Obtención de datos

El proceso de combustión HCCI se ha modelado con la subrutina Internal Combus- tion Enginedel paquete comercial CHEMKIN [15]. Se ha considerado un motor con un volumen de cámara de combustión (Vcc) de 20 cm³y una relación entre la longitud de la biela y el radio del cigüeñal (RBM) de 3.0, siendo ambos valores representativos del cilin- dro de un motor comercial de un vehículo ligero. Además, se ha considerado un ángulo de cierre de la admisión (ACA) con valor -140 CAD y un ángulo de fin de la inyección (AFI) con un valor de -80 CAD. Se ha supuesto mezcla homogénea al final de la inyec- ción debido a que las temperaturas a las que se encuentra el aire en ese instante aún son bajas para que exista actividad química y es previsible que el combustible se homoge- neice antes de que empiece el periodo de pre-reacciones. La simulación con CHEMKIN se ha realizado a partir del instante AFI, utilizando el mecanismo del combustible de sustitución obtenido en el capítulo 4, compuesto por un 50 % de n-heptano y 50 % de tolueno en masa. La composición de la mezcla se ha calculado teniendo en cuenta la tasa deEGR, para lo que se ha utilizado la metodología expuesta en el apartado 4.4.4.

Además se han considerado las siguientes hipótesis:

- Las propiedades termodinámicas iniciales de la mezcla son obtenidas consideran- do una compresión adiabática de aire desde ACAhasta AFI. Para el cálculo del exponente adiabático se ha utilizado la correlación para el calor específico del aire (cp) propuesta por Lapuerta y col. [16] (ecuación (5.2)) y la relación de Mayer [17]

(ecuación (5.3)).

- No se ha considerado el enfriamiento sufrido por la mezcla durante la evaporación del combustible. No obstante, y puesto que el calor absorbido en dicho proceso por el combustible suele ser inferior al 1 % de su poder calorífico, se ha estimado que el decremento en la temperatura al finalizar el proceso de inyección es inferior a 10 K en la mayoría de los casos, lo cual no tiene un efecto muy significativo sobre el instante de autoencendido.

5.2. Modelado del proceso de autoencendido - Aunque la transmisión de calor a las paredes puede ser estimada siguiendo la me- todología propuesta en el apartado 4.2, para el ajuste de los coeficientes de algunas de las expresiones utilizadas (correlación de Woschni (ecuación (4.1)) y tempera- tura de paredes (ecuación(4.2)) es necesario realizar ensayos en condiciones de arrastre con el motor específico objeto de estudio, lo que complica su determina- ción para un motor hipotético, como el utilizado para este trabajo. Además, si se tiene en cuenta que la transmisión de calor a las paredes antes de que se produzca la combustión no tiene mucha influencia sobre el valor del ángulo de autoen- cendido (ya que las temperaturas alcanzadas en el cilindro aún son bajas), se ha preferido considerar condiciones adiabáticas de funcionamiento, sin que ello haga perder generalidad a la metodología propuesta.

cp_a =Ra·^h−0.0363·T^0.5+9.789−234.2·T^−0.5+3195.0·T⁻¹−14544·T^−1.5i (5.2)

cp−cv=R (5.3)

Cada ensayo produce dos diferentes tipos de respuestas y, para cada una de ellas, se ha obtenido una expresión polinómica (OAM y AAM). La primera respuesta determi- na si ocurre el autoencendido para unas condiciones operativas determinadas (modelo OAM). Aunque la aparición del autoencendido puede ser fácilmente detectada en la mayor parte de simulaciones, para composiciones con mezclas muy pobres y tasas de EGRmuy elevadas dicha detección resulta bastante complicada utilizando un único cri- terio, ya que el incremento de temperatura consecuencia de la combustión en estos casos es muy bajo (menor de los 400 K típicamente utilizados para determinar el valor deτ [18]). Por ello, se ha considerado que aparece el autoencendido en aquellos casos en los que el incremento de temperatura debido a la combustión (diferencia entre la tempera- tura a la que se encuentran los gases en condiciones de combustión y la temperatura en condiciones de motor arrastrado) es de al menos 200 K y, además, todo el peróxido de hidrógeno acumulado durante la oxidación a baja temperatura (llamas frías) es consumi- do. La Figura 5.2 muestra, como ejemplo, las curvas de temperatura y de concentración de peróxido de hidrógeno de tres simulaciones con diferentes comportamiento de au- toencendido: sin autoencendido pero con liberación de calor por llamas frías ((a) y (b)), con un autoencendido que requiere de los criterios utilizados en este trabajo para ser detectado ((c) y (d)) y con autoencendido detectable con los criterios más comunes ((e) y (f)).

- 8 0 - 6 0 - 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0 6 0 0 . 0

1 . 0 x 1 0^{- 3} 2 . 0 x 1 0^{- 3} 3 . 0 x 1 0^{- 3} 4 . 0 x 1 0^{- 3}

- 8 0 - 6 0 - 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0 6 0

0

5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0

3 0 0 0 (e) (f)

Fracción molar

CAD H2O2 Combustión

Arrastre

CAD

T (K)

0 . 0 5 . 0 x 1 0^{- 5} 1 . 0 x 1 0^{- 4} 1 . 5 x 1 0^{- 4} 2 . 0 x 1 0^{- 4}

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

1 2 0 0 (b)

Fracción Molar

H2O2

(a)

T (K)

Combustión Arrastre

0 . 0 1 . 0 x 1 0 ^{- 4} 2 . 0 x 1 0 ^{- 4} 3 . 0 x 1 0 ^{- 4} 4 . 0 x 1 0 ^{- 4} 5 . 0 x 1 0 ^{- 4}

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

Fracción Molar

H2O2 Combustión

Arrastre (c) (d)

T (K)

Figura 5.2. Simulaciones con diferente comportamiento frente al autoencendido:

(a) y (b)T_adm=400 K, p_adm=3atm,Fr=1.0, EGR=50 %,rc=18,n=4000rpm (c) y (d)Tadm=400 K, padm=3atm,Fr=1.0, EGR=0 %,rc=18,n=1000rpm (e) y (f)T_adm=300 K, p_adm=1atm,Fr=1.0, EGR=0 %,rc=18,n=1000rpm.

Teniendo en cuenta la naturaleza discreta de la aparición del encendido (modelo OAM), se ha considerado 1 el valor de la variable de respuesta de las simulaciones en las que la mezcla autoenciende y un valor de 0 para los casos en los que no autoenciende.

La segunda respuesta (modelo AAM) es el ángulo donde éste ocurre medido en CAD. Obviamente, tan sólo los ensayos donde aparece el autoencendido proporcionan un valor de esta variable de respuesta. Para calcularlo se ha utilizado el criterio utilizado en el apartado 4.2, por el que se define el instante de autoencendido como aquel para el que se ha liberado un 10 % del calor correspondiente a la combustión principal, es decir, sin tener en cuenta el calor liberado durante la oxidación a bajas temperaturas.

5.3. Resultados del modelado del proceso de autoencendido

5.3. Resultados del modelado del proceso de autoencendi-