Análisis cinético-químico del proceso de autoignición del combustible diesel bajo cargas homogéneas. Comparación de los valores de τ y Tcomb entre el mecanismo detallado y reducido después de usar GA.
Índice de tablas
Lista de símbolos
Símbolos Latinos
Símbolos Griegos
Subíndices
Modelo de predicción del ángulo de encendido AAM AFI Fin del ángulo de inyección. LLNL Laboratorio Nacional Lawrence Livermore MCIA Motor de combustión alternativa Motor de encendido por compresión MEC Motor de encendido activado MEP.
Compuestos Químicos
Introducción
Contenido
- Justificación
- Antecedentes
- Objetivos
- Estructura del documento
En el caso de los NOx existen catalizadores de reducción selectiva (SCR) y catalizadores pasivos (DeNOx). También se muestra la importancia de la cinética química en el análisis del proceso de combustión y se presentan algunos conceptos básicos de cinética química.
El proceso de autoencendido con carga homogénea en MCIA
Introducción
Este capítulo presenta conceptos fundamentales de la combustión de carga homogénea que permiten una mejor comprensión de los siguientes capítulos. También demuestra el importante papel que han jugado los modelos matemáticos como herramienta fundamental para el desarrollo práctico de la combustión HCCI.
Fenómenos de autoencendido en motores de combus- tión interna alternativos
- Generalidades
- Combustión detonante
- Combustión por compresión con carga homogénea
El formaldehído, que se excita durante las primeras etapas de la combustión, es la causa de la radiación azulada emitida, pero no tiene un efecto crítico sobre el fenómeno de la combustión espontánea. 11] son los primeros investigadores que demuestran el potencial de la combustión por compresión con carga homogénea en un trabajo pionero basado en motores de gasolina de 2 tiempos.
Combustibles de sustitución
- Clasificación y criterios de selección
- Validez de los índices de calidad de los combustibles comercia- les
- Propiedades de los gasóleos
- Combustibles de sustitución más comunes para el combustible diésel
Para elegir un mecanismo de reacción de un combustible de sustitución adecuado (uno de los objetivos de esta tesis en el caso del gasóleo) es necesario, además de elegir los hidrocarburos adecuados para los que existe un mecanismo de reacción desarrollado, la composición del estos hidrocarburos para que la mezcla simule una determinada propiedad [24]. Por ello, sugieren la inclusión de isoparafinas en la mezcla de combustibles de reemplazo.
Cinética-química del proceso de autoencendido
- La cinética-química y el proceso de combustión
- Fundamentos de cinética química
- Mecanismos de oxidación de las familias de hidrocarburos pre- sentes en el gasoil
- Cinética de oxidación de alcanos
- Cinética de oxidación de especies aromáticas
- Cinética de oxidación de cicloalcanos
- Reacciones de co-oxidación
- Estudio del comportamiento de un mecanismo cinético
Por tanto, q puede expresarse mediante la ecuación (2.5), donde kes es la constante cinética de la reacción. Los radicales hidroperóxido formados (no reactivos) reaccionan entre sí y forman peróxido de hidrógeno (H2O2) mediante la reacción (R.2.25).
Técnicas de reducción de mecanismos cinéticos
- Generalidades
- Métodos de agrupamiento
- Análisis de sensibilidad y producción de especies
- Análisis de las escalas de tiempo
- Estudio de las relaciones entre especies
- Técnicas de optimización
124] suponemos que la tasa de producción neta de una especie agrupada es igual a la suma de las tasas de especies no agrupadas. 128] [31] utilizan un análisis de sensibilidad a la temperatura (el efecto de la perturbación del coeficiente preexponencial sobre la temperatura alcanzada por el sistema) para seleccionar reacciones candidatas a eliminar de un esquema. Cada una de las especies presentes en un mecanismo cinético tiene asociado un tiempo característico que es función de la velocidad de las reacciones en las que interviene.
