Simulación y análisis experimental sobre combustión y balances térmicos en un H2-MEP

El objetivo de este proyecto fin de carrera es profundizar en el estudio de los motores de combustión interna alternativos alimentados con hidrógeno, centrándose en los fenómenos de transmisión de calor de los mismos y en el proceso de combustión de la mezcla aire-hidrógeno. El proyecto pretende, por otra parte, dar validez a los resultados obtenidos por medio de la herramienta computacional de elementos finitos y ofrecer una valoración de la capacidad de las simulaciones para recrear el comportamiento real del gas antes, durante y tras su combustión. Las acciones a desarrollar para alcanzar estos objetivos serán las siguientes: - Revisión de los modelos de transferencia de calor utilizados en los cálculos de flujos de calor con las condiciones de contorno presentes en motores modernos. - Estudio experimental de la evolución de las temperaturas en el motor y su balance térmico. - Análisis del estado del arte en lo que respecta a la simulación de procesos de combustión para combustibles gaseosos. - Elección y adaptación del modelo a la herramienta computacional disponible para el presente proyecto. - Experimentación para la validación del modelo propuesto. El conocimiento adquirido a lo largo de este proceso y la disponibilidad de medios experimentales permitirán establecer como nuevo objetivo la creación de un modelo propio para la combustión en un cilindro de un motor alimentado por hidrógeno.Ingeniería IndustrialIndustria Ingeniaritz

Biogás como combustible alternativo en automoción

Actualmente muchas investigaciones se centran en la búsqueda de combustibles alternativos para cumplir con las necesidades de transporte y reducir el impacto ambiental en automoción. El uso de combustibles gaseosos en el sector del transporte es una opción prometedora además de promover la diversificación energética. Los combustibles se clasifican en función de las propiedades de los mismos, centrándose este trabajo en el estudio del biogás, sus aplicaciones, las infraestructuras de almacenamiento y su transporte a través de la red de gas natural.Posteriormente se describen los diferentes tipos de vehículos de gas natural comprimido, en función de su construcción, tipos de recarga, seguridad y emisiones. También se describen las estaciones de servicio.Se ha realizado un análisis para los motores de encendido provocado (MEP)y encendido por compresión (MEC) alimentados con biogás de los siguientes parámetros:presíón media efectiva (BMEP), la eficiencia térmica (BTE), temperatura de los gases de escape, las variaciones en el grado de avance del motor, sincronización de la chispa y la introducción de hidrógeno en la mezcla. Finalmente, se han estudiado también las emisiones de óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados y partículas en diferentes pruebas para motores MEP y MECDepartamento de Ingeniería Energética y FluidomecánicaMáster en Ingeniería de Automoció

Análisis de la factibilidad del uso de hidrógeno como combustible suplementario para impulsar un vehículo monoplaza

