado nada de si iene algún e ec o en la p esión.
Obse ando la Fig. 4.14 podemos e pa a di e en es condiciones de ensayo que la adición de
H2O en el ai e de admisión no iene un impac o signi ica i o en la cu a de p esión pa a las
mismas condiciones de can idad de combus ible, RPM y ca ga.
-20 -10 0 10 20 30 40
-1
0
1
2
3
4
5
6TLC
Ángulo cigüeñal (º)
TLC (J/ ad)
Sin WI/Sin EGR
4 l/h WI AAB
8 l/h WI AAB
12 l/h WI AAB
15% EGR
-14 -12 -10 -8 -6 -4
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4TLC
Ángulo cigüeñal (º)
TLC (J/ ad)
Sin WI/Sin EGR
4 l/h WI AAB
8 l/h WI AAB
12 l/h WI AAB
15% EGR
30% EGR
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3TLC
Ángulo cigüeñal (º)
TLC (J/ ad)
Sin WI/Sin EGR
4 l/h WI AAB
8 l/h WI AAB
12 l/h WI AAB
15% EGR
30% EGR
Capí ulo 4
Análisis de la ope ación en modo diésel pa a el con ol de emisiones
77
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 4.14. P esión en el in e io de la cáma a de combus ión (a) 2000 RPM, +2º Ppal y 80 Nm, (b)
2000 RPM, +10º Ppal y 120 Nm, (c) 2000 RPM, +2º Ppal, +17º P e y 80 Nm y (d) 1500 RPM, +10º
Ppal, +25º P e y 80 Nm
-150 -100 -50 0 50 100 150 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Ángulo cigüeñal (º)
P esión (ba )
P esión In e io -cáma a
Sin WI/Sin EGR
4 l/h WI AAB
8 l/h WI AAB
12 l/h WI AAB
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
0
50
100
150
Ángulo cigüeñal (º)
P esión (ba )
P esión In e io -cáma a
Sin WI/Sin EGR
4 l/h WI AAB
8 l/h WI AAB
12 l/h WI AAB
-10 0 10 20 30 40
100
110
120
130
140
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Ángulo de cigüeñal (º)
P esión (ba )
P esión In e io -cáma a
Sin WI/Sin EGR
4 l/h WI AAB
8 l/h WI AAB
12 l/h WI AAB
-10 0 10 20 30
60
70
80
90
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
0
50
100
150
Ángulo cigüeñal (º)
P esión (ba )
P esión In e io -cáma a
Sin WI/Sin EGR
4 l/h WI AAB
8 l/h WI AAB
12 l/h WI AAB
-10 0 10 20 30
90
100
110
120
130
Capí ulo 4
Análisis de la ope ación en modo diésel pa a el con ol de emisiones
78
El análisis de los da os de ensayo de e minó el lími e pa a las emisiones mínimas de NOx
alcanzables. Dicho lími e es á elacionado con la capacidad é mica de la ca ga del mo o (en es e
caso, in eg ada po ai e más H2O) cuando se e ie e a la po encia del combus ible. Es e pa áme o,
α, se de ine en la ecuación 4.1:
𝛼=(𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎∙𝑐𝑝,𝑎𝑔𝑢𝑎+𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒∙𝑐𝑝,𝑎𝑖𝑟𝑒)[𝑊]
𝑚𝑑𝑖é𝑠𝑒𝑙∙𝑃𝐶𝐼𝑑𝑖é𝑠𝑒𝑙[𝑀𝑊] (4.1)
La Fig. 4.15 mues a la elación de NOx en ppm en e al pa áme o α pa a odas las condiciones
de ensayo dadas en la Fig. 4.1 cuando se inyec ó agua aguas abajo del comp eso (WI AAB). Pa a
bajos alo es de α, en el ango de 500-700, exis e una dispe sión ele an e en las emisiones de
NOx; es o signi ica que hubo a ios agen es que con olan la o mación de NOx desde el iempo
de esidencia has a el SOC. Sin emba go, a medida que aumen a el pa áme o α, la dispe sión se
educe. Cuando α alcanza 1200, la emisión de NOx es mínima en o ma asin ó ica y ob iene un
alo en e 150-250 ppm. Es o signi ica que el mecanismo é mico domina cla amen e. Es o da
como esul ado un alo mínimo pa a las emisiones de NOx con espec o a la capacidad é mica
de la ca ga del mo o que ue mejo ada po el agua (cp,agua 4 · cp,ai e).
Fig. 4.15. NOx en unción del pa áme o α [W/MW]
Del es udio del modo de combus ión diésel con la inco po ación de las écnicas de con ol de
emisiones EGR y WI se desp ende que el mejo mé odo analizado es el WI AAB. Con es a écnica
se consiguen los alo es de emisiones más bajos, an o de NOx como de pa ículas (soo ), sin
penaliza el endimien o ni la p esión en el in e io de la cáma a de combus ión. Igualmen e es e
mé odo es el que equie e un caudal de agua más bajo y no p o oca daños en el mo o . Es po ello
que el es udio del modo de combus ión dual se ealiza á con la inco po ación del mé odo WI
AAB.
0
500
1000
1500
400 600 800 1000 1200 1400 1600
NOx(ppm)
α
150
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
79
5. Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno.
Es e capí ulo iene como obje i o el es udio del modo de combus ión dual, analizando pa a ello
las emisiones con aminan es y las p es aciones del mo o , usando pa a ello el modelo 0-D aplicado
a los da os expe imen ales. En p ime luga se ealiza un análisis de la combus ión en modo dual
con el H2 como combus ible p ima io y el diésel pa a la inyección pilo o. En segundo luga se
analiza á el modo dual con ambos combus ibles como una mezcla. Ambos modos de combus ión
ienen implemen ado la inyección de agua pa a el con ol de los NOx y de pa a e i a la
combus ión de onan e del H2.
5.1. Análisis de la combus ión en modo dual
Los ensayos en modo dual se han lle ado a cabo con dos en oques:
1) Empleo del H2 como combus ible p incipal y el diésel como combus ible pilo o pa a la
ignición. A es e modo de combus ión dual se le denomina á de aquí en adelan e HMF.
2) Empleo del H2 y del diésel como una mezcla de combus ibles dual, a iando la apo ación
de cada uno según las condiciones de ensayo. A es e modo de combus ión dual se le
denomina á de aquí en adelan e HDF.
El obje i o de es a sección es ca ac e iza ambos modos de ope ación y compa a los esul ados
de ambos en é minos de emisiones con aminan es y desempeño del mo o .
