Influencia de la tasa de EGR

Aunque la recirculación de gases de escape es una técnica inicialmente desarrollada para el control de emisiones de NOxen MCIA, también puede ser utilizada para el con- trol de la combustión HCCI tal y como muestran Pöttker y col. [55] para combustibles sintéticos, Lü y Chen [56] para combustibles de referencia (PRF) y Morimoto y col. [57]

para el gas natural. En motores que utilizan gasolina (MEP), al ser un combustible con gran resistencia al autoencendido, se utiliza principalmente EGR interno de forma que las altas temperaturas del gas quemado devuelto a la cámara junto con los radicales ac- tivos que se encuentran en el gas favorezcan el inicio de la combustión, permitiendo su utilización con bajas cargas. Cuando se utiliza gasoil (MEC), dado que es un combustible con una gran tendencia al autoencendido, el objetivo es retrasar el inicio de la combus- tión y disminuir su velocidad, por lo que se suele utilizar EGR externo refrigerado, que permite el uso del modo de combustión HCCI con cargas elevadas.

En este apartado se analiza la influencia de los gases inertes producto de la combus- tión (H2O y CO2) sobre los tiempos de autoencendido (τ y τ_f). Para ello es necesario definir en primer lugar el cálculo de la composición de una mezcla de combustible y oxidante para unos valores dados deFry de tasa de EGR, de forma que la introducción de inertes afecte únicamente a la calidad del oxidante y no a la cantidad de combus- tible introducido. Al diluir el aire con gas de escape la mezcla se enrarece, es decir,

disminuye su proporción de O2. El grado en el que la mezcla se enrarece es función de Fr (mayores Fr conducen a gases de escape con menor proporción de O₂ y N₂) y de la tasa de EGR. Fr es función a su vez de la composición del oxidante o, lo que es lo mismo, del enrarecimiento de la mezcla, por lo que las dos variables (Fr y composición del oxidante) son interdependientes. Por ello se suelen utilizar métodos iterativos para calcular la composición de una mezcla combustible/oxidante con un dosado y una tasa de EGR determinadas. No obstante, es posible calcular esta composición considerando una aproximación de la definición deEGR(ecuación (4.4), dondemes la masa del gas y los subíndices EGRy esc se refieren a los gases recirculados y los gases quemados respectivamente.

EGR' ^mEGR

mesc (4.4)

Empleando la ecuación (4.4), la definición de dosado estequiométrico con respecto al reactante, considerando una reacción de combustión y realizando un balance con cada uno de los elementos involucrados (C, H, N, O), se pueden obtener expresiones de la composición (en fracciones molares) de los gases quemados en función de Fr, la tasa de EGR y la fórmula molecular del combustible. A partir de estos valores se puede determinar la composición de una mezcla combustible/aire/EGR. Para analizar el efecto del EGR se ha mantenido constante la proporción de combustible en la mezcla por lo que, en los casos con EGR, se ha buscado el valor deFrque cumple esta condición (Fr−EGR). Los valores deFr calculados para los casos con EGR son mayores (ya que el oxidante utilizado con EGR tiene una menor concentración de O2), pudiendo llegar a ser mayores que la unidad al aumentar el dosado de la mezcla sin EGR o al aumentar la tasa de EGR. En la combustión HCCI siempre se utilizan mezclas pobres, por lo que en este estudio se ha comparado el comportamiento de mezclas con valores bajos deFr

y EGR. La Tabla 4.9 muestra la composición de las mezclas de reactantes antes de la combustión, así como los valores deFr utilizados.

Tabla 4.9. Composiciones del gas reactante utilizadas para el estudio del efecto del EGR.

F_r=0.2 F_r=0.4

EGR( %) 0 25 50 0 25 50

F_r−EGR 0.2 0.215 0.252 0.4 0.463 0.667

Xn-C7H16 2.0119·10⁻³ 4.0070·10⁻³

XC6H5CH3 2.188·10⁻³ 4.3576·10⁻³

XO2 0.2091 0.1945 0.1655 0.2082 0.1797 0.1240

XN2 0.7867 0.7835 0.7771 0.7834 0.7771 0.7648

XCO2 0.0 9.6494·10⁻³ 2.8844·10⁻² 0.0 1.8885·10⁻² 5.5760·10⁻² XH2O 0.0 8.1553·10⁻³ 2.4378·10⁻² 0.0 1.5961·10⁻² 4.7126·10⁻²

