Modeling of the nitrogen oxides formation process applicable to several diesel combustion modes

Abstract

Como consecuencia de las exigentes legislaciones medioambientales actualmente en vigor, como las Euro Emission Standards en Europa, los investigadores e ingenieros se ven forzados a "re-desarrollar" el proceso de combustión diésel para hacerlo menos contaminante. Uno de los principales contaminantes y más dañinos para la salud son los óxidos de nitrógeno (NOx) que están principalmente compuestos por: monóxido de nitrógeno (NO), dióxido de nitrógeno (NO2) y trióxido de dinitrógeno (N2O3). Centrándose en los NOx generados en una combustión diésel, una de las técnicas más populares para mitigar su formación es mediante la dilución de la corriente oxidante con productos de la combustión, previamente generados. De este modo, al reducir la reactividad de la corriente oxidante se consigue una disminución considerable de la temperatura de combustión y por extensión de los NOx. Sin embargo, dicha técnica causa nuevas interacciones físico-químicas entre los hidrocarburos y los NOx así como principalmente un notable cambio en la estructura del chorro diésel. Es por ello necesario considerar las diferentes vías de formación de éstos para poder predecir su generación. El hecho de considerar las diferentes vías de formación implica un incremento considerable de los recursos computacionales destinados a realizar las simulaciones, siendo en algunos casos inviable. Es por ello que el objetivo principal de esta tesis consiste en: desarrollar herramientas capaces de tener en consideración todas estas vías sin incrementar de manera considerable el coste computacional. Para ello inicialmente se realiza una exhaustiva revisión bibliográfica en donde se repasan las diferentes herramientas desarrolladas para la predicción de los NOx y se analizan sus puntos débiles. Éstos radican en simplificaciones de dudosa validez, que solamente tienen efectos positivos a altas y no a bajas temperaturas, o bien procesos demasiado tediosos y complejos para caracterizar los diferentes estados de una combustión. Posteriormente se diseña una metodología capaz de satisfacer el objetivo principal, basada en tres estudios. El primero permite profundizar en el proceso de formación de este contaminante a través de estudiar el incremento de la proporción de NO2 en los NOx debido a la recirculación masiva de estos productos. Por otro lado, los otros dos consisten en desarrollar diversas herramientas predictivas centradas exclusivamente en el NO, ya que como se dedujo del estudio anterior el NO2 se forma principalmente a partir del NO a través de un proceso de enfriamiento. La primera de estas herramientas está basada en una correlación empírica que a modo de ecuación correctiva mejora la capacidad predictiva, especialmente en condiciones de recirculación masiva, del mecanismo más implementado mundialmente, mientras que la segunda se sustenta en tabular únicamente la velocidad de formación del NO y el NO en equilibrio en función de la temperatura y de la cantidad de oxígeno disponible inicialmente para reaccionar. Finalmente para poder llevar a cabo estos estudios y cumplir con el objetivo principal se hace uso de un software comercial cinético-químico Chemkin, en su versión Professional, que sirve tanto de herramienta desarrolladora como de referencia.