Diseño de un sistema de control para inyección de hidrogeno en la cámara de combustión de un motor de combustión interna de cuatro tiempos

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(1)PROYECTO DE GRADO:. DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA INYECCIÓN DE HIDROGENO EN LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA DE CUATRO TIEMPOS. Autor: CLAUDIA ALEXANDRA GONZÁLEZ PALACIOS. Asesor: JAIME LOBO-GUERRERO, PHD. Universidad de Los Andes Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá, Colombia Junio 2005.

(2) IM-2005-1-13. INDICE INDICE DE FIGURAS ............................................................................................. 3 INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 4 1. TRABAJO PREVIO REALIZADO ........................................................................ 5 2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL HIDROGENO COMO COMBUSTIBLE EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA.............................. 6 3. ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL MOTOR DE CUATRO TIEMPOS ............... 9 3.1 CICLO DE OTTO ................................................................................................ 9 3.2 PROCESO DE COMBUSTIÓN ............................................................................. 13 4. ANÁLISIS DINÁMICO DEL MOTOR DE CUATRO TIEMPOS .......................... 16 5. CONVERSIÓN DE UN MOTOR DE GASOLINA A HIDROGENO .................... 22 5.1 MEZCLA EXTERNA .......................................................................................... 22 5.2 MEZCLA INTERNA ........................................................................................... 23 5.2.1 Tiempo de Inyección del Hidrógeno ...................................................... 24 5.2.2 Volumen de Hidrógeno Inyectado ......................................................... 24 6. DISEÑO DE SISTEMA DE CONTROL PARA INYECCIÓN DE HIDROGENO EN LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN ........................................................................ 25 6.1 EMISOR – RECEPTOR INFRARROJOS ................................................................ 26 6.2 TACÓMETRO .................................................................................................. 29 6.3 MICROCONTROLADOR ..................................................................................... 31 6.4 SISTEMA DE VÁLVULAS ................................................................................... 32 7. VÁLVULAS SOLENOIDES................................................................................ 34 8. CONCLUSIONES.............................................................................................. 37 9. RECOMENDACIONES ..................................................................................... 38 ANEXOS ............................................................................................................... 39 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 47. 2.

(3) IM-2005-1-13. INDICE DE FIGURAS FIGURA 1 Ciclo de Otto de Aire-Standard ........................................................... 10 FIGURA 2 Eficiencia térmica – vs - Rc................................................................. 12 FIGURA 3 Rc – vs – T2 (Auto-ignición)................................................................. 13 FIGURA 4 Ciclo de Otto de cuatro carreras ......................................................... 17 FIGURA 5 Mecanismo de cuatro barras biela-manivela para un cilindro en un motor de combustión interna de cuatro tiempos. ........................................... 17 FIGURA 6 Posición de un pistón en el motor de un R4 (850cm3) ........................ 18 FIGURA 7 Velocidad de un pistón en el motor de un R4 (850cm3)...................... 19 FIGURA 8 Aceleración de un pistón en el motor de un R4 (850cm3) ................... 19 FIGURA 9 Aceleración de un pistón en el motor de un R4 (850cm3) ................... 20 FIGURA 10 Aceleración de un pistón en el motor de un R4 (850cm3) ................. 21 FIGURA 11. Dos tipos de mezcla externa: Inyección indirecta del hidrogeno. (izquierda) o mezcla de hidrogeno y aire en el carburador ............................ 23 FIGURA 12 Sistema de control para la inyección de hidrogeno en la cámara de combustión..................................................................................................... 26 FIGURA 13 Configuración de los Emisores-Receptores y marca sobre el volante27 FIGURA 14 Configuración Emisor-Receptor ........................................................ 28 FIGURA 15 Tacómetro......................................................................................... 30 FIGURA 16 Esquema del Microcontrolador ......................................................... 31 FIGURA 17 Configuración Mosfet de canal N (IRFZ44N) .................................... 33 FIGURA 18 Configuración del sistema de válvulas............................................... 34. 3.

(4) IM-2005-1-13. INTRODUCCIÓN Hoy en día, alrededor de todo el mundo, existe la necesidad de empezar a preservar el medio ambiente, por esta razón se ha comenzado a investigar y desarrollar nuevas maneras para la generación de energía mas limpia.. La. principal fuente de contaminación proviene de los medios de transporte, debido a esto se han empezado a desarrollar formas de utilizar combustibles cuyos procesos de combustión dejen productos menos contaminantes para el medio ambiente.. El uso del hidrogeno como combustible permite alcanzar dichos propósitos ya que los productos generados por este, en condiciones apropiadas, genera una combustión mas limpia para el medio ambiente.. La implementación de este. combustible en motores de combustión interna requiere de la adecuación apropiada del motor para permitir su correcto funcionamiento. Debido a los diversos problemas que se presentan cuando el motor de hidrogeno funciona con mezcla externa, la mejor solución es la de inyectar directamente el hidrogeno dentro de la cámara de combustión, debido a esto, es necesario realizar el diseño necesario para permitir dicha inyección y así lograr un aumento de potencia del motor, ya que mediante esta forma, se asegura que todo el hidrogeno presente dentro de la cámara de combustión, reaccionara con el aire y de esta manera no se presentara desperdicio de combustible ni se sufrirán de problemas de ¨backfiring¨.. 4.

(5) IM-2005-1-13. 1. TRABAJO PREVIO REALIZADO. En el proyecto de grado que antecede a este, se realizo la conversión de un motor de gasolina de Renoult 4 (850cm3) a hidrogeno implementando la mezcla externa del aire con el combustible, en este proceso se sufrieron diversos problemas, uno de ellos debido a las malas condiciones en las que se encontraba el motor y las reparaciones que esto acarreo pero el principal problema de todos se dio debido a los problemas de pre-ignición y de ¨backfiring¨. Estos problemas se solucionaron parcialmente mediante la implementación de un sistema de inyección de agua que permitiera evitar los puntos calientes y por otro lado se retraso un poco la chispa del motor para evitar los problemas mencionados anteriormente. Sin embargo, no se logro el funcionamiento apropiado del motor, por lo que se propuso el desarrollo de un sistema de control que permitiera la inyección directa del hidrogeno dentro de la cámara de combustión, para evitar de esta manera los problemas de pre-ignición y de ¨backfiring¨ ya que se evitaba el contacto del combustible con el exterior y por otro lado se evitaba el problema de que el combustible explotara antes de tiempo debido a los puntos calientes dentro de la cámara de combustión.. 5.