Con el es udio expe imen al ealizado en la sección 4.1 queda demos ado que la inyección de
agua en la admisión p oduce una educción de las emisiones de NOx y además no ae consigo las
penalizaciones en los ni eles de pa ículas que ae consigo el EGR. Es po ello que en el
desa ollo de la siguien e sección expe imen al se emplea el mé odo WI pa a con ola las
emisiones asociadas al empleo del H2 como combus ible y además de la capacidad que iene el
H2O, como ya hemos comen ado en el capí ulo 2, pa a en ia la ca ga y ele a la capacidad
calo í ica de la misma, con olando la endencia al au o-encendido y el knocking.
Debemos pone en alo que los expe imen os ealizados en modo dual han conseguido alo es
de sus i ución ene gé ica de H2 espec o al diésel mayo es que los que se mos a on en la abla
2.2. En nues o caso los ensayos se han lle ado a cabo en a ias elocidades de mo o y con
dis in os ángulos de inyección pilo o de diésel, ya que la mayo ía de los ensayos expe imen ales
desa ollados has a el momen o ijan unas e oluciones y un ángulo único de inyección. O o da o
a esal a del es udio del modo dual desa ollado es que se han alcanzado p esiones medias
e ec i as de 13 ba , supe io es a las alcanzadas en los ensayos que se han lle ado a cabo en o os
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
80
es udios, e abla 2.2. Los lími es han sido ijados po la in eg idad mecánica y el s all del mo o .
Los alo es adop ados han sido:
En modo HMF has a un 83% de sus i ución ene gé ica a 2000 RPM y un 78% a 1500
RPM.
En modo HDF has a un 75% de sus i ución ene gé ica a 2000 RPM y un 68% a 1500
RPM.
5.1.1. H2 como combus ible p incipal y diésel como uen e de ignición (HMF)
Es e modo de combus ión dual se es udió a dos elocidades (1500 y 2000 RPM) y di e en es
ángulos de inyección (inyección p incipal exclusi amen e) con WI AAB. Pa a cada ensayo la
can idad de diésel u ilizado ue la necesa ia pa a alcanza la elocidad eque ida sin H2 y sin ca ga
de eno. La ál ula del EGR an o en es e modo HMF como en el HDF es á deshabili ada, y po
lo an o, la p esión de admisión ue la máxima alcanzable con las condiciones de escape en la
en ada de la u bina.
Los ensayos se lle a on a cabo de la siguien e mane a: pa a cada RPM del mo o y el ángulo de
inyección elegido, el lujo másico de H2 se inc emen ó poco a poco en in e alos cons an es,
aumen ando el pa mo o y los ni eles de NOx. En p opo ción al aumen o de NOx, el agua se
inyec ó a a és del inyec o FB, educiendo así los ni eles de NOx y modi icando la TLC. Es a
o ma de ope a en los ensayos con inuó has a que se alcanzó uno de los siguien es lími es, aunque
ambos se cumplie on de mane a simul ánea:
El máximo en la p esión in e io en el cilind o pa a ga an iza la in eg idad mecánica,
ce cana a los 150-160 ba .
La exis encia de knocking en la combus ión.
La Tabla 5.1 mues a las di e en es condiciones ensayadas y los alo es mínimos y máximos pa a
las siguien es a iables: lujo másico de H2, lujo másico de H2O, lujo másico de diésel, pa ,
po encia, p esión media e ec i a (PME), endimien o, elación combus ible (diésel) + H2)/ai e y
elación H2/ai e. Se han lle ado a cabo un o al de 75 ensayos expe imen ales en modo HMF.
Tabla 5.1. Condiciones de ensayo en modo HMF
Modo
HMF
Ángulo
Inyección
H2
(kg/h)
H2O
(kg/h)
Diésel
(kg/h)
Pa (Nm)
Po encia
(kW)
PME
(ba )
Rendimien o
Comb./Ai e
a io
H2/Ai e
a io
2000
RPM
10º
0 – 1,8
0 - 48
1,10
2,5 - 98
0,53 – 20,7
0,21-8,42
0,05 – 0,33
0,14 – 0,29
0-0,47
6º
3 – 120,5
0,26 - 25,48
0,26-10,3
0,05 – 0,35
0,16 – 0,33
0-0,55
0º
2,6 -131,8
0,55 - 27,59
0,22-11,3
0,04 – 0,36
0,15 – 0,33
0-0,55
1500
RPM
10º
0 – 0,9
0 – 48
0,74
2 – 70,2
0,32 - 11,02
0,17-6,03
0,04 – 0,29
0,14 – 0,45
0-0,75
6º
2 - 72
0,32 - 11,38
0,17-6,19
0,04 – 0,30
0,15 – 0,45
0-0,75
0º
2,6 – 78,2
0,41 - 12,36
0,22-6,72
0,05 – 0,32
0,15 – 0,44
0-0,71
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
81
Un p ime análisis de la e olución de las emisiones de NOx con la po encia del mo o pa a
di e en es ángulos de inyección, ca ga y lujo de agua se mues a en la Fig. 5.1. La leyenda de la
Fig. 5.1 mues a el lujo másico de H2 y el lujo másico de H2O en g amos po ciclo. Los símbolos
(“+”, “*” y “x”) ep esen an el ángulo p incipal de inyección pa a el diésel: + 10º g ados an es
del PMS, * 6º g ados an es del PMS y x 0º o en el PMS. Cada colo ep esen a el mismo alo
pa a el lujo másico de H2O y H2.
Fig. 5.1. NOx (ppm) en e a la po encia (kW)
Como se puede e en las endencias de cada símbolo pa a el mismo ángulo de inyección, hay un
aumen o en el ni el de NOx con una ca ga del mo o de 4 kW a 8 kW, como se espe a debido al
aumen o de empe a u a asociado a un aumen o en la elación combus ible/ai e. Sin emba go, po
encima de 8 kW, cualquie aumen o en la po encia es seguido po una educción en NOx; es o se
debe al lujo de H2O inyec ada y, como se explica á más adelan e, es a educción se debe al
aumen o de la capacidad é mica de la ca ga. A 8 kW, hay dos lujos de masa de agua di e en es
pa a el mismo ni el de hid ógeno. El e ec o es el mismo pa a los es ángulos de inyección
ensayados; el aumen o en la can idad de H2O p oduce una educción di ec a en el ni el de NOx
con una e iciencia del mo o que es casi cons an e.
Las leyendas pa a las Figs. 5.2 a 5.7 mues an el lujo másico de diésel (DIE), el lujo másico de
H2 y el lujo másico de H2O, odo exp esado en kilog amos po ho a. El mismo colo pa a la cu a
indica la misma can idad de H2, pe o di e en e can idad de agua inyec ada si la cu a pasa a línea
discon inua. Las Figs. 5.2 – 5.7 mues an la PTLC pa a odas las p uebas expe imen ales,
ob enidas de la aplicación del modelo 0-D a los da os expe imen ales.
