DME HCCI trabajo

8/6/2019 DME HCCI trabajo

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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERUUSO DEL DIMETIL ETER EN UN MOTOR HCCI

Eder Acasiete, Jorge Bouroncle, Luis Huamanyauri, Miguel ValverdeUniversidad Tecnolgica del Per, Facultad de ingeniera automotriz, aeronutica, mecnica y

software, Lima 01, Per, 2010

1. IntroduccinDebido a los estudios hechos por especialistas en todo el mundo se determin el tiempo

de existencia del combustible fsil: el petrleo; el tiempo de explotacin de este

combustible no sobrepasar de los 50 aos. Este y sus derivados aportaron mucho tanto

positivamente, como negativamente en la existencia del hombre. Pero como se quiere el

bienestar de la vida humana, se toma en cuenta la parte negativa: la contaminacin

producida en base al uso de este combustible, especficamente en el sector automotriz, a

los efectos negativos que produce la combustin de los cientos de miles de vehculos

(tanto a Otto como Diesel) al medio ambiente.De lo mencionado se debe resaltar dos problemas en base al petrleo:

Este combustible fsil le queda poco tiempo de explotacin a nivel mundial. Este combustible fsil y sus derivados estn contaminado el medio ambiente en que

vivimos.

En base a estos dos problemas se est buscando medidas para sustituir al combustiblefsil con otros combustibles alternativos (hidrogeno, biodiesel, alcoholes, etc.), y

tambin se estn buscando nuevos tipos de motores que sean ms eficientes y que elnivel de contaminacin sea menor que los motores convencionales.En consecuencia, en el presente trabajo se enfocara en un combustible alternativo (Dimetil ter)

acompaado de un nuevo motor (HCCI), donde se observar y analizar estos dos nuevos

componentes para el uso en vehculos y as tomar juicio acerca de los efectos de estacombinacin mquina-combustible.

2. Motor de carga homognea encendida por compresin (HCCI)2.1.Generalidades

Este tipo de motor fusiona a los convencionales motores Otto y Diesel en el cual se encuentra en

observacin por todos los grupos de investigacin en el mundo. La forma de como el HCCI

combina a los motores ya mencionados es como sigue: Por la parte del motor Otto se usa la

carga homognea caracterstica de este tipo de motores. Por la parte del motor Diesel se usa la

alta relacin de compresin. Todo esto ocurre sin la necesidad de usar chispa como en el motor

Otto.

La carga homognea proveniente del ducto de admisin entra a la cmara de combustin, y conla ayuda de la alta compresin, la mescla homognea aire-combustible explota de forma

homognea al mismo tiempo en todo el volumen de combustin transformando as gran parte de

energa qumica en energa mecnica, en otras palabas, mejora su eficiencia. Por otro lado,

como la mescla es homognea y combustiona gran parte de ella, el proceso de combustin ser

rpido, habr una elevada presin, pero la temperatura no ser tan alta, en consecuencia, la

presencia de NOx, caracterstico de elevadas temperaturas en motores Otto, ser menor. La

cantidad de partculas madre (PM) disminuir ya que esta esta se produce en las zonas de

mesclas ricas en los motores diesel. As como se mencionaron las ventajas del HCCI, esta

tambin presenta desventajas como el limitado rango de combustin y la ausencia de control del


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3.Di il DME

3.1.Generali adesEntB

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G icos que tienen posibilidades para el futuro, existe unaalternatiH a especialmente prometedora: el DME (dimetil ter). Aunque este combustible

requiere una mayor adaptaciF

n de la infraestructura para convertirse en una posibilidad

realmente viable. La buena noticia es que tiene un ciclo totalmente libre de los aspectos msperjudiciales para el entorno como detallaremos mas adelante.

Marcas como Volvo empezaron un proceso de investiG

aciF

n y experimentaciF

n de este

combustible como lo explican en su revista: Lo que hace al DME tan viable es que tiene unproceso de combusti

F

n muy limpio. Desde la producciF

n hasta el consumo, lo que siG

nifica quedesde que se produce hasta que se quema en el motor, el DME es el combustible ms eficiente

que tenemos. Comparado con el biodiesel, permite recorrer una distancia cinco veces mayor que

con la misma superficie de cultivo destinada a producir biodiesel

A lo largo de este informe detallaremos sus antecedentes, propiedades y aplicaciones

dentro de los motores convencionales y del motor HCC .