(6) IM-2005-1-13. 2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL HIDROGENO COMBUSTIBLE EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA1 •. COMO. Amplio Rango de Flamabilidad:. El hidrogeno posee un amplio rango de flamabilidad en comparación con otro tipo de combustibles. Debido a esto, el hidrogeno puede realizar la combustión en una amplia gama de mezclas combustible-aire.. Una ventaja importante de esta. propiedad es que el hidrogeno puede reaccionar encontrándose en una mezcla pobre.. Una mezcla pobre es aquella en la cual la cantidad de combustible. existente para que se lleve a cabo la combustión es menor que la cantidad requerida estequiométricamente para cierta cantidad de aire. Esta es una de las principales razones por las cuales es mucho mas sencillo arrancar un motor de hidrogeno. En general, el ahorro de combustible es mayor y la combustión es mucho mas completa cuando el vehículo funciona con una mezcla aire-combustible pobre. Además, la temperatura final de combustión normalmente es mas baja, lo que permite reducir la cantidad de contaminantes, tales como los óxidos de nitrógeno producidos en la combustión. Existe un limite de que tan pobre puede ser la mezcla para que el vehículo pueda trabajar, una opresión pobre puede reducir significativamente la potencia de salida del motor debido a la reducción en el calor especifico volumétrico en la relación aire/combustible de la mezcla.. 1. Referencia [1] y [4]. 6.

(7) IM-2005-1-13. •. Baja Energía de Ignición:. El hidrogeno tiene una baja energía de ignición. La cantidad de energía necesaria para encender el hidrogeno es aproximadamente un orden de magnitud menor que la requerida por la gasolina.. Esto permite a los motores de hidrogeno. encender mezclas pobres y asegurar la ignición. Desafortunadamente, baja energía de ignición significa que gases o puntos calientes dentro de la cámara de combustión pueden convertirse en fuentes de encendido, creando problemas de ignición prematura y flash back.. El amplio. rango de flamabilidad del hidrógeno quiere decir que casi cualquier mezcla puede ser encendida por puntos calientes dentro de la cámara.. •. Alta Temperatura de Auto-ignición:. El hidrogeno tiene relativamente una alta temperatura de auto-ignición. Este factor tiene implicaciones importantes cuando la mezcla hidrogeno-aire es comprimida. De hecho, la temperatura de auto-ignición es un factor importante cuando se va a determinar que razón de compresión (Rc) puede usar un motor, debido a que el incremento de la temperatura durante la compresión esta directamente relacionada con la Rc. La temperatura en la compresión no debe exceder la temperatura de auto-ignición del hidrogeno para de esta manera no causar ignición prematura.. Así, la. temperatura final absoluta limita la Rc. La alta temperatura de auto-ignición del hidrogeno permite grandes Rc para ser usadas en motores de hidrogeno en comparación de las usadas en motores de gasolina.. 7.

(8) IM-2005-1-13. •. Alta Velocidad de Llama:. El hidrogeno tiene una alta velocidad de llama cuando trabaja en relaciones estequiométricas.. Por debajo de estas condiciones, la velocidad de llama del. hidrogeno es casi un orden de magnitud mas rápida que la de la gasolina. Lo que significa que los motores de hidrogeno pueden aproximarse mucho mejor al ciclo termodinámico ideal (ciclo de Otto). extremadamente. pobres,. la. velocidad. de. Sin embargo, en mezclas la. llama. puede. disminuir. significativamente.. •. Alta Difusividad:. El hidrogeno tiene una alta difusividad. La habilidad para dispersarse en el aire en considerablemente mas alta que la de la gasolina, esto facilita la formación de una mezcla uniforme de combustible y aire; además, si se desarrolla una fuga de hidrogeno, este se dispersa rápidamente. Así, cualquier tipo de peligro puede ser evitado o minimizado.. •. Baja Densidad:. El hidrogeno tiene muy baja densidad. Esto resulta ser un problema cuando es usado en motores de combustión interna, primero es necesario tener un gran volumen en el cual se pueda almacenar suficiente hidrogeno para de esta manera darle al motor un rango de velocidades adecuado y segundo la energía en densidad de una mezcla aire-hidrogeno, y por lo tanto la potencia de salida, es reducida.. 8.

(9) IM-2005-1-13. 3. ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL MOTOR DE CUATRO TIEMPOS2 Los motores de combustión interna de cuatro tiempos están descritos básicamente por el ciclo termodinámico que estos tienen y por la relación aire-combustible que se alcanza en el momento de la combustión.. 3.1 Ciclo de Otto Los motores de combustión interna no funcionan de acuerdo a un ciclo termodinámico; sin embargo, el concepto del ciclo es muy útil para mostrar los efectos de los cambios en las condiciones de operación, para indicar el rendimiento máximo y para comparar un tipo de motor de combustión con respecto a otro. Cuando en un ciclo hipotético se asume que el fluido que genera el trabajo es únicamente aire, se le conoce como un ciclo de aire Standard. Se considera que el calor es suministrado directamente al ciclo o rechazado por él y se ignoran las pedidas de calor, por lo que el poder calorífico del aire se estima constante. El ciclo de cuatro carreras en motores de combustión interna, es también conocido como el ciclo de Otto de cuatro carreras. Este ciclo se muestra en los diagramas de P-v y T-s de la figura 1. El proceso 1-2 es una compresión isentrópica del aire a medida que el pistón se mueve del PMI (BDC) al PMS (TDC). Después el calor es. añadido. a. volumen. constante. mientras. el. pistón. se. encuentra. momentáneamente en reposo en el PMS, este proceso corresponde a la ignición de la mezcla aire-combustible debido a la chispa y a la combustión de la misma. 2. Referencias [3] y [5]. 9.

