Estudio de chorros diesel usando mecánica de fluidos computacional

RESUMEN: En este trabajo se desarrolló un modelo numérico para simular los principales subprocesos que ocurren en un chorro diesel usando un código CDF de libre acceso. El modelo se validó comparando valores predichos de la penetración de la punta del chorro para el dimetil éter (DME) con datos experimentales reportados en la literatura y resultados obtenidos a partir de correlaciones empíricas. Una vez validado, el modelo se usó para evaluar el efecto del tipo de combustible, la presión de inyección y la presión del gas ambiente en la penetración de la punta del chorro, el diámetro medio de Sauter (SMD) y la masa de combustible evaporada. Las propiedades del fluido afectaron significativamente los procesos de atomización y vaporización y en menor medida la penetración del chorro. Independientemente de las presiones de inyección y del gas ambiente, el SMD incrementó con la viscosidad y la tensión superficial mientras la tasa de evaporación incrementó con la volatilidad del combustible. A bajas presiones del gas ambiente el proceso de vaporización fue altamente favorecido así como la penetración del chorro. Para ambos combustibles, a medida que la presión de inyección se incrementó el SMD disminuyó y la tasa de evaporación aumentó.ABSTRACT: In this work a numerical model for simulating the main sub-processes occurring in a fuel spray was developed using an open-source CFD code. The model was validated by comparing predicted dimethyl ether (DME) spray tip penetrations with experimental data reported in literature and some results obtained from empirical correlations. Once validated, the model was used for evaluating the effect of fuel type, injection pressure and ambient gas pressure on spray tip penetration, Sauter mean diameter (SMD) and evaporated fuel mass. Fuel properties significantly affected the atomization and evaporation processes and in a lesser extent spray fuel penetration. Regarding the injection and ambient gas pressures, the SMD increased with viscosity and surface tension while the evaporation rate increased with fuel volatility. At low ambient gas pressures the evaporation process was highly favored as well as the spray penetration. For both fuels, as injection pressure increased the SMD decreased and the evaporation rate increased

Análisis energético y exergético de un motor diesel de automoción operando en diferentes altitudes

RESUMEN: La densidad del aire disminuye con el aumento de la altitud sobre el nivel del mar, este aspecto afecta el proceso de combustión, la formación de emisiones contaminantes y por tanto el desempeño del motor. En este trabajo se presenta el diagnóstico del proceso de combustión de un motor diesel de automoción turbo-alimentado, mediante la medición de presión en cámara operando en tres alturas diferentes sobre el nivel del mar, bajo condiciones estacionarias, utilizando diesel convencional (acpm) como combustible. A medida que aumenta la altura sobre el nivel del mar se incrementa la relación combustible/aire (mezcla más rica) y con ello el consumo específico de combustible, la duración de la combustión, la combustión en fase premezclada, la temperatura máxima, el calor transferido a los gases y la exergía destruida, mientras que el rendimiento térmico efectivo del motor, la presión máxima y la exergía en el cilindro disminuyen. Sin embargo, la eficiencia mecánica y el tiempo de inyección se mantienen aproximadamente constantes. Las diferencias encontradas en la exergía destruida se deben a las variaciones del proceso de combustión, ya que no se encontraron efectos significativos en las carreras de compresión y expansión. La mayor irreversibilidad debida al aumento de la altura se debe a la baja calidad de la energía de los gases de escape.ABSTRACT: Altitude above sea level produces a reduction in air density affecting the combustion process, pollutant emissions, and engine performance. In this work the combustion diagnosis of an automotive turbocharged diesel engine was carried out from in-cylinder pressure signal. Tests were performed at three altitudes above sea level, under steady state operating conditions, using conventional diesel fuel. As altitude above sea level increased, the fuel/air mixture became richer. The brake specific fuel consumption, combustion duration, premixed combustion phase, maximum temperature, heat rejected to the gases and exergy destruction were also increased; at the same time, brake thermal efficiency, maximum in-cylinder pressure and in-cylinder exergy decreased. Mechanical efficiency and injection timing remained approximately invariable. Exergy destruction differences were caused by the combustion process, without significant effects during compression and expansion. The greater irreversibility resulting from altitude increase was linked with the lower energy quality of the exhaust gases