La progresiva escasez de los combustibles fósiles debido a su alta demanda a nivel mundial, además de generar la mayor concentración de gases contaminantes causan cambios climáticos. Por consiguiente, el objetivo de esta investigación fue analizar la factibilidad de implementar un generador de hidrógeno gaseoso como combustible adicional en un motor de combustión interna de un vehículo monoplaza, se demostró que existe una reducción en el rendimiento del motor, consumo de combustible y gases contaminantes. La metodología del trabajo fue realizar una campaña experimental o pruebas de funcionamiento sobre las tres evaluaciones destacables. Los resultados fueron: en el primer ensayo se obtuvo una reducción 1,6 HP de potencia y 3,01 Nm de torque, no obstante, el segundo ensayo indicó un ahorro de combustible del 14,13% y en el último ensayo sobre la concentración de los gases de escape, de igual forma se obtuvo una reducción en pruebas estáticas en un rango de 800 a 900 rpm y de 2.000 a 2.500 rpm respectivamente, tal disminución fue de 0,77% y 0,85% de CO2, 0,68% y 0,47% de CO, 126,50 PPM y 71,25 PPM de HC, y un aumento 1,32% y 0,47% de O2; en condiciones dinámicas se obtuvo una reducción promedio de 0,73% de CO2, 2,00 de CO, 510,10 PPM y un aumento de 1,67% de O2. En comparación a la descripción de los fabricantes del generador de hidrógeno, lo cuales detallaron que: aumenta la potencia del motor, disminuye el consumo de combustible entre un rango de 20 a 40%, además, de una reducción del 80% de los gases contaminantes, por esta razón, mediante este estudio se comprobó que aquellas especificaciones no son válidas.The progressive scarcity of fossil fuels due to their high demand worldwide, in addition to generating the highest concentration of polluting gases, cause climate change. Therefore, the objective of this research was to analyze the feasibility of implementing a gaseous hydrogen generator as additional fuel in an internal combustion engine of a single-seater vehicle, it was shown that there is a reduction in engine performance, fuel consumption, and gases contaminants. The methodology of the work was to carry out an experimental campaign or performance tests on the three notable evaluations. The results were: in the first test a reduction of 1,6 HP of power and 3,01 Nm of torque was obtained, however, the second test indicated a fuel saving of 14,13% and in the last test on the concentration of exhaust gases, in the same way, a reduction was obtained in static tests in a range of 800 to 900 rpm and from 2.000 to 2.500 rpm respectively, such decrease was 0,77% and 0,85% of CO2, 0,68% and 0,47% CO, 126,50 PPM and 71,25 PPM HC, and an increase 1,32% and 0,47% 02; under dynamic conditions, an average reduction of 0,73% of CO2, 2,00 of CO, 510,10 PPM and an increase of 1,67% of 02 was obtained. Compared the description of the manufacturers of the hydrogen generator, which detailed that: increases engine power, and decreases fuel consumption between a range of 20 to 40%, in addition to an 80% reduction in polluting gases for this reason, through this study, it was verified that those specifications are not valid

Creación y adaptación de un generador de hidrógeno a un motor de combustión

La situación energética en la que nos encontramos, la necesidad de reciclaje de residuos después de su vida útil y las investigaciones sobre el uso del hidrógeno como combustible de una energía sostenible llevan a la elaboración de este proyecto. dicho proyecto se basará en la el diseño, construcción y la implementación de un generador de hidrógeno a un motor de combustión, cuando su vida útil se había terminado. objetivo general: diseñar un generador de hidrógeno para alimentar un motor de combustión metodología: se han utilizado varios programas informáticos, el autocad y el rhinoceros. conclusión: después de los resultados obtenidos en este proyecto de final de grado podemos decir que se puede usar el hidrógeno como combustible gracias a la hidrólisis, pero la tecnología relacionada con el hidrógeno no está a la altura de la época actual. La tecnología en este aspecto tiene muchas cosas que mejorar como el almacenamiento de este combustible y los sistemas de seguridad relacionados con él mismo, estos dos factores pueden ser el punto de partida para futuros trabajos a realizar