4 6 8 10 12 14 16 18
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Powe (kW)
NOx (ppm)
H2: 0.02 - H2O: 0.528
H2: 0.015 - H2O: 0.261
H2: 0.02 - H2O: 0.711
H2: 0.01 - H2O: 0
H2: 0.013 - H2O: 0.353
H2: 0.007 - H2O: 0
+ 10º * 6º x 0º
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
82
Fig. 5.2. PTLC a 2000 RPM y +10º
Fig. 5.3. PTLC a 2000 RPM y +6º
Fig. 5.4. PTLC a 2000 RPM y +0º
-20 -10 0 10 20 30 40
0
2
4
6
8
10
12x 108
C ank angle (deg)
PHRR (J/ ad)
Pa ame e ised Hea Release Ra e
DIE 0,98 - H2 0 - H2O 0
DIE 0,97 - H2 0,3 - H2O 0
DIE 1,00 - H2 0,6 - H2O 0
DIE 0,98 - H2 0,6 - H2O 16
DIE 1,00 - H2 0,9 - H2O 16
DIE 1,00 - H2 0,9 - H2O 32
DIE 1,02 - H2 1,2 - H2O 32
DIE 1,01 - H2 1,2 - H2O 48
DIE 1,04 - H2 1,5 - H2O 48
-4 -3 -2 -1
-1
0
1
x 108
-20 -10 0 10 20 30 40
0
5
10
15x 108
C ank angle (deg)
PHRR (J/ ad)
Pa ame e ised Hea Release Ra e
DIE 1,08 - H2 0 - H2O 0
DIE 1,15 - H2 0,3 - H2O 0
DIE 1,09 - H2 0,6 - H2O 0
DIE 1,07 - H2 0,6 - H2O 16
DIE 1,08 - H2 0,9 - H2O 16
DIE 1,12 - H2 1,2 - H2O 16
DIE 1,08 - H2 1,2 - H2O 32
DIE 1,11 - H2 1,5 - H2O 32
DIE 1,11 - H2 1,5 - H2O 48
DIE 1,15 - H2 1,8 - H2O 48
-1 0 1 2 3
-1
0
1x 108
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
x 108
C ank angle (deg)
PHRR (J/ ad)
Pa ame e ised Hea Release Ra e
DIE 1,06 - H2 0 - H2O 0
DIE 1,04 - H2 0,3 - H2O 0
DIE 1,02 - H2 0,6 - H2O 0
DIE 1,04 - H2 0,9 - H2O 0
DIE 1,09 - H2 0,9 - H2O 16
DIE 1,08 - H2 1,2 - H2O 16
DIE 1,11 - H2 1,2 - H2O 32
DIE 1,07 - H2 1,5 - H2O 32
DIE 1,09 - H2 1,8 - H2O 32
DIE 1,12 - H2 1,8 - H2O 48
6 8 10
-4
-2
0
2
4
6x 107
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
83
Fig. 5.5. PTLC a 1500 RPM y +10º
Fig. 5.6. PTLC a 1500 RPM y +6º
Fig. 5.7. PTLC a 1500 RPM y +0º
En las Figs. 5.2 – 5.7, un aumen o de H2 p oduce un a ance en el ángulo SOC. Es a endencia es
independien e de las e oluciones o el ángulo de inyección. Igualmen e se obse a cómo la
combus ión e oluciona de un p oceso que con iene dos ases de combus ión ( ase de p e-mezcla
y ase di usi a) hacia un p oceso de una única ase de combus ión con olada po la ase de p e-
mezcla. Al igual que sucedía con el inicio de la combus ión, es e cambio en el p oceso de
combus ión es independien e de las e oluciones o el ángulo de inyección p incipal.
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
0
5
10
15x 108
C ank angle (deg)
PHRR (J/ ad)
Pa ame e ised Hea Release Ra e
DIE 0,74 - H2 0 - H2O 0
DIE 0,73 - H2 0,3 - H2O 0
DIE 0,72 - H2 0,3 - H2O 16
DIE 0,73 - H2 0,6 - H2O 16
DIE 0,72 - H2 0,6 - H2O 32
DIE 0,73 - H2 0,9 - H2O 32
DIE 0,71 - H2 0,9 - H2O 48
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30
0
2
4
6
8
10
12x 108
C ank anlge (deg)
PHRR (J/ ad)
Pa ame e ised Hea Release Ra e
DIE 0,75 - H2 0 - H2O 0
DIE 0,74 - H2 0,3 - H2O 0
DIE 0,73 - H2 0,3 - H2O 16
DIE 0,72 - H2 0,6 - H2O 16
DIE 0,72 - H2 0,6 - H2O 32
DIE 0,73 - H2 0,9 - H2O 32
DIE 0,72 - H2 0,9 - H2O 48
0 5 10 15 20 25 30 35
-5
0
5
10
15x 108
C ank angle (deg)
PHRR (J/ ad)
Pa ame e ised Hea Release Ra e
DIE 0,75 - H2 0 - H2O 0
DIE 0,73 - H2 0,3 - H2O 0
DIE 0,74 - H2 0,6 - H2O 0
DIE 0,73 - H2 0,6 - H2O 16
DIE 0,73 - H2 0,9 - H2O 16
DIE 0,73 - H2 0,9 - H2O 32
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
84
La du ación del p oceso de combus ión aumen a como consecuencia del aumen o en la can idad
de H2, ya que la can idad de diésel es ija pa a cada igu a. Al analiza el papel de la inyección de
H2O en la TLC, se pueden obse a dos enómenos. Si compa amos los casos con WI o un
aumen o de la can idad de H2O inyec ada, con los casos sin inyección o una disminución de la
can idad de H2O, se obse a un e aso en el inicio de la combus ión. El g adien e de la p esión
de combus ión y la TLC ambién se educen, aunque la du ación de la combus ión p ác icamen e
no cambia.
En las Figs. 5.8 (a) – 5.8 ( ) se ep esen an las emisiones de NOx en e al lujo másico de H2 en
kg/h, pa a cada lujo másico de H2 pueden exis i dos lujos de H2O ( ep esen ados con di e en e
colo ) y cuyo alo se indica de o ma anexa. Las Fig. 5.8 ilus a la ue e dependencia de los NOx
con el ángulo de inyección, donde los alo es de emisiones son meno es cuando se inyec a en el
PMS (0º). Los alo es más al os de NOx se ob u ie on a medida que aumen aba el pa pa a
di e en es alo es de RPM.