Resumen
Broad range kinetic modeling study of pyrolysis, partial oxidation and combustion of heavy n-alkanes. A wide range of kinetic modeling study of pyrolysis and combustion of naphthenes. Combustion and flame. Experimental investigation of the kinetic interactions in low-temperature autoignition of binary hydrocarbon mixtures and a surrogate fuel.
Herramientas experimentales y teóricas utilizadas
Introducción
Estos resultados se utilizaron en el Capítulo 4 para determinar los ángulos de autoignición resultantes de las pruebas en condiciones HCCI bajo diferentes condiciones de operación. El primero de ellos (Reactor Homogéneo Cerrado) se utilizó durante el estudio paramétrico del mecanismo cinético del combustible de sustitución obtenido en el Capítulo 4. El otro modelo utilizado (Motor de Combustión Interna) da los ángulos de autoignición para diferentes condiciones de operación, los cuales se utilizaron para Se presentan los modelos polinómicos utilizados en el capítulo 5.
Instalación experimental
El sistema EGR comienza en el tanque de gases de escape y tiene un pequeño tanque de reserva y un sistema de control de temperatura que consta de un intercambiador de calor y una resistencia. Para calcular la tasa EGR se utiliza la expresión (3.1), donde representan los subíndicesadm,escandatm. La temperatura utilizada para calcular la entalpía de cada gas es la temperatura media.
Herramientas teóricas
- El programa CHEMKIN
- Descripción del programa
- Reactor cerrado con carga homogénea
- Motor de combustión interna alternativo
- Programas basados en librerías de CHEMKIN
Este modelo resuelve la evolución en el tiempo de la concentración de especies y la temperatura de una mezcla homogénea en un reactor cerrado. Cuando se tienen en cuenta los balances de masa se obtienen ecuaciones similares a la expresión (3.4), donde ρ es la densidad de la mezcla, Yi es la fracción de masa de las especies y PMi es su peso molecular. La variación de volumen según un mecanismo de manivela de biela se calcula mediante la expresión proporcionada por Heywood [8] (ecuación (3.9)), donde Vcc es el volumen de la cámara de combustión, RBM la relación entre la longitud de la biela y la radio del cigüeñal, y θ(t) el ángulo de rotación del cigüeñal en función del tiempo (calculado como θ(t) =t·n/6, donde la velocidad de rotación está en rpm). 3.9) Finalmente, para estimar las pérdidas de calor en las paredes, el programa permite el uso de la expresión de Woschni [3] o incluso la introducción de una función ˙Qw definida por el usuario.
CHEMKIN
PROGRAMA FORTRAN
COMPILADOR
Ficheros salida
Resumen
En este capítulo se muestran las principales características de los instrumentos experimentales y teóricos utilizados en esta tesis doctoral. A continuación, se describe el programa de simulación cinético-químico CHEMKIN utilizado para realizar simulaciones con el mecanismo de reposición del combustible, considerando tanto un reactor cerrado, homogéneo y de volumen constante, como asumiendo una variación de volumen según un mecanismo pendular de biela. . Finalmente, se describen todos los programas desarrollados para automatizar algunas de las tareas requeridas en este trabajo (la mayoría de ellos relacionados con las técnicas de reducción presentadas en el capítulo 6).
Selección del combustible de sustitución
Introducción
Por un lado, aunque actualmente se están realizando grandes esfuerzos en el estudio de los procesos que tienen lugar durante la combustión de las principales familias de hidrocarburos, la mayoría de las especies presentes en los combustibles no cuentan con un mecanismo cinético desarrollado y validado. Finalmente, también se ha llevado a cabo un extenso estudio sobre las principales características del mecanismo de sustitución seleccionado. En primer lugar, se evaluó la influencia de variables termodinámicas (presión y temperatura) y composición de la mezcla (dosis relativa y tasa de recirculación de gases de escape) en el proceso de autoignición.
