Estudio de la influencia de la adición de Gas Licuado de Petróleo (GLP) en Aceite vegetal hidrotratado (HVO), sobre el desarrollo de la combustión y la generación de hollín

Abstract

[ES] Se ha realizado un estudio de combustión con diferentes mezclas de Aceite vegetal hidrotratado (HVO) y Gas Licuado de Petróleo (GLP), que han sido inyectadas en una instalación de alta presión y alta temperatura del Instituto CMT-Motores Térmicos. Se ha utilizado un sistema de inyección common-rail, al que se le hicieron algunas modificaciones para evitar la evaporación de la mezcla. Para ello, dado que el GLP a temperatura y presión ambiente es gaseoso, enfriando el combustible a la salida del tanque de combustible así como los retornos provenientes de la bomba de alta y del inyector garantizándose que en todo el circuito hidráulico (salvo en el propio depósito) el combustible se encuentra en fase líquida.

Se ha analizado el comportamiento del chorro de combustible y su combustión, tanto para HVO puro como tres mezclas de HVO con un 25%, 50% y 25% de GLP respectivamente. En aras de analizar el efecto de la composición del combustible o mezclas usadas sobre el Retraso del encendido, Longitud de despegue de llama y formación de hollín, se aplicaron simultáneamente tres técnicas ópticas: Schlieren, OH* quimioluminiscencia y Luminosidad Natural, todas hechas con cámaras rápidas. Con el análisis hecho se determinó que adicionar GLP al HVO hace que el tiempo de autoencendido sea mayor que cuando se usa HVO puro, así como se incrementa la distancia del despegue de la llama, estas condiciones favorecen el proceso de mezcla y por consiguiente se genera menos hollín en las llamas que contienen GLP.

En el futuro se pretende evaluar el comportamiento de estos combustibles en un motor mono cilíndrico. En este TFM se incluye el análisis dinámico del motor de 6 cilindros, como paso previo en el diseño de conversión del motor a un motor monocilíndrico en el que se analizará el comportamiento de las mezclas comentadas. Para el estudio del análisis dinámico del motor se definieron las geometrías de los componentes principales: pistón, biela y cigüeñal, usando un software de diseño e ingeniería asistida por computadora.

Posteriormente han sido evaluadas las fuerzas de inercia, y las fuerzas producidas por los gases sobre los principales componentes del motor, y el impacto que se tendría en el caso de tener un solo cilindro en funcionamiento, por lo que distintos casos han sido planteados con la intención de determinar la mejor opción para el monocilindrado. El software usado, MSC Adams, permite hacer un análisis de múltiples cuerpos sometidos a distintas condiciones dinámicas de operación. Se evaluaron dos casos: un primer caso con un cilindro en combustión y los otros 5 cilindros desactivados y un segundo caso con un cilindro en combustión, uno en arrastre y los 4 restantes desactivados. Para ambas situaciones se determinó que los esfuerzos generados en el cigüeñal no sobrepasan los que se tendrían con los 6 trabajando en simultáneo, lo que indica que no existirán averías por fracturas mecánicas de los componentes. Sin embargo la opción de menor impacto dinámico es el segundo caso.

[EN] A combustion study has been carried out with different mixtures of hydrotreated vegetable oil (HVO) and liquefied petroleum gas (LPG), which have been injected in a high-pressure and high-temperature facility of the CMT-Motores Térmicos Institute. A common-rail injection system has been used, to which some modifications were made to avoid the evaporation of the mixture. For this purpose, since LPG at room temperature and pressure is gaseous, the fuel gas was cooled down at the fuel tank outlet as well as in the returns from the high pump and the injector, ensuring that throughout the hydraulic circuit (except in the own tank) the fuel is in liquid phase.

The behavior of the fuel jet and its combustion has been analyzed, both for pure HVO and three mixtures of HVO with 25%, 50% and 25% of LPG respectively. In order to analyze the effect of the fuel composition or mixtures used on the ignition delay, flame lift-off length and soot formation, three optical techniques were simultaneously applied: Schlieren, OH * chemiluminescence and Natural Luminosity, all made with high-speed cameras With the analysis done, it was determined that adding LPG to the HVO means that the ignition delay is longer than when pure HVO is used, as well as the distance of the flame lift-off. These conditions favor the mixing process and therefore generate less soot in the flames that contain LPG.

In the future, it is intended to evaluate the behavior of these fuels in a single cylinder engine. In this TFM, the dynamic analysis of the 6-cylinder engine is included, as a previous step in the design of conversion of the engine to a single-cylinder engine in which the behavior of the aforementioned mixtures will be analyzed. For the study of dynamic engine analysis, the geometries of the main components were defined: piston, connecting rod and crankshaft, using design software and computer-aided engineering.

Subsequently, the forces of inertia, and the forces produced by the gases on the main components of the engine have been evaluated, and the impact that would have in the case of having only one cylinder in operation. So different cases have been raised with the intention to determine the best option for the mono cylinder. The software used, MSC Adams, allows an analysis of multiple bodies subjected to different dynamic operating conditions. Two cases were evaluated: a first case with a cylinder in combustion and the other 5 cylinders deactivated and a second case with a cylinder in combustion, one motored and the remaining 4 deactivated. For both situations it was determined that the efforts generated in the crankshaft do not exceed those that would be with the 6 working simultaneously, which indicates that there will be no breakdowns due to mechanical fractures of the components. However, the option of less dynamic impact is the second case.