(a)
(b)
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.6
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
H2 mass low (kg/h)
NOx (ppm)
NOx emissions - 2000 RPM - 10º Main injec ion
* 0 kg/h H2O
+ 16 kg/h H2O
o 32 kg/h H2O
x 48 kg/h H2O
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8
0
100
200
300
400
500
600
700
800
H2 mass low (kg/h)
NOx (ppm)
NOx emissions - 2000 RPM - 6º Main injec ion
* 0 kg/h H2O
+ 16 kg/h H2O
o 32 kg/h H2O
x 48 kg/h H2O
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
85
(c)
(d)
(e)
( )
Fig. 5.8. Emisiones de NOx con di e en es lujos de H2 y H2O: (a) 2000 RPM y +10º, (b) 2000
RPM y +6º, (c) 2000 RPM y 0º, (d) 1500 RPM y +10º, (e) 1500 RPM y +6º y ( ) 1500 RPM y 0º
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
H2 mass low (kg/h)
NOx (ppm)
NOx emissions - 2000 RPM - 0º Main injec ion
* 0 kg/h H2O
+ 16 kg/h H2O
o 32 kg/h H2O
x 48 kg/h H2O
0 0.3 0.6 0.9 1
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
H2 mass low (kg/h)
NOx (ppm)
NOx emissions - 1500 RPM - 10º Main injec ion
+ 16 kg/h H2O
* 0 kg/h H2O
x 48 kg/h H2O
o 32 kg/h H2O
0 0.3 0.6 0.9 1
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
H2 mass low (kg/h)
NOx (ppm)
NOx emissions - 1500 RPM - 6º Main Injec ion
* 0 kg/h H2O
+ 16 kg/h H2O
o 32 kg/h H2O
x 48 kg/h H2O
0 0.3 0.6 0.9 1.0
0
200
400
600
800
1000
H2 mass low (kg/h)
NOx (ppm)
NOx emissions - 1500 RPM - 0º Main injec ion
* 0 kg/h H2O
o 32 kg/h H2O
+ 16 kg/h H2O
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
92
(b)
Fig. 5.13. (a) PTLC a 2000 RPM, +10º y 20Nm iniciales y (b) PTLC a 1500 RPM, -2º y 40 Nm
iniciales
El enómeno se ap ecia po an o en ambos modos de combus ión dual, con indi e encia de la
elocidad y el ángulo de inyección. Sólo depende de la ca ga, que iene de e minada po la
can idad de H2 in oluc ada.
En el modo HDF, es e cambio en la TLC se debe a las múl iples llamas u bulen as que se
p opagan a a és de la mezcla H2-ai e p esen e ue a del cho o de diésel, acele ando el p oceso
de combus ión del mismo. Al analiza el papel de la inyección de H2O en el modo HDF en la
TLC, se pueden obse a que al igual que en el modo HMF, si compa amos los casos con WI o
un aumen o de la can idad de H2O inyec ada, con los casos sin inyección o una disminución de la
can idad de H2O, se obse a un e aso en el inicio de la combus ión; pe o la o ma de la TLC no
se e a ec ada en es e caso.
La Fig. 5.14 mues a el máximo de la TLC en di e en es condiciones de p ueba en compa ación
con la elación másica de H2/diésel y la elación ene gé ica H2/diésel, que se mues a en la igu a
en e pa én esis. La elación másica y la elación ene gé ica se e alúan de acue do a la ecuación
5.3. Se puede e que pa a la misma elocidad, el mismo ángulo de inyección y el mismo pa (el
mismo símbolo), el alo máximo de la TLC aumen a cuando el a io H2/diésel aumen a. Es a
endencia se obse a pa a odas las ca gas y condiciones. Como pod ía espe a se, el pico de la
TLC ambién aumen a cuando la elación H2/diésel aumen a pa a la misma ca ga inicial.
𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜= 𝑚𝐻2
𝑚𝐷𝑖é𝑠𝑒𝑙
𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜= 𝑚𝐻2∙𝑃𝐶𝐼𝐻2
𝑚𝐷𝑖é𝑠𝑒𝑙∙𝑃𝐶𝐼𝐷𝑖é𝑠𝑒𝑙 (5.3)
510 15 20 25 30 35 40
0
5
10
15x 108
Ángulo cigüeñal (º)
PTLC (J/ ad)
TLC Pa ame izada -2º 1500 RPM 40 Nm
DIE 1,83 (100%) - H2 0,0 (0%) - H2O 0
DIE 1,84 (68%) - H-2 0,3 (32%) - H2O 0
DIE 1,85 (52%) - H2 0,6 (48%) - H2O 0
DIE 1,84 (52%) - H2 0,6 (48%) - H2O 16
DIE 1,86 (42%) - H2 0,9 (58%) - H2O 16
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
93
Fig. 5.14. Máximo de la TLC con di e en es condiciones de ensayo
El e ec o de la can idad de H2 y del WI en el ángulo de inicio de combus ión se puede e en las
Figs. 5.15 y 5.16. Las igu as mues an la e olución del SOC cuando la elación H2/diésel aumen a
con di e en es can idades de H2O inyec adas pa a di e en es can idades iniciales de diésel, las
necesa ias pa a log a pa es de 20 Nm, 40 Nm y 80 Nm a la elocidad de p ueba sin H2. Un alo
posi i o del ángulo en es as igu as indica un ángulo después del PMS, y un alo nega i o de
SOC indica un ángulo an es del PMS. Un aumen o de la elación H2/Diésel p oduce un a ance en
el SOC, como se puede obse a en las Figs. 5.15 y 5.16. Es e enómeno pod ía p oduci se po el
aumen o de la concen ación de adicales lib es cuando la can idad de H2 aumen a, lo que conduce
a una mejo a de las eacciones de p e-ignición y, po lo an o, a educi el e aso de la ignición.
Cuando aumen a la can idad de H2O, el SOC se e asa en e 1 y 1,5 g ados, independien emen e
de la elocidad, el ángulo de inyección p incipal o el pun o de ca ga inicial. La e olución del SOC
se obse a independien emen e de la masa inicial de diésel. Las Figs. 5.15 y 5.16, mues an cómo
un aumen o en la ca ga p oduce un a ance en el SOC pa a los di e en es ángulos de inyección
p incipales iniciales.
-0,1 0 (0.00) 0.1 (0.29) 0.2 (0.58) 0.3 (0.87) 0.4 (1.16) 0.5 (1.45) 0.6 (1.74) 0.7 (2.03) 0.8 (2.32)
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14x 108
H2/Diésel a io másico (H
2/Diésel a io ene gé ico)
TLC (J/ ad)
0
0
0
16
16
16 16
0
0
16
16
0
0
0
0
0
16
16
0
32
32
32
48
0
16
32
32
0
0
16
16
kg/h H2O
10º - 2000 RPM
0º - 2000 RPM
10º - 1500 RPM
16
0
16
* 20Nm
+ 40 Nm
o 60 Nm
x 80 Nm
[ ] 100 Nm
120 Nm 40 Nm Pun o Inicial
80 Nm Pun o Inicial
20 Nm Pun o Inicial
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
94
Fig. 5.15. Ángulo de inicio de combus ión (SOC) en e al a io H2/Diésel a 2000 RPM y con un
ángulo de inyección pilo o de diésel de +10º an es del PMS
Fig. 5.16. Ángulo de inicio de combus ión (SOC) en e al a io H2/Diésel a 2000 RPM y con un
ángulo de inyección pilo o de diésel igual al PMS
La e olución de las emisiones de NOx con la ca ga de H2 se mues a en las Figs. 5.17 y 5.18. Es as
igu as mues an las emisiones de NOx en unción de la elación H2/diésel pa a di e en e pa y
can idad inicial de diésel pa a los modos HDF y HMF.