(10) IM-2005-1-13. El proceso 3-4 es una expansión isentrópica y el proceso 4- 1 corresponde al calor rechazado por el aire mientras el pistón se encuentra en el PMI.. FIGURA 1 Ciclo de Otto de Aire-Standard. La eficiencia térmica de este ciclo se plantea a continuación asumiendo como constante el calor especifico del aire. . Balance de energía:. (Qin − Qout ) + (Win − Wout ) = ∆U Qin = U 3 − U 2 = Cv(T3 − T2 ) Qout = U 4 − U 1 = Cv(T4 − T1 ). η th =. Qin − Qout Q T (T T − 1) = 1 − out = 1 − 1 4 1 Qin Qin T2 (T3 T2 − 1). 10.

(11) IM-2005-1-13. Para un proceso isentrópico:. . PV k = const. con k = Cp. P1V1 = P2V2 k. V1. k. V2. k. =. k. P2 R T2 V2 T2V1 = = P1 R T1 V1 T1V 2. k V1 V 2 T2 V1k −1 ⎛ V1 ⎞ = = =⎜ ⎟ V2k V1 T1 V2k −1 ⎜⎝ V2 ⎟⎠. k −1. Como m = constante. T2 ⎛ V PMI =⎜ T1 ⎜⎝ V PMS . = Razón calores específi cos. Para el proceso de 1-2:. . . Cv. ⎞ ⎟⎟ ⎠. k −1. = Rc k −1. con Rc = Re lación de compresión. Para el proceso de 3-4, usando el análisis anterior:. T3 = Rc k −1 T4 T2 T3 = T1 T4. o. η th = 1 −. 1 Rc k −1. T3 T4 = T2 T1. 11.

(12) IM-2005-1-13. Para el motor de hidrógeno de cuatro tiempos, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:. T1 = Temperatura Ambiente T2 < Temperatura Auto − ignición del hidrógeno o T2 < 858ο K k = 1.4 P1 = Pr esión a temperatura ambiente Para k = 1.4 − 0.16φ φFs Qin = Qc φ ≤ 1 con Qc = Calor combustión Hidrógeno = 141.6 KJ Kg 1 + φFs De acuerdo con lo anterior se encuentra la siguiente relación entre la eficiencia térmica y la Rc para el motor de hidrógeno (Figura 2), de igual manera se muestra la relación entre la Rc y T2 (Figura 3):. Eficiencia Térmica Ciclo de Otto. Eficiencia Térmica (%). 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,000. 2,000. 4,000. 6,000. 8,000. 10,000. Rc. FIGURA 2 Eficiencia térmica – vs - Rc. 12. 12,000. 14,000.

(13) IM-2005-1-13. 14,000 12,000. Rc. 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0,000 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 900. T2 (°k). FIGURA 3 Rc – vs – T2 (Auto-ignición). 3.2 Proceso de Combustión El proceso de combustión consiste. en la oxidación de los elementos que. constituyen el combustible que son capaces de ser oxidadas y de esta manera pueden ser representadas por una ecuación química.. Durante el proceso de. combustión la masa de cada elemento siempre es la misma. La combustión teórica o estequiométrica del hidrogeno y del oxigeno se muestra a continuación: 2H2 + O2. = 2H2O. Moles de H2 para la combustión completa. = 2 moles. Moles de O2 para la combustión completa. = 1 mol. 13.

(14) IM-2005-1-13. Debido a que el aire es utilizado como oxidante en ves del oxigeno, el nitrógeno en el aire debe ser incluido en los cálculos: Moles de N2 en el aire. = Moles O2 x (79% N2 aire/21% O2 aire) =1 Mole O2 x (79% N2 aire/21% O2 aire) = 3.762 moles N2. Número de moles de aire. = Moles de O2 + moles de N2 = 1 + 3.762 = 4.762 moles de aire. Peso del O2. = 1 mol de O2 x 32 g/mol = 32 g. Peso del N2. = 3.672 moles de N2 x 28 g/mol =105.33 g. Peso del Aire. = 137.33 g. Peso del H2. = 2 moles de H2 x 2 g/mol. Estequiometricamente la relación de aire e hidrógeno, aire/combustible (A/F) es: A/F basada en masa. = masa de aire/masa de combustible =137.33 g / 4 g =34.33 : 1. A/F basada en volumen. =moles de aire / moles de combustible = 4.762 / 2 = 2.4 : 1. 14.

(15) IM-2005-1-13. El porcentaje ocupado por hidrógeno en la cámara de combustión para una mezcla estequiométrica esta dado por: % H2. =moles de H2/(moles aire + moles H2) = 2 / (4.762 + 2) =29.6 %. Estos cálculos muestran que la relación correcta A/F estequiométrica para la combustión completa del hidrogeno en aire es de 34:1 en masa. Esto significa que para una combustión completa se necesitan 15.42 Kg. de aire por cada kilogramo de hidrógeno. Esto es mucho mayor que la razón de 14.7:1 requerida para la gasolina. Debido a que el hidrógeno es un combustible gaseoso, a condiciones ambiente este ocupa mayor parte de la cámara de combustión en comparación de los combustibles líquidos.. Consecuentemente, una menor parte de la cámara de. combustión puede ser ocupada por aire.. En condiciones estequiométricas, el. hidrógeno ocupa aproximadamente el 30% de la cámara de combustión mientras que la gasolina ocupa tan solo de 1 a 2 %. Dependiendo del meto utilizado para introducir el hidrógeno al motor, la potencia de salida comparada con un motor de gasolina puede ser de un 85% (inyección en el múltiple de admisión) a 120% (inyección a alta presión). Debido al amplio rango de flamabilidad del hidrogeno, los motores de hidrogeno pueden correr en relaciones de A/F desde 34:1 hasta relaciones de 180:1. La relación A/F también puede ser expresada en términos del radio de equivalencia,. 15.