Exergy diagnosis of the combustion process in a Diesel engine

RESUMEN: En este trabajo se desarrolla un modelo de diagnóstico exergético de una zona y dos especies, y se aplica para caracterizar la operación de un motor diesel. El modelo permite estudiar el proceso en el interior del cilindro durante el período de válvulas cerradas y determinar cómo se distribuye la exergía y cuál es el potencial exergético de las pérdidas. La experimentación se realizó en un motor diesel de automoción turboalimentado, de inyección directa montado en un banco de ensayos, operando bajo diferentes grados de carga. El diagnostico de combustión se realizó a partir de la presión instantánea en la cámara de combustión y se midieron y controlaron las principales variables de funcionamiento del motor para garantizar estado estacionario. Se determinaron las irreversibilidades y la distribución de la exergía a lo largo del proceso, encontrando que la combustión es la principal fuente de irreversibilidades. Los resultados mostraron que al aumentar el grado de carga disminuye la destrucción de exergía, lo cual se traduce principalmente en un aumento de la exergía de los gases de escape. Adicionalmente se identificó el potencial de cogeneración del motor, mostrando diferencias significativas entre los resultados de primera y segunda ley.ABSTRACT: In this work a single-zone and two-species exergy diagnosis model is developed and applied for characterizing the operation of a diesel engine from a secondlaw standpoint. The model allows to study the in-cylinder process during the closed-valve period, and to determine how the exergy is distributed and what is the exergy potential of the losses. Experiments were carried out in a test bed equipped with an automotive, direct injection, turbocharged diesel engine operating at several loads. Combustion diagnosis was made from instantaneous in-cylinder pressure signal and the main operation parameters of the engine were measured in order to guarantee steady state. Irreversibilities and exergy distribution throughout the process were determined. It was found that combustion is the main source of irreversibilities. Results show that exergy destruction decreases as load increases, which mainly led to an increase in the exergy of exhaust gases. Additionally, the cogeneration potential of the engine was identified, exhibiting significant differences between first and second-law results

Efecto de la altitud en el análisis termoeconómico de un sistema de cogeneración

RESUMEN: Se estima el efecto de la altitud sobre el diagnóstico termoeconómico de un sistema de cogeneración con turbina de gas. Para aislar este efecto se mantuvo constante la relación másica aire-combustible en la cámara de combustión. La variación de las condiciones del ambiente con la altitud se realizó por medio de un modelo hidrostático, considerando el aire como gas ideal y asumiendo variación lineal de la temperatura. Las condiciones del estado muerto se tomaron tanto constantes como variables para efectos de comparación. Al incrementar la altitud disminuye la densidad del aire, causando una caída de potencia en el sistema de aproximadamente 20%. Se encontró que ésta es la principal causa de disminución de la tasa de costo asociada al producto total. El costo exergético unitario del producto del sistema se incrementa cerca de 3% a 3000 metros sobre el nivel del mar (msnm), lo que significa que a mayor altitud cuesta más producir cada unidad de potencia

Análisis experimental de la combustión de un motor diésel de automoción operando con mezclas diésel-biodiésel de palma