3. .ProduccionEl dimetil ter (DME) es un compuesto orgnico cuya frmula es CH3OCH3. La forma ms

sencilla ter, que es un gas incoloro que es un precursor til para otros compuestos orgnicos y

propulsor de aerosoles. Cuando se quema, eldimetil ter produce un mnimo de NOx y CO, HC,aunque la formacin de holln es significativa. DME puede actuar como un combustible limpio

cuando se quema en los motores correctamente optimizado para DME.Hoy en da, el DME es producido principalmente porla conversin de hidrocarburos de origen a

partir de gas natural o el carbn a travs de la gasificacin de gas de sntesis (syngas). El gas desntesis se convierte en metanol en presencia de un catalizador (generalmente a base de cobre),

con deshidratacin posterior metanol en presencia de un catalizador diferente (por ejemplo,

slice-almina), resultando en la produccin de DME. Segn lo descrito, se trata de una de dospasos (sntesis indirecta) proceso que se inicia con la sntesis de metanol y termina con la

sntesis de DME (deshidratacin del metanol). Puede ser el mismo proceso llevado a cabo

utilizando los residuos orgnicos o biomasa. Alrededor de 50.000 toneladas se produjeron en1985 en Europa Occidental con el proceso de deshidratacin del metanol. Por otra parte, el

DME puede producirse por sntesis directa, utilizando un sistema de catalizador dual que

permite tanto la sntesis del metanol y la deshidratacin en la unidad de un mismo proceso, sinmetanol aislamiento y purificacin, un procedimiento que, mediante la eliminacin de la etapa

de sntesis del metanolintermedios.


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G I CA S P L V P Q U3.3.Propiedades

3.4.Analisis de las Propiedades delDMEEl dimetil-tertambin es conocido como metoximetano, oxibismetano, metil ter osimplemente como DME. A temperatura y presin ambientes es un gas incoloro con un ligeroolor a ter. Es un combustible estable, pero no debe ser mezclado con oxidantes fuertes ni con

cidos ni halgenos tambin fuertes. Su frmula qumica es C2H6O pero se trata de un ter y

no debe confundirse con el etanol, puesto que tienen la misma frmula qumica.

El alto contenido de oxgeno del 34.8% (de la masa) unido a la baja temperatura deautoignicin (623 K) son buenas caractersticas para minimizarlas emisiones de holln y de

hidrocarburos inquemados (HC) cuando el DME se quema.

El dimetil-tertiene un ratio de expansin trmica elevado, que implica reservar un porcentaje

del volumen de almacenaje para compensarlas expansiones debidas a las fluctuaciones detemperaturas. Tambin tiene una compresibilidad mayor, incluso en estado lquido, que otroscombustibles como el gasleo.

Las diferencias entre el gasleo y el DME son, que la densidad del DME en estado lquido es un80% a la del gasleo y la energa especfica cerca del 70%. Portanto, significa que se debe

inyectar casi el doble del volumen para obtenerla misma potencia de salida.


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G W CA a X L d X Y UEl DME es ms inflamable que el gasleo debido a las menores temperaturas del flash point yautoignicin, porlo que requerir mayores precauciones de seguridad.

Adems el DME tiene una conductividad elctrica baja.

Uno de los mayores inconvenientes del DME es su baja viscosidad y lubricidad, queprovocan

un mayor desgaste en las piezas que conforman el sistema de inyeccin, hasta la aparicin de

fugas de combustible. Adems es crtico porlas fugas que se producen porlos inyectores delmotor; este hecho se debe a su estado gaseoso y tambin por el desgaste producido por el pasodel mismo combustible creando ms holguras.

La relacin aire-combustible estequiometrica es menor que en el gasleo debido al oxgeno quecontiene. En la Tabla se muestra como los lmites de inflamabilidad son del 3.4% hasta el 17%,

un rango amplio de valores, que permite trabajar el motor con mezclas pobres para reducir elconsumo de combustible.El alto valor de cetanaje, del orden de 60 65, hace del dimetil-ter un combustible idneo para

utilizar en motores de encendido por compresin.