(16) IM-2005-1-13. denotado como Φ (phi). Phi es igual a la relación A/F estequiométrica dividido entre la relación A/F actual.. Por consiguiente, debido a la propiedad de la. flamabilidad, el hidrógeno puede trabajar con Φ < 1, o sea, puede reaccionar encontrándose en una mezcla pobre (exceso de aire de hasta el 50%).. 4. ANÁLISIS DINÁMICO DEL MOTOR DE CUATRO TIEMPOS3 El ciclo de Otto de cuatro carreras (figura 4). Le toma cuatro carreras al pistón completar uno ciclo de Otto. Una carrera del pistón se define como la distancia recorrida desde el PMS al PMI o viceversa. De esta manera, hay dos carreras cada 360° de movimiento de la manivela y le toma 720° de rotación del cigüeñal completar un ciclo de cuatro carreras.. Estos motores requieren mínimo dos. válvulas por cilindro, una para la admisión y otra para el escape. El ciclo puede iniciar en cualquier punto y se repite cada dos revoluciones de la manivela. La carrera de admisión (figura 4.a) empieza con el pistón en el PMS. Durante la carrera de compresión (figura 4.b), todas las válvulas están cerradas y el gas es comprimido a medida que el pistón se mueve del PMI al PMS. En este punto, por medio de la bujía se genera la chispa la cual permite que explote el gas comprimido. La presión generada por la explosión aumenta muy rápido y empuja el pistón del PMS al PMI durante la carrera de expansión o potencia (figura 4.c).. 3. Referencia [2]. 16.

(17) IM-2005-1-13. La válvula de escape se abre y la carrera de escape del pistón desde el PMI al PMS saca los gases generados de la combustión fuera de la cámara de combustión antes de empezar el siguiente ciclo (figura 4.d).. (a) Admisión. (b) Compresión. (c) Explosión. (d) Escape. FIGURA 4 Ciclo de Otto de cuatro carreras. . Dinámica del Motor de Combustión Interna de Cuatro Tiempos:. FIGURA 5 Mecanismo de cuatro barras biela-manivela para un cilindro en un motor de combustión interna de cuatro tiempos.. 17.

(18) IM-2005-1-13. ¾ Posición: R2 ⎛ ⎛ R ⎛ ⎞⎞⎞ X ( m) = + ⎜⎜ R⎜⎜ 1 − ⎜ cos ωt + cos ωt ⎟ ⎟⎟ ⎟⎟ 4L ⎝ ⎝ 4L ⎝ ⎠⎠⎠. Posición (m) 0,1000. 0,0500. 0,0000 0. 180. 360. 540. FIGURA 6 Posición de un pistón en el motor de un R4 (850cm3). ¾ Velocidad:. R ⎞ ⎛ sin 2ωt ⎟ V (m / s) = −Rω ⎜ sin ωt + 2L ⎠ ⎝. 18. 720.

(19) IM-2005-1-13. Velocidad(m/s) 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 -5,00 0. 180. 360. 540. 720. -10,00 -15,00 -20,00. FIGURA 7 Velocidad de un pistón en el motor de un R4 (850cm3). ¾ Aceleración:. R ⎛ ⎞ a(m / s 2 ) = − Rω 2 ⎜ cos ωt + cos 2ωt ⎟ L ⎝ ⎠ Aceleración (m/s^2). 3000 1000 -1000 0. 180. 360. 540. -3000 -5000 -7000. FIGURA 8 Aceleración de un pistón en el motor de un R4 (850cm3). 19. 720.

(20) IM-2005-1-13. ¾ Fuerza del Gas:. ⎧ Pg = P4 (ciclo de Otto) ⎪ Fg ( N ) = − Pg A p ⎨ π 2 ⎪ A p = B con B = φ pistón 4 ⎩. ¾ Torque del Gas:. ⎞ ⎛ R Tg ( N * m) = Fg R sin ωt ⎜1 + cos ωt ⎟ 360ο < ωt < 540ο ⎝ L ⎠ Torque Gas (N*m) 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 -0,50 0. 180. 360. 540. FIGURA 9 Aceleración de un pistón en el motor de un R4 (850cm3). 20. 720.

(21) IM-2005-1-13. ¾ Torque de Inercia:. Ti ( N * m) =. 1 3R ⎛ R ⎞ m B R 2ω 2 ⎜ sin ωt − sin 2ωt − sin 3ωt ⎟ 2 2L ⎝ 2L ⎠. Torque inercia (N*m) 0,002500 0,002000 0,001500 0,001000 0,000500 0,000000 -0,000500 0. 180. 360. 540. 720. -0,001000 -0,001500 -0,002000 -0,002500. FIGURA 10 Aceleración de un pistón en el motor de un R4 (850cm3). El torque total es la suma del Torque del gas y del torque de inercia, pero como se puede apreciar la contribución del torque de inercia al torque total es mínima, razón por la cual la forma del torque total es aproximadamente la misma del torque del gas, o sea, el torque que genera el hidrógeno durante la carrera de explosión o de potencia en el cilindro del motor de cuatro tiempos.. 21.

(22) IM-2005-1-13. 5. CONVERSIÓN DE UN MOTOR DE GASOLINA A HIDROGENO4 La implementación de la mezcla de aire-combustible en los motores de hidrógeno de cuatro tiempos, se puede realizar básicamente de dos maneras, ya sea a través de una mezcla externa o mediante la mezcla interna.. 5.1 Mezcla Externa La mezcla externa es mucho más fácil de implementar que la mezcla interna, además de que ha sido ampliamente investigada durante el último siglo. En la mezcla externa, el aire y el hidrógeno se mezclan en las afueras de la cámara de combustión. La mezcla puede tener lugar, ya sea en el carburador o en el múltiple de admisión gracias a la inyección del hidrogeno. Para los sistemas de inyección, es deseable inyectar el hidrogeno lo mas cerca posible de la válvula de admisión para de esta forma evitar que ocurra la explosión del hidrógeno fuera de la cámara de combustión y de esta manera reducir la posibilidad del ¨backfiring¨. En la figura 11 se muestran los dos tipos de sistema de mezcla externa.. 4. Referencias [5] y [8]. 22.