RESUMEN: Debido a las diferencias entre los combustibles diesel y biodiesel en cuanto a estructura química, se derivan diferencias entre las propiedades físicas de éstos, afectando con ello el proceso de combustión en el motor. En este trabajo se aplica un modelo de diagnóstico del proceso de combustión a un motor diesel de automoción turboalimentado operando con biodiesel puro, diesel convencional (acpm) y mezclas al 20 y 50% en volumen (B20 y B50 respectivamente), operando a la misma potencia para estudiar solo el efecto del combustible, las pruebas se realizaron sin ninguna modificación en el motor ni en el sistema de inyección de combustible. En el estudio experimental y de diagnóstico se observó que a medida que aumentaba la concentración de biodiesel en la mezcla se obtuvo una ligera reducción de la relación combustible/aire (0.39 para B0, y 0.37 para B100), en el avance de la inyección y en el inicio de la combustión. Además disminuyeron la eficiencia térmica efectiva, la duración de la combustión, la temperatura media máxima en el interior del cilindro, la temperatura de los gases a la salida de la válvula de escape y la eficiencia de los gases de escape; mientras que la presión máxima, la tasa de exergía destruida y el consumo específico de combustible aumentaron.ABSTARCT: Differences in the chemical nature between petroleum diesel fuels and vegetable oils-based fuels lead to differences in their physical properties affecting the combustion process inside the engine. In this work a detailed combustion diagnosis was applied to a turbocharged automotive diesel engine operating with neat palm oil biodiesel (POB), No. 2 diesel fuel and their blends at 20 and 50% POB by volume (B20 and B50 respectively). To isolate the fuel effect, tests were executed at constant power output without carrying out any modification of the engine or its fuel injection system. As the POB content in the blend increased, there was a slight reduction in the fuel/air equivalence ratio from 0.39 (B0) to 0.37 (B100), an advance of injection timing and of start of combustion. Additionally, brake thermal efficiency, combustion duration, maximum mean temperature, temperature at exhaust valve opening and exhaust gas efficiency decreased; while the peak pressure, exergy destruction rate and specific fuel consumption increased. With diesel fuel and the blends B20 and B50 the same combustion stages were noticed. However, as a consequence of the differences pointed out, the thermal history of the process was affected. The diffusion combustion stage became larger with POB content. For B100 no premixed stage was observed

Evaluación de las emisiones de óxidos de nitrógeno y la opacidad de humos en un motor diesel operando con biodiesel de aceite de palma puro

RESUMEN: En este artículo se presenta un estudio experimental evaluando las prestaciones mecánicas, las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y la opacidad de humos de un motor diesel de alta velocidad e inyección directa operando con biodiesel de palma puro. Las pruebas se llevaron a cabo en un motor de automoción montado en un banco de ensayos y operando bajo condiciones estacionarias. Como línea base o combustible de referencia se tomó combustible diesel convencional. Los resultados indican que la utilización del biodiesel de palma, operando el motor a condiciones de plena carga, condujo a una disminución de potencia entre 10% y 17% y a un aumento en el consumo de combustible entre 14% y 22%. A plena carga y bajos regímenes de giro se midió un incremento en los óxidos de nitrógeno en torno a 20%. Sin embargo, bajo las mismas condiciones de carga y altas velocidades del motor se obtuvo una disminución del 6%. A carga parcial siempre se obtuvieron incrementos en las emisiones de NOx al usar biodiesel de palma, siendo más pronunciado el efecto a bajo régimen de giro. Por su parte, la opacidad de humos disminuyó significativamente (entre 40% y 80%) independiente del grado de carga. De acuerdo con los resultados experimentales, el uso del biodiesel de aceite puro de palma disminuyó la potencia entregada por el motor, aumentó el consumo de combustible, incrementó ligeramente la eficiencia, disminuyó siempre la opacidad de humos, y disminuyó o aumentó las emisiones de óxidos de nitrógeno dependiendo del modo de operación del motor.ABSTRACT: In this paper, an experimental study evaluating engine performance, nitrogen oxide emissions (NOx) and smoke opacity of a HSDI (high speed direct injection) diesel engine fuelled with neat palm oil biodiesel (POB) is presented. Tests were performed in a bench-mounted automotive diesel engine operating under steady state conditions. Conventional diesel fuel was taken as base line or reference fuel. Results show that at full-load operation POB led to a power output decrease between 10% and 17% and an effective specific fuel consumption increase between 14% and 22%. At full-load and low engine speeds an increase of 20% in NOx emissions was measured. However, at the same torque rating and high engine speeds a 6% decrease in such emissions was obtained. At partial-load, NOx emissions always increased using POB, this effect being more pronounced at low speeds. On the other hand, smoke opacity significantly decreased (between 40% and 80%) regardless of engine load. According to the experimental results POB fuelling reduced engine power output, increased fuel consumption, increased slightly efficiency, always decreased smoke opacity, and reduced or increased NOx emissions depending on the engine operation mode