Se puede obse a que a medida que aumen a la p opo ción de H2/diésel, las emisiones de NOx
ambién aumen an sin la adición de H2O o si la can idad de H2O pe manece inal e ada. Relaciones
de H2/diésel más al as conducen a una combus ión ápida, lo que ele a el ni el de NOx debido al
aumen o en la p opagación de la llama en la mezcla de H2-ai e. También se puede obse a que
la p ime a inyección de H2O (de 0 a 16 kg/h) p oduce una educción en las emisiones de NOx de
ap oximadamen e el 70%, en compa ación con los casos sin WI. Los aumen os pos e io es en la
-0.1 0.1 (0.29) 0.3 (0.87) 0.5 (1.45) 0.7 (2.03) 0.9 (261)
-5.5
-5
-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5 +10º 2000 RPM
H2/Diésel a io másico (H
2/Diésel a io ene gé ico)
SOC (º)
0 kg/h
0 kg/h
16 kg/h
16 kg/h
32 kg/h
48 kg/h
48 kg/h
32 kg/h
0 kg/h
32 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h 16 kg/h
16 kg/h 32 kg/h 48 kg/h
48 kg/h
0 kg/h
16 kg/h
0 kg/h 16 kg/h
32 kg/h
32 kg/h
Can idad de H2O
20 Nm Pun o Inicial
40 Nm Pun o Inicial
80 Nm Pun o Inicial
-0.1 0 (0.00) 0.1 (0.29) 0.2 (0.58) 0.3 (0.87) 0.4 (1.16) 0.5 (1.45) 0.6 (1.74) 0.7 (2.03) 0.8 (2.32) 0.9 (2.61)
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
10.5
11 0º 2000 RPM
H2/Diésel a io másico (H
2/Diésel a io ene gé ico)
SOC (º)
0 kg/h
0 kg/h
16 kg/h
16 kg/h
32 kg/h
32 kg/h
48 kg/h 48 kg/h
0 kg/h
0 kg/h 0 kg/h
0 kg/h
16 kg/h
16 kg/h
32 kg/h 48 kg/h
0 kg/h
32 kg/h
0 kg/h
48 kg/h
32 kg/h
0 kg/h
Can idad de H2O
20 Nm Pun o Inicial
40 Nm Pun o Inicial
80 Nm Pun o Inicial
0 kg/h
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
95
can idad de H2O inyec ada educen las emisiones de NOx en e un 50% y un 60%. Es e enómeno
se obse a an o en el caso HDF como en el caso HMF y se debe al mecanismo é mico que ya
hemos comen ado an e io men e.
Las emisiones de NOx son más al as pa a el mismo pa cuando la can idad inicial de diésel
disminuye y la can idad de H2 aumen a sin WI. Es o se puede e i ica en la Fig. 5.17 si
compa amos los casos con 100 Nm (símbolo cuad ado) pa a las can idades iniciales de diésel 40
Nm y 80 Nm o en la Fig. 5.17 pa a los casos de 60 Nm (símbolo de ci cula ) pa a las can idades
iniciales de diésel 20 Nm y 40 Nm; po lo an o, una mayo can idad de H2 p oduce un aumen o
en las emisiones de NOx, independien emen e del ángulo de inyección p incipal.
Fig. 5.17. NOx en e al a io H2/diésel pa a HMF y HDF a 2000 RPM e inyección de diésel en el
PMS
Fig. 5.18. NOx en e al a io H2/diésel pa a HMF y HDF a 2000 RPM e inyección de diésel +10º
an es del PMS
0 (0.00) 0.2 (0.58) 0.4 (1.16) 0.6 (1.74) 0.8 (2.32) 1 (2.90) 1.2 (3.48) 1.4 (3.77) 1.6 (4.64)
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000 0º 2000 RPM
H2/Diésel a io másico (H
2/Diésel a io ene gé ico)
NOx (ppm)
* 20 Nm
+ 40 Nm
o 60 Nm
x 80 Nm
[ ] 100 Nm
V 120 Nm
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
32 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
16 kg/h
0 kg/h
48 kg/h
32 kg/h
32 kg/h16 kg/h
32 kg/h
32 kg/h
16 kg/h
0 kg/h 0 kg/h
16 kg/h
0 kg/h
16 kg/h
0 kg/h
16 kg/h
20 Nm Pun o Inicial
40 Nm Pun o Inicial
80 Nm Pun o Inicial
AZUL = HDF
ROJO = HMF
kg/h H2O
0 (0.00) 0.5 (1.45) 1 (2.90) 1.5 (4.35)
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600 10º 2000 RPM
H2/Diésel a io másico (H
2/Diésel a io ene gé ico)
NOx (ppm)
* 20 Nm
0 kg/h
+ 40 Nm
[ ]100 Nm
o 60 Nm
x 80 Nm
16 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
16 kg/h
0 kg/h
0 kg/h 0 kg/h 16 kg/h
0 kg/h
16 kg/h
16 kg/h
0 kg/h
16 kg/h 32 kg/h
16 kg/h
32 kg/h
48 kg/h
48 kg/h
AZUL = HDF
ROJO = HMF
20 Nm Pun o Inicial
40 Nm Pun o Inicial
80 Nm Pun o Inicial
kg/h H2O
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
96
Obse ando las Figs. 5.17 y 5.18 que cuan o más nos desplazamos a la de echa en el eje de
abscisas ( a io H2/diésel), es deci más H2 es á in oluc ado pa a consegui las mismas ca gas, los
NOx se man ienen más bajos g acias al WI. Es po ello que los mejo es esul ados en é minos de
NOx se consiguen pa a el modo HMF o pa a el modo HDF con una ca ga inicial de diésel baja,
que es equi alen e al modo de ope ación HMF.
Las Figs. 5.19 y 5.20 mues an las emisiones de pa ículas en unción del a io másico H2/diésel
y de mane a complemen a ia en unción del a io ene gé ico H2/diésel. Las igu as mues an
dis in os pun os de ca ga y pa a dis in as e oluciones y ángulos de inyección.