(23) IM-2005-1-13. FIGURA 11 Dos tipos de mezcla externa: Inyección indirecta del hidrogeno (izquierda) o mezcla de hidrogeno y aire en el carburador. 5.2 Mezcla Interna Los sistemas de mezcla interna solo permiten que haya aire a través de las válvulas de admisión. El hidrógeno es inyectado separadamente en la cámara de combustión durante la carrera de compresión. Los problemas de ¨backfiring¨ y pérdida de potencia son los que se presentan con mayor frecuencia en los sistemas de mezcla externa. Los sistemas de mezcla interna son mucho más convenientes ya que eliminan por completo la posibilidad de ¨backfiring¨ y no se presenta la perdida de potencia. Desafortunadamente, la inyección directa es difícil de implementar, debido a las dificultades que involucra el hecho de tratar de conectar la cámara de combustión. 23.

(24) IM-2005-1-13. directamente con la válvula de inyección. Hay muy poco espacio en la cabeza del motor como para añadir huecos adicionales.. Un sistema de control debe ser. adaptado para que este le indique a cada inyector en que momento tiene que ser liberado el hidrógeno.. 5.2.1 Tiempo de Inyección del Hidrógeno Los sistemas de mezcla interna requieren precisión en el tiempo de inyección dentro de la cámara de combustión. Por consiguiente, el motor debe tener la capacidad de decirle a los inyectores en que momento liberar el hidrógeno. La inyección directa tiene lugar durante la carrera de compresión, justo después de que la válvula de admisión se cierra, de esta manera se tiene muy poco tiempo para inyectar el hidrógeno y además la presión en el cilindro debe ser vencida.. 5.2.2 Volumen de Hidrógeno Inyectado La cantidad de hidrógeno necesaria para la combustión con aire varía dependiendo de las condiciones planteadas para la combustión (mezcla de airecombustible rica o pobre). El hidrogeno tiene el rango mas amplio de flamabilidad entre los combustibles. Este puede ser combustionado en un amplio rango de mezclas pobres (4-29.53% hidrógeno por volumen de aire), lo que le proporciona una ventaja en eficiencia sobre la gasolina, la cual necesita operar en mezclas estequiométricas (1-1.76% gasolina por volumen de aire).. Economizar. combustible y disminuir la temperatura en la cámara de combustión son algunas de las ventajas de operar un motor en mezclas pobres, por supuesto,. 24.

(25) IM-2005-1-13. arriesgándose a la reducción de la potencia de salida lo cual no es recomendable cuando se requieren suplir grandes cargas, como la subida de una colina.. 6. DISEÑO DE SISTEMA DE CONTROL PARA INYECCIÓN DE HIDROGENO EN LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN La cantidad de hidrogeno que debe ser inyectado en cada cilindro puede ser calculada, asumiendo que una cantidad constante de aire entra a cada cilindro a presión atmosférica. En este caso particular el volumen por cilindro es igual a: Volumen = 850cm. 3. 4. = 212.5cm 3 = 2.125e − 4 m 3. O en otras palabras ese es el volumen de aire disponible para la combustión. De acuerdo con la reacción estequiométrica de combustión planteada en el Capítulo 3, se requieren 8.925e-5m3 de hidrogeno para 2.125e-4m3 de aire, esto se da si se trabaja con Φ=1, o sea, si se trabaja con hidrogeno estequiométrico. Sin embargo, como se mencionó anteriormente el hidrogeno puede trabajar muy bien en mezclas pobres, por eso, con un Φ=066, que representa un 66% de exceso de aire, se necesitan 5.36e-5m3 de hidrogeno para que reacciones con 2.125e-4m3. Esto significa que 5.36e-5m3 de hidrogeno deben ser inyectados en el cilindro durante la carrera de compresión. El sistema de inyección del hidrogeno esta diseñado para que este sea introducido al cilindro durante el ultimo cuarto de revolución después de iniciada la carrera de compresión, o sea, en los 90° anteriores a la carrera de explosión.. 25.

(26) IM-2005-1-13. El esquema del sistema de inyección se muestra a continuación:. FIGURA 12 Sistema de control para la inyección de hidrogeno en la cámara de combustión. 6.1 Emisor – Receptor Infrarrojos Se tiene el arreglo de los emisores-receptores infrarrojos y de la marca sobre el volante tal y como se muestra en la figura 13. La secuencia de ignición para el motor del R4 es la siguiente:. 26.

(27) IM-2005-1-13. 1. 2. 3. 4. Cilindro # 1. Explosión. Escape. Admisión. Compresión. Cilindro # 3. Compresión. explosión. Escape. Admisión. Cilindro # 4. Admisión. Compresión. explosión. Escape. Cilindro # 2. Escape. Admisión. Compresión. explosión. Tabla # 1. FIGURA 13 Configuración de los Emisores-Receptores y marca sobre el volante. De acuerdo con la secuencia planteada anteriormente y con el esquema del arreglo de los emisores-receptores y marcas sobre el volante se tiene que el funcionamiento de estos tiene una función bien definida. La primera ves que la marca interrumpa la comunicación entre el juego de emisor-receptor 1 se activa la válvula del cilindro # 3 ya que este es el que se encuentra en la carrera de compresión (tabla # 1), luego cuando la marca pase a través de la pareja emisorreceptor 2 inicia el funcionamiento de la válvula del cilindro # 4 que se encuentra en ese momento en la carrera de compresión y así sucesivamente en la segunda pasada por el emisor-receptor 1 y 2, se activan las válvulas de los cilindros # 2 y # 1, respectivamente.. 27.

(28) IM-2005-1-13. El montaje electrónico de los emisores-receptores infrarrojos consta de las partes que se listan a continuación, las cuales se encuentran configuradas como se muestra en la figura 13. Componentes:. •. Pareja emisor-receptor. •. Amplificador LM324. •. Resistencias: 100K, 220Ω, 1K. •. Potenciómetro 100K. FIGURA 14 Configuración Emisor-Receptor. 28.

