Estudio computacional del efecto de temperatura de admisión, uso de combustible dual y recirculación de gases en rendimiento y emisiones de combustión HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition)

Abstract

En este estudio se modeló y simuló la combustión de etanol en un motor en modo HCCI para evaluar indicadores de rendimiento como presión en el cilindro, tasa de liberación de calor, inicio de la combustión y eficiencia térmica utilizando como herramienta CFD el software KIVA4. Se utilizó el software ICEM CFD como estrategia alternativa de enmallado para describir de mejor manera la geometría de la cámara de combustión. En las simulaciones se variaron condiciones de operación como la temperatura de admisión, exceso de aire, recirculación de gases de escape y uso de combustible dual etanol-gas natural. Los resultados muestran que el aumento de la temperatura de admisión, exceso de aire y porcentaje de gas natural en la mezcla causan un adelanto en la combustión disminuyendo la presión media efectiva, el aumento de EGR permite retrasar el autoencendido de la mezcla también afectando la presión media; el uso de mezclas más pobres permite una reducción en las emisiones de CO. Las mezclas con gas natural muestran un comportamiento más sensible a la temperatura de admisión y la EGR. El uso de un mecanismo de cinética química simplificada modela una combustión completa, y puede modelar de forma apropiada indicadores de rendimiento del motor pero no las características de la combustión o las emisiones generadas.

Abstract. In this study, the ethanol combustion in an HCCI engine was modeled and simulated to evaluate performance indicators such ad in-cylinder pressure, heat release rate, start of combustion, and thermal efficiency using KIVA4 software as CFD tool. ICEM CFD software was used as an alternative meshing strategy to better describe the geometry of the combustion chamber. In the simulations, operating conditions such as the inlet temperature, excess air, exhaust gas recirculation and the use of dual fuel ethanol-natural gas were varied. The increase of the intake temperature, air excess and natural gas percentage in the mixture causes an advance in the combustion timing reducing the mean effective pressure, the EGR increase allows to delay self-ignition of the mixture also affecting the mean pressure; using fuel-lean mixtures allows a reduction in emissions of CO. Natural gas mixtures show a more sensitive behavior to the inlet temperature and the EGR. Using a simplified chemical kinetics mechanism models a complete combustion, and can appropriately model engine performance indicators but not the combustion characteristics or generated emissions.