Control desacoplado para bancos de ensayo para investigación en motores de combustión interna

RESUMEN: This article presents a solid and robust automation model which has been developed and implemented in two different research engine test beds which were instrumented, one for diesel and the other one for spark ignition engines. The model, programmed in Matlab, is based on transfer functions with a decoupled (two single input single output systems) independent proportional and integral action controller that allows setting the desired engine speed and torque under stationary operation conditions. It was implemented in a Freescale HC08 family microcontroller external to the PC in order to avoid the risk of losing control during undesirable communication delays on the computer. The model has been validated in a wide range of engine operating modes, from low to high speeds and loads showing a good response. The first order transfer functions with delay have proven to be a good approximation even during the nonlinearities caused by turbocharger and electronic control unit incorporated in the engines. This low cost automation system has been tested for the last three years in a university engine laboratory showing a good performance.ABSTRACT: En este artículo se presenta un modelo de automatización sólido y robusto, que ha sido desarrollado e implementado en bancos de ensayo debidamente instrumentados, usados para investigación tanto en motores diesel como de encendido por chispa. El modelo, programado en Matlab, está basado en funciones de transferencia con un controlador proporcional e integral desacoplado (dos sistemas de una entrada y una salida) que permite fijar las condiciones de operación estacionarias de régimen y par motor deseadas. El modelo se implementó en un microcontrolador de la familia Freescale HC08 externo al computador, con el objeto de evitar el riesgo de pérdida del control por eventuales retardos en la comunicación con el computador. El modelo ha sido validado en un amplio rango de modos de operación que van desde bajas hasta elevadas velocidades y cargas mostrando una respuesta apropiada. El uso de funciones de transferencia de primer orden con retardo probó ser una buena aproximación aún en presencia de las no linealidades generadas por el turbocompresor y la unidad de control electrónica de los motores. Este sistema de automatización de bajo costo ha sido probado durante los últimos tres años en un laboratorio de motores universitario mostrando excelente desempeño

La lubricidad de las mezclas etanol-gasolina

RESUMEN: En este trabajo se midió la lubricidad de varias mezclas etanol (hidratado o anhidro) / gasolina usando un equipo HFRR convencional. Las pruebas se efectuaron a 25 ºC sin control de la presión de vapor del agua, de acuerdo con la norma ASTM D6079. De acuerdo con los resultados obtenidos el rango de variación del diámetro medio de la huella de desgaste fue pequeño entre los combustibles probados, indicando que la adición de etanol, anhidro o hidratado, no impacta signifi cativamente la lubricidad de la mezcla. La adición de etanol hidratado (96% v/v) mejoró ligeramente la lubricidad de la mezcla en comparación con la adición de etanol anhidro. Los mayores diámetros medios de la huella de desgaste, menores películas de fl uido y mayores coefi cientes de fricción obtenidos para todos los combustibles probados, en comparación con los valores típicos de los combustibles diesel, indican la necesidad de usar aditivos de lubricidad cuando se usen mezclas etanol/gasolina en nuevas tecnologías de motor que requieran mayores presiones en el sistema de inyección de combustible.ABSTRACT: In this work the lubricity of several ethanol (hydrated or anhydrous) / gasoline fuel blends was measured by using a conventional HFRR tester. Tests were carried out at 25ºC with no water vapour pressure control, according to the ASTM D6079 standard. According to the results the range of variation of the mean wear scar diameter was small among tested fuels in the range E-20 to E-85, indicating that the addition of ethanol, anhydrous or hydrated, did not impact signifi cantly blend lubricity. The addition of hydrated ethanol (96% v/v) slightly improved blend lubricity in comparison with the addition of anhydrous ethanol. The higher mean wear scar diameters, lower fl uid fi lm traces and higher friction coeffi cients obtained for all tested fuels, in comparison with the typical values for diesel fuels, indicate the necessity of using lubricity additives when gasoline or ethanol / gasoline blends are used in new engine technologies requiring higher pressures in the fuel injection system