(29) IM-2005-1-13. 6.2 Tacómetro Este sistema esta compuesto por una serie de componentes que permiten tener en cuenta la velocidad a la cual esta girando el motor y así mismo manejar la aceleración de este. La finalidad de este montaje es controlar el tiempo durante el cual deben permanecer activas las válvulas para permitir la inyección del hidrogeno en la cámara de combustión. El tacómetro esta compuesto por un encoder que tiene orificios (en este caso 4), el cual esta unido a un opto acoplador. La función del opto acoplador es generar una frecuencia dependiendo de que tan seguido pasan los huecos del encoder a través de él, por ende, dependiendo de que tan frecuentemente pasen los huecos del encoder por el opto acoplador se sabe a que velocidad esta girando el motor, esto debido a la siguiente relación:. ω ( RPM ) =. 60 f ( Hz ) # Hue cos. La frecuencia obtenida por el opto acoplador es convertida en un voltaje gracias a un conversor de frecuencia a voltaje, así se le puede asignar a cada velocidad un valor de voltaje. La calibración del opto acoplador se hace con el estroboscopio, se tomaron datos experimentales (anexo 1) y se demostró la dependencia lineal que existe entre la velocidad del motor y la frecuencia expuesta por el opto acoplador. Con estos datos se construyo la tabla necesaria (anexo 2) para generar los tiempos de apertura equivalentes para cada velocidad así como el rango de voltajes que estas representan.. 29.

(30) IM-2005-1-13. El tiempo de apertura para cada velocidad se genera como se muestra a continuación:. 90 Ο t ( s) = 6ω El montaje final para encontrar el voltaje final en base a la velocidad del motor se muestra en la figura 15.. •. Opto acoplador de herradura. •. Amplificador/comparador LM324. •. Conversor Frecuencia-Voltaje LM2907N. •. Resistencias: 330Ω, 10K (2), 270Ω (2), 41K. •. Condensadores: 0.01µF, 1µF. FIGURA 15 Tacómetro. 30.

(31) IM-2005-1-13. 6.3 Microcontrolador El microcontrolador es un chip electrónico programable, este sistema cumple dos funciones básicas en este proyecto: regula la apertura de las válvulas e indica el tiempo durante el cual estas se deben mantener activas. microcontrolador. recibe. la. señal. de. los. receptores,. Por un lado el estos. activan. el. microcontrolador cuando este registra un cero lo cual ocurre cuando se interrumpe la señal entre el emisor-receptor y así indica que válvula debe ser abierta y por otro, dependiendo de la señal de voltaje enviada por el tacómetro determina el tiempo durante el cual las válvulas permanecen activas. Todo esto se logra a través de un programa (anexo 3) que es quemado en el microcontrolador. el cual maneja las funciones de este a lo largo de todo el. proceso.. FIGURA 16 Esquema del Microcontrolador. 31.

(32) IM-2005-1-13. 6.4 Sistema de Válvulas El sistema que regula la apertura y el cierre de las válvulas esta compuesto por dos etapas: la etapa de aislamiento y la etapa de potencia o amplificación de corriente.. La etapa de aislamiento consta de un MOC3011, esta referencia. pertenece a un opto acoplador conformado por fotodiodos. Un fotodiodo es un diodo de unión p-n construido en una encapsulación, con una ventana que permite que la luz llegue a la unión p-n. Estos diodos funcionan bajo condiciones de polarización inversa, de manera que cuando el nivel de iluminación es bajo, solo un valor muy pequeño de corriente de fuga fluye a través del diodo. Según aumenta la intensidad de iluminación, la corriente de fuga del diodo aumenta; siendo esta la que permite la unión entre el canal p-n, que permite que este se comunique. Este integrado sirve para aislar el microcontrolador de la etapa de potencia ya que evita que el MOSFET le pida la corriente al microcontrolador haciendo que este se queme. El MOC3011 esta conectado tanto al microcontrolador como a la fuente de 12V, de esta manera cuando el microcontrolador envía la señal de 5V permite que el diodo interno del integrado se ilumine y permita el paso de los 12V hacia la etapa de potencia, por lo que la corriente que requiere el MOSFET para abrir la válvula se la pide directamente a la fuente de 12V; así mismo, cuando el voltaje que entrega el microcontrolador es de 0V pues no existe comunicación entre los canales p-n y por lo tanto no hay comunicación entre el microcontrolador y el MOSFET. Esta primera etapa se comunica con la de potencia que es la que se encarga de manejar la corriente necesaria que pide la válvula para que esta se pueda abrir.. 32.

(33) IM-2005-1-13. La etapa de potencia esta conformada por MOSFETS (IRFZ44N) de canal N que tienen la configuración que se muestra en la figura 17. Por la entrada (Gate) se tiene la conexión con el MOC3011, la parte del source esta conectado a tierra y el drain esta conectado a la válvula, que al mismo tiempo esta conectado a Vcc. Cuando la señal que envía el MOC3011 es de 12V, el punto A registra 0V, lo que genera una diferencia de potencial de 12V entre A y B, lo que permite que la válvula se abra alimentada con 12V y con la corriente que esta pida; por el contrario, cuando el MOC3011 envía una señal de 0V, el punto A muestra 12V lo que genera una diferencia de potencial entre a y B de 0V permitiendo así que la válvula permanezca cerrada.. FIGURA 17 Configuración Mosfet de canal N (IRFZ44N). Las válvulas tienen conectado en paralelo un diodo en inverso que aguanta una corriente de 5 amperios, debido a que las válvulas al poseer unos solenoides tienden a mantener la corriente, o sea, se oponen a dejarse cerrar, por lo que la finalidad del diodo es permitir que estas se descarguen con mayor facilidad. La configuración final de Mocs, mosfets, válvulas y diodos se muestra claramente en la figura 18.. 33.

(34) IM-2005-1-13. FIGURA 18 Configuración del sistema de válvulas. 7. VÁLVULAS SOLENOIDES5 Las válvulas solenoides usan electricidad para abrir y para cerrar un orificio que se encuentra en el cuerpo de la válvula, dejando que circule o no un determinado flujo. Este tipo de válvula es abierta o cerrada por un embolo que sube o que baja debido a la energización o desenergización de un solenoide. El campo magnético creado por la bobina del solenoide detiene el embolo dentro de un electroimán. El resorte correspondiente al embolo se comprime cuando el orificio se abre. Después de la desenergización, el campo magnético es interrumpido y el resorte 5. Referencias [9] y [10]. 34.