Se obse a cómo los alo es de pa ículas son más bajos cuando el diésel p opo ciona menos
ene gía pa a alcanza el mismo pa . El ni el de humos aumen a d ás icamen e al aumen a las
can idades iniciales de diésel. Además, los alo es son mínimos pa a el caso del modo HMF. La
emisión de pa ículas de un mo o de combus ible dual es signi ica i amen e meno que en un
modo diésel con encional, especialmen e en ca gas al as. En un modo de combus ible dual, las
emisiones de pa ículas se o man debido a la oxidación del combus ible diésel pilo o. En el mo o
de combus ible dual H2-diésel, la elación ca bono-oxígeno puede disminui signi ica i amen e
con la disminución del combus ible diésel, lo que esul a en una educción d ás ica de las
emisiones de las pa ículas.
Fig. 5.19. Pa ículas en e al a io H2/diésel pa a HMF y HDF a 2000 RPM e inyección de diésel
en el PMS
0 (0.00) 0.2 (0.58) 0.4 (1.16) 0.6 (1.74) 0.8 (2.32) 1 (2.90) 1.2 (3.19) 1.4 (4.06) 1.6 (4.64)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.2 0º 2000 RPM
H2/Diésel a io másico (H
2/Diésel a io ene gé ico)
Soo (mg/m3)
* 20 Nm
+ 40 Nm
o 60 Nm
x 80 Nm
[ ] 100 Nm
120 Nm
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
32 kg/h
0 kg/h
16 kg/h
16 kg/h
32 kg/h
32 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h 0 kg/h
16 kg/h
16 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
0 kg/h
16 kg/h 16 kg/h
32 kg/h
32 kg/h
48 kg/h
20 Nm Ini ial Poin
40 Nm Ini ial Poin
80 Nm Ini ial Poin
AZUL = HDF
ROJO = HMF
kg/h H2O
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
97
Fig. 5.20. Pa ículas en e al a io H2/diésel pa a HMF y HDF a 2000 RPM e inyección de diésel
+10º an es del PMS
Teniendo en cuen a las Figs. 5.17 – 5.20, se comp ueba que la mejo mane a de man ene bajos
los ni eles de emisiones es con el modo HMF con WI, pues o que las al as elaciones de H2/diésel
(mayo can idad de H2 implicada) han mos ado meno es ni eles de emisiones.
Al igual que hemos hecho con los ensayos an e io es amos a mos a la elación de las emisiones
de NOx con el pa áme o α, calculado según la ecuación 5.1.
Fig. 5.21. NOx en unción del pa áme o α [W/MW] pa a el caso HMF y HDF
Como ya obse amos en las Figs. 4.15 y 5.10, cuando α alcanza el alo 1200, la emisión de NOx
es mínima en o ma asin ó ica y ob iene un alo en e 0-250 ppm. Es o signi ica que el
mecanismo é mico domina cla amen e. Es o da como esul ado un alo mínimo pa a las
emisiones de NOx con espec o a la capacidad é mica de la ca ga del mo o .
La Fig. 5.22 mues a la cu a endimien o en modo HDF en e al pa . Se puede obse a que la
e iciencia iene una endencia asin ó ica en e 0,35 y 0,37 cuando el pa es supe io a 80 Nm.
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
98
Fig. 5.22. Rendimien o en e al Pa pa a el modo HDF
Aunque la can idad máxima de H2O suminis ada en ambos modos de combus ión dual ue al a
pa a ga an iza la es abilidad de la combus ión y el con ol de NOx, desde el pun o de is a
indus ial, exis e una ecnología madu a pa a ecupe a el H2O en el escape median e la
condensación y su uso nue amen e en el mo o , po lo que el consumo ele ado de agua debe
conside a se ecupe able en un po cen aje ele ado.
Aunque no hay ningún esul ado de las emisiones de CO2 p esen adas en es e documen o, el
aumen o de la acción de ene gía H2 p oduce [86, 187]:
Un aumen o en la elación H/C de odo el combus ible.
Una disminución de la he e ogeneidad del esp ay de combus ible diésel debido a que la
al a di usi idad del H2 esul a en una mezcla de combus ible mejo p e-mezclada y más
uni o me.
La mejo a en la p e-mezcla del combus ible pe mi i á una mayo e iciencia pa a la
combus ión comple a [188] y una mayo endencia a la combus ión a olumen cons an e.
El aumen o de la e iciencia de combus ión del combus ible debido a la mayo elocidad de llama
del H2, la mayo elación H/C de la mezcla de combus ible y la mejo combus ión p emezclada
pe mi e la educción de las emisiones de CO2.
El e ec o de la adición de agua en las emisiones de CO2 se de e mina po el hecho de que la
inyección de H2O (WI) o el aumen o en la can idad de H2O inyec ada pe mi e aumen a la
can idad de H2, po que con ola la endencia a la au o-ignición y la endencia al knocking del H2.
Es e aumen o en la can idad de H2, g acias al WI, nos pe mi e educi la acción de diésel
necesa ia pa a log a la misma po encia y, po lo an o, se log a una educción en las emisiones
de CO2, po las azones expues as an e io men e.
En el es udio del modo dual, an o en el modo HMF como en el modo HDF, no se ha p oducido
en ningún momen o la au o-in lamación del H2 en la admisión, incluso pa a dosados de H2/ai e
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
00 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Rendimien o
Pa (Nm)
Capí ulo 5
Análisis de la ope ación en modo dual gasóleo-hid ógeno
99
ele ados. En cambio, sí se ha p oducido knocking, limi ando la ope ación del mo o en modo
dual. El mé odo WI se ha mos ado como una solución pa a palia en pa e la apa ición del
knocking y pa a que no se p oduzca la au o-in lamación.
En el es udio de cada modo de ope ación se ha mos ado una compa ación de las emisiones de
NOx en e al pa áme o α (de inido como co esponde pa a cada caso). La Fig. 5.23 ecoge de
o ma conjun a las es compa aciones que han sido obje o de análisis. Como se obse a en la
igu a pa a bajos alo es de α exis e una dispe sión ele an e en las emisiones de NOx; es o
signi ica que hubo a ios agen es que con olan la o mación de NOx desde el iempo de
esidencia has a el SOC, independien emen e del modo de combus ión (diésel o dual) en el que el
mo o se encuen e ope ando. Sin emba go, a medida que aumen a el pa áme o α, la dispe sión
se educe. La emisión de NOx es mínima de o ma asin ó ica pa a los es casos que se mues an,
alcanzando alo es mínimos de 200 ppm ap oximadamen e. Es o signi ica que el mecanismo
é mico domina cla amen e. Es o da como esul ado un alo mínimo pa a las emisiones de NOx
con espec o a la capacidad é mica de la ca ga del mo o que ue mejo ada po el agua (cp,agua
4 · cp,ai e).
