Evaluación numérica y experimental de la combustión RCCI: prestaciones en ciclo de conducción, transferencia de calor y post tratamiento

Abstract

[ES] Las regulaciones sobre emisiones son un factor determinante que obliga a la investigación de nuevas alternativas para cumplir con sus restricciones. Los requisitos recientes para tratar con los contaminantes regulados más peligrosos (hollín, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos no quemados y monóxido de carbono) aumentaron el costo final y de mantenimiento del vehículo. En este sentido, los enfoques alternativos basados en el control de la formación de emisiones durante el proceso de combustión emergieron como una ruta atractiva tanto para el consumidor como para el fabricante. Entre los diferentes conceptos desarrollados durante los últimos años, la llamada combustión a baja temperatura es una de las más prometedoras, ya que pueden lograr emisiones de NOx y hollín ultra bajas mientras presentan valores de eficiencia similares o superiores a los diésel convencionales. Dentro de estos conceptos, el encendido por compresión con reactividad controlada (RCCI) presenta una mejor capacidad de control sobre el proceso de combustión a través de la adaptación de la reactividad en el cilindro. Esto se realiza inyectando dos combustibles con diferente reactividad. A pesar de esto, la operación RCCI está limitada a rangos estrechos dentro del mapa operativo y aún enfrenta problemas con los niveles de emisión de hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO). El primer problema puede abordarse cambiando a la operación diésel convencional una vez que el RCCI se limita, mientras que el segundo puede ser un desafío para las tecnologías de pos tratamiento actuales. La evaluación de ambos problemas no es trivial en una combustión de modo dual, ya que los valores finales están influenciados por los modos de combustión que requieren un análisis global. En este sentido, esta investigación tiene como objetivo evaluar el impacto de la zona de combustión RCCI dentro del mapa del motor en los valores promedio de consumo de combustible y emisiones mediante una evaluación del ciclo de conducción en GT-Power. Además, se realizaron experimentos para calibrar un modelo de catalizador de oxidación diésel (DOC) para evaluar la influencia de la alta concentración de CO y HC junto con la baja temperatura en el rendimiento de este dispositivo. Sobre esta base, se realizaron diferentes evaluaciones con el objetivo de determinar el tamaño requerido del DOC para cumplir con los límites normativos actuales. Finalmente, se construyó el modelo dedicado de potencia GT representativo del motor experimental para investigar las principales rutas de transferencia de calor que influyen en la eficiencia del ciclo. Se empleó un modelo de convección zonal y la temperatura de la culata y el revestimiento se compararon con las medidas experimentalmente en la prueba de banco. Este conjunto de resultados permitió obtener una visión global sobre las capacidades del concepto de combustión y los desafíos en su uso en aplicaciones reales.

[EN] The emission regulations are a driving factor that forces the investigation of new alternatives to fulfill their constraints. The recent requirements to deal with in the most hazardous regulated pollutants (soot, nitrogen oxides, unburned hydrocarbon and carbon monoxide) increased the final and the maintenance cost of the vehicle. In this sense, alternative approaches based on the control of the emission formation during the combustion process emerged as an attractive path for both the consumer and the manufacturer. Among the different concepts developed during the recent years, the so called low temperature combustion are one of the most promising as they can achieve ultra-low NOx and soot emissions while presenting efficiency values similar or higher than the conventional diesel ones. Inside this concepts, the reactivity controlled compression ignition (RCCI) presents better controllability over the combustion process through the tailoring of the in-cylinder reactivity. This is realized by injecting two fuels with different reactivity. Despite of this, the RCCI operation is limited to narrow ranges inside the operating map and still faces problems with hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emission levels. The first issue can be addressed by switching to conventional diesel operation once the RCCI becomes limited while the second one can be a challenge for the current after treatment technologies. The evaluation of both issues is not trivial in a dual mode combustion since the final values are influenced by the combustion modes being required a global analysis. In this sense, this research has as aim to evaluate the impact of the RCCI combustion zone inside the engine map on the average values of fuel consumption and emissions by means of a driving cycle evaluation in GT-Power. Additionally, experiments were performed to calibrate a diesel oxidation catalyst (DOC) model to assess the influence of the high concentration of CO and HC together with the low temperature on the performance of this device. Based on this, different evaluations were performed aiming to determine the required size of the DOC to fulfill the current normative limits. Finally, dedicated GT-power model representative of the experimental engine was built to investigate the main heat transfer paths that influences the cycle efficiency. A zonal convective model was employed and the temperature of the cylinder head and liner were compared to those measured experimentally in the bench test. This set of results allowed to obtain a global overview about the combustion concept capabilities and the challenges in employ it in real applications