Technical-economic viability study of using combustible gases in rail transport

Resumen: El gran reto actual de la sociedad mundial es seguir creciendo en todos los ámbitos de manera respetuosa con el medio ambiente, es decir, mantener en buen estado los recursos naturales aplicando políticas realistas y de transición, hacia modelos más sostenibles. Uno de los sectores que más emisiones GEI (gases de efecto invernadero) es el transporte. Dentro del transporte hay diferentes modalidades, entre ellas se encuentra el ferrocarril, uno de los medios de transporte más eficiente en el presente. Actualmente, y a raíz de numerosas cumbres europeas y mundiales, se han derivado a nuestro país varias directivas en cuestión de disminución de emisiones GEI, en especial en el sector del transporte. En definitiva, estas normativas vienen a decir que se debe realizar una transición en los motores convencionales de combustión interna hacia combustibles alternativos, manteniendo prestaciones parecidas y mejorando las emisiones contaminantes. En España existen casi 12.000 km de vías férreas que son administradas por el ente público ADIF. Dentro del total, alrededor de 5.000 kilómetros de vías están sin electrificar, por las cuales circulan locomotoras movidas por motores de ciclo diésel. El objetivo de este proyecto es demostrar que los gases combustibles son una alterativa viable al uso del gasóleo como principal combustible para el transporte ferroviario. Para ello se propusieron dos posibles caminos: la electrificación del kilometraje no electrificado en la actualidad o la adaptación de los motores actuales para el uso de combustibles alternativos, la denominada tecnología bifuel. En un primer momento se desechó la idea de electrificar el total de las vías férreas que no lo están, ya que costaría unos 500.000 euros por kilómetro, unas obras con un gasto demasiado grande. La segunda opción es adaptar los motores de ciclo diésel existentes para el uso de gases combustibles. En este caso se eligieron tres gases combustibles para su estudio: GNL (gas natural licuado), GLP (gases licuados del petróleo) e Hidrógeno. La multitud de fuentes consultadas por este proyecto dieron por concluido que en los motores de ciclo diésel, con la tecnología bifuel, es necesaria una pequeña inyección de gasóleo para que se produzca una correcta ignición de la mezcla. Esto se debe a que los motores de ciclo diésel producen la combustión mediante la inyección de gasóleo en una atmosfera de alta presión creada en la etapa de compresión, pero en la cual, si se sustituye al 100% el gasoil por un gas, no se llega a conseguir tal objetivo. Las distribuciones de los combustibles acordada en este proyecto fueron las siguientes: 80% combustible gas alternativo y 20% combustible gasoil. Cada combustible se analizó según los criterios siguientes: características químicas y técnicas del combustible, reservas mundiales y seguridad de suministro, capacidad de hibridación, adaptaciones necesarias, seguridad de almacenamiento y transporte, consumo y contaminación. El gas natural se postula como el mejor posicionado a la hora de sustituir al gasóleo en los motores tradicionales. Hoy en día el gas natural se obtiene de forma independiente al petróleo y las reservas probadas en el mundo aumentan en cada actualización de cifras oficial. Las prestaciones técnicas son muy parecidas al combustible gasoil y los costes de adaptación de equipos son perfectamente asumibles, ya que rondan los 5.000 euros, en los casos más desfavorables. Es un gas cuya tecnología se lleva desarrollando más de 100 años, cuenta con unas infraestructuras muy avanzadas en el territorio nacional y su almacenamiento es seguro, controlado y eficiente. El consumo de gas natural, utilizado como principal combustible en un sistema bifuel con motor de ciclo diésel, es ligeramente menor que el consumo con la tecnología actual, costando bastante menos rellenar los tanques ya que el precio del gasóleo es casi el doble. En cuanto a la contaminación, el gas natural es el combustible fósil más respetuoso con el medio ambiente, ya que, debido a su menor contenido en carbono disminuye las emisiones contaminantes de monóxidos de carbono (CO), dióxidos de carbono CO2 y de óxidos de nitrógeno NOx. Para demostrar que estas premisas son ciertas, se aplican a la práctica en un trayecto real. El trayecto elegido es el que recorre las ciudades Santander y Oviedo. Este trayecto de ida y vuelta es recorrido dos veces diarias por una locomotora de la Serie 2700 UTDH, la cual está compuesta por dos cabezas tractoras equipadas con un motor de ciclo diésel MTU 0M 460 HLA-6H1800.R84 y que cuenta con 90 plazas para pasajeros. Aplicando la teoría a la práctica, el gas natural confirma su liderazgo ante su principal competidor el GLP, y seguido más de lejos por el hidrógeno, ratificando lo explicado anteriormente mediante cálculos empíricos. En resumen, las teorías de electrificación y la tecnología bifuel con hidrógeno quedan descartadas por el alto coste que supondrían, además que, en el caso del hidrógeno, no es una tecnología muy desarrollada por lo que ahora es arriesgado