Resumen de Contribution to the study of the effect of fuels from different origin on diesel injection, combustion and pollutant emissions - contribución al estudio del efecto de combustibles de diferentes orígenes sobre la inyección, la combustión y las emisiones contaminantes diésel
SUMMARY Despite the use of compression-ignition, reciprocating, internal combustion engines is currently questioned due to their contribution to environmental pollution (particularly in urban areas, and with the consequent increase in cost that entails the need to make them more respectful with the environment), these engines still constitute one of the most efficient alternatives for the production of mechanical energy from the combustion of hydrocarbons.
The traditional problem associated with the combustion process in these engines, lies in the notable emission of pollutant compounds generated, mainly nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM). For this reason, vehicle manufacturers have searched for alternatives to reduce specific pollutant emissions (in g/km or g/kWh). To this end, innovative strategies have been used for improving the efficiency of: the injection processes, the formation of the air-fuel mixture and combustion. Additionally, the use of different post-treatment systems for exhaust gases, as well as residual energy recovery systems (such as Kinetic Energy Recovery Systems (KERS) or Thermal Energy Recovery Systems (TERS), used in Formula One vehicles) or the current use of hybrid propulsion systems has increased during last years. In parallel, derived from the need to improve combustion processes and to reduce the emissions generated, it has also been promoted the use of liquid fuels, alternative to fossil Diesel fuel, less harmful to the environment or with a reduction of the CO2 emission in the life cycle analysis.
This paper presents a comparative study on the technical feasibility of using different pure alternative fuels (without mixing with traditional diesel) in an engine. Although the engine employed in this work is not equipped the latest generation technologies in Europe, it is widely used in Spain and in different parts of the world. This paper compares fuels of fossil origin (Diesel and Gas-to-Liquid -GTL-), with fuels of renewable origin (biodiesel and Farnesane), being the GTL and the Farnesane fuels with similar molecular structure and classified as paraffinic fuels.
Experimentally, this work begins with the analysis of the basic fuel properties and, as an original contribution, the use of the Smoke Point Lamp (tool used in the characterization of kerosene and other aviation fuels), to determine their opacity tendency depending on the composition of the fuel. Then, under different steady-state engine modes, the fuel effect on: engine performance, combustion process and main pollutant emissions was evaluated. There is no knowledge of previous reports where Farnesane fuel has been used without mixing in Diesel engines, although it has been usually studied as aviation fuel. Finally, the particulate matter, collected in an in-house made particulate filter, was submitted to a physical-chemical characterization study in terms of size, number, nanostructure and oxidation reactivity. At the same time, the effect of these neat fuels on the injection system was evaluated, in particular on the related instantaneous delivery of fuel in order to: on one hand, relate it to the combustion process, and, on the other hand, develop a rate of injection zero-dimensional model.
RESUMEN A pesar de que en la actualidad está muy cuestionada la utilización de motores de combustión interna alternativos (MCIA) de encendido por compresión, debido a su contribución a la contaminación ambiental (particularmente en zonas urbanas), y al consecuente encarecimiento que conlleva la necesidad de hacerlos más respetuosos con el medioambiente, estos motores todavía constituyen una de las alternativas más eficientes para la producción de energía mecánica partiendo de la combustión de hidrocarburos.
La problemática tradicional asociada a la combustión en estos motores, radica en la notable emisión de compuestos contaminantes generados, principalmente óxidos de nitrógeno (NOx) y material particulado (PM). Por este motivo, los fabricantes de vehículos han buscado alternativas para reducir las emisiones específicas (en g/km o g/kWh). Para ello, se han utilizado tanto estrategias innovadoras que mejoran la eficiencia de los procesos de inyección, formación de la mezcla aire-combustible y combustión, como el uso de diferentes sistemas de post-tratamiento de gases de combustión. Además se están introduciendo cada vez más sistemas de recuperación de energía residual (como los Kinetic Energy Recovery Systems (KERS) o los Thermal Energy Recovery Systems (TERS), usados en los vehículos de Formula One), o la actual utilización de sistemas de propulsión híbridos, con el objetivo de ahorrar combustible y disminuir las emisiones contaminantes. En paralelo, también se ha promovido la utilización de combustibles líquidos, alternativos al combustible Diésel de origen fósil, menos nocivos para el medioambiente o que posibiliten una disminución de la emisión de CO2 en el análisis de ciclo de vida.
En este trabajo se presenta un estudio comparativo sobre la viabilidad técnica del empleo de diferentes combustibles alternativos puros (sin mezcla con el Diésel tradicional) sobre un motor, que si bien, no es de última generación en Europa, si es muy utilizado tanto en España como en diferentes partes del mundo. En este trabajo se comparan combustibles de origen fósil (Diésel y Gas-to-liquid –GTL), con combustibles de origen renovable (biodiesel y Farnesano), siendo el GTL y el Farnesano combustibles con similar estructura molecular y clasificados como combustibles parafínicos.
Experimentalmente, el trabajo comienza con la determinación de las propiedades básicas de los combustibles y, como aportación original, se ha empleado la Smoke Point Lamp (herramienta utilizada en la caracterización de querosenos y otros combustibles de aviación), para determinar, en función de la composición del combustible, la tendencia a la opacidad de los mismos. Posteriormente se evalúo, en diferentes modos de operación estacionaria, el efecto de los combustibles sobre las prestaciones, el proceso de combustión y las principales emisiones contaminantes, no conociéndose ningún reporte previo de utilización del Farnesano sin mezclar en motores Diésel, si bien ha sido más estudiado como combustible de aviación. Finalmente, el material particulado, recogido en una trampa de diseño propio, fue sometido a un estudio de caracterización físico-química en cuanto a: tamaño, número, nano-estructura y la reactividad a la oxidación. Paralelamente, se evaluó el efecto de dichos combustibles puros sobre el sistema de inyección, en particular, sobre la entrega instantánea del combustible para, por un lado, relacionarla con el proceso de combustión, y por otro lado, desarrollar un modelo cero-dimensional de la misma.