(35) IM-2005-1-13. se descomprime, forzando al embolo a tapar el orificio nuevamente, cortando así el flujo. Cuando se selecciona una válvula solenoide hay varias consideraciones que se deben tener en cuenta:. •. Tipo de válvula (dos, tres o cuatro caminos). •. Voltaje. •. Presión. •. Tipo de flujo a manejar. •. Material (acero inoxidable, latón, plástico u otro material). •. Tamaño del puerto de conexión con el fluido.. •. Posición de desenergización (normalmente cerrada o abierta). •. Condiciones del medio ambiente.. •. Limitaciones de corriente. •. Diferenciales de presión de operación (máximos y mínimos). •. Diámetro del orificio. Finalmente, el caudal también debe ser considerado. El caudal es la cantidad de algo que pasa por un punto dado durante un periodo de tiempo determinado. Esto puede ser medido usando el termino Cv, el cual representa la cantidad de agua en galones por minuto que pasara a través de la válvula con una caída de presión de 1 psi a través de él. Esta medida es usada para determinar la capacidad de la válvula a altas caídas de presión, pero también aplica tanto para flujos líquidos o de gas cuando la caída de presión es lo suficientemente pequeña como para que los cambios de densidad sean despreciables. Sin embargo, cuando se trata con fluidos compresibles, el cálculo del Cv varía. El vapor y los gases son fluidos compresibles. Su máxima velocidad a través de la. 35.

(36) IM-2005-1-13. válvula esta limitada a la velocidad del sonido. Cuando la presión externa (psi) es igual a la mitad o menos de la presión interna (psi), la velocidad del fluido a través de la válvula supera la velocidad del sonido, y el flujo no puede ser aumentado a través de la reducción de la presión externa. Esto es conocido como la condición de flujo atascado.. Cuando esta condición se presenta, la válvula debe ser. dimensionada utilizando la caída crítica de presión. Caída Crítica =. P1 2. A continuación se presenta las diferentes formas de calcular Cv, dependiendo del fluido que se este manejando:. •. Agua: Cv =. •. q. ∆P. ⎧q = Flujo en galones por min uto ⎨ ⎩∆P = Pr esión int erna − Pr esión externa ( psi ). Otros Líquidos: ⎧q = Flujo en galones por min uto GF ⎪ Cv = q ⎨∆P = Pr esión int . − Pr esión ext. ( psi ) ∆P ⎪ ⎩G F = Gravedad específica del líquido. •. Vapor Saturado: ⎧w = flujo de gas en libras por hora ⎪ P = Pr esión int . ( psi ) w ⎪ 1 Cv = ⎨ 2.1 ∆P( P1 + P2 ) ⎪ P2 = Pr esiónext. ( psi ) ⎪⎩∆P = Pr esión int . − Pr esión ext. ( psi ). 36.

(37) IM-2005-1-13. •. Otros Gases:. ⎧w = flujo de gas en libras por hora ⎪ ⎪ P1 = Pr esión int .( psi ) w ⎪ Cv = ⎨ P2 = Pr esión ext. ( psi ) 3.22 ∆P( P1 + P2 )G g ⎪ G = Gravedad especifica del gas ⎪ g ⎪⎩∆P = Pr esión int . − Pr esión ext. ( psi ). 8. CONCLUSIONES En este proyecto tan solo se logro un pequeño avance en la construcción final del motor de hidrogeno, se puede observar como la mejor solución que se puede presentar para mejorar el problema de ¨backfiring¨ es la construcción de un motor que trabaje mediante la inyección directa del hidrogeno dentro de la cámara de combustión. El sistema de inyección funciona de acuerdo a los requerimientos del motor, inyecta el hidrogeno en el ultimo cuarto de revolución del motor, de acuerdo a la velocidad del eje. Como se ve en el anexo 2, de acuerdo con las revoluciones del motor que se ven reflejadas en el voltaje de salida del tacómetro, el tiempo durante el cual se debe inyectar el hidrogeno va desde los 17ms hasta los 2.3ms. De acuerdo con estos tiempos tan cortos se necesita una respuesta rápida del sistema, razón por la cual se escogieron componentes electrónicos con respuestas cercanas a los nano-segundos, todo esto se ve tanto en las hojas de trabajo de los componentes así como en sistema.. 37. la demostración experimental del.

(38) IM-2005-1-13. Sin embargo, hay que tener en cuenta que aunque el sistema funciona de acuerdo a lo indicado en relación con los tiempos de inyección aun no se tiene la certeza de que el volumen de hidrogeno que se necesita para la combustión durante el proceso de inyección pueda ser introducido con suficiencia dentro de la cámara. El desarrollo de un proyecto como estos permite acercarse cada ves mas al desarrollo final de un motor hecho en Colombia que trabaje con hidrogeno y que permita un proceso de combustión sin daños para el medio ambiente.. 9. RECOMENDACIONES Para el desarrollo de futuros proyectos es importante plantear el uso de válvulas de flujo proporcional, las cuales inyectan una cantidad de volumen del fluido con el que se este trabajando de acuerdo a los voltajes que esta reciba. Para lograra esto es necesario el diseño de un control proporcional, el cual funciona conjuntamente con una tarjeta de toma de datos conocida como un PLC, el diseño del control proporcional básicamente funciona con un arreglo determinado de amplificadores operacionales los cuales permiten reducir el error en estado estable de el sistema y con el PLC lo que se hace es programar los valores del tacómetro para que el asocie ciertas velocidades con el flujo que se debe inyectar. Sin embargo, el principal problema en el momento de la realización de este diseño es la obtención de la corriente necesaria para abrir la válvula de acuerdo con las variaciones de voltaje que presenta el sistema. Este diseño seria interesante porque a parte de que asegura la inyección del hidrogeno en los tiempos requeridos, también asegura que el volumen que se esta inyectando dentro de la cámara de combustión es el necesario para lograr la. 38.