aplicarla a los motores diésel de alta potencia. En cuanto al GLP, tienen unas caracteristicas muy cercanas al gas natural, pero son más contaminantes y provienen del petróleo, puntos clave a la hora de elegir el combustible alternativo para la tecnología bifuel que se propone en este trabajo. Por lo tanto, se demuestra, en la medida de lo posible, que el gas natural licuado, junto con una pequeña fracción de gasóleo, es la mejor opción para su uso en motores de ciclo diésel adaptados para la tecnología bifuel.Abstract: The current challenge of world society is to continue growing in all areas in a respectful way with the environment. That is, keeping natural resources in good condition by applying realistic and transitional policies, towards more sustainable models. One of the sectors with the most GHG emissions (greenhouse effect gases) is transport. Within transport there are different modalities, among them is the railroad, one of the most efficient means of transport in the present. Currently, derived from numerous European and world summits, several directives have been referred to our country in terms of reducing GHG emissions, especially in transport sector. These regulations come to say that a transition must be made in conventional combustion engines to using alternative fuels in them, keeping the same capability and improving the GHG emissions. In Spain exist almost 12.000 km of railways that are administered by ADIF, a public agent. Within the total, around 5.000 km are not electrified in which locomotives powered by diesel engines move. The objective of this project is to demonstrate that the combustible gases can be a viable alternative to using diesel as a main fuel for rail transport. In the first moment, two possible ways were taken into account: the electrification of the railways that are not and the use of alternative combustibles. Then the electrification was discarded because the costs would be too high, around 500.000 euros per kilometre. In the second option three gases were chosen for study them: liquefied natural gas, liquefied gases from petroleum and hydrogen. The most of the sources consulted by this project concluded that in the diesel engines with bifuel technology is necessary a little diesel injection to get a correct ignition of the mixture. That is because if all it is replaced by gas, it is impossible to get the ignition in the correct way. The following distributions of the fuels was agreed by this project: 80% alternative gas fuel and 20% gasoil fuel. Every combustible was analysed by the following criteria: chemical and technical fuel characteristics, world resources and security of supply, hybridization capacity, storage and transport security, consumption and contamination. The natural gas is postulated like the best to replace gasoil in the traditional engines. Nowadays, the natural gas is obtained independently of petroleum and its proved reserves in the world are growing in each update of the official numbers. The technical benefits are very similar of that gasoil and the adaptation costs are acceptable because they are around 5.000 euros in the worsts of the cases. The natural gas has a technology that has been developed for over 100 years, it has a very advanced infrastructures around the national field and its storing is safe, controlled and efficiency. The consumption of natural gas, used as the principal combustible in a bifuel system in a diesel engine, is lightly less than the consumption with the actual technology, and the costs from tank filling is less to because the cost of gasoil per litre is near of two times the cost per litre of natural gas. In terms of pollution, natural gas is the most environmentally friendly fossil fuel, since, due to its lower carbon content, the pollutant emissions of carbon monoxides (CO), carbon dioxide (CO2) and oxides of nitrogen (NOX). To demonstrate that these premises are true, they apply to practice in a real case. The way chosen is one that connects Santander with Oviedo. This route is done twice a day by a Serie 2700 UTDH locomotive from RENFE, which is composed by two tractor units equipped with an MTU 0M 460 HLA-6H1800.R84 diesel engine and it has 90 seats for passengers. Applying the theory to a real case, natural gas confirms its leadership before its main competitor: liquefied petroleum gases, followed far by hydrogen, affirming the above explained by empirical calculations. In resume, the electrification theory and the bifuel technology by hydrogen are discarded because their high costs and, in addition, in the case of the hydrogen, it is not currently a develop technology so it is risky to apply it in large diesel engines. As for LPG, it has characteristics very close to natural gas, but it is more polluting and comes from oil, key points when choosing the alternative fuel for bifuel technology proposed in this project. Therefore, it is demonstrated, as far as possible, that liquefied natural gas, together with a small fraction of diesel, is the best option for use in diesel-cycle engines adapted for bifuel technology.Grado en Ingeniería de los Recursos Energético

