Desarrollo e Innovación de Sistemas de Inyección de Agua en un Motor de Combustión Interna Alternativo “Mayor Eficiencia - Reducción de Emisiones Contaminantes”

Anrango, Alex1

1Instituto Superior Tecnológico de Tecnologías Apropiadas INSTA, Quito, Ecuador

 

Resumen: El objeto de este documento es investigar y dar a conocerlos diferentes procesos de inyección de agua aplicados en un MCIA, sus ventajas y desventajas técnicas, para poder comprobar los resultados obtenidos con una simulación realizada por varios autores. Con base en una exhaustiva revisión bibliográfica se considera que el empleo de un sistema de inyección de agua resulta muy beneficioso, a fin de conseguir cumplir las normativas de anticontaminación, que cada vez son más restrictivas.

Después de realizar simulaciones pertinentes y un estudio paramétrico se observa como las tendencias y valores concuerdan con lo esperado. Para la validación de datos se toma la comparación de los resultados obtenidos con aquellos publicados en diferentes artículos. Una vez validados, se concluye que un sistema de inyección de agua puede ser considerado como un buen sustituto de sistemas actuales tales como sistemas EGR y/o catalizadores de reducción de NOX, mejorando además el rendimiento y las prestaciones de un MCIA.

Palabras clave: Inyección de agua; sistemas anticontaminación; control de combustión; motores alternativos.

Development and Innovation of Water Injection Systems in Alternative Internal Combustion Engine “Greater Efficiency - Reduction of Pollutant Emissions"

 

Abstract: The purpose of this document is to investigate and publicize the different water injection processes applied in a MCIA, its advantages and technical disadvantages, in order to verify the results obtained with a simulation carried out by several authors. Based on an exhaustive literature review, it is considered that the use of a water injection system is very beneficial, in order to comply with anti-pollution regulations, which are increasingly restrictive. After performing relevant simulations and a parametric study, it is observed how trends and values are consistent with expectations. For the validation of data, the comparison of the results obtained with those published in different articles is taken. Once validated, it is concluded that a water injection system can be considered as a good substitute for current systems such as EGR systems and NOx reduction catalysts, further improving the performance and performance of a MCIA.

 

Key words: Water injection; anti-pollution systems; combustion control; alternative engines.

INTRODUCCIÓN

 

Las nuevas tendencias propuestas en normativas anticontaminación junto a la necesidad de conseguir motores más potentes y eficientes, sin alterar el consumo específico de combustible, hace importante la implantación de nuevos sistemas anticontaminantes en el motor para conseguir dicho fin (Rodríguez, 2018) . El control de emisiones para motores diésel es mucho más estricto que para los motores gasolina, por tanto, resulta muy ventajoso emplear el sistema de inyección de agua con el objetivo de reducir emisiones contaminantes.

Debido a esta regulación todo vehículo auto motor se ha de homologar con un valor de emisiones para poder ser comercializado dentro del territorio. Sin embargo, para motores con encendido por chispa eléctrica, existe el problema de auto detonación por lo que para aumentar la relación de compresión y con esto mejorar el rendimiento del ciclo, hay que reducir las presiones y temperaturas máximas; para ello, una manera muy eficiente de hacerlo es por medio de la inyección de agua.

La experimentación directa, bajo el modelado de motores ofrece una serie de ventajas que a nivel experimental son difíciles de conseguir. Los experimentos se acercan más a la realidad, con el inconveniente de la incertidumbre de la medida, y por otra, se ahorra tiempo de ensayo y por consecuencia un ahorro económico (Rodríguez, 2018)

“AVL BOOST” es una herramienta de simulación de motores (AVL, BOOST User Guide, 2016) que permite el modelado del motor con todas sus características internas y externas como son los conductos que lo conectan con alguna instalación, así como, lo elementos de control necesarios para el control de ciertas variables del sistema. Esta herramienta genera resultados útiles para el estudio, resultados como potencia generada por el motor, presiones máximas y temperaturas que se alcanzan en el cilindro

 

MATERIALES Y MÉTODOS

 

El presente trabajo se elaboró con el propósito de generar un impacto social en la comunidad, direccionado a disminuir las emisiones contaminantes emitidas por los motores de combustión interna alternativos diésel y gasolina, que no obedecen a los lineamientos mínimos establecidos por las normativas anticontaminación que rigen en Ecuador.

 

El objetivo de este trabajo es investigar y estudiar los sistemas de inyección de agua en motores de combustión interna alternativos, mediante el análisis de trabajos anteriores realizados por otros autores. Realizar un modelo que simule el proceso de inyección de agua mediante el software comercial “AVL BOOST”. (AVL, 2016) Realizar estudios paramétricos en el motor modelado y comprobar que los resultados obtenidos son coherentes con los obtenidos por otros autores.

Los motores MEC en la actualidad, constan de inyección directa de combustible, cuatro válvulas por cilindro y se trabaja en una tecnología cada vez más avanzada en la sobrealimentación. (M. Kousoulidou, 2008) Las emisiones de CO2 son comedidas pero el mayor problema lo tienen con las emisiones de NOx y partículas, las cuales con las normativas anticontaminación obliga a realizar post-tratamiento de los gases, que son muy costosos pero necesarios para poder homologar el producto.

