Desarrollo e implementación de una metodología secuencial CFD-cinética química detallada para el análisis de la combustión HCCI y sus principales emisiones en motores estacionarios

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se presentan los resultados de la estructuración de una metodología secuencial para el análisis de la combustión HCCI y sus principales emisiones. La metodología consistió en la simulación del período de cruce de válvulas, la carrera de admisión y la carrera de compresión del motor mediante el programa ANSYS-Fluent. A partir de los anteriores resultados, el campo de temperatura obtenido durante la carrera de compresión en cada paso temporal fue discretizado en cuarenta zonas definidas por el valor máximo y mínimo de temperatura obtenido, implementándose una estrategia de reducción de zonas para describir la evolución de la temperatura y la distribución de la masa al interior del cilindro con sólo doce zonas, las cuales se usaron en el programa ChemkinPro, para describir la evolución de reactores cero-dimensionales de volumen variable que permiten modelar la ignición y el proceso de combustión (enfoque multizona), incluyendo un mecanismo de cinética química detallada para dar cuenta de las transformaciones químicas de la carga y la tasa a la cual se libera la energía contenida en el combustible. Para validar la metodología se modelaron diferentes condiciones de operación (dosado relativo y temperatura de admisión de la carga) del motor HCCI desarrollado por el grupo GASURE operando con biogás simulado a partir de mezclas 60% gas natural - 40% dióxido de carbono (porcentajes volumétricos). Los resultados numéricos fueron contrastados con los resultados experimentales, comparando tanto parámetros indicados como concentración de especies en las emisiones: monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y oxígeno. Así mismo, durante las simulaciones multizona se variaron algunos parámetros de interés que tienen gran influencia sobre los resultados numéricos con el fin de identificar tendencias que permitieran definir la forma en que deben modificarse dichos parámetros para tener una mejor ajuste de los resultados numéricos. A partir de las simulaciones de dinámica de fluidos computacional se logró observar el efecto de las variaciones de dosado relativo y de temperatura en la admisión sobre el campo de velocidades durante el proceso de admisión y compresión de la carga, teniéndose un efecto relevante sobre la forma en que se distribuye la carga durante la carrera de compresión. En relación con los resultados de la simulación multizona, se tiene buenos ajustes en los picos de presión y la predicción de los niveles de óxidos de nitrógeno, sin embargo, en la mayoría de los casos simulados se tiene una combustión mucho más corta y menores tasas de quemado del combustible, lo cual limita la precisión en la estimación de algunos parámetros indicados y en los niveles de emisiones de monóxido de carbono.