(39) IM-2005-1-13. reacción completa del hidrogeno con el aire y así no tener problemas de perdida de potencia.. ANEXOS • ANEXO 1 FRECUENCIA(Hz). VELOCIDAD EJE (RPM). VOLTAJE SALIDA (v). 62. 930. 2,06. 73,2. 1098. 2,084. 91,6. 1374. 2,114. 110,2. 1653. 2,143. 124,8. 1872. 2,162. 150,6. 2259. 2,2. 165,8. 2487. 2,222. 185,3. 2779,5. 2,252. 203. 3045. 2,275. 236,7. 3550,5. 2,315. 241,9. 3628,5. 2,339. 263,2. 3948. 2,372. 278,6. 4179. 2,408. 314. 4710. 2,44. 324,2. 4863. 2,48. 340,3. 5104,5. 2,507. 356,4. 5346. 2,542. 378,8. 5682. 2,575. 407,2. 6108. 2,623. 418,4. 6276. 2,656. 427,4. 6411. 2,67. 39.

(40) IM-2005-1-13. F re c ua nc ia ( H z) - v .s - V o lt a je S a lida 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. Frecuencia (Hz). •. ANEXO 2. VOLTAJE (V) 1-1.99 2 – 2.07 2.071 – 2.086 2.087 – 2.118 2.119 – 2.148 2.149 – 2.166 2.166 – 2.217 2.218 – 2.235 2.236 – 2.260 2.261 – 2.280 2.281 – 2.320 2.321 – 2.342 2.343 – 2.380 2.381 – 2.410 2.411 – 2.450 2.451 – 2.490 2.491 – 2.510 2.511 – 2.550 2.551 – 2.580 2.581 – 2.630 2.631 – 2.660 2.661 – 2.680. TIEMPO (ms) 17 16.13 13.66 10.92 9.074 8.013 6.640 6.031 5.397 4.926 4.225 4.134 3.799 3.589 3.185 3.085 2.939 2.806 2.639 2.456 2.390 2.3397. 40. 350. 400. 450. y = 0,0016x + 1,9528 R 2 = 0,9962.

(41) IM-2005-1-13. •. ANEXO 3 (Programa Microcontrolador). $include 'jl3regs.inc' ; archivo de definición de registros FLASH RAM RESET. EQU $EC00 EQU $0080 EQU $FFFE. ; inicio de la memoria flash ; inicio de la memoria ram ; vector reset. org RAM SALIDA rmb 1 inicio. espera. izq. i2. org FLASH rsp bset 0,CONFIG1 mov #$FF,DDRB clr PTB mov #$30,DDRD clr PTD mov #$03,PDCR clr SALIDA brclr 7,PTD,izq brclr 6,PTD,der bra espera. ; variable de salida ; organiza el programa en la memoria flash ; inicializa el stack pointer ; deshabilita el cop (watchdog) ; configura el puerto de salida ; configura el puerto de salida. ; espera a que se interrumpa la luz ; sigue esperando. brset 4,PTD,i2 mov #8T,SALIDA bsr pulso brclr 7,PTD,* bset 4,PTD bra espera. ; si ya paso una vez cambia al estado inicial ; activa la salida 3. mov #4T,SALIDA bsr pulso brclr 7,PTD,* bclr 4,PTD bra espera. ; activa la salida 2. ; sigue esperando. ; sigue esperando. der. brset 5,PTD,d2 ; si ya paso una vez cambia al estado inicial mov #16T,SALIDA ; activa la salida 4 bsr pulso brclr 6,PTD,* bset 5,PTD bra espera ; sigue esperando. d2. mov #2T,SALIDA bsr pulso brclr 6,PTD,* bclr 5,PTD bra espera. pulso. mov #$9,ADSCR brclr 7,ADSCR,* ldx ADR clr TMODH cpx #107T bgt p1 bset 1,TMODH. ; activa la salida 1. ; sigue esperando ; lectura del tacómetro puerto D2 ; espera la conversión analoga digital ; carga la conversón. 41.

(42) IM-2005-1-13. p1 p2. tabla. bra p2 cpx #114T bgt p2 bset 0,TMODH lda tabla,X ; carga el ancho de pulso de la tabla sta TMODL mov #$30,TSC ; configura el contador mov #$06,TSC mov SALIDA,PTB brclr 7,TSC,* ; espera a que complete el ciclo clr PTB clrx dbnzx * rts db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T. 42.

(43) IM-2005-1-13. db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 152T db 118T db 118T db 118T db 118T db 22T. 43.



(46) IM-2005-1-13. db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T db 91T org RESET dw inicio. ; establece el vector de reseteo ; vuelve al inicio si se resetea. 46.

(47) IM-2005-1-13. BIBLIOGRAFÍA. [1] Norbeck, Heffel, Durbin, Tabbara, Bowden, Montano, Hydrogen Fuel Transportation, Society of Automotive Engineers,. for Surface. Inc., Warrendale, Pensilvania, USA, 1996. [2] Norton, Robert L, Design of Synthesis and. Machiner: An Introduction to The. Analysis of Mechanisms and Machines, Worcester,. Massachussets, USA, Third Edition. [3]. Sonntag,. Borgnakke,. Van. Wylen,. Fundamentals. of. Thermodynamics, Fifth Edition, Hope Collage, University of Michigan, USA, 1998. [4] Hydrogen Internal Combustion Engine. http://www.omnitekcorp.com/hydrogen.htm [5] Hydrogen fuel Cell Engines and Related Technologies: Hydrogen Use in. Internal Combustion Engine.. http://www.hydrogen.com [6]. Gaseous. Fuel. Injection. Systems.. http://www.hydrogencomponents.com/cvi.html [7] Bechtold, Richard L., Alternative Fuels Guidebook, Society of Automotive Engineers, Inc., Warrendale, Pensilvania, USA, 1997.. 47.

(48) IM-2005-1-13. [8] Salinas, Simon, Gasoline Engine. Conversión to Hydrogen,. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia, 2005. [9] Condon, Richard, Solenoid Valve Selection, Article, September 11, 2003. [10] Control Valves http://www.globalperformance.com. 48.

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