Effect of swirl and EGR on the Global Energy Balance of a HSDI Diesel engine

Abstract

[ES] El concienciamiento global hacia las emisiones de gases de efecto invernadero producidas por los motores de combustión interna alternativos ha llevado a una legislación de emisiones más estrictas. De este modo, la atención tanto de los investigadores de automoción como de los fabricantes se ha centrado sobre el desarrollo de sistemas de propulsión más limpios y eficientes. En los últimos años, los esfuerzos se han centrado principalmente en la reducción de las emisiones de NOx y hollín por medio de diferentes estrategias de inyección, sistemas de inyección de combustible de alta presión, múltiples inyecciones, sobrealimentación, recirculación de gases de escape (EGR), distribución variable, altos ratios de swirl y tumble y nuevos combustibles limpios. Sin embargo, la imposibilidad de superar la regulación sólo con la gestión de procesos internos, ha llevado a la generalización de los sistemas de pos-tratamiento, dando lugar a otro tema principal del motor: el consumo de combustible. Por lo tanto, hay un interés creciente hacia la optimización del consumo de combustible y la reducción de las emisiones de CO2 a través de diferentes tecnologías. Como se explicó anteriormente, dos de las técnicas más comunes seguidas en los motores Diesel son el uso de EGR y elevados ratios de swirl (SR). Sin embargo, estos métodos no sólo benefician al comportamiento del motor, sino que también tienen algunos inconvenientes. La combinación de beneficios y desventajas derivadas de la utilización de estas dos técnicas se evalúan detalladamente durante el presente trabajo: ¿ La recirculación de gases de escape (EGR) ha demostrado ser una solución muy útil para reducir las emisiones de NOx en motores Diesel, convirtiéndose en una técnica ampliamente utilizada en motores de producción. Sin embargo, su aplicación tiene un efecto directo sobre el consumo de combustible debido tanto a los cambios en los procesos dentro del cilindro, que afecta a la eficiencia indicada, y también en la renovación de la carga. ¿ El movimiento del aire en la cámara es un tema clave para mejorar el proceso de mezcla de aire-combustible y alcanzar mayores velocidades de combustión. Por lo tanto, los motores Diesel modernos están diseñados para generar torbellino (swirl) en la cámara que lleva a mejorar la turbulencia durante el desarrollo de la combustión. Sin embargo, el uso de altos ratios de swirl tiene también un impacto en la transferencia de calor y en la renovación de la carga, por lo que se transfiere directamente a consecuencias en las emisiones y consumo de combustible. Varios estudios que se ocupan de los efectos de la EGR y del remolino en el rendimiento del motor y de las emisiones y en la transferencia de calor se pueden encontrar en la literatura. Sin embargo, ninguno de ellos tiene en cuenta los fenómenos más allá de la cámara de combustión y, por lo tanto, no tienen en cuenta todos los procesos que afectan a los diferentes procesos inherentes a los motores de producción. Para contribuir a este problema, un análisis exhaustivo de todos los fenómenos involucrados y las relaciones entre ellos se lleva a cabo en este trabajo mediante el balance global de energía (GEB). El GEB es una herramienta útil para la identificación de los caminos seguidos por la energía química del combustible. La identificación de este reparto de la energía permitirá determinar el efecto de cada variación en diferentes procesos inherentes al funcionamiento del motor. Este enfoque incluye análisis tanto interno como externo del motor y requiere el uso de mediciones experimentales y de modelado interno. De esta manera, los cambios medidos en las variables experimentales se pueden explicar mediante el análisis de los procesos internos que se modelan, especialmente la transferencia de calor. Para el análisis, se utilizó un motor Diesel de producción policilíndrico con swirl variable y control de la tasa de E