Biomass gasification process: theoretical and experimental studies a review

RESUMEN: La situación energética y medioambiental mundial hace que la generación de energía mediante sistemas basados en energías renovables tome cada vez una mayor relevancia. Estos sistemas tienen una doble ventaja ya que posibilitan la diversificación energética y reducen la dependencia del petróleo a la vez que se disminuyen las emisiones globales de CO2 La biomasa es uno de los recursos energéticos con mayor potencial tanto en países desarrollados como emergentes pero sigue sin sufrir el desarrollo esperado. La gasificación de biomasa es uno de los sistemas con gran potencial ya que permite la generación tanto de energía térmica como eléctrica, mediante tecnologías de bajo costo como los gasificadores de lecho fijo (potencias medias – bajas), o reactores de lecho fluidizado con tecnología más exigente y con mayor capacidad de generación. La transformación de la biomasa en un combustible gaseoso, aprovechable en motores de combustión interna alternativos o en turbinas de gas como combustible, exige que la biomasa atraviese varios procesos termoquímicos, compuestos por reacciones endotérmicas (secado, devolatilización y reducción) y exotérmicas (oxidación de volátiles y carbón). La selección de un gasificador requiere conocer las propiedades de la biomasa, mientras que el diseño del mismo exige conocer el fenómeno termoquímico por completo. El objetivo de este trabajo es presentar una revisión actualizada de los diferentes planteamientos tanto teóricos como experimentales desarrollados para estudiar el proceso de gasificación de biomasa, tanto en lecho fijo como en lecho fluidizado, con miras a diseñar gasificadores de biomasa.ABSTRACT: Each day the energy systems relying on renewable resources are more relevant in the world energy politics due to the fossil energy and environmental crisis. These systems increase energy resources of countries, reduce the oil dependency, and diminish CO2 global emissions. Biomass is one of the renewable resources with higher potential in developing and developed countries. Biomass gasification has huge possibilities to be developed. Such as fixed bed gasifiers, or fluidized bed reactors with more technology demanding and more power capacity. Biomass transformation in a gaseous fuel to be used in a reciprocating internal combustion engine or gas turbines requires that biomass passes through several thermochemical stages. Endothermic reactions (drying, pyrolysis and reduction) and exothermic process (volatiles and carbon oxidation). To select a specific gasifier it is necessary to know biomass properties (chemical and physical), whereas to design a reactor it is necessary to know and understand the complete phenomena. The aim of this work is to show an actualized review about different theoretical and experimental approaches to study biomass gaification process in fixed and fluidized bed reactors in order to design biomass gasifiers

Dinámica de fluidos computacional aplicada al estudio de regeneradores térmicos

RESUMEN: En el presente artículo, muestra los resultados logrados durante la simulación de un regenerador térmico de lecho poroso empacado, sometido a convección forzada transitoria y su respectiva verificación experimental. Para visualizar la aplicación de la Dinámica de Fluidos Computacional (en inglés Computational Fluid Dynamics, CFD) en regeneradores de calor, se realiza un estudio detallado de los elementos que conforman la malla; analizando su distribución, tamaño y respectivo efecto sobre la precisión de los resultados. Se establecen las simplificaciones y alcances de los modelos empleados. Se comprueba la veracidad de los resultados obtenidos, mediante la validación experimental de estos en un modelo físico idéntico al empleado durante la simulación. Estas etapas permitieron observar que el comportamiento exponencial de la temperatura en los elementos empacados durante el periodo de calentamiento, fue idéntico al observado por Mejía. Los resultados obtenidos aquí, verifican la capacidad de la CFD para el estudio de los regeneradores térmicos.ABSTARCT: In this article, results obtained by simulating a packed bed under unsteady forced convection and their experimental verification are shown. To visualize Computational Fluid Dynamics (CFD) application in thermal regenerators, a detailed study of mesh conformating elements is done by analyzing distribution, size and effect on precision results. Additionally, simplifications and bounds of the study are established. Finally, results accuracy is corroborated by experimental validation in a physical model like the simulated one. After following these steps, it is observed that packed solids temperature has an exponentially behavior identical to observed by Mejía in his previous work. Regarding simulation results obtained by this work, CFD ability to study packed beds under unsteady forced convection is verified