Aplicación de técnicas ópticas para el análisis de los procesos de combustión y formación de hollín en motor óptico empleando combustibles alternativos

Abstract

[ES] La necesidad de reducir las emisiones contaminantes de los motores de combustión interna y las estrictas normas que las regulan han despertado el interés por la búsqueda de combustibles alternativos limpios para sustituir el diésel fósil y su evaluación en condiciones de operación en motor. Los combustibles alternativos, en concreto los pertenecientes a la familia de los e-fuels, presentan alto potencial de reducción de la huella de carbono, así como una alta capacidad para reducir la formación de hollín dentro del cilindro, el cual es uno de los principales contaminantes del motor de encendido por compresión. El principal objetivo de este trabajo es la puesta a punto de una instalación de ensayos para la realización de estudios experimentales, mediante la aplicación de técnicas ópticas que permitan una mayor comprensión sobre los procesos físico-químicos que tienen lugar durante la combustión. Para ello, se utiliza un motor óptico monocilíndrico de mediana cilindrada (1.2 litros por cilindro) de encendido por compresión, con accesos ópticos lateral e inferior a través del pistón, que permite la visualización directa de los fenómenos que tienen lugar en el interior de la cámara de combustión. A lo largo de este trabajo se hace énfasis en adaptar las condiciones operativas del motor al uso de los nuevos combustibles, de modo que sea compatible su operación realista con el empleo de técnicas de visualización para la caracterización de la combustión. Además, se complementa con un análisis termodinámico mediante el registro de la presión en el cilindro. Los ensayos se realizan utilizando diversas mezclas en distintas proporciones de combustible diésel y oxymethylene dimethyl ether (OMEx), con el objetivo de poner de manifiesto las principales diferencias entre ellas, en materia de desarrollo de la combustión y emisiones de hollín. Los resultados obtenidos muestran que el aumento de OMEx en la mezcla produce una disminución en la formación de hollín, sin embargo, su menor poder calorífico inferior requiere inyectar más combustible para alcanzar la misma energía liberada en el proceso, lo que se implica usar estrategias de inyección diferentes. Además, su baja viscosidad y lubricidad puede dañar el sistema de inyección si se usa como combustible puro, por lo que requeriría realizar modificaciones importantes en el diseño del motor. Sin embargo, se ha demostrado que resulta una alternativa viable cuando se mezcla con diésel convencional para la reducción de emisiones de hollín, aprovechando su potencial sin la necesidad de las mencionadas modificaciones.

[EN] The need to reduce pollutant emissions from Internal Combustion Engines and the strict standards that regulate them have sparked interest in the search for clean alternative fuels to replace fossil diesel and their evaluation under engine operating conditions. Alternative fuels, specifically those belonging to the family of e-fuels, have a high potential for reducing the carbon footprint, as well as a high capacity to reduce the formation of soot inside the cylinder, which is one of the main contaminants from the compression ignition engine. The main objective of this work is the development of a testing facility to carry out experimental studies, through the application of optical techniques that allow a greater understanding of the physical-chemical processes that take place during combustion. To do this, a Medium Duty single-cylinder optical engine (1.2 liters per cylinder) with compression ignition is used, with lateral and inferior optical access through the piston, which allows direct visualization of the phenomena that take place inside the combustion chamber. Throughout this work, emphasis is placed on adapting the operating conditions of the engine to the use of new fuels, so that its realistic operation is compatible with the use of visualization techniques for the characterization of combustion. In addition, it is complemented with a thermodynamic analysis by recording the pressure in the cylinder. The tests are carried out using various blends in different proportions of diesel fuel and oxymethylene dimethyl ether (OMEx), with the aim of highlighting the main differences between them, in terms of combustion development and soot emissions. The results obtained show that the increase in OMEx in the mixture produces a decrease in the formation of soot, however, its smaller lower heating value requires injecting more fuel to achieve the same energy released in the process, which implies using different injection strategies. Furthermore, its low viscosity and lubricity can damage the injection system if it is used as pure fuel, thus requiring significant modifications to the engine design. However, it has been shown that it is a viable alternative when mixed with conventional diesel for the reduction of soot emissions, taking advantage of its potential without any engine hardware modification.

[CA] La necessitat de reduir les emissions contaminants dels motors de combustió interna i les estrictes normes que les regulen han despertat l’interès per la recerca de combustibles alternatius nets per substituir el dièsel fòssil i la seua avaluació en condicions d’operació en motor. Els combustibles alternatius, en concret els que pertanyen a la família dels e-fuels, presenten alt potencial de reducció de petjada de carboni, així com una alta capacitat per reduir la formació de sutge dins del cilindre, el qual és un dels principals contaminants del motor d’encès per compressió. El principal objectiu d’aquest treball és la realització del processat i post-processat de la informació registrada en assajos experimentals, prèviament realitzats, mitjançant l’aplicació de tècniques òptiques, que permeten una major comprensió sobre els processos físic-químics que tenen lloc durant la combustió. Els assajos es van dur a terme a un motor òptic monocilíndric de cilindrada mitjana (0.825 litres per cilindre) d’encès per compressió, amb accés òptic inferior a través del pistó, que permet la visualització directa dels fenòmens que es produeixen a l’interior de la càmera de combustió. Al llarg d’aquest treball es fa èmfasi en la rellevància que adquireixen aquests combustibles a l’hora de modificar condicions d’operació del motor, així com en la necessitat d’assegurar la compatibilitat entre l’operació realista d’aquest i l’ús de tècniques de visualització per la caracterització de la combustió. A més, l’estudi es complementa amb una anàlisi termodinàmica mitjançant el registre de la pressió al cilindre. Els assajos es realitzen utilitzant diverses mescles en distintes proporcions de combustible dièsel i oxymethylene dimethyl ether (OMEX), amb l’objectiu de posar de manifest les principals diferències entre elles, en matèria de desenvolupament de la combustió i emissions de sutge. Els resultats obtinguts mostren que l’augment d’OMEX a la mescla produeix una disminució en la formació de sutge, no obstant això, el seu menor poder calorífic inferior requereix injectar més combustible per assolir la mateixa energia alliberada en el procés, el que implica l’ús d’estratègies d’injecció diferents. A més, la seua baixa viscositat i lubricitat pot fer malbé el sistema d’injecció si s’utilitza com a combustible pur, pel qual requeriria realitzar modificacions importants al disseny del motor. Tanmateix, s’ha demostrat que resulta una alternativa viable quan es mescla amb dièsel convencional per la reducció d’emissions de sutge, aprofitant el seu potencial sense la necessitat de les esmentades modificacions.