Cuando se utiliza como combustible, normalmente se opera en estado lquido (a temperaturas

negativas aunque no criognicas)

El dimetil-ter es un combustible bastante agresivo para los materiales, afectando tanto ametales como elastmeros. El DME suele causar fugas y desgaste prematuro a los componentesdel sistema de inyeccin debido a su baja viscosidad. El uso del magnesio no est recomendado

y el aluminio tambin sufre corrosin, aunque ms lentamente. Es principalmente crtico el

vapor del ter, ms que ellquido, ya que la velocidad de corrosin es mayor. La corrosin es

menor en los depsitos cuando el combustible permanece inmvil.

El acero al carbono comn es uno de los metales que se ven menos afectados por elmetanol

puro. En cambio, el acero galvanizado no debe usarse ya que lo deshace ycontamina elcombustible. Como ejemplo, en la industria y para eltransporte se utilizan depsitos de acero al

carbono. El acero inoxidable es el metal con menos afectacin por el DME.

Ellatn, el bronce y aleaciones de zinc corrosionan ms rpidos por el DME que porlagasolina. El cobre sufre mucha corrosin y tiene que ser evitado porque no es adecuado para

combustibles de hidrocarbonos, ni alcoholes, teres ni gasolinas.Tal como se present en el captulo de propiedades del dimetil-ter, ste posee una

conductividad elctrica muy baja. Se trata de un problema menos conocido pero importante parala seguridad: se precisa tenertodos los elementos conectados elctricamente, con lo que es una

buena opcin realizarlas conexiones metal con metal.

Adems, los metales utilizados deben no ser propensos a la creacin de chispas, como el acero

inoxidable, porlo que se vuelve a afirmar este material como adecuado para el sistema de

combustible.

Respecto las interacciones con materiales hidrocarbonados. Como la molcula de DME es polar

lo hace ser un fluido disolvente, afectando negativamente a numerosos elastmeros. Las fibrasde vidrio deben ser especialmente diseadas para soportar el efecto de desgaste y erosin. Si se

trata de fibra de vidrio comn seguramente no servir.

Segn el fabricante Ford [1], un material con buenas caractersticas y rendimiento es la resina desulfuro de polifenileno. Las mangueras o tubos de combustible de elastmeros o plsticos que

estn diseadas para gasolina, no sirven para el DME se agrietarn y se rompern y estoconlleva a diseos especficos de estos componentes. Igualmente ataca al metacrilato y algunas

fibras blandas usadas enjuntas. Un material usado para tal efecto es el polietileno de cadenacruzada por ser compatible con el DME y otros con alto contenido en flor. Pero los

elastmeros comnmente utilizados son el Tefln y el butil-n (Buta). Eltefln, aunque es

compatible con muchos elementos incluyendo el DME, tiene algunos inconvenientes para su


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G e CA i f L r f g Uuso en los sistemas de inyeccin. La temperatura dellquido de DME es baja y distinta a laambiental u otras ms elevadas, con lo que esta diferencia de temperaturas provoca fragilidad en

eltefln, comprometiendo el correcto funcionamiento del sistema, sobre todo enjuntas y dems

elementos sellantes. Tambin se observan estas carencias en las reducciones de presin, dondese pueden conseguir decrementos importantes de temperaturas, y las fluctuaciones causan la

fragilidad del material. En una eventual situacin de fuego, estos materiales se fundiran, lo que

conllevara un fallo del sistema.

Para ciertos aceites lubricantes, el DME reacciona con los aditivos que incorporan los aceites y

se percolan en el metanol, perdiendo los lubricantes sus propiedades. As, los fabricantes de

aceites han desarrollado lubricantes y filtros compatibles.Para evitar el desgaste excesivo del sistema de suministro de combustible, se puede mezclar el

DME con una nfima porcin de gasleo, para que ste lubrique. No implica un aumento delmantenimiento, puesto que se puede hacer coincidir el cambio del aceite del motor con elllenado del depsito de gasleo.

