Análisis del efecto de la recirculación de gases de escape interna y externa en un motor de encendido provocado

Abstract

[ES] En los últimos años, la concienciación acerca de las emisiones contaminantes de las actividades humanas ha aumentado considerablemente. Las restricciones cada vez son más grandes y afectan fuertemente a los motores de combustión interna alternativos. Por eso, la investigación acerca de métodos y sistemas que ayuden a aumentar la eficiencia de los motores, reduciendo su consumo de combustible, y controlar sus emisiones está a la orden del día. Dentro de la línea de investigación en MCIAs se encuentran los motores de encendido provocado, acerca de los cuales se desarrolla el presente proyecto. Con el fin de alcanzar los objetivos fijados tanto de consumo como de emisiones, este tipo de motores está evolucionando hacia menores cilindradas, con las cuales se reducen las pérdidas de bombeo y, consecuentemente, el consumo. Para compensar su pérdida de potencia se hace uso de sobrealimentación, pero surge el problema del knocking, una condición poco deseable por afectar a la integridad del motor. Se trata de combustiones espontáneas en el interior del cilindro, causadas por una fluctuación abrupta en la presión y que viene motivado por las altas temperaturas que se alcanzan. Al mismo tiempo, con la temperatura aumentan las emisiones de óxidos de nitrógeno. Por todo esto, se estudian técnicas como la inyección directa o sistemas como la recirculación de gases de escape (EGR) que ayuden a reducir la temperatura alcanzada en el interior del cilindro, controlando así el riesgo de knock y mejorando las condiciones generales en el motor. El estudio realizado pretende comprobar los efectos que tienen tanto la recirculación de gases de escape como la retención de gases de escape en el interior del cilindro, conocido por sus siglas en inglés como IGR, en las emisiones, el consumo y el desarrollo de la combustión del motor. Además, se realizará un estudio acerca del centrado de la combusti´on a partir de la fijación de parámetros de la combusti´on como el CA50, y sobre cómo afectan los residuales a este caso. Para ello, se hará uso de un DoE o Design of Experiments como base del estudio, siguiendo con cuatro grupos de ensayos en distintas condiciones del motor dentro de un mismo punto de funcionamiento. Se ha encontrado que un buen centrado de la combustión mejora el consumo específico en todos los casos. Asimismo, dentro de un mismo nivel de residuales totales, una mayor tasa de residuales internos aumenta la reactividad de la mezcla reduciendo el tiempo de combustión, mientras que mayor porcentaje de EGR reduce la temperatura y por tanto las emisiones de NOx. A parte, se ha demostrado al desacoplar la temperatura de la composici´on que mientras que las emisiones dependen más de la composición, la temperatura tiene un papel fundamental en el desarrollo de la combustión.

[EN] In recent years, awareness about pol lutants emitted by human activities has considerably in-creased. Restrictions are increasing and they affect heavily to reciprocating engines. That is whyinvestigations about methods and systems that help to increase engine efficiency, thus reducingtheir fuel consumption, and to control their emissions is a topic issue.Inside the research field about reciprocating engines there are the spark-ignition engines, theones about which this project is. With the aim of reaching the goals set, both of consumption andemissions, this kind of engines are evolving to lower displacements, which allow to cut pumpinglosses and, consequently, fuel consumption. To compensate their decrease in power, turbochargingis used, yet the issue with knocking tends to appear, and it is an undesirable condition that mayaffect the engine’s proper functioning. They are spontaneous combustions inside the cylinder,caused by a sharp fluctuation in pressure and that is aroused by the high temperatures reachedin this situation. At the same time, temperature improves nitrogen oxides emissions.Due to al l this, techniques such as direct injection and exhaust gas recirculation systems arestudied, as they contribute to lower the temperature inside the cylinder, therefore control lingknock risk and improving in whole the conditions in the engine.The study carried out intends to test the effects of recirculated and kept inside the cylinderexhaust gases (noted as EGR and IGR respectively) in emissions, fuel consumption and combus-tion process in an engine. Additional ly, another study on the spark adjustment to reach certainvalues in parameters, such as CA50, and the effect residuals have in these conditions, wil l beperformed. For that purpose, a DoE (Design of Experiments) wil l be used as the basis of theanalysis, being fol lowed by four groups of tests driven in diverse conditions of a same operatingpoint.It has been found that a good spark adjustment enhances fuel consumption in every case.Likewise, in a same total residual level, a bigger internal residual quantity increases the mixture’sreactivity, thus reducing time of combustion, while a greater EGR percentage reduces temperatureand so NOx emissions. Apart from this, it has been proved when decoupling temperature andcomposition, that while emissions depend on composition, temperature has a leading role incombustion development.

[ES] La recirculación de gases de escape (EGR) se está investigando en los últimos años en motores de encendido provocado por su potencial para mejorar el rendimiento global del motor y limitar la aparición de combustión anómala por autoencendido. Para ello se proponen sistemas de EGR internos, donde la composición de gases en el cilindro se controla directamente mediante el accionamiento de las válvulas de admisión y escape; o externos, donde se incluye una línea adicional que comunica el escape y la admisión del motor. En el caso de los últimos, es habitual el uso de los llamados sistemas de EGR de baja presión, donde los gases se extraen a la salida del post-tratamiento, además de incluir un intercambiador de calor para enfriarlos antes de su reentrada al cilindro. Esto provoca que la temperatura y composición de los gases en el cilindro sean diferentes entre ambos sistemas. Para cuantificar las diferencias que esto pueda producir en el comportamiento del motor, se pretende comparar la combustión, consumo y emisiones de varios ensayos realizados a diferentes tasas de gases residuales totales, pero obtenidos con distintas concentraciones de residuales internos y externos. El análisis incluirá datos experimentales obtenidos en banco de motor, complementados con un modelo unidimensional previamente validado para dicho motor.

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