Análisis de implementación de amoníaco como combustible para la propulsión de buques mercantes

[Resumen] En la actualidad, las restricciones impuestas por la Organización Marítima Internacional (OMI) sobre las emisiones producidas por los buques mercantes, especialmente en determinadas zonas como las ECA (Emission Control Areas), son cada vez más estrictas. El amoníaco o NH3 se perfila como una alternativa viable a los combustibles fósiles en un futuro próximo, permitiendo proyectar una descarbonización del transporte marítimo gracias a la posibilidad de ser producido de forma renovable, no contener azufre en su composición y permitir una combustión más limpia, si se controla adecuadamente. Muchas grandes empresas del sector naval, sean navieras, astilleros o compañías dedicadas a la propulsión marina, ya se encuentran actualmente trabajando en este tipo de tecnología para adelantarse a las mencionadas normativas sobre emisiones de la OMI, planteando distintas estrategias para abordar las necesidades del uso de esta sustancia como combustible. Además, existen ya numerosas publicaciones científicas que resaltan la importancia de esta sustancia como combustible de transición y proporcionan las claves para entender su proceso de combustión, las diferentes aproximaciones a su uso en motores de combustión interna y el camino que está siguiendo esta tecnología. En el presente documento se busca analizar las características de esta sustancia como combustible, sus ventajas e inconvenientes y sus antecedentes históricos, además de las iniciativas en desarrollo hoy en día o las alternativas al motor de combustión interna tradicional, como la pila de combustible. Por último, se plantea la adaptación de un equipo propulsor diésel existente al consumo de amoníaco junto con la instalación de un sistema de almacenamiento y suministro de combustible, pensado como un estudio de caso que evidencie la viabilidad de la propulsión mediante motores de NH3.[Abstract] Nowadays, the restrictions imposed by the International Maritime Organization (IMO) over the emissions produced by merchant ships, especially in certain areas such as the ECAs (Emission Control Areas), are increasingly strict. Ammonia or NH3 is emerging as a viable alternative to fossil fuels in the near future, making possible to project a decarbonization of maritime transport thanks to the possibility of it being produced in a renewable way, not containing sulfur in its composition and allowing cleaner combustion, if it is properly controlled. Many large companies in the naval sector, whether shipping ones, shipyards or corporations dedicated to marine propulsion, are currently working on this type of technology to anticipate the aforementioned IMO regulations on emissions, proposing different strategies to address the needs of the use of this substance as fuel. In addition, there are already numerous scientific publications that highlight the importance of this substance as a transition fuel and provide the keys to understand its combustion process, the different approaches to its use in internal combustion engines and the path that this technology is following. This document seeks to analyze the characteristics of this substance as a fuel, its advantages and disadvantages and its historical background, as well as the initiatives under development today or the alternatives to the traditional internal combustion engine, such as the fuel cell. Finally, the adaptation of existing diesel propulsion equipment to ammonia consumption is proposed together with the installation of a fuel storage and supply system, conceived as a case study that demonstrates the viability of propulsion using NH3 engines.[Resumo] Na actualidade, as restriccións impostas pola Organización Marítima Internacional (OMI) sobre as emisións producidas polos buques mercantes, especialmente en determinadas zonas coma as ECA (Emission Control Areas), son cada vez máis estritas. O amoníaco ou NH3 perfílase coma unha alternativa viable aos combustibles fósiles nun futuro próximo, permitindo proxectar unha descarbonización do transporte marítimo grazas á posibilidade de ser producido de forma renovable, non conter xofre na súa composición e permitir unha combustión máis limpa, de controlarse da forma axeitada. Moitas grandes empresas do sector naval, sexan navieiras, estaleiros ou compañías dedicadas á propulsión mariña, xa se encontran actualmente traballando neste tipo de tecnoloxía para adiantarse ás mencionadas normativas sobre emisións da OMI, planteando distintas estratexias para abordar as necesidades do uso desta substancia como combustible. Ademais, existen xa numerosas publicacións científicas que resaltan a importancia desta substancia como combustible de transición e proporcionan as claves para entender o seu proceso de combustión, as diferentes aproximacións ao seu uso en motores de combustión interna e o camiño que está a seguir esta tecnoloxía. No presente documento procúrase analizar as características desta sustancia como combustible, as súas vantaxes e inconvenientes e os seus antecedentes históricos, ademais das iniciativas en desenvolvemento hoxe en día ou as alternativas ao motor de combustión interna tradicional, coma a pila de combustible. Por último, plantéase a adaptación dun equipo propulsor diésel existente ao consumo de amoníaco xunto ca instalación dun sistema de almacenamento e subministración de combustible, pensado como un estudo de caso que evidencie a viabilidade da propulsión mediante motores de NH3.Traballo fin de grao (UDC.ETSNEM). Tecnoloxías Mariñas. Enerxía e Propulsión. Curso 2022/202

