Este estudio analiza el efecto de la altitud sobre los parámetros característicos de la combustión y sobre la formación de óxidos de nitrógeno (NOx) en motores diésel. Se estudiaron motores de aspiración natural y motores turboalimentados con diferentes grados de turboalimentación.
Al incrementar la altitud se modifica la composición del aire atmosférico y disminuye su densidad debido a la disminución de la presión barométrica. Esto afecta la relación másica estequiométrica entre aire y combustible, por lo que el proceso de mezclado se modifica.
Se encontró que las variaciones observadas sobre el desarrollo de la combustión en los motores turboalimentados son casi imperceptibles. También se muestra que hay una reducción de las emisiones de NOx con la altitud, debida principalmente a la disminución de la temperatura adiabática de combustión.
Introducción al Efecto de la Altitud en Motores de Combustión Interna
La disminución de la presión y la temperatura atmosférica afecta la densidad del aire y su composición. Las variaciones de la densidad afectan a las prestaciones de los motores de combustión interna alternativos, ya que estos tienen sistemas de alimentación volumétricos, provocando una disminución de la presión en el cilindro a lo largo de todo el ciclo termodinámico y por tanto del rendimiento indicado.
Este efecto es mayor en motores de aspiración natural que en turboalimentados, tal como se revisa en la primera parte de este trabajo. Además, la densidad y concentración de oxígeno afectan a los fenómenos locales que intervienen en la combustión y en la formación de contaminantes.
Los procesos de formación del chorro (atomización, penetración y ángulo de apertura) y de arrastre de aire al interior del frente de llama se ven igualmente afectados y por tanto también lo estará el proceso de combustión.
Según Hiroyasu et al. (1989) y Arrègle (1998) a mayor densidad del gas en el cilindro corresponde un mayor tamaño medio de gotas en la atomización secundaria, a pesar del aumento de las fuerzas aerodinámicas. Esto se debe a que se produce una pérdida en la penetración del chorro que implica que éste sea más denso y por tanto, más sujeto a la coalescencia (choque entre diferentes gotas que dan lugar a la formación de gotas más grandes).
El ángulo de apertura del chorro aumenta con el incremento de densidad del gas en el cilindro (Abramovich, 1963; Arrègle, 1998; Correas, 1998).
Tiempo de Retraso y Características de la Llama
El tiempo de retraso, definido como el tiempo que transcurre desde que se inicia la inyección hasta que se inicia la combustión, incrementa con la altitud para motores de aspiración natural, mientras que para los turboalimentados apenas varía.
Según Lizhong et al., (1995), en los primeros, el inicio de la inyección ocurre en un medio con menor presión y temperatura, provocando retrasos más largos y en consecuencia mayores cargas mecánicas debido al elevado pico de presión de combustión rápida, mientras que en los turboalimentados no se ve afectado el retraso debido a que la menor contrapresión de escape favorece el incremento del régimen de giro de la turbina compensando en parte la disminución de la presión en el compresor.
Tanto la longitud característica de la llama (FL), definida como la distancia media al inyector en la que se desarrolla la llama (Turns, 1996), como el tiempo aparente de combustión (ACT), definido como el intervalo de tiempo requerido para preparar el combustible desde que es inyectado hasta que se quema a lo largo de todo el ciclo termodinámico (Fenollosa, 2003; Arrègle et al., 2003), se hacen más grandes a medida que disminuye la densidad del aire.
La separación de entrada (lift-off) es la distancia entre el inyector y el inicio de la llama en el chorro de combustible (Dec, 1997). Dicha distancia establece la frontera entre la parte inerte, en la que el aire es arrastrado hacia el interior del chorro, y la parte reactiva, en la que el aire no puede atravesar hacia el interior por consumirse en la propia llama.
Al disminuir la densidad del aire se produce un aumento de la separación de entrada, que permite un mayor flujo de entrada de aire al chorro, contribuyendo a una menor formación inicial de hollín. No obstante, este efecto se ve ampliamente contrarrestado por la disminución de la tasa de oxidación de hollín que provoca la menor densidad del aire (García, 2004).
Impacto de la Altitud en las Emisiones Contaminantes
Las emisiones contaminantes se ven afectadas con la altitud. El Southwest Research Institute realizó una serie de mediciones a principios de los años noventa con el fin de cuantificar las emisiones de motores diesel de trabajo pesado empleando un simulador de altitud de muestreo a volumen constante (CVS).
Human et al., (1990), encontraron que para una altura simulada en el CVS de 1850 msnm (metros sobre el nivel del mar), las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) se reducían en torno a un 10% respecto a 245 msnm, mientras que las de CO, HC, material particulado y aldehídos incrementaban en promedio entre 2 y 4 veces para un motor Caterpillar 3208 de aspiración natural y entre 1.2 y 2 veces para un motor Cummins NTCC-350 turboalimentado.