Metodología empleada
La limitada disponibilidad de mecanismos cinéticos para la oxidación de compuestos hace que la elección del combustible de sustitución sea un proceso dinámico ligado al desarrollo de nuevos esquemas cinéticos. Sin embargo, como se ve en el apartado 2.3.3, no se encuentran disponibles en la literatura valores de estos tiempos para el combustible diesel debido a la dificultad de preparar mezclas homogéneas. La composición inicial de la mezcla de oxidante/combustible se calculó utilizando la medición de CO2 de los gases de escape.
Resultados de la selección
- Compuestos y mecanismos de reacción considerados
- Determinación de la composición del combustible de sustitu- ción
- Análisis de los resultados obtenidos
El ajuste de cada combustible de reemplazo propuesto debe medir el grado en que simula el comportamiento de autoignición del gasóleo comercial. Por lo tanto, los mecanismos candidatos se han construido conectando los de las especies individuales y agregando las reacciones de cooxidación, si existen. El combustible alternativo elegido debe ser el que represente un mejor compromiso en el cumplimiento de los criterios de selección acordados (simplicidad, disponibilidad, afinidad y similitud).
Estudio paramétrico a volumen constante
- Introducción
- Influencia de la temperatura inicial y del dosado
- Influencia de la presión inicial
- Influencia de la tasa de EGR
Un aumento en la dosificación de la mezcla conduce generalmente a una τ más pequeña, siendo este efecto más significativo en el rango de temperatura baja y media. La Figura 4.15 muestra los valores de τ y τf en función de la temperatura, para diferentes presiones y dosificaciones. El grado de dilución de la mezcla depende del Fr (un Fr más alto produce gases de escape con menores proporciones de O2 y N2) y del caudal de EGR.
Análisis cinético químico del combustible de sustitu- ción
- Selección de las condiciones termodinámicas
- Resultados del análisis de sensibilidad
- Resultados del análisis de reacciones
En este caso se ha analizado la influencia de las reacciones sobre τ debido a su interés en el estudio de la combustión de HCCI. En el rango de bajas temperaturas, las reacciones más sensibles son la deshidrogenación del combustible (R.4.2, R.4.3, R.4.4) y la isomerización de radicales peróxido de heptilo a hidroperóxidos de heptilo (R.4.5, R.4.6 y R .4.7). Entre ellas cabe destacar la descomposición del peróxido de hidrógeno acumulado durante las reacciones de adición de oxígeno (reacción R.4.8), que es la reacción que desencadena la combustión durante un proceso a baja temperatura, y la reacción del hidrógeno atómico con el oxígeno molecular (R. 4.1), que es la principal reacción de ramificación a altas temperaturas [58].
Resumen
Numerical study of HCCI combustion in diesel engines using reduced chemical kinetics of n-heptane with multidimensional CFD code. Investigations on methods to control the rate of heat release from HCCI combustion in diesel engines by numerical simulation using reduced chemical kinetics of n-heptane with a multidimensional CFD code. A fundamental study on the control of the HCCI combustion and emissions by fuel design concept combined with controllable EGR.
Modelado y optimización del ángulo de autoencendido
Introducción
Como se vio en la Sección 2.2.3, la combustión HCCI no utiliza ningún medio externo y controlado para causar la ignición, como una bujía en el MEP o inyección de combustible en el MEC, sino que ocurre cuando las condiciones de presión, temperatura y composición de la mezcla en el cilindro suficiente para el autoencendido. Para esto se definió un problema de optimización no lineal para obtener el rango de condiciones de operación en las que el motor puede operar bajo condiciones HCCI, el cual se resolvió mediante enumeración exhaustiva. Se utilizó una función de deseabilidad para definir este último, que permite manejar fácilmente los problemas de optimización multiobjetivo.