La Figura 4.17 muestra la evolución deτen función deT0para tres valores de EGR (0, 25 y 50 %), dos deFr (0.2 y 0.4) y diferentes valores dep0. En todos los casos se observa un retraso del autoencendido al aumentar la tasa de EGR como consecuencia de los

4.4. Estudio paramétrico a volumen constante efectos cinéticos y térmicos producidos por el enrarecimiento de la mezcla. Por un lado, al aumentar la tasa de EGR disminuye la concentración de O₂ y con ello la velocidad de todas las reacciones donde éste interviene. Este efecto aparece para cualquier valor de T0, aunque es más importante en la región de temperaturas intermedias donde las reacciones controlantes son reacciones de adición de O2. Por otro lado, al aumentar la tasa de EGR se incrementa la proporción de inertes capaces de absorber el calor liberado durante las llamas frías, lo que conduce a temperaturas menores al final de la primera etapa de la combustión. Este efecto sólo es significativo en la región de T₀ donde se produce autoencendido en dos etapas y, por ello, el aumento de τ para mayores tasas de EGR es más intenso en la zona de temperaturas intermedias, ya que se suman los dos efectos comentados.

6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0

1 E - 5 1 E - 4 1 E - 3 0 . 0 1 0 . 1

1 ( c )p 0= 5 0 b a r

F r= 0 . 2

 (s) T 0( K )

E G R = 0 %

E G R = 2 5 %

E G R = 5 0 %

6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0

1 E - 5 1 E - 4 1 E - 3 0 . 0 1 0 . 1

1 p 0= 1 0 b a r

F r= 0 . 4

 (s) T 0( K )

E G R = 0 %

E G R = 2 5 %

E G R = 5 0 %

( a )

6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0

1 E - 5 1 E - 4 1 E - 3 0 . 0 1 0 . 1

1 (s) T 0( K )

E G R = 0 %

E G R = 2 5 %

E G R = 5 0 %

( b ) p 0= 5 0 b a r F r= 0 . 4

Figura 4.17. Valores deτen función deT0para diferentes valores deEGR(0, 25 y 50 %), p0y Fr.

La Figura 4.18 muestra la influencia de la tasa de EGR sobre el valor de τ_f. Para todos los valores de p₀yFr la existencia de EGR retrasa la aparición de las llamas frías, siendo este efecto más acusado en la región de temperaturas intermedias debido a la menor concentración de O2en la mezcla.

6 0 0 8 0 0 1 0 0 0

1 E - 4 1 E - 3 0 . 0 1 0 . 1

( c ) p 0= 5 0 b a r F r= 0 . 2

 (s) T 0( K )

E G R = 0 %

E G R = 2 5 %

E G R = 5 0 %

6 0 0 8 0 0 1 0 0 0

1 E - 4 1 E - 3 0 . 0 1 0 . 1

p 0= 1 0 b a r F r= 0 . 4

 (s) T 0( K )

E G R = 0 %

E G R = 2 5 %

E G R = 5 0 %

( a )

6 0 0 8 0 0 1 0 0 0

1 E - 4 1 E - 3 0 . 0 1 0 . 1

 (s) T 0( K )

E G R = 0 %

E G R = 2 5 %

E G R = 5 0 %

( b ) p 0= 5 0 b a r F r= 0 . 4

Figura 4.18. Valores deτ_f en función deT0para diferentes valores deEGR(0, 25 y 50 %), p0yFr.

Como resumen, en la Tabla 4.10 se muestra el efecto que una variación en las con- diciones iniciales tiene tanto sobre el tiempo de retraso a las llamas frías como sobre el global. En la tabla, se distingue el efecto según la región de temperaturas (TB: Baja Temperatura, TI: Temperatura Intermedia, TA: Alta Temperatura). El símbolo ↑indica una relación directa entre la condición inicial y el valor deτ_f oτ(un mayor valor de la condición inicial retrasa el encendido) y el símbolo↓indica una relación inversa.

4.5. Análisis cinético químico del combustible de sustitución Tabla 4.10. Influencia de las condiciones operativas sobreτ_f yτ.

Efecto sobreτ Efecto sobreτ_f

TB TI TA TB TI

T₀ ↓ ↑ ↓ ↓ ↑

p0 ↓ ↓↓ ↓ ↓ ↓↓

Fr ↓ ↓↓ ↓ ↓ ↓

EGR ↑ ↑↑ ↑ ↑ ↑

4.5. Análisis cinético químico del combustible de sustitu-