Modelo predictivo de combustión de mezclas de gas natural en motores de encendido por chispa (MECH)

A predictive model of natural gas mixture combustion in internal combustion engines

En el presente trabajo se muestra el desarrollo de un modelo predictivo de la combustión de mezclas de gas natural para motores de encendido por chispa. El modelo se basa en la solución de dos zonas: una de mezcla combustible sin quemar y otra de productos de combustión. En cada una de ellas se resuelve para cada ángulo de giro del cigüeñal las ecuaciones de energía y conservación de la materia. Las ecuaciones diferenciales no lineales de la energía para cada una de las fases consideradas: compresión, combustión y expansión, se re-suelven por el método de Runge -Kutta de cuarto orden. El modelo, además de permitir estudiar la combustión de diferentes composiciones de los componentes del gas natural, facilita evaluar la combustión en presencia de aire seco y húmedo. Se muestran los resultados de la validación con datos experimentales demostrando precisión y exactitud en los resultados que arroja el programa. Se presentan resultados de presión en el cilindro, temperatura en las zonas de mezcla sin quemar y quemada, fracción de masa quemada y calor de reacción de la combustión para el motor modelado usando una mezcla de gas natural.

Introducción

Debido a las grandes reservas mundiales de gas natural se está realizando cada vez más investigación y desarrollo para el uso de este combustible alterno en motores de encendido por chispa y de compresión. En países como Venezuela, con reservas importantes de gas natural, existen programas nacionales destinados al uso masivo de este combustible con el nombre genérico de gas natural para vehículos GNV (PDVSA, 1997). A pesar que el uso de este combustible no es nuevo, aún se requieren mayores estudios para conocer mejor el comportamiento del motor con él, en cuanto a la combustión y emisiones para diferentes mezclas, desgaste, confiabilidad, lubricación y diseño de las partes del motor, así como en los sistemas de alimentación. En el presente trabajo se desarrolla un modelo predictivo que permite estudiar el comportamiento de las variables características de la combustión del GNV para MECH, como presión y gradiente de presión en el cilindro, presión máxima, temperatura en el cilindro, velocidad de combustión, fracción de calor liberado y productos de la combustión en función de los parámetros operativos, composición del gas natural y parámetros de diseño.

Descripción del modelo

Balance de energía en la cámara de combustión

Para obtener las variables presión, temperatura, volumen, masa y flujo de calor, se efectuaron balances en los tres procesos que se presentan durante la combustión.

Etapa de compresión: aplicando la primera ley de la termodinámica en función del ángulo del cigüeñal y la ecuación de estado para la mezcla de gases ideales, se obtuvo un sistema de ecuaciones que contiene las variables de interés en esta etapa, presión y temperatura.