4. DME en elMotor HCCIEl motor HCCI tiene potencial eficiencia trmica usando diesel como de muy baja emisin de

NOx y partculas en suspensin (PM). A pesar de estas ventajas, el motor HCCI tiene algunosproblemas, que son alto grado de hidrocarburos no quemados y las emisiones de CO, la

dificultad en el control de la combustin progresiva, y el funcionamiento a altas cargas.Un motor de DME HCCI tiene un montn de excelentes caractersticas. DME / aire mezcla de

aspiracin natural a un motor HCCI est sujeto a una creciente presin y temperatura, ya que se

comprime por el pistn, causando dos etapas de liberacin de calor porlitro al principio y ms

tarde a alatas temperturas de reaccion. DME tiene la caracterstica de que la temperatura aprincipios es de unos 650K, que es inferior a 850K de combustibles derivados del petroleo.El valor de calor en el LTRes inferior que el de combustibles derivados del petrleo. Estas son

excelentes caractersticas que son capaces de resolver el problema de los motores HCCI. En estecaptulo, la atencin se centra en la de combustin de investigacin del uso de DME en motores

HCCI para la reduccin de quemado hidrocarburos y las emisiones de CO con la ayuda de

clculo de las reacciones qumicas

4.1.Reaccion Qui ica delDMEDME tiene dos fases de encendido durante el proceso de auto-ignicin como el alcano

combustibles de la familia, cuyo nmero de C es superior a cuatro. Con el fin de comparar conresultados experimentales, es necesario elegir un esquema de reaccin DME que puede volver a

crear esta caracterstica de encendido en dos etapas. El DME siguientes.Esquemas de reaccin se proponen: El mecanismo principal de la reaccin del DME se muestra

en la figura. 16.2. En esta figura, la energa del eje vertical muestra, y las energas de activacin

de rgimen se citan


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4. .Combustion en elMotor HCCI usando DME 4. .1.Relacion de EquivalenciaCon una mayor relacion de equivalencia, la presin y temperatura en el cilindro tienen

valores ms bajos en la carrera de compresin. Sin embargo, como la relacin de

equivalencia se incrementa, los valores mximos de presin, la temperatura y laeficiencia de la combustin se mayor.


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G CA L U4 . . .Eficiencia de la Combustion y las EmisionesFigura 16.7 muestra la eficiencia de combustin y las emisiones de gases como elCO,

CO2 y el THC (un total de hidrocarburos) para la variacin de la concentracin de

relacin de equivalencia en el clculo.

4. .3.Influencia de la Temperatura inicialLa eficiencia de la combustin y la temperatura y la presin mximas dependen de la

condicin de la temperatura inicial. En esta condicin, se aclara que la eficiencia de

combustin se garantiza que ms del 90% cuando la temperatura en un ciclo superado1250K, independientemente de la presin mxima, y alcanz a continuacin, 100%cuando la temperatura supera 1400K.


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G CA L U4. .4.Factor Necesario para un Optima Combustion y Bajos niveles de EmisionesDe esta manera, la temperatura mxima se piensa que es un ndice de combustin

eficiente. La figura 16.14 muestra la relacin entre las temperaturas mximas de

eficiencia del ciclo de combustin y las emisiones de CO2, CO y HC en el clculo.Como la eficiencia de combustin y la temperatura mxima mayor, el HC y CO

aument primero y despus de que la disminucin y el aumento de CO2. Cuando

mxima temperatura alcanzada 1250K, la eficiencia de la combustin se convirti en el90%. En el marco de la condicin de que la temperatura mxima fue de ms de 1400K,CO y HC son casi cero y la eficiencia de la combustin es100%.

Para comparar este resultado con el experimento, las emisiones de escape obtenidos

de los resultados experimentales que se investigaron. La figura 16.15 muestra larelacin entre la temperatura mxima del ciclo y la combustin la eficiencia y el HC de

CO, y las emisiones de CO2 en el experimento.Sin embargo, reducirlas emisiones de HC se observan experimentalmente. Cuandomxima temperatura alcanzada 1600K, la eficiencia de la combustin se convirti en

cerca del 80%.

