Evaluación y optimización de un motor de encendido provocado empleando combustibles alternativos ricos en hidrógeno
- Autores: J Arroyo
- Directores de la Tesis: Mariano Muñoz Rodríguez (dir. tes.), Francisco Moreno Gómez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Isabel Suelves Laiglesia (presid.), Carlos Monné Bailo (secret.), Rafael Moliner Alvarez (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La disminución de las reservas fósiles durante los últimos años, junto con un aumento continuado de la demanda energética, ponen de manifiesto la necesidad de explotar fuentes de energía alternativa. Además, el aumento de la preocupación por la situación medioambiental ha llevado a los gobiernos a adoptar acuerdos de protección medioambiental que obligan a los estados a promover políticas que impulsen el desarrollo de nuevas tecnologías de reducción de emisiones contaminantes y nuevos medios de producción energética que contribuyan a este fin.
En este contexto, el hidrógeno presenta unas propiedades óptimas como fuente de energía y es un combustible potencialmente idóneo para reducir las emisiones contaminantes dado que no contiene carbono en su composición. Por ello, a lo largo de los últimos años se vienen aplicando medidas de desarrollo tecnológico del uso del hidrógeno como combustible en los sectores energético y del transporte, así como nuevas tecnologías para la obtención de hidrógeno de fuentes renovables que contribuyan a un menor coste energético y un ahorro en las emisiones contaminantes.
Numerosos estudios realizados desde los años 70 confirman la viabilidad del uso del hidrógeno en motores de combustión interna. Sin embargo, muchos de estos estudios muestran cómo la aplicación directa del hidrógeno en motores tradicionales requiere sustanciales modificaciones para obtener prestaciones similares a las obtenidas con combustibles tradicionales en las mismas condiciones de operación. Además, la utilización directa del hidrógeno genera mayores emisiones de NOx con respecto a las obtenidas con la gasolina y provoca que durante el proceso de combustión puedan aparecer fenómenos de detonación y retorno de llama debidos a una menor energía mínima de ignición y menor distancia de extinción de llama del hidrógeno.
El empobrecimiento de la mezcla o la instalación de sistemas de dilución térmica (EGR, inyección de agua) son diferentes estrategias comúnmente aplicadas para reducir las emisiones de NOx, los fenómenos de detonación y de retorno de llama, pero incrementan los efectos de pérdida de potencia. Para evitar esta pérdida se implementan diversas estrategias de sobrealimentación. Además, en los vehículos propulsados con motores alimentados con hidrógeno, aparece un problema añadido en relación a una menor capacidad de almacenamiento de combustible debido a su baja densidad y, por tanto, una menor autonomía. Para compensar este problema se recurre al almacenamiento de hidrógeno a alta presión o incluso a depósitos de hidrógeno criogenizado.
Otra vía de reducción de los inconvenientes que presenta el hidrógeno como combustible en motores es su mezcla con otros combustibles gaseosos, como por ejemplo el metano (o gas natural). La presencia de metano reduce las emisiones de NOx del combustible y aumenta la resistencia a la detonación, la distancia de extinción de llama y la densidad de la mezcla, minimizando los inconvenientes del uso de hidrógeno puro en dosados cercanos al estequiométrico. Al aumentar la densidad de la mezcla, aumenta la capacidad de almacenamiento de combustible. La presencia de hidrógeno mejora las propiedades de la mezcla combustible, aumentando su poder calorífico y permitiendo el funcionamiento del motor con dosados más pobres. Este tipo de mezclas resultan de especial interés ya que pueden ser obtenidos aplicando procesos de descomposición catalítica de gas natural, combustible que se encuentra en abundancia en la naturaleza.
Además de las mezclas hidrógeno-metano, ha cobrado importancia el estudio de gases ricos en hidrógeno obtenidos mediante procesos catalíticos de gases procedentes de la gasificación de biomasa (gas de síntesis). El empleo de catalizadores para el procesamiento de gases de biomasa permite mejorar sus propiedades como combustibles y disminuir la proporción de inertes, aumentando el poder calorífico de la mezcla. En los últimos años se vienen desarrollando varios proyectos de descomposición catalítica de gas natural y biogás, obteniéndose mezclas con unas buenas propiedades como combustibles.
Los ensayos en motores con combustibles gaseosos con contenido en hidrógeno cubren tanto el funcionamiento de motores SI como el de motores diesel en operación dual. En operación dual en motores diesel el gas se alimenta en el motor a la vez que se inyecta una cantidad de gasóleo para el encendido. Esto permite garantizar la estabilidad de la combustión y, por tanto, de funcionamiento del motor, independientemente de las fluctuaciones en la composición del gas. El empleo de gas de síntesis en operación dual permite tasas de sustitución del combustible diesel de hasta el 80%, y ha sido estudiado en profundidad en numerosos centros de investigación. En cuanto al uso de gas de síntesis en motores de encendido provocado, existe también un elevado interés en su evaluación, ya que esta configuración de trabajo genera menos emisiones contaminantes (especialmente CO) que la operación dual con diesel. Algunos grupos han centrado sus investigaciones en el efecto de la composición del gas en las prestaciones y emisiones del motor.
La falta de estudios respecto al uso en motores de gases sintéticos procedentes de gas natural o biogás abre un campo de investigación para determinar las prestaciones y emisiones obtenidas al utilizar gases de estas características como combustibles y evaluar su viabilidad como alternativa a los combustibles tradicionales de origen fósil. Esta necesidad cobra importancia con la reciente puesta a punto de nuevas tecnologías de obtención de mezclas combustibles ricas en hidrógeno mediante descomposición catalítica de combustibles obtenidos de la biomasa. Esta tesis se enmarca dentro de este campo de investigación y trata de cubrir este vacío.
El objetivo fundamental de la tesis es caracterizar el funcionamiento de motores de encendido provocado de aplicación en vehículos alimentados con gases provenientes de descomposición catalítica de gas natural o biogás, compuestos principalmente por CH4, H2, CO y CO2.
La primera fase tras el estudio del estado del arte comprende la modificación de la instalación para el ensayo de motores y su adaptación para la utilización de combustibles gaseosos. Esta fase incluye la selección y transformación del motor para la realización de los ensayos experimentales, así como toda la infraestructura necesaria para garantizar un correcto suministro de combustibles gaseosos al motor y las medidas necesarias para garantizar la seguridad de la instalación.
Una segunda fase se basa en la medida y comparación de los parámetros de funcionamiento (rendimiento, emisiones contaminantes y análisis de la combustión) con combustibles gaseosos respecto a los del motor funcionando con gasolina bajo las mismas condiciones de funcionamiento. De esta manera, las variaciones en los resultados obtenidos dependen exclusivamente de la influencia del combustible, lo que permite extraer conclusiones relevantes sobre el uso de estas mezclas como combustible de sustitución.
El último objetivo de la tesis es la optimización del motor seleccionado para su funcionamiento con gases sintéticos. Para ello y con objeto de mejorar las prestaciones y emisiones de los motores se realizará la optimización del sistema de dosificación de combustible empleado para controlar la cantidad de gas que entra en el cilindro, se estudiará la influencia que ejerce la estrategia de introducción de gas en el rendimiento volumétrico y se introducirán modificaciones buscando el aumento del rendimiento y la disminución de las emisiones. Estas modificaciones incluyen sobrealimentacion del motor, recirculación de gases e inyección de agua.