Fig. 5.23. NOx en unción del pa áme o α pa a los Modo Diésel con WI AAB y Modo dual HMF
y HDF
Una ez ha culminado el es udio de los modos de ope ación del mo o diésel con encional, se a
a hace uso de los da os ob enidos de las TLC pa a implemen a los en un modelo de mo o diésel
2T len o. Así mismo, el es udio ealizado nos pe mi i á elaciona las emisiones de NOx del
modelo del mo o de 2T con la elación H2/diésel – caudal de H2O inyec ado. Si bien no es posible
con el modelo del mo o 2T ob ene esul ados de emisiones de NOx, sí que pod emos cuan i ica
en cie o modo dichas emisiones g acias al es udio expe imen al ealizado. Igualmen e el
conocimien o que se desp ende del es udio expe imen al, en cuan o a la elación de los caudales
de H2, diésel y H2O, nos pe mi i á ealiza un es udio del modelo de mo o diésel 2T len o pa a
dis in as condiciones de ope ación.
Capí ulo 6
El H2 en mo o es 2T pa a la p oducción de po encia y la p opulsión na al
100
El capí ulo 6 con iene in o mación suscep ible de se
publicada.
Capí ulo 7
Conclusiones
101
7. Conclusiones
Es e capí ulo concluye la p esen e esis esumiendo las con ibuciones de la esis al conocimien o
ac ual y desc ibiendo las p incipales limi aciones de los es udios p esen ados.
7.1. Conclusiones globales del abajo
Del abajo se ob ienen dos conclusiones de ca ác e global:
Queda demos ada la po encialidad del empleo del H2 como combus ible combinado con
la inyección de agua en MCIA y se ha ampliado los angos de ope ación que se han
analizado en es udios an e io es, con el obje i o de educi de o ma di ec a las emisiones
de CO2 y con ola las emisiones de NOx. Es a ecnología p esen a la en aja de se ácil
de implemen a y puede se una solución a co o y medio plazo has a que las ecnologías
como los BEV o las FC sean compe i i os y sal en las des en ajas que hoy en día
p esen an.
Se puede conclui que el empleo del H2 como combus ible en mo o es diésel de 2T len os
combinado con la inyección de agua es ac ible y p esen a esul ados que igualan o
mejo an en pa e los esul ados del modo de ope ación con encional de dicho ipo de
mo o es pa a la p oducción de po encia y la p opulsión na al como se ha demos ado con
el análisis ealizado con el modelo e modinámico pa a los mo o es de 2T. P esen ando
la en aja de pode educi las emisiones de CO2, debido a la meno u ilización de uel
pesado y p oponiendo una al e na i a ac ible en e a las FC u o as ecnologías menos
con aminan es que aún es a ían lejos de se compe i i as.
7.2. Conclusiones del desa ollo expe imen al y modelo e modinámico zona-ce o
Del es udio del modo combus ión diésel con la implemen ación de las écnicas de WI y EGR
podemos conclui que:
Las emisiones de NOx se eduje on en mayo medida con el mé odo WI en compa ación
con el EGR. El mé odo WI p oduce a su ez una meno penalización en las emisiones de
pa ículas, es o es, pa a alcanza ni eles simila es de educción de NOx, el EGR debe se
al o y po consecuencia se aumen a el núme o de pa ículas a más del doble de lo que lo
hace el mé odo WI. Los casos con WI en los que se alcanzan los mayo es ni eles de
Capí ulo 9
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Anexo A
Desc ipción equipos expe imen ales
126
Anexo A. Desc ipción equipos expe imen ales
Banco de ensayos
Mo o
Cen ali a
Sis ema de alimen ación de H2O (debido a su impo ancia en el
desa ollo expe imen al se encuen a ecogido en el documen o de
esis en la sección 3.1 en las páginas 43 - 44)
Sis ema de alimen ación de H2
Sis ema de alimen ación de combus ible
Medido de humos
F eno eléc ico
Pa áme os medidos en la celda
Anexo A
Desc ipción equipos expe imen ales
127
Banco de Ensayos
Desc ipción
El banco de ensayos iene como obje i o medi las p es aciones de los mo o es y sus
ca ac e ís icas de uncionamien o, habili ando pa a ello odos los componen es necesa ios pa a su
ins umen ación y con ol.
La celda de ensayos en las que se han lle ado a cabo los expe imen os de la esis es la celda
núme o 2 del Labo a o io de Máquinas y Mo o es Té micos de la Escuela Supe io de Ingenie ía
de la Uni e sidad de Se illa.
Componen es
La celda de ensayos cons a de los siguien es elemen os:
Una cimen ación que abso be las ib aciones que se p oducen debido a la exis encia en
el mo o de ue zas de ine cia no equilib adas y de los co espondien es momen os
esul an es.
Bancada, cuya misión es sopo a el mo o (Fig. A.1).
Fig. A.1. De alle del mo o sob e la bancada
F eno eléc ico que abso be la po encia desa ollada po el mo o , o eciendo una
esis encia al gi o de és e, y que es é p o is o de un disposi i o pa a medi el pa mo o
(Fig. A.2). El p incipio de uncionamien o del mismo se explica á pos e io men e.
T ansmisión que pe mi a la conexión eno-mo o con una cie a elas icidad y capacidad
de abso be desalineaciones (Fig. A.3).
Anexo A
Desc ipción equipos expe imen ales
128
Fig. A.2. F eno eléc ico
Fig. Fig. A.3. T ansmisión a a és de ca dan
Sis ema de alimen ación de combus ible al mo o con ins umen os de medición de
consumo y sis ema de alimen ación de hid ógeno.
Red de agua. Los enos eléc icos necesi an e acua el calo p oducido median e el
sis ema de e ige ación del eno (abas ecimien o con inuo de agua). El agua se calien a
a su paso po el eno y en algunos casos se suele emplea un ci cui o ce ado, en iándose
el agua en una o e de e ige ación. En es e caso no es á habili ada y se emplea el mismo
sis ema de e ige ación que pa a el mo o .
Sis ema de e ige ación del mo o : ins alación que pe mi e ci cula el agua a a és del
mo o median e una bomba que hace las eces de la bomba de e ige ación p opia del
mo o .
Fig. A.4. Ci cui o del sis ema de e ige ación del mo o
Sis ema de e acuación de los gases de escape. Los gases de escape son en iados, as
pasa po un silenciado , a la a mós e a. A su ez, pe mi e la ins alación de los equipos
de medida de emisiones.
Sis ema de en ilación de la sala. Debe e i a el sob ecalen amien o del local po la
adiación de calo del mo o . Se e ec úa median e en ilado es.
