Contribución al estudio de la combustión a través del diagnóstico de la señal de presión en motores de encendido provocado

Abstract

In recent years, society has become increasingly concerned about the effects of climate change on human life. One of the biggest problems causing climate change is the increase in CO2 emissions. Among the causes of rising CO2 emissions is the production of energy from fossil fuels. A large part of final energy consumption is used in the transport sector. One option for reducing the impact of the transport sector on climate change is the decarbonisation of the sector. A possible alternative for the decarbonisation of the automotive sector is the use of new low or zero carbon fuels in reciprocating internal combustion engines. This option is interesting because it would take advantage of existing infrastructure and industry know-how in combustion engine technology. Hydrogen is one of the fuels with low or zero carbon content that could be used as a fuel in reciprocating internal combustion engines. Hydrogen does not generate CO2 in its combustion process and can be obtained by electrolysis of water using renewable energy with practically zero CO2 emissions. On the other hand, natural gas generates less CO2 emissions per unit of energy produced than conventional fuels (gasoil and gasoline). Moreover, it is possible to obtain fuels with similar properties to natural gas (such as biogas) with zero impact on CO2 emissions after combustion. However, the use of new fuels in internal combustion engines requires the adaptation of the current equipment and engines, as the properties of these fluids are different from those of conventional fuels. In the Recognised Research Group on Engines and Renewable Energies of the University of Valladolid, they have been working for years on the study of the combustion process in reciprocating internal combustion engines. In recent years they have carried out a research line focused on the study of premixed combustion in spark ignition engines applied to new fuels. Based on the above, this thesis focuses on making contributions to the research line, being the ultimate goal to generate knowledege about the combustion process under engine operating conditions. For that some combustion models based on the operating conditions of the engine are developed. These predictive models can be used as a complement to engine models to predict the performance of new engines running on new fuels. For the development of this thesis, experimental tests have been analysed in two different facilities with different engines running on different fuels. The experimental results have been processed by combining techniques developed in this thesis with existing methodology in the literature. The results have allowed to extend the knowledge about the combustion process in spark ignition engines and to improve the research line. They also show that it is possible to predict the combustion process in these engines from the operating conditions.

En los últimos años se ha visto incrementada la preocupación de la sociedad por los efectos del cambio climático en la vida de las personas. Uno de los mayores problemas causantes del cambio climático es el aumento de las emisiones de CO2. Entre las causas del aumento de las emisiones de CO2 está la obtención de energía a partir de combustibles fósiles. En el consumo de energía final, una gran parte se emplea en el sector transporte. Una opción para la reducción del efecto del sector transporte en el cambio climático es la descarbonización del sector. Una posible alternativa para la descarbonización del sector de la automoción es el uso de nuevos combustibles con bajo o nulo contenido en carbono en motores de combustión interna alternativos. Esta opción es interesante porque permitiría aprovechar la infraestructura actual y el conocimiento de la industria en la tecnología de los motores de combustión. Dentro del ámbito de los combustibles con bajo o nulo contenido en carbono el hidrógeno es un gas que podría utilizarse como combustible en motores de combustión interna alternativos. El hidrógeno en su proceso de combustión no genera CO2, además se puede obtener mediante electrólisis del agua empleando energía renovable con un impacto de emisiones de CO2 prácticamente nulo. Por otro lado, el gas natural genera menos emisiones de CO2 por unidad de energía producida que los combustibles convencionales (gasóleo y gasolina). Además, es posible obtener combustibles con propiedades similares al gas natural (como el biogas) cuyo impacto en emisiones de CO2 tras su combustión sea nulo. Sin embargo, el uso de nuevos combustibles en motores de combustión interna requiere la adaptación de los equipos y de los motores que actualmente se utilizan ya que las propiedades de estos fluidos son diferentes que las de los combustibles convencionales. En el Grupo de Investigación Reconocido de Motores y Energías Renovables de la Universidad de Valladolid llevan años trabajando en el estudio del proceso de combustión en motores de combustión interna alternativos. En los últimos años han llevado a cabo una línea de investigación centrada en el estudio de la combustión premezclada en motores de encendido provocado aplicada a nuevos combustibles. A la vista de lo expuesto anteriormente, esta tesis se centra en aportar contribuciones a la línea de investigación, siendo el objetivo último de esta predecir el proceso de combustión en función de las condiciones operativas del motor. Estos modelos predictivos pueden ser utilizados como complemento a modelos de motores para predecir prestaciones de nuevos motores funcionando con nuevos combustibles. Para el desarrollo de esta tesis se han analizado ensayos experimentales en dos instalaciones diferentes con diferentes motores funcionando con diferentes combustibles. Los resultados experimentales se han procesado combinando técnicas desarrolladas en esta tesis junto con metodología ya existente en la literatura. La metodología se centra en gran medida en el procesado de los registros de presión en cámara de combustión en motores de combustión interna alternativos para obtener información del proceso de combustión. Entre los resultados obtenidos se puede destacar que se ha conseguido relacionar la velocidad de combustión con variables termo fluido mecánicas que se dan dentro de la cámara de combustión. Los resultados han permitido ampliar el conocimiento sobre el proceso de combustión en motores de combustión interna alternativos y ampliar la línea de investigación. También ponen en relieve que es posible predecir el proceso de combustión en estos motores a partir de las condiciones de funcionamiento.