Modelado del proceso de autoencendido
- Selección de los parámetros de motor
- Diseño de experimentos
- Obtención de datos
Además, se consideró un ángulo de cierre de entrada (ACA) con un valor de -140 CAD y un ángulo de cierre de inyección (AFI) con un valor de -80 CAD. La composición de la mezcla se calculó teniendo en cuenta la tasa de EGR, para lo cual se utilizó la metodología definida en el apartado 4.4.4. No se tiene en cuenta el enfriamiento que experimenta la mezcla durante la vaporización del combustible.
Resultados del modelado del proceso de autoencendi- do
- Resultados del OAM
- Resultados del AAM
- Validación de los modelos
A su vez, valores más altos de derc favorecen la ignición debido al aumento de presión y temperatura alcanzada en la cámara de combustión. La tendencia observada confirma que la autoignición está controlada por las reacciones que ocurren en el rango de baja temperatura, como se vio anteriormente, para el rango de valores investigados. También se observa que a medida que aumentan los valores de padmel se desarrolla la autoignición, tendencia que coincide con la mostrada en la Figura 4.15 para desarrollos a volumen constante.
Optimización de las condiciones de operación
- Introducción
- Rango de condiciones operativas en modo HCCI
- Selección del ángulo de encendido óptimo
- Resultados obtenidos
El rango de condiciones de operación del motor se estima resolviendo dos problemas de optimización con la forma de expresión (5.12) y considerando los valores de cada uno de los parámetros que se muestran en la tabla 5.1. En este caso no se establece ningún límite superior para el valor de ˙mfmax más allá de los valores alcanzables por los parámetros. Se seleccionaron 5 puntos del mapa de operación para los cuales se utilizó la metodología propuesta en el apartado 5.4.3.
Resumen
Fast prediction of combustion onset in HCCI using combined artificial neural networks and an ignition delay model. How to use the HCCI engine in practice: control the ignition timing through the compression ratio and increase the power through supercharging. Diagnosis of DI diesel combustion based on the pressure signal in the cylinder by estimating the average thermodynamic properties of the gas.
Introducción
Procedimiento empleado
La metodología propuesta en el Capítulo 2 permite medir la importancia de las reacciones durante una evolución cinética. Por tanto, es aconsejable completar el proceso de reducción mediante un proceso de optimización de los coeficientes cinéticos (factor preexponencial) de las reacciones más sensibles. Luego se aplica la sensibilidad de especie, eliminando especies sin importancia y suprimiendo las respuestas en las que intervienen.
Cuantificación del error de los mecanismos reducidos
Para obtener los valores de ¯eτ y ¯eTcomb es necesario promediar las diferencias entre los valores obtenidos con el mecanismo original para determinadas condiciones iniciales (τdetailedon y Tcombdetailedon) con los del mecanismo reducido (τreducedn y Tcombreducedn) . . Estas diferencias se cuantificaron con valores de error relativo (eτn y eTcombn), calculados con las expresiones (6.1) y (6.2). Al promediar los valores de error obtenidos en cada uno de los puntos simulados con el número total de puntos, se obtienen los valores de error utilizados para medir la bondad de los mecanismos reducidos (ecuaciones (6.3) y (6.4)).
Condiciones de operación empleadas para la reduc- ciónción
Métodos de reducción
- Agrupamiento de especies
- Sensibilidad de especies
- Análisis de reacciones
- Algoritmos genéticos
- Generalidades
- Codificación
- Función de calidad
- Selección de padres
La velocidad de avance de la reacción del mecanismo original se puede reordenar distinguiendo entre especies pertenecientes al grupo L y el resto, como se muestra en la expresión (6.6). Comparando las ecuaciones (6.12) y (6.7) se obtiene la expresión (6.13), que permite calcular la velocidad de avance de la reacción agrupada a partir de los valores de las velocidades de avance de las reacciones agrupadas. Los métodos de reducción de correlación son multiplicativos (cambio continuo de coeficientes), por lo que se optó por el uso de la linealización logarítmica.
