INVESTIGACIÓN DE LA APLICACIÓN DE UN MEDIO POROSO A UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

Abstract

Este trabajo de investigación intenta ser una contribución al desarrollo científico de la tecnología de medios porosos (MP) aplicada a motores de combustión interna (MCI). Esta nueva aplicación ha sido considerada como una idea prometedora para acercarse a una mejora del proceso de combustión y poder lograr un sistema de emisión de NOx y material particulado casi cero, gracias a las propiedades de transporte de calor y resistencia térmica entre otras características que poseen los MP, para mejorar los procesos de vaporización de combustible, formación de la mezcla, proceso de combustión y recirculación de energía. Se somete un motor encendido por compresión deinyección directaalimentado con diesel, a ensayos en un freno dinamométrico del tipo hidráulico estableciendo una línea base de las curvas características del motor (Potencia, torque y consumo específico de combustible) y las emisiones de gases de escape (CO, CO2, O2, HC, NOx e índice de ennegrecimiento), para luego introducir un material altamente poroso hecho de espuma cerámica en la cámara de combustión, específicamente en la cavidad superior del pistón, sin considerar otras modificaciones al motor. En la fase experimental del trabajo se logra conocer en la práctica las dificultades asociadas a la correcta selección del material poroso, su geometría, propiedades mecánicas y térmicas. Se concluye que entre los aspectos más importante a tener en cuenta para el funcionamiento de un motor con una modificación de este tipo están(i) la fijación del medio poroso a la cavidad del pistón y (ii) el precalentamiento de la cámara de combustión, específicamente del MP, para lograr el encendido del motor. Por otro lado, el estudio contempla una fase de simulaciones de la cinética de la combustión, dondese utiliza el software PREMIX modificado con el mecanismo de reacción GRI - MECH 3.0 para gas metano, con el objetivo de conocer el potencial de la aplicación de un medio poroso en un reactor a altas presiones. Una vez validado el modelo matemático para el rango de relaciones de equivalencia (0.9 < Φ < 5), y presiones del reactor entre 1 y 5 atm, se comprueba cualitativamente que con el incremento de la presión, existe una mejora en el proceso de transferencia de calor para el rango de mezclas ricas (1.2 < Φ < 2), con un óptimo en Φ = 2 y 5 atm, donde la transferencia mejora en un orden del 72%; y con un efecto desfavorecedor en la generación de gas de síntesis (H2, CO2, CO) en procesos de oxidación parcial de mezclas ricas.This research is intended as a contribution to the scientific development of the technology of porous media (MP) applied to internal combustion engines (MCI). This new application has been considered as a promising idea to approach improved combustion process and to achieve a system of NOx and particles near zero, thanks to the heat transport properties and heat resistance and other characteristics possessed by MP, to improve fuel vaporization processes, mixture formation, combustion process and recirculation energy. An compression ignition direct injection engine fueled by diesel, is tested on a hydraulic dynamometer establishing a base of the characteristic curves of the engine (power, rpm and specific fuel consumption) and emissions of exhaust line (CO, CO2, O2, HC, NOxand opacity), and then insert a highly porous ceramic foam material in the combustion chamber, specifically in the top of the piston cavity, without considering other engine modifications. In the experimental phase of this work it is achieved in the practice know the difficulties associated to the correct selection of the porous material, its geometry, and mechanical and thermal properties. It is concluded that the most important thing to keep in mind for the operation of an engine with such modification are (i) setting the porous medium to the piston cavity and (ii) preheating the combustion chamber, specifically the MP, to achieve the ignition. Furthermore, the study includes a phase of numerical simulations of combustion kinetics, using the PREMIX modified program with reaction mechanism GRI-MECH3.0 for methane gas, in order to know the potential of application a porous medium in a reactor at high pressures. Once validated the mathematical model for the range of equivalence ratios (0.9 < Φ < 5) and reactor pressures between 1 and 5atm, qualitatively found that with increasing pressure, there is an improvement in the heat transfer process for the range of rich mixtures (1.2 < Φ < 2), with an optimum atΦ = 2 and 5atm, where the transfer enhancement in the order of72%; and a effect of lowering the generation of synthesis gas (H2, CO2, CO) in partial oxidation processes of rich mixtures.