Estudio del comportamiento de un vehículo monoplaza con el uso de hidrógeno como combustible suplementario

Introduction: The progressive scarcity of fossil fuels because of his high demand worldwide, in addition to generate the highest concentration of polluting gases that cause climate change and affect the health of human beings. Objective: the objective of this research is to analyze the feasibility of implementing a gaseous hydrogen generator as additional fuel in an internal combustion engine of a single-seater vehicle to demonstrate if there is an improvement in engine performance, fuel consumption and reduction of polluting gas emissions. Methodology: The methodology of this research is to perform an experimental campaign for the execution of functional tests on the three points to prove. Results: As a result of the implementation, in the first test there is a reduction of 1.6 HP of power and 3.01 Nm of torque, however, the second test about fuel consumption shows a saving of 14.13%, and in the last test describes the concentration of exhaust gases, similarly under dynamic conditions an average reduction is obtained of 0.73% CO2, 2.00 CO, 510.10 PPM and an increase of 1.67% O2. Conclusion: In comparison on the description of the manufacturers of the hydrogen generator, it is detailed that it improves engine power, reduces fuel consumption between a range of 20 to 40%, and likewise describe that can reduce 80% of polluting gases, for this reason, by means of this study those specifications were found to be invalid.Introducción: La progresiva escasez de los combustibles fósiles debido a su alta demanda a nivel mundial, además de generar la mayor concentración de gases contaminantes que causan cambios climáticos y afectan a la salud de los seres humanos. Objetivo: el objetivo de este estudio es analizar la factibilidad de implementar un generador de hidrógeno gaseoso como combustible adicional en un motor de combustión interna de un vehículo monoplaza para demostrar si existe una mejora en el rendimiento del motor, consumo de combustible y reducción de emisiones de gases contaminantes. Metodología: La metodología del trabajo es realizar una campaña experimental para la ejecución de las pruebas de funcionamiento sobre los tres puntos a demostrar. Resultados: Como resultado de la implementación, en el primer ensayo se tiene una reducción 1,6 HP de potencia y 3,01 Nm de torque, no obstante, el segundo ensayo sobre el consumo de combustible muestra un ahorro del 14,13% y en el último ensayo se describe la concentración de los gases de escape, de igual forma en condiciones dinámicas se obtiene una reducción promedio de 0,73% de CO2, 2,00 de CO, 510,10 PPM y un aumento de 1,67% de O2. Conclusión: En comparación a lo que describen los fabricantes del generador de hidrógeno, se detalla que mejora la potencia del motor, reduce el consumo de combustible entre un rango de 20 a 40%, y así mismo describen que es capaz de reducir un 80% de los gases contaminantes, por esta razón, mediante este estudio se comprobó que aquellas especificaciones no son válidas. Área de estudio general: Ingeniería Automotriz. Área de estudio específica: Motores de combustión

Validación experimental de la relación de compresión para varios combustibles a utilizar en un motor de combustión interna

El presente trabajo tiene como objetivo principal mostrar la concordancia existente entre la relación de compresión y el desempeño un motor de combustión interna. Se investigó acerca del desempeño y las características operacionales de los motores cuando se modifica el volumen de la cámara de combustión, el combustible y el régimen de operación, logrando fijar con cada combustible el rango de relaciones de compresión con el cual se ha registrado el mejor desempeño. Para los combustibles de encendido por compresión como el Diesel, se requiere una relación de compresión significativamente mayor a los combustibles de encendido provocado como la gasolina; al modificar la relación de compresión varía la presión y temperatura en la cámara de combustión, y el consumo de combustibl