Las emisiones del motor turboalimentado se hacían iguales a las del naturalmente aspirado cuando dejaban fijo el inicio de la inyección.
Chaffin y Ullman (1994), obtuvieron una disminución en el par, tanto transitorio como estacionario a plena carga, cercano al 6,5% para una altura simulada en el CVS de 2160 msnm (Ciudad de México) respecto a 245 msnm, en un motor Detroit DDC serie 60 turboalimentado equipado con interenfriador (intercooler) y compensador para variaciones de presión barométrica.
Graboski y McCormick (1996) obtuvieron las mismas tendencias (incremento del material particulado, CO, HC y ninguna variación en las emisiones de NOx) sobre un motor Detroit DDC serie 60 turboalimentado, ensayado a 1600 msnm bajo el ciclo transitorio para motores de trabajo pesado recomendado por (Environmental Pollution Agency).
Chernich et al., (1991) reportaron un incremento promedio de un 30% en la opacidad de humos en la prueba de aceleración en vacío de 170 camiones seleccionados de manera aleatoria, al pasar de 0 a 1850 msnm. En motores que incluían control electrónico, el incremento fue inferior (en torno a 20%), mientras que Chaffin y Ullman (1994) reportaron aumentos en torno al 80% al pasar de 245 msnm a 2160 msnm.
Factores que Afectan la Formación de Óxidos de Nitrógeno (NOx)
Existen muchas variables que afectan a la formación y emisión de óxidos de nitrógeno en los motores diesel. Desantes et al., (1996) propusieron un método para distinguir el efecto independiente de cada variable de operación de un motor diesel sobre la formación y emisión de NOx. Corroboraron que los parámetros que más influían en la formación del óxido nítrico, con diferencia el más importante de los NOx, eran la disponibilidad de oxígeno en la llama y su temperatura.
Ambos parámetros se ven afectados con la altitud, por lo que la variación en las emisiones de NOx puede explicarse a partir de las tendencias de estos dos parámetros.
En vista de lo anterior, los fabricantes han desarrollado diversos métodos para compensar el efecto de la altitud sobre sus motores, tales como la implementación de la turbo-alimentación controlada mediante compuerta de descarga (waste-gate) o geometrías variables, o el uso de sensores barométricos que retroalimentan a la unidad de control electrónico para que actúe ajustando los parámetros de la inyección de combustible.
Asimismo, se han implementado algunos métodos de corrección por presión barométrica que no requieren el uso de sensores adicionales. Éstos utilizan algoritmos de cálculo basados en las ecuaciones de flujo compresible a través de una obstrucción. Las entradas al algoritmo se obtienen de los sensores existentes en el motor (Olin y Maloney, 1999).
Al incrementar la temperatura ambiente en 15ºC (de 22 a 37ºC) se producía un aumento en la concentración de NO cercana a 100 ppm, y un incremento en el dosado (relación másica combustible/ aire) en torno al 5%. La opacidad del humo incrementó simultáneamente con el aumento de la temperatura y la humedad absoluta, siendo este efecto más pronunciado para valores de alto dosado.
En el presente trabajo se cuantifican algunos de estos efectos y se hace una estimación del efecto de la altitud sobre parámetros característicos del proceso de combustión en motores diesel de aspiración natural y turboalimentados.
Planteamiento del Problema y Efecto de la Altitud
La altitud sobre el nivel del mar, z, tiene un efecto importante sobre las condiciones en las que se encuentra el aire y sobre su composición. Además de las variaciones de temperatura propias de las distintas capas de la atmósfera, la presión atmosférica disminuye a medida que aumenta la altitud del punto de medida, debido a la reducción del peso de la columna que soporta por encima, reducción que se debe tanto a la menor altura de la columna como a la menor densidad, r, del aire que la ocupa.
En un trabajo reciente (Lapuerta et al., 2005), se estima el efecto de la variación de la altitud sobre las prestaciones de motores de combustión interna alternativos, encontrando que la suposición de columna triangular es más apropiada que la de columna isoterma.
En cualquier caso, de los dos efectos que contribuyen a la disminución de la concentración de oxígeno con la altitud, el más importante es, con diferencia, el efecto de la presión.
En el presente trabajo se estudian los efectos de la altitud sobre distintos parámetros de demostrada importancia a la hora de analizar los procesos de mezcla y combustión y los procesos de formación de contaminantes, en el caso de los motores turboalimentados, bajo el supuesto de que disponen de los sistemas de control de la presión de admisión (compuerta de descarga, turbinas de geometría variable, etc.) necesarios para una recuperación completa de la potencia, tal y como se describe en la primera parte de este trabajo.
Efecto de la Altitud en la Relación Combustible-Aire
La reducción de la fracción molar de oxígeno con la altitud tiene como consecuencia una modificación de la relación másica estequiométrica entre aire y combustible en la combustión lo que provoca, cuando se someten a altas cotas, desajustes en la dosificación de los motores.
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