Anexo A
Desc ipción equipos expe imen ales
129
Sis ema de oma de mues a de gases de escape pa a su conexión a dis in os equipos
des inados a es e in. La celda cuen a con un ci cui o de oma de mues a pa a una o e
de emisiones y pa a un medido de opacidad.
Mo o
Desc ipción
El mo o en el que se ealizan los ensayos es un mo o Renaul k9k 766, pe enecien e a un Renaul
Clio III 1.5 dCi del año 2006. La po encia máxima del mismo es de 63 kW (86 CV) a 3750 RPM
y es capaz de en ega un pa máximo de 220 Nm a 1900 RPM. El mo o iene 4 cilind os en línea,
con una cilind ada de 1461 cm3 y una elación de comp esión de 17,9:1.
Fig. A.5. Mo o de ensayos sob e la bancada
T abajos de mecanizado y p epa ación
Pa a la consecución de los ensayos se le han ealizado al mo o una se ie de abajos de
mecanizado y alige amien o del mismo. Dichos abajos han sido los que se de allan a
con inuación.
Mecanizado de la cula a
Es e abajo se ealizó con is as a pode medi la p esión en el in e io de la cáma a de
combus ión. Pa a ello, aliéndose de los p opios o i icios que la cula a iene p ac icados pa a
aloja los calen ado es (de los cuales no hemos hecho uso), se han mecanizado los alojamien os
que an a inco po a los cap ado es de p esión que más adelan e desc ibi emos.
Anexo A
Desc ipción equipos expe imen ales
130
Además de dicho mecanizado se ha ealizado una ec i icación de la cula a pa a ga an iza que la
cula a es á o almen e plana as los abajos ealizados sob e la misma.
Desmon aje y limpieza del mo o
El mo o ha sido o almen e desmon ado y e isado an es de su pues a en uncionamien o po una
pe sona especializada pa a dicho abajo
Senso es de p esión
Se han adqui ido senso es capaces de medi an o la p esión en cáma a como la p esión en el
colec o de admisión.
Cap ado es de p esión en cáma a
Dichos senso es son del ipo Kis le 6043A60 y son capaces de sopo a las al as empe a u as
que se alcanzan en la cáma a de combus ión. El ango de los mismos es de 0 a 250 ba es y es án
e ige ados po agua.
Fig. A.6. Cap ado de p esión Kis le 6043A60
Cap ado es de p esión de admisión y escape
Son del ipo Kis le 4049B20DS y abajan en el ango de 0 a 20 ba es. Es os senso es es án
p epa ados pa a abaja en medios gaseosos calien es, como puede se el colec o de escape. En
nues o caso, enemos un cap ado ins alado en el colec o de admisión, pos e io al paso del ai e
de admisión po el e ige ado .
Fig. A.7. Cap ado de p esión Kis le
4049B20DS
Fig. A.8. Mon aje del cap ado de p esión
Anexo A
Desc ipción equipos expe imen ales
131
Senso es auxilia es (no p opios del mo o )
Además de los senso es p opios que posee el mo o , hemos ins alado senso es auxilia es pa a
ob ene los da os necesa ios pa a los es udios que lle amos a cabo en el mo o .
Caudalíme o
La ins alación del caudalíme o se debe a la exigencia de la cen ali a que comanda el mo o , cuyo
uncionamien o in e no es á con igu ado pa a abaja con es e ipo de senso es. La cen ali a, que
pos e io men e desc ibi emos, usa los da os de caudal de ai e pa a e ec ua los cálculos necesa ios
pa a el co ec o uncionamien o del mo o . El caudalíme o es del ipo Bosch 0 280 218 019.
Fig. A.9. Caudalíme o Bosch 0 280 218 019
La implemen ación del caudalíme o con la cen ali a ha eque ido ealiza una calib ación del
mismo, en é minos de caudal- ol aje.
Igualmen e los da os de caudal de ai e son necesa ios como en ada a nues os modelos
e modinámicos.
Te mopa es
Con obje o de ene mejo moni o izado el mo o y pode dispone de algunos pa áme os ú iles,
ales como el sal o de empe a u a en la u bina, han sido ins alados cinco e mopa es: 1) en ada
del u bo-comp eso , 2) salida del u bo-comp eso , 3) colec o de admisión, 4) en el colec o de
escape, p e io a la en ada de la u bina del u bo-comp eso y 5) pos - u bina.
Con los e mopa es del colec o de escape y el pos - u bina enemos una mane a de cuan i ica
el sal o é mico en la u bina y co obo a así mismo el da o p opio del mo o de p esión de
comp eso .
Anexo A
Desc ipción equipos expe imen ales
132
(a)
(b)
(c)
Fig. A.10. (a)Te mopa en el coec o de admisión, (b) Te mopa en el colec o de escape y (c)
e mopa pos - u bina
Senso es p opios del mo o
El mo o cuen a con una se ie de senso es que ienen mon ados en el mismo. En es e apa ado
habla emos de la desc ipción de los senso es, así como de su conexión eléc ica a la ECU, la cual
desc ibi emos en el siguien e apa ado.
Senso P esión de Sob ealimen ación (Bosch 0 281 002 566/8 200 168 253)
Es e senso se encuen a si uado an es de la en ada del ai e al colec o de admisión y pos e io al
e ige ado de ai e. Tiene como misión p opo ciona la p esión en el colec o de admisión y
ans e i es a in o mación a la ECU.
Fig. A.11. Senso de P esión de Sob ealimen ación
Senso P esión de al a de combus ible (8200379933/R 9144Z070A)
Es un senso de al a p esión de la ma ca Delphi y su obje i o es p opo ciona el alo de la p esión
de gasóleo del common- ail que llega a los inyec o es. El senso se encuen a si uado en la ampa
de inyección.
Anexo A
Desc ipción equipos expe imen ales
133
Fig. A.12. Senso si uado en la ampa de inyección
Senso Tempe a u a Mo o /Re ige an e (22 63 094 18R)
Senso se encuen a si uado en el bloque mo o sob e el olan e de ine cia y p opo ciona la
empe a u a del agua de e ige ación del mo o . Es e senso es el esponsable de habili a o
deshabili a el ci cui o de e ige ación del mo o .
Fig. A.13. Senso Tempe a u a mo o
Senso Tempe a u a ai e admisión (8200 164 249)
Es e senso se encuen a si uado an es de la en ada del ai e al colec o de admisión y pos e io al
e ige ado de ai e. La lec u a de es e senso es u ilizada po la ECU pa a el con ol del mo o .
Senso Tempe a u a de combus ible
Es e senso se encuen a en la bomba de al a p esión. La misión de es e senso es con ola la
empe a u a del gasóleo pa a e i a p oblemas. Es el esponsable de que el ci cui o de
eci culación de gasóleo se ac i e si la empe a u a de gasóleo supe a un cie o alo .