A partir de esos resultados, la condicin necesaria para mantenerla combustin de alta

la eficiencia y reducirlas emisiones de CO y THC es aquel en el que la temperaturamxima es de ms de 1600K en un ciclo de combustin de cualquier mtodo.

En conclusin, la temperatura mxima en el ciclo tiene una gran influencia encombustin completa. Aunque elincremento de la temperatura mxima despus de unaumento de la eficiencia de la combustin, sila temperatura mxima llega a 1200K, la

emisin de HC ser casi el 0% en el proceso. Sin embargo, Se entiende que la

temperatura mxima debe ser mayor de 1500K de CO


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G CA L U4. .5.Al unas Especificaciones delMotor HCCI para uso de DMEEl motor HCCI DME fue un motor modificado de Honda GX340 K1, 337 cc del

cilindro, sola, refrigerado por aire, motor de gasolina, que se utiliza en un generador

elctrico EM4500 [10]. La figura 16.18 muestra el dibujo seccionado alrededor de lacmara de combustin y las especificaciones del motor. Relacin de compresin es

variable.

En un motor HCCI, la sincronizacin automtica de encendido es fuertemente

dependiente de la temperatura del gas en el cilindro. Cada combustible tiene unatemperatura particular de auto-ignicin y la reaccin de oxidacin tiene lugar en el

momento cuando la temperatura del gas en cilindros alcanza su temperatura de auto-ignicin durante los procesos de compresin por el pistn.

5. Investigacion realizada sobre este tipo de Motor HCCI5.1. Anlisis de graficas: mezclando coeficientes de exceso de aire de gasolina y DME

Estas pruebas se realizaron a un cilindro de un motor convencional con doble rbol de levas en

la culata (DOHC), con sistema de variacin de vlvulas (VVT) e inyeccin directa de DME,

cuyas especificaciones se darn a continuacin:


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Yla parte experimental se realizaron con las siguientes condiciones:

Esquema del experimento con los combustibles y el motor:


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G CA L UDe estas pruebas, se obtuvieron las siguientes graficas:

En la figura 8 se muestra el coeficiente de exceso de aire total entre la gasolina y el DME, dondese ha obtenido por frmula:

En la figura 9 se muestra la variacin de la presin indicada efectiva (IMEP) con funcin a loscoeficientes de exceso de aire de la gasolina y el DME.se muestra la ptima cantidad de DME

en el punto 4,2. Cuando el coeficiente de exceso de aire de ambos es menor que 1 (mescla rica),se produce un golpeteo severo y la presin se eleva rpidamente


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G CA } z L z { UEn la fig. 10 se muestra la conversin de energa con respecto a las razones relativas

aire/combustible referente a la gasolina y al DME. Cuando y se obtiene la

mejor eficiencia posible en el motor que es 24.28%. En esta posicin coincide a la de IMEPptima de la grfica 9

En la fig. 11 se muestra que las emisiones de HC se ve ms influenciada por el que por el

. El incremento dramtico de HC (zona ms oscura) se puede atribuir a las pequeas

cantidades inyectadas de DME, esto genera como consecuencia la eficiencia de oxidacin de lamescla. En la parte superior derecha se aprecia que aumenta la emisin de HC, esto se debe a la

mescla muy pobre que ingresa a la cmara de combustin, trayendo como consecuencia unacombustin deficiente


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G CA L UEn la figura 12 se muestra notablemente que el motor es HCCI, ya que, como se mencion, estetipo de motor se caracteriza porla reduccin considerable de NOx. Sin embargo a medida que

se le aade ms gasolina (mescla ms rica), la combustin se va haciendo ms vigorosa, por

ende aumenta la temperatura y como consecuencia, se eleva el nivel de HC

En la fig. 13 se muestran las emisiones de CO que est relacionado con el coeficiente de exceso

de aire de la mescla total (gasolina +DME) y la reaccin de oxidacin durante eltiempo de

expansin. Se observa un incremento de CO cuando .decrece, pero elCO decrece cuando

tambin decrece. Esto se debe a la baja temperatura de combustin, por ende se produce

combustin incompleta y se genera CO.

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