 

Por su parte, los motores MEP en la actualidad, se está optando por la inyección directa y cuatro válvulas por cilindro al igual que los de encendido por compresión. (M. Kousoulidou, 2008) Se está optando por una fuerte de sobrealimentación y reducir la cilindrada del motor, compensando la baja potencia a bajas revoluciones con la sobrealimentación.

 

El problema de estos motores es el bajo rendimiento y el consumo específico comparado con un motor MEC, para ello es necesario aumentar el rendimiento del ciclo que es dependiente de la relación de compresión, sin que el auto inflame la mezcla.

 

Métodos de Inyección de agua

 

La inyección de agua consiste en inyectar agua mezclado con combustible en el interior del cilindro, en un determinado tiempo, medido por el ángulo recorrido por el cigüeñal, bajo unas condiciones de presión y temperatura, todo ello realizado mediante diferentes procedimientos según el tipo de motor y prestaciones solicitadas (Rodríguez, 2018)

En los trabajos de G. Greeves. et.al. se describen los métodos de inyección desde un punto de vista experimental, realizados en el año 1977. Los métodos los estudia de manera independiente, y establece un montaje experimental para hacer la experimentación.

 

Inyección en el conducto de admisión de aire

 

Se inyecta agua en el conducto de la admisión de aire mediante un inyector de diámetro elevado (+-0.50mm), a una presión de 175 atm, aproximadamente. La inyección de agua se realiza en el punto muerto superior del cilindro. Este mecanismo de inyección posee un límite de la mezcla de agua/combustible, en el cual no se produce encendido, por la excesiva humedad de la mezcla.

 

 

Figura 1. Montaje de sistema de inyección de agua en el conducto de admisión (G. Greeves, 1977)

 

En el trabajo de Mingrui. et. al, el mecanismo usado es una bomba de agua externa accionada por el cigüeñal del motor, que se une por tuberías de cobre, a los inyectores.

Un estudio importante realizado por los investigadores Tauzia, et. al, en el ámbito de la inyección de agua en el conducto de admisión en un motor orientado a la automoción. En éste se define, una manera muy original y efectiva de conseguir y cumplir la nueva normativa EURO 6, de contaminación, especialmente dura para los vehículos, que monten un motor de encendido por compresión.

 

 

Figura 2. Esquema de instalación de los estudios de Tauzia et. al. (X. Tauzia, 2010)

La cantidad de agua se ha definido de una manera en el que se contabiliza la pérdida de O2 en pro de introducir agua.

 

 

Figura 3. Temperatura a lo largo de ciclo para diferentes cantidades de agua, en los puntos B (a) y D (b), para diferentes puntos de funcionamiento (X. Tauzia, 2010)

 

Figura 5. Emisiones de NOx función de Dr. En los diferentes puntos de funcionamiento: Punto A (a), Punto B (b), Punto C (c), Punto D (d (X. Tauzia, 2010)

 

 

Figura 6. Emisiones de CO, en los diferentes puntos

Inyección de agua directa al cilindro

 

Se inyecta agua directamente al cilindro por medio de una bomba e inyectores independientes. En este caso se usan inyectores de diámetro menos (+-0.32mm), y convenientemente de tres orificios, a una presión de 165 atm. Para llevarlo a cabo, se usa una bomba auxiliar, accionada por el cigüeñal del motor, y unida al inyector por medio de tubería de cobre.

Presenta la ventaja de poder variar además de la relación de agua/combustible, seleccionar el tiempo exacto en el que se realiza la inyección pudiéndose retrasar o adelantar en función de las especificaciones que se quieran conseguir (G. Greeves, 1977)

 

 

Figura 7. Montaje de sistema de inyección de agua directa en el cilindro (G. Greeves, 1977)

 

En los estudios de Fabio Bozza et. al, se inyecta el agua directamente en el cilindro en un motor gasolina de 2 cilindros y 8 válvulas.

 

 

Figura 8. Esquema de sistema de inyección de agua directa al cilindro (W. Mingrui, 2017)

 

Siguiendo con el ámbito de los motores industriales, los estudios de B. Tesfa et. al, proponen usar un motor de encendido por compresión que funciona con biodiesel, y usar el sistema de inyección de agua para reducir las emisiones de NOx. El biodiesel es uno de los combustibles renovables que mejores prestaciones se obtienen y además pueden funcionar en un motor que funciona con diésel sin ningún tipo de modificación adicional. El mayor problema que presentan este tipo de combustible, son las elevadas temperaturas que se alcanzan, lo que provoca la abundante formación de óxidos de nitrógeno. Mediante la inyección de agua estas emisiones se reducirán, haciendo de este combustible mucho más apto.

 

Inyección de agua directa al cilindro, mezcla con el combustible

Se inyecta agua junto al combustible en una mezcla lo más homogénea posible, a través del mismo inyector de combustible usado en el proceso convencional (Rodríguez, 2018)

Se podrá realizar por medio de: