UNIVERSIDAD POLITCNICA DE VALENCIA DEPARTAMENTO DE MQUINAS Y MOTORES TRMICOS Caracterizacin del Proceso de Formacinde Holln en una Llama de Difusin Dieselde Baja Temperatura TESIS DOCTORAL Realizada por: Doa Christelle MONIN Dirigida por: Doctor Jean ARRGLE Valencia, Julio de 2009 TESIS DOCTORAL Caracterizacin del Proceso de Formacinde Holln en una Llama de Difusin Dieselde Baja Temperatura presentada por Christelle MONIN en el DEPARTAMENTO DE MQUINAS Y MOTORES TRMICOS de la UNIVERSIDAD POLITCNICA DE VALENCIA Para la obtencin del grado de DOCTORA INGENIERA INDUSTRIAL Valencia, Julio de 2009 TESIS DOCTORAL Caracterizacin del Proceso de Formacin de Holln en una Llama de Difusin Diesel de Baja Temperatura Realizada por:Doa Christelle MONIN Dirigida por: Doctor Jean ARRGLE TRIBUNAL CLASIFICADOR: Presidente: Doctor Jos Mara DESANTES FERNNDEZ Secretario: Doctor Jess BENAJES CALVO Vocales: Doctor Juan Jos HERNANDEZ ADROVER Doctor Andrs MELGAR BACHILLER Doctor Pedro Acisclo RODRGUEZ AUMENTE Vocales Suplentes: Doctor Octavio ARMAS VERGEL Doctor Francisco Vicente TINAUT FLUIX ABSTRACT Pollutantemissionstotheatmosphere,partlyproducedbytheinternalcombustion enginesusedintransportation,isoneofthemainconcernsinoursociety. Concerning diesel engines, their pollutant emissions are carbon monoxide, unburned hydrocarbonsand,mainly,nitrogenoxidesandsootparticulates.Thelatterarethe productofacomplexbalancebetweenformationandoxidation.Apromisingpath forthefutureistoachievealowtemperaturediffusioncombustion,which intrinsicallyproducesnearlynosoot.Boththesootformationandoxidation processesdirectlydependonthemixingprocess.Infact,themainparameterthat seems to control the soot formation process is the oxygen entrained by the fuel spray between the injector and the beginning of the flame (lift-off). It was observed that a fast,non-sootingdiffusioncombustioncanbeachievedifthemixingprocessis enhancedbyincreasingtheinjectionpressureandstronglyreducingtheinjector orifices diameter. However no many things are known about the behavior of the lift-offandtheotheritemsaffectingsootformationatlowtemperaturecombustion conditions with low oxygen mass fraction. The main objective of this work is to improve the knowledge of these processes. To achieve this objective, four other specific objectives were defined: To characterize the effect of oxygen mass fraction on the lift-off length. To characterize its consequences on the soot formation process. Toquantifytheeffectofincreasingtheinjectionpressureandstrongly reducing the orifice diameter on the two previous aspects. For this purpose, it is necessary to develop: o A methodology to simultaneously measure the lift-off length and the sootcontentintheflamebasedondifferentopticaltechniques applied in an optically accessible engine. o Amethodologythatallowsquantifyingthestudiedphysico-chemical mechanisms based on the spray mixing process analysis. Asaresultofthislastpoint,themainoriginalityofthisworkisthedefinitionand use of a parameter (Fsoot) that allows characterizing the soot formation process in a morequantitativewaycomparedtootherstudiesalreadypublishedinthe bibliography.Thankstothisparameter,thebehavioroftheflameatlowoxygen mass fraction conditions was better characterized, and some criteria to achieve non-sooting conditions were defined. RESUMEN Lasemisionescontaminanteshacialaatmsfera,enpartedebidasalosmotoresde combustin interna utilizados en el transporte, es una de las mayores preocupaciones de nuestra sociedad. En el caso de los motores diesel, las especies contaminantes son el monxido de carbono, los hidrocarburos sin quemar y, principalmente, los xidos denitrgeno(NOx)ylaspartculasdeholln.Estasltimassonelproductodeun complejo balance entre su formacin y su oxidacin. Una va de futuro es conseguir unacombustinpordifusindebajatemperatura,intrnsecamentedemuybaja formacindeholln.Tantolaformacincomolaoxidacindelhollndependen directamentedelprocesodemezcla.Enefecto,elparmetroprincipalqueparece controlar el proceso de formacin de holln es la cantidad de oxgeno englobado por el chorro de combustible en la distancia entre el inyector y el inicio de la llama (lift-off).Alacelerarlamezclaaire-combustibleaumentandolapresindeinyecciny reduciendofuertementeeldimetrodelosorificiosdelinyectorsehavistoquese puedeconseguirunacombustinpordifusinrpida ysinformacindeholln.No obstante,seconocemuypocosobreelcomportamientodellift-offydelrestodel proceso de formacin de holln en condicin de combustin de baja temperatura, con baja concentracin de oxgeno. El objetivo principal del trabajo es profundizar en la comprensin de estos procesos. Para lograrlo, se ha definido cuatro objetivos particulares: Caracterizar el efecto de la concentracin de oxgeno sobre el lift-off. Caracterizar las consecuencias sobre el proceso de formacin de holln. Cuantificarelimpacto del aumentodelapresindeinyeccinydel usode orificiosdeinyeccinextremadamentepequeossobrelosdospuntos anteriores. Para ello, se debe desarrollar: o unametodologademedidasimultneadellift-offydela concentracin de holln en la llama basada en diferentes tcnicas de visualizacin de la combustin en un motor con accesos pticos. o unametodologabasadaenelanlisisdelprocesodemezclaenel chorrodecombustiblequepermitacuantificarlosmecanismos fsico-qumicos estudiados. Fruto de este ltimo punto, la principal originalidad del trabajo es la definicin y el usodeunparmetro(Fsoot)quepermitecaracterizarelprocesodeformacinde hollndemaneramuchomscuantitativaqueenlostrabajospresentesenla bibliografa.Graciasaellosehapodidocaracterizarmsendetalleel comportamiento de la llama con baja concentracin de oxgeno, definiendo criterios para llegar a condiciones de formacin de holln nula. RESUM Lesemissionscontaminantverslatmosfera,enpartdegudesalsmotorsde combusti interna emprats al transport, s una de les ms grans preocupacions de la nostrasocietat.Enelcasdelsmotorsdiesel,lessubstnciescontaminantssnel monxiddecarboni,elshidrocarburssensecremary,principalment,elsxidsde nitrogenilespartculesdesutja.Aquestesltimessnelproducteduncomplex balanentrelaseuaformaciioxidaci.Unaviadefuturesaconseguiruna combusti per difusi a baixa temperatura, intrnsecament de molt baixa formaci de sutja. Tant la formaci com loxidaci de la sutja depenen directament del procs de mescla. En efecte, el parmetre principal que pareix controlar el procs de formaci de sutja s la quantitat doxigen englobat pel doll de combustible a la distncia entre linjectorilinicidelaflama(lift-off).Quansacceleralamesclaaire-combustible augmentantlapressidinjecciireduintfortamenteldimetredelsorificisde linjector,shavistqueespotaconseguirunacombustiperdifusirpidaisense formaci de sutja. No obstant es coneix poc el comportament del lift-off i la resta del procs de formaci de la sutja en condicions de combusti a baixa temperatura amb baixa concentraci doxigen. Lobjectiuprincipaldeltreballsaprofundirenlacomprensidetotsestos processos. Per aconseguir-ho, shan definit quatre objectius particulars: Caracteritzar lefecte de la concentraci doxigen sobre el lift-off. Caracteritzar les conseqncies sobre el procs de formaci de sutja. Quantificarlimpactedelaugmentdelapressidinjecciidels dorificis dinjecci extremadament xicotets sobre els dos punts anteriors. Per a aix es du desenvolupar:o unametodologiademesurasimultniadellift-offidela concentraci de sutja dins la flama, basada en diferents tcniques de visualitzaci de la combusti en un motor amb accessos ptics. o unametodologiabasadaalanlisidelprocsdemesclaaldollde combustiblequepermetiquantificarelsmecanismesfisico-qumics estudiats. Fruitdaquestdarrerpunt,laprincipaloriginalitatdeltreballsladefiniciils dunparmetre(Fsoot)quepermeticaracteritzarelprocsdeformacidesutjade maneramoltmsquantitativaquealstreballspresentsalabibliografia.Grciesa aixshapogutcaracteritzarmsendetallelcomportamentdelaflamaambbaixa concentraci doxigen, definint criteris per a arribar a condicions de formaci nulla de sutja. AGRADECIMIENTOS En primer lugar quiero agradecer a mi director de tesis, Jean Arrgle, por todo lo que de l ha aprendido durante estos 4 aos. Tambin deseo agradecer a Francisco Payri Gonzles y Jos Mara Desantes Fernndezporlaoportunidadquemehanbrindadoalrealizarmitesis doctoralen el departamento. En la parte experimental quiero agradecer a Dani, Salva, Jos Enrique, Carlos yEduportodaslashorasdelaboratoriocompartidasyporensearmela mayor parte de los que s de inyeccin y motores. EnlapartepticadeseodarlasgraciasaJosMara,JeanGuillaumey Gustavoporsuvaliosaayudaydisponibilidadporcolaborarentodo momento. A Elena, Sjoerd, Antonio y Oscar, mis compaeros de lnea con los cuales he compartidobuenosmomentosyquesinelloshubierasidotodomuy diferente. TambinquisieraagradeceraRomain,Maxime,Julien,Jonathan,Francisco, Lucile que con sus proyectos han contribuido en gran medida a este trabajo. EnlarevisindeldocumentoquieroagradeceraJavierLpezporsu colaboracin. Yatodoslosquenohecitado,peroqueseguramentesontanimportantes como los que he citado. En ltimo lugar quiero agradecer a mis padres y a Gustavo por su apoyo y los consejos que me han proporcionado a lo largo de estos aos. NDICE GENERAL Indice general 3 Introduccin 13 1 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales 21 1.1. Proceso de formacin de partculas..23 1.2. Proceso de formacin de holln27 1.2.1. Ideas generales sobre la formacin de holln..27 1.2.1.1.Proceso de pirlisis28 1.2.1.2.Proceso de nucleacin30 1.2.1.3.Proceso de crecimiento..31 1.2.2. Tiempos caractersticos...32 1.2.3. Tamao y densidad..33 1.2.3.1.Tamao...33 1.2.3.2.Densidad.36 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel 37 2.1. Modelos conceptuales de la llama de combustin por difusin: importancia del dosado en el lift-off para la formacin de holln..39 2.1.1. Antecedentes...39 2.1.2. Modelo conceptual de Dec..44 2.1.2.1.Esquema general44 2.1.2.2.Evolucin temporal46 2.1.2.3.Formacin de holln...48 2.1.2.4.Choque contra la pared......................................49 2.2. Medidas del lift-off y del holln50 2.2.1. Instalaciones experimentales...50 2.2.1.1.Motor con pistn transparente....51 2.2.1.2.Mquina de compresin rpida..52 2.2.1.3.Motor con culata transparente....54 2.2.1.4. Cmara de combustin con volumenconstante......55 2.2.2. Visualizacin del lift-off.57 2.2.3. Cuantificacin de la concentracin de holln..60 2.2.3.1.Incandescencia Inducida por Lser (LII)...61 2.2.3.2.Extincin de luz..64 2.2.3.3.Mtodo de los 2 colores.69 2.2.3.4.Comparacin de las diferentes tcnicas.74 2.3. Efectos de los parmetros fsicos sobre la formacin de holln..77 2.3.1. Estudio terico sobre el lift-off...77 2.3.2. Efecto de la temperatura..79 4 Indice general 2.3.3. Efecto de la densidad...82 2.3.4. Efecto de la presin de inyeccin84 2.3.5. Efecto del dimetro de la tobera..85 2.3.6. Efecto de la concentracin de oxgeno87 3 Planteamiento de la tesis913.1. Sntesis del estudio bibliogrfico..93 3.2. Objetivos de la tesis..97 4 Metodologa general 99 4.1.Caracterizacin del lift-off y del holln..101 4.1.1. Caracterizacin del lift-off..101 4.1.2. Caracterizacin del holln102 4.2. Caracterizacin del proceso de mezcla ..108 4.2.1. Teora bsica de los chorros gaseososestacionarios109 4.2.2. Chorro diesel.112 4.2.2.1. Chorro diesel reactivo virtual isotermo.....113 4.2.2.2. Chorro diesel reactivo real no isotermo115 4.3.Definicin del parmetro FSOOT...120 5 Herramientas experimentales y tratamiento de datos129 5.1. Instalacin experimental.131 5.1.1.Toberas.....131 5.1.2.Motor ptico experimental...132 5.1.2.1. Caractersticas del motor ptico..133 5.1.2.2. Caractersticas de la culata...134 5.1.2.3. Sistema de inyeccin...135 5.1.2.4. Modo de funcionamiento.136 5.1.2.5. Captadores...139 5.1.3. Descripcin de la instalacin ptica144 5.1.4. Problemas encontrados148 5.1.4.1. Toberas148 5.1.4.2. Ventanas..152 5.1.4.3. Ley de inyeccin..153 5.2. Tratamiento de los datos.153 5.2.1. Clculo de las condiciones termodinmicas154 5.2.2. Tratamiento de las imgenes158 5.2.2.1. Segmentacin y conectividad..159 5.2.2.2. Calibracin...160 Indice general 5 5.2.2.3. Obtencin de los perfiles.161 5.3. Plan de trabajo.165 6 Resultados 169 6.1. Estudio de la longitud del lift-off172 6.1.1.Tendencias172 6.1.2.Cuantificacin...174 6.1.3.Velocidad de frente de llama183 6.2. Estudio de la longitud de llama proceso de mezcla.188 6.3. Anlisis del dosado en el lift-off.191 6.4. Consecuencia sobre FSOOT...193 6.5. Longitud de aparicin de holln..197 6.6. Condiciones Cero-soot199 Conclusin205 Bibliografa211 TABLA DE SMBOLOS Tabla de smbolos 9 Cacoeficiente de rea CFr1concentracin de combustible en condiciones estequiomtricas Cfuelconcentracin msica de fuel inyectado en un chorro no reactivo Cndensidad del holln Cvcoeficiente de velocidad C1, C2constantes de Planck para la radiancia espectral de un cuerpo negro Ddifusividad trmica dhdimetro medio del holln dvedimetro del volumen equivalente EGRexhaust gas recirculationFrdosado FrLOdosado en el lift-off Fsootparmetro representativo de la proporcin de combustible no quemado presente en forma de holln fvfraccin volumtrica del holln HCCIhomogeneous charge compression ignitionIintensidad transmitida por el lser Icnradiacin espectral de un cuerpo negro Iointensidad de la luz Isootradiacin espectral del holln Kcoeficiente de extincin coeficiente de proporcionalidad en el proceso de mezclakecoeficiente ptico de extincin KLfactor de cantidad de holln empleado en el mtodo de los 2 colores KLmaxfactor de cantidad de holln empleado en el mtodo de los 2 colores valor mximo Kmixcoeficiente de mezcla Ktraycoeficiente de correccin de trayectorias K1, K2constantes lescala de turbulencia ancho de la llama Lcamino ptico recorrido por la radiacin LIIlaser induced incandescence Lllamalongitud de la llama LOLlongitud del lift-off LTClow temperature combustion 10 Tabla de smbolos Lsootlongitud de aparicin del holln mndice de refraccin del holln mfuelmasa de combustible fuel m. caudal de combustiblefuel M., CdM flujo de cantidad de movimiento total fuel m _. caudal total de combustible inyectado mhollnmasa de holln mO2masa de oxgeno mpmasa de la partcula mtotalmasa total englobada por un elemento de combustible NDfondonivel digital del fondo de una imagen NDmaxnivel digital mximo de una imagen NDumbralnivel digital para el valor umbral de segmentacin de una imagen Padmpresin del aire de admisin Pcilpresin en el cilindro PCRpresin de inyeccin common-rail PMSpunto muerto superior PPCpartially premixed combustion rcamino ptico, espesor de la llama Scnumero de Schmidt SLIIseal LII SOCinicio de la combustin tel tiempo que invierte un elemento para alcanzar la posicin x Ttemperatura Tadtemperatura adiabtica Tadmtemperatura del aire de admisin Taire temperatura del aire Tciltemperatura en el cilindro Tfueltemperatura del combustible Tllamatemperatura de la llama tresid tiempo de residencia TSDtemperatura sin disociacin TSQtemperatura de los gases sin quemar uvelocidad del paquete considerado uintensidad turbulenta ucvelocidad de conveccin uFFvelocidad de propagacin del frente de llama turbulento Tabla de smbolos 11 uFFlamvelocidad de propagacin del frente de llama laminar uFr1velocidad del combustible en condiciones estequiomtricas Uovelocidad de salida del chorro Vpvolumen de la partcula Vsoot fraccin volumtrica de holln xposicin de un elemento de combustible XO2concentracin volumtrica de oxgeno presente en el cilindro Yfuelconcentracin msica de combustible inyectado en un chorro reactivo YO2, YO2_cilconcentracin msica de oxgeno presente en el cilindro Zstfraccin de mezcla estequiomtrica constante de ajuste emprico en la expresin de la emisividad de la llama de holln ngulo del cigeal satrmino que representa la dispersin-en-la-extincin umbralporcentaje para la definicin del umbral en una imagen TDISOprdida de temperatura debido a las disociaciones dimetro de la tobera 0dimetro equivalente de la tobera emisividad exponente de la adiabtica longitud de onda viscosidad aire densidad del aire cildensidad en el cilindro fueldensidad del combustible pdensidad de la partcula INTRODUCCIN Introduccin15 CONTEXTO DEL ESTUDIO Elmedioambienteeshoyendaunadelasmayorespreocupacionesparala perennidaddenuestrassociedades.Elcrecimientodelaactividadhumanaha producido diversas variaciones climticas en la tierra: calentamiento del planeta, deshielosdelasmasasglacialesenlospolos,destruccindelacapadeozono, desordenesmeteorolgicos,etc.Estosdesajustesambientalessehanconvertido en una preocupacin permanente. Apriorinoexistensolucionesgenerales,niuniversalesaesteproblema;la solucin se debe encontrar en cada actividad que produce contaminacin. Laprincipalcausadecontaminacindelaireesgeneradaporlosmotoresde combustinqueconsumenhidrocarburos.Enelcasodelosmotoresdiesel,los principalescontaminantesemitidossonlaspartculasylosNOx,aunqueen determinadas condiciones de operacin tambin son importantes el CO y los HC. Estoscuatrocompuestossonlosqueestnreguladosporlasnormativasde emisiones.Asquedesdehacevariosaosexisteunconjuntoderequisitosque regulan los lmites admisibles para las emisiones de gases de combustin de los vehculosnuevosvendidos.Aunquelasprincipaleslegislaciones(europea, estadounidense,japonesa,etc...)establecenpruebasdecertificacindiferentes todos han seguido una evolucin similar en cuanto a la reduccin de los lmites mximos. Actualmente,enEuropa,estenvigorlanormaEuro4(Tabla1).Elprograma Euro5 va a sustituirla norma Euro4 a partir de septiembre de 2009 y supone una disminucinenlasemisionesdepartculasde0.025a0.005g/km.Adems,la norma Euro6 que entrar en vigor (propuesta) en septiembre de 2014 supone una reduccin de las emisiones de NOx de 0.18 a 0.08 g/km.Existenvariasestrategiasparaalcanzarlaslimitacionesimpuestasporlas normas.Esasestrategiassepuedendividirenestrategiasqueimpidenla formacindelasemisionescontaminantes(reduccindirectamenteenel cilindro)oenestrategiasquereducenesasespeciesunavezformadas(post-tratamiento). Para poder reducir los NOx y alcanzar las limitaciones Euro6, varias alternativas sepuedenconsiderar:sistemasdepost-tratamientocomocatalizadoresdeNOx (Selective Catalytic Reduccion SCR o trampas de NOx), o intentar obtener muy poca formacin de NOx en la fuente. 16Introduccin ElsistemaSCRtrabajaa partirdeladilucindeureaacuosaque esrociada en los gases de escape, lo que proporciona una reduccin de hasta 80% de los NOx. Ladilucindeureaselocalizaenundepsitoseparado.Unaunidadde mediacin condiciona la dilucin y la roca hacia los gases de escape durante la operacindelmotor.Lacantidaddependedelacargaylasrevolucionesdel motor. LatrampadeNOxalmacenalosxidosdenitrgenoNOxcontenidosenlos gasesdeescapeylosatrapaqumicamentemedianteunaimpregnacin especficaenelcatalizador.LatrampadeNOxretieneensuinteriorlosNOx originados durante el proceso de combustin, evitando que sean expulsados a la atmsfera.Ensuinterior,seconvierteelxidodenitrgenoennitrgeno,no perjudicial para la salud. Sinembargo,eldesarrollodesistemasdepost-tratamientoquepermitan limpiarlosgasesdecombustinresultaporelmomentoinsuficientepara solucionar el problema de las emisiones de NOx. En efecto, incluso con el post-tratamiento,losNOxtienenqueestaracotados(eficienciade60-80%delos sistemas de post-tratamiento, mala eficiencia durante la fase de calentamiento del motor). DIESELFECHACOHC+NOXNOXPM EURO 1 07.19922.720.97-0.14 EURO 2, IDI01.199610.7-0.08 EURO 2, DI01.199610.9-0.1 EURO 301.20000.640.560.50.05 EURO 401.20050.50.30.250.025 EURO 509.20090.50.230.180.005 EURO 6 (propuestos)09.20140.50.170.080.005 Tabla1: Normativas de emisiones, vehculos ligeros (g/km).

LasestrategiasparadisminuirlaformacindeNOxdirectamenteenlafuente sonnumerosas.Losparmetrossiguientessontpicamenteoptimizadospara obtener reducciones en las emisiones: - configuracindelastoberasdeinyeccin(geometra,nmerode orificios, localizacin de los orificios) - forma de la cmara de combustin - formadelcircuitoseguidoporelaire(sobrealimentacin,gestindela turbulencia, movimiento del swirl en el cilindro) - estrategia de combustin. Los 3 primeros parmetros ayudan a disminuir los contaminantes en el cilindro, sin embargo, la clave reside en las estrategias de combustin. Introduccin17 Existen3principalesestrategiasdecombustin,quesehanilustradoenla Figura1. 0123456Dosado[-]1200 1600 2000 2400 2800Temperature [K]SOOTNOxHCCIPPCLTC Figura1: Estrategias de combustin para alcanzar bajas emisiones de NOx en el diagrama dosado/temperatura [Dronniou 2008]. HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition) hace referencia a estrategias durantelascualeslatotalidaddelcombustiblesemezclaconelaireantesde iniciarselacombustin[Epping2002,Hasegawa2003,Kawano2005].Esta ltimasedesarrollaendosadorelativamentepobreyseformapocoholln. Adems,lastemperaturasbajasalcanzadasdurantelacombustinpermiten limitarlaformacindeNOx.Sinembargo,eliniciodelacombustinnose controlamuybienyunpicobruscodepresinaliniciarselamismaprovoca muchoruido.Adems,cuandolacargayelcaudaldeinyeccinaumentan(as comolatemperaturaylapresinenlacmaradecombustin),la homogenizacindelamezclasehacemsdifcil.Esosmotoresfuncionanbien principalmente con cargas y regmenes bajos. PPC(PartiallyPremixedCombustion)reagrupavariosconceptosdiferentestal comolainyeccinprecoz[Takeda1996,Singh2005]olapost-inyeccin [Benajes2001,Desantes2007].Estaestrategiapermiteunahomogenizacin parcialdelacarga,esdecirquelacombustinvaarealizarseenparteen combustin por difusin. Hoy en da, el desafo reside en controlar el tiempo de retraso y la velocidad de combustin as como el impacto del combustible en las paredes debido a la inyeccin precoz. Tambin hace falta extender esa estrategia a cargas altas. La implementacin de las estrategias HCCI y PPC es muy restringida ya que son eficientes sobre todo a velocidad y cargas bajas. 18Introduccin OtroprocesoqueparecemsadecuadoeslaLTC(LowTemperature Combustion) [Wagner 2003, Minato 2005]. Se refiere a una estrategia durante la cual las emisiones de holln y de NOx se controlan con una temperatura baja de llama.Alcontrariodelasdosestrategiaspresentadasanteriormente,laLTCno necesita la existencia de una mezcla premezclada, y se puede aplicar totalmente a lacombustindiesel.Lastemperaturasbajasseobtienenalintroducirgasesde escapeenelconductodeadmisinloqueengendraunadilucindelacargay una disminucin de la concentracin de oxgeno en la cmara de combustin. El hechodeintroducirunaaltatasadeEGRprovocaunadisminucindela temperaturaylimitalaformacindeNOx.Sinembargoengendraunamala oxidacin del holln. As que hay que encontrar una buena estrategia que permita que no se dispare la formacindeholln.Unasolucinesalcanzarunatemperaturadecombustin tanbajaquesereduzcaoeliminecompletamentelaformacindeholln, limitando la produccin de NOx. ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO Esta tesis se divide en 6 captulos aparte de la introduccin y de la conclusin. Se presenta en los dos primeros captulos el anlisis bibliogrfico. Enelprimercaptuloserealizaunaintroduccingeneralalosfenmenosde formacin de holln y de partculas. Luego, se profundizan los aspectos generales de formacin de holln desarrollando los diferentes mecanismos que llevan a su produccin. En el captulo 2, se enfoca el estudio bibliogrfico en el proceso de formacin de hollnenlallamadecombustinpordifusindiesel.Sepresentaelmodelo conceptual de Dec [Dec 1997], especie de imagen del proceso de combustin por difusin en el cual especifica la manera de formarse del holln. Luego se analizan lasdiferentestcnicasquehansidoutilizadasparacaracterizarelprocesode formacin de holln, y por ltimo se estudia los efectos de los parmetros fsicos en la formacin de holln. Delanlisisdelestadodelarte,sedesprendelasolucinadoptadaparaabordar los objetivos planteados en el captulo 3. En los captulos 4 y 5 se detalla tanto la informacin terica como experimental que se ha manejado para responder a los objetivos propuestos. Introduccin19 Enelcaptulo4seprofundizaenlametodologadeanlisisparaadquirirla informacin necesaria a la caracterizacin de la formacin de holln en la llama de difusin diesel. Se presenta primero la metodologa de caracterizacin de los parmetrosimportantesparalaformacindeholln,yluegosedesarrollala informacinnecesariaalaoptimizacindelanlisis.Estainformacinconsiste enlamejoradeladeterminacindelaconcentracindehollnbasadoenel proceso de mezcla. El captulo 5 se centra principalmente sobre la informacin experimental, tanto la instalacin como los datos; se desarrolla la manera de obtener y tratar los datos adquiridos. Los resultados se presentan en el captulo 6. Permiten aportar nuevos elementos enelprocesodeformacindehollnenlallamadieseldedifusinconbaja temperatura.Secentranprincipalmenteenlaidentificacinycuantificacinde los principales mecanismos involucrados en el proceso de formacin de holln. Paraterminar,serealizaunresumendeltrabajorealizadoyseexponenlas conclusiones fundamentales a las que se ha llegado durante la elaboracin de este documento.Tambinseplanteanvasporlasquecontinuareltrabajo,para enfocar el conjunto de posibles desarrollos futuros. Enesteltimoprrafo,sevanaexponerconantelacinlosobjetivosdel documento.Enefecto,esosobjetivossedefinenen elcapitulo3peroconel findefacilitarsuidentificacindurantelelecturadelosdoscaptulosde revisin bibliogrfica (captulos 1 y 2), se van a introducir a continuacin. Elobjetivoprincipalesprofundizarenelconocimientoyenlacomprensin delaformacindehollnenunallamadedifusindieselencondicionesde baja temperatura, con baja concentracin de oxgeno.Para alcanzar este objetivo principal, se han identificado diferentes objetivos particulares: Relacionarentreslosdiferentesprocesosqueconducenala formacin de holln. Caracterizar el efecto de la concentracin de oxgeno sobre diferentes parmetroscaractersticoscomo:lalongituddellift-off,lavelocidad depropagacindelfrentedellama,lalongituddelallamaobienel dosado en el lift-off. Caracterizarlasconsecuenciassobreelprocesodeformacinde holln. 20Introduccin Cuantificar el impacto sobre los dos puntos anteriores del aumento de la presin de inyeccin y del uso de orificios pequeos. Con el fin de obtener toda esa informacin, se quiere desarrollar: Unametodologademedidasimultaneadellift-offydela concentracindehollnenlallamabasadaendiferentestcnicasde visualizacin de la combustin en un motor de accesos pticos. Unanlisisdelprocesodemezcladecombustiblequepermita cuantificar los mecanismos fsico-qumicos estudiados. CAPTULO 1 FORMACIN DE HOLLN Y DE PARTCULAS,ASPECTOS GENERALES Contenido 1.1. Proceso de formacin de partculas..23 1.2. Proceso de formacin de holln.........27 1.2.1. Ideas generales sobre la formacin de holln.27 1.2.1.1. Proceso de pirlisis..28 1.2.1.2. Proceso de nucleacin.30 1.2.1.3. Proceso de crecimiento...31 1.2.2. Tiempos caractersticos....32 1.2.3. Tamao y densidad..33 1.2.3.1. Tamao33 1.2.3.2. Densidad..36 1 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales23 1.1. PROCESO DE FORMACIN DE PARTCULAS Es muyfrecuente considerar el motor diesel como una fuente de contaminacin debido a sus emisiones de partculas. As pues, en los ltimos aos, las partculas diesel han sido objeto de gran atencin cientfica.Haciendoreferenciaasunaturalezapropia,esdecirindependientementedel mtododemedidautilizadoparasucaracterizacin,sepuedendefinirlas partculascomountipodeaerosolatmosfrico, considerando unadispersinde compuestoslquidosyslidosdediversacomposicinenelsenodelgasde escapeemitidoporelmotor.Ladiversidadenlacomposicindelaspartculas engendra estructuras y tamaos muy variados. Paraentenderlascausasdeesadiversacomposicin,esimportanteconocer culessonlosfenmenosqueintervienenensuprocesodeformacin.De manerasimplificada,elprocesodeformacindepartculassepuededividiren tresejesprincipales:primeroseformaelholln(pirlisis,nucleacin, crecimiento),luegoodemanerasimultneaalaformacin,seoxidaelholln (todooenparte)yfinalmentetienelugarunprocesodeabsorciny condensacin (con el holln que no se ha oxidado). La Figura1.1 ilustra las relaciones existentes entre cada uno de esos procesos. En elesquema,losprocesossehanrepresentadocomoprocesosdistintosy sucesivos;sinembargo,realmentesesolapanlosunosconlosotrosyocurren simultneamente en la llama de difusin diesel. Los procesos de formacin y oxidacin tienen lugar durante la combustin en la cmara de combustin. El holln se forma si durante el proceso de combustin existen zonas con dosadosmuyricosyalalcanzarelevadaspresionesytemperaturascon falta de oxgeno, puede suceder que la cadena del hidrocarburo comience afracturarseydeshidrogenarse,pudiendoquedarfcilmenteconvertida encarbn.Estefenmenosueledarseenlazonainteriordelchorrode combustiblequeprovienedelinyector,dondeesmuyricoeldosadoy por tanto hay falta de oxgeno. Laformacindehollnesunprocesocomplejoenelcualtienenlugar reacciones y procesos fsicos y qumicos. La secuencia ms probable para laformacindehollneslasiguiente:pirlisis,nucleacin,crecimiento (crecimiento superficial, coagulacin y aglomeracin). 241 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales

Figura1.1: Procesos que conducen a la formacin de partculas diesel. Durantelapirlisisseformanlosprecursoresdeholln.Luego,esos precursoresvanaengendrarncleos(pequeaspartculasdeholln)que vancreciendopocoapococonlosprocesosdecrecimientosuperficial, coagulacinyaglomeracin.Alcanzansutamaomximoal aproximarsealfrentedellama,dondeafortunadamentegranpartede estas partculas de holln se oxidan. La oxidacin es un proceso de conversin de un carbono o hidrocarburo en productos de la combustin como CO, CO2 y H2O. Tiene lugar en la superficiedelhollnypuedesucederdurantetodaslasetapasde formacindelholln,desdelapirlisishastalaaglomeracin.Sin embargo,durantelapirlisis,elprocesodeoxidacinespoco significativo a pesar de la presencia de especies oxigenadas [Tree 2007]. Inicialmente,sehabadeterminadoquelaoxidacinseproducaporun ataquedeespeciesoxidantescomoeloxgenomolecularO2[Nagle 1962].Luego,FenimoreyJones[Fenimore1969],en1969,fueronlos Proceso que tiene lugar en el cilindro Proceso que tiene lugar en el escape Absorcin yCondensacin Crecimiento Nucleacin Pirlisis Oxidacin Oxidacin Oxidacin TIEMPO 1 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales25 primerosenverlaimportanciadelOHparalaoxidacindelholln.Y adems, dependiendo de las condiciones, otras especies como tomos de oxgenoO,H2O,CO2,NOyNO2puedentenersuimportanciaen determinadas condiciones. Tambin,NagleyStrickland-Constable[Nagle1962]declaranqueotra condicin es necesaria para que la oxidacin ocurra: las temperaturas en lallamadebensuperarlos1100K.Siestatemperaturaesinferior,se produce un bloqueo trmico y las partculas formadas ya no se oxidan. Laemisintotaldehollndependedelbalanceentrelosdosprocesosde formacin y oxidacin. El proceso de formacin de partculas concluye con los fenmenos de absorcin ycondensacinquetienenlugarduranteelrecorridodelaspartculasporel sistema de escape donde el descenso de temperatura se hace ms rpido. Figura1.2: Especies que intervienen en los procesos de absorcin y condensacin para la formacin de partculas. En la Figura1.2, estn representadas las diferentes especies que intervienen en los procesos de condensacin y absorcin; se citan a continuacin: -el holln total (balance entre la formacin y la oxidacin), Partculas Proceso que tiene lugar en el cilindro Absorcin y Condensacin Formacin total de partculas de holln Hidrocarburos parcialmente quemados Cenizas Hidrocarburos no quemados Compuestos de Azufre Proceso que tiene lugar en el escape 261 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales -las cenizas, que tienen como origen los aditivos del combustible o del aceite. Se forman, al igual que el holln, en la llama de combustin diesel. -los hidrocarburos parcialmente quemados procedentes del combustible,-los hidrocarburos no quemados procedentes del aceite del sistema de lubricacin o del combustible,-loscompuestosconteniendoazufre,queseformanapartirdelahidrlisisen presencia de agua de los xidos de azufre procedentes del contenido de azufre en el combustible. Durantelosprocesosdecondensacinyabsorcin,esasespeciesseagrupande talmanera,queasusalidaalaatmsfera,laestructuradelaspartculasesla siguiente (representada en la Figura1.3): principalmente se componen de holln y cenizas rodeados por una capa formada por compuestos orgnicos voltiles (HC) yporcompuestosdeazufrehansidoadsorbidos.Tambinestnpresentes compuestos lquidos de menor tamao como las partculas de cido sulfrico, de sulfato o tambin de hidrocarburos. Figura1.3: Estructura tpica de las partculas recogidas en el escape de un motor diesel[Kittelson 1999]. Eltemadelapresentetesisestenfocadoexclusivamenteenelprimerproceso de formacin de partculas: se centra el estudio en la formacin de holln. 1 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales27 1.2. PROCESO DE FORMACIN DE HOLLN Enesteapartadosevaaintroducirlaproblemticageneraldeformacinde holln:sepresentaracontinuacinelesquemadeformacindehollnen condiciones uniformes y estacionarias. 1.2.1. IDEAS GENERALES SOBRE LA FORMACIN DE HOLLN El conocimiento en la formacin de holln ha ido evolucionando con la mejora en las tcnicas de diagnstico ptico en los motores a lo largo del tiempo. A partir delconjuntoderesultadosobtenidosenlaliteratura,variasteorashansido propuestas para la formacin de holln. La teora ms probable para explicar esa formacin,enunsistemadecombustinpremezclada(aire-combustible),con evolucintemporalyespacialconstante,consisteenlosprocesossiguientes (Figura1.4): las primeras partculas de holln (o ncleos) se forman a partir de la colisin de los PAHs (hidrocarburos policclicos aromticos), considerados como precursoresdelholln.Luego,aumentalasuperficiedelosncleos,debidoa reaccionesqueocurrenensusuperficieformandopartculasprimarias.Yesas partculasprimariasseaglomeranparaformaraglomeradosdegrantamao (cluster o agregacin). Figura1.4: Procesos que intervienen en la formacin de holln. A continuacin se describe con ms detalles los diferentes procesos de formacin de holln. 281 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales 1.2.1.1. PROCESO DE PIRLISIS Independientementedeltipodellamaydelcombustibleutilizado,esteltimo sufre un proceso de pirlisis oxidativa. Lapirlisisesunprocesoduranteelcualelcombustiblealterasuestructura molecular en presencia de temperaturas altas. Aspues,elcombustiblequesufrelapirlisissedegradaencadenascortas, particularmenteenacetilenoC2H2.Sinembargo,etilenoC2H4ypropargilC3H3 tambinsonespeciesqueseformandurantelapirlisisdelcombustible[Flynn 1999]. Demanerasimplificada,lapirlisisvaaafectarlaestructuramoleculardel combustible de la manera siguiente: pirlisis Combustible molculas pequeas de C2H2 macromolculas PAH Se consideran el acetileno C2H2 y los hidrocarburos policclicos aromticos PAH comolasespeciesprecursorasdirectasparalaformacindeholln[Heywood 1988].LoshidrocarburospolicclicosaromticosPAH,sonmolculas compuestasdeunamultituddemolculasdebencenoC6H6,tambinllamados anillos. Para la formacin de PAH se han planteado varios mecanismos qumicos en fase gaseosaatravsdeloscualeslospequeosfragmentosdehidrocarburosde combustible dan lugar al primer anillo aromtico: 1/reaccindeciclacindeDiels-Alder:lamolculadeacetilenoC2H2 reacciona con butadieno C4H6 para formar benceno C6H6 (Figura1.5). Figura1.5: Reaccin de Diels-Alder para la formacin del primer anillo aromtico [Frenklach 1990]. CH CH +H2+C C CH2 H CH2H 1 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales29 2/ataque de C2H2 sobre el radical n-C4H3 o el radical n-C4H5 [Wang 1994]: laformacindelprimeranilloempiezaconelempalmeentreacetileno C2H2yviniloC2H3. Silatemperaturaesalta,elanilloseformapor combinacindeacetilenoC2H2 conelradicaln-C4H3.Silatemperatura es baja, la interaccin del acetileno C2H2 con el radical n-C4H5 conduce a la formacin de benceno (Figura1.6). Figura1.6: Posibles mecanismos de reaccin para la formacin del primer anillo aromtico via (a) n-C4H3 y (b) n-C4H5 [Wang 1994]. 3/combinacin de radicales de propargil (Figura1.7). Figura1.7: Mecanismo de formacin del primer anillo aromtico a travs de la combinacin de radicales de propargil [Miller 1992]. Una vez el primer anillo formado, se forman especies aromticas formadas de 2 o ms anillos. El crecimiento de esos hidrocarburos policclicos aromticos PAH puededarseporunaumentodelnmerodeanillosatravsdelmecanismo HACA(hydrogenabstractionacetylenaddition)[Miller 1992].Elmecanismo HH2 n C4H5 + C2H2 b C2H3 + C2H2[C4H5] C4H4n-C4H3 +H -H2 + C2H2 a high-temperature route low-temperature route 2C3H3 H2C C CH CH C H2C 301 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales HACAconstadeunprocesosecuencialdedospasosparalaformacindelos anillosaromticos:enprimerlugarocurrelaliberacindeunhidrgeno,que activalasmolculasaromticas,seguidodelaadicindeacetileno,loque promueveelcrecimientomolecularylaciclacindelPAH(verFigura1.8 siguiente).LarepeticindelprocesoHACApuededarlugarasaestructuras aromticas de un nmero elevado de anillos. Figura1.8: Mecanismo HACA de formacin de molculas de PAH [Millar 1992]. 1.2.1.2. PROCESO DE NUCLEACIN Lanucleacineselprocesodeformacinde lasprimeraspartculasdehollna partir de los precursores macromoleculares, proceso homogneo que tiene lugar en fase gaseosa. Annoseconoceconcertezaelmecanismoatravsdelcualtienelugarla transicindemacromolculasPAHapartculasdeholln.Sinembargo,en general, los investigadores coinciden en la mayor probabilidad de colisin de dos PAH,haciendoquelasmolculascondensenfsicamenteparadarlugarauna fase lquida de holln. Los ncleos de holln se forman para una temperatura que vara entre 1300 y 1600 K y espacialmente, se restringen en la regin cerca de las primerasreacciones(zonadepirlisis)dondelatemperaturaylas concentraciones de radicales son ms altas [Tree 2007]. Losncleosdehollnasformadossecomponendepartculascarbonosas estructuradasenredescristalinasquecontienenalrededorde1%enpesode hidrgeno, es decir la proporcin correspondiente a la frmula emprica media de C8H [Heywood 1988]. Duranteeseproceso,numerososncleossehanformado,perotienentamaos muy pequeos y no participan de manera significativa en la masa total de holln 1 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales31 final,sinoquetienenunainfluenciaenlamasaqueseaadedespus proporcionando sitio para el crecimiento superficial. 1.2.1.3. PROCESO DE CRECIMIENTO Elcrecimientodelaspartculaspuededebersealpropiocrecimiento superficial de las partculas, a la coagulacin o a la agregacin. El crecimiento superficial es un proceso en el cual se aade masa en la superficie de los ncleos de holln.Elprincipiodeesteprocesonosedistinguerealmentedelfinaldelprocesode nucleacin ya que ocurren de manera casi simultnea.Duranteelprocesodecrecimientosuperficial,elnmerodepartculasvaa quedarconstante;sinembargolaspartculasvanaincrementarsumasa: hidrocarburos, y principalmente poliacetilenos se van a depositar en la superficie de las esferas, de modo que los ncleos de holln van a crecer desde 1-2 nm hasta 10-30 nm [Heywood 1988].Lamayoradelamasadelhollnseconsigueduranteestafaseyeltiempode residenciatieneunpapelmuyimportantesobrelamasayelvolumentotalde holln. Adems, la tasa de crecimiento disminuye desde el momento de la formacin del ncleodeholln,debidoalaprdidadereactividaddelaspartculasporun procesode envejecimiento.Deestaforma laspartculasrecinformadascrecen ms rpidamente que las que son maduras [Fuentes 2006]. Lafasedecoagulacinseproducesimultneamentealcrecimientosuperficial pero solamente cuando las partculas son jvenes y de pequeo tamao. Durante este proceso dos partculas slidas y esfricas colisionan y se funden en unademayortamao.Lasdospartculasoriginariaspierdensuidentidad morfolgica [Martos 2006].Elnmerototaldepartculasdisminuyeduranteesteprocesomientrasquesu masa aumenta. Unavezfinalizadoelprocesodecrecimientosuperficialydecoagulacinse producelafasedeaglomeracindurantelacuallaspartculascolisionanpara formar aglomerados. Debido a la reduccin en el nmero de centros activos en la superficiedelaspartculas,cuandolaspartculasdehollncolisionanse aglomeran sin fundirse ni perder su forma original, dando lugar a formas ms o menos ramificadas, que pueden contener hasta 200 partculas primarias [Martos 2006]. 321 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales Se pueden identificar 2 tipos de aglomeracin diferentes: -formacinderacimosocluster:laspequeasesferasslidas inicialescolisionanypuedenunirsepormediodefuerzasdecohesindbiles, como la tensin superficial, formando aglomerados en forma de racimos (cluster) de pequea estabilidad, en el que las esferas originales mantienen su identidad. - agregacin: se puede producir la unin de un reducido nmero de partculas con distribucin de cargas asimtricas a travs de fuerzas cohesivas atmicas o moleculares produciendo agregados lineales de gran estabilidad. Amedidaquelatemperaturadelosgasesvadisminuyendoelprocesode formacin de aglomerados-cluster va perdiendo importancia frente al mecanismo de agregacin, estos procesos suponen un obstculo para la oxidacin, ya que la superficie de contacto de las partculas con el oxgeno se va reduciendo [Haynes 1981]. 1.2.2. TIEMPOS CARACTERSTICOS En1982,Smith[Smith1982]hizounestudioycaracterizlostiemposde formacinyoxidacindeholln.Esosprocesoscomplejostienenlugarcon tiempos caractersticos diferentes. Smith analiz la formacin de precursores, la nucleacin, la coagulacin, la formacin de partculas primarias, la aglomeracin ascomolaoxidacin,encondicionestpicasdeunallamadieselconvalores caractersticosqueslopuedenllevaradatosdetiempomuyaproximadospara cada proceso. El resumen de esos valores se encuentra en la Tabla1.1. Siseconsideraunprocesoconunciclocompletodecombustinde3-4ms,la formacin de holln estar completa despus de 1-2 ms despus de la nucleacin local, lo que corresponde a un ngulo de cigeal de 10. Por supuesto esos valores van a variar en funcin de una multitud de parmetros que son primero el tipo de motor y segundo los parmetros de funcionamiento. PROCESOSESCALA DE TIEMPO Formacin de precursores / Nucleacin pocos s Coagulacin 0.05 ms despus de la nucleacin local Formacin de partculas primariasuna vez que termin la coagulacin Aglomeracin pocos ms despus de la coagulacin Oxidacin del holln 4 ms Ciclo completo de combustin3-4 ms Deposicin de hidrocarburosdurante la expansin y el proceso de escape Tabla1.1: Tiempos caractersticos de los procesos que conducen a la formacin de holln y de partculas para un ciclo completo de combustin en un motor diesel [Smith 1982]. 1 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales33 Adems,eltiempocaractersticodeoxidacindelhollnencontradoporSmith no parece muy razonable: la oxidacin tarda lo mismo que un ciclo completo de combustin.Estaoxidacindeberatardarmuchsimomenosyaqueseoxidan las partculas de holln exclusivamente al atravesar la periferia de la llama, lo que podra durar algunos s. Tambin, hoy en da, todos esos tiempos deben haberse reducido bastante ya que hacedesdemsdeveinteaoshastaahora,lostiemposdecombustin,por supuesto muy dependientes de las condiciones de operacin, se han dividido por aproximadamente 4. 1.2.3. TAMAO Y DENSIDAD 1.2.3.1. TAMAO Lasprimeraspartculasdeholln,esdecirlosncleos,tienenuntamaomuy pequeo con un dimetro inferior a 2 nm [Schraml 1999].Segnesemismo autor[Schraml1999],laspartculasprimariassonesfricas (omsomenosesfricas)conundimetroaproximadoentre20-30nm,y compuestas por del orden de 1 milln de tomos de carbonos.Sinembargo,parecequesutamaovaraenfuncindelosparmetrosde funcionamientodelmotor,yvariosestudioshansidorealizadosllegandoalos resultados siguientes: hay una disminucin del tamao de las partculas primarias cuando: - la relacin aire/combustible aumenta [Martos 2006, Zhu 2003], - el rgimen de giro aumenta [Martos 2006, Schraml 1999, Lee 2002], - la carga aumenta [Zhu 2003, Lee 2002], - latasadeEGResbaja[Zhu2003].Enelestudiode[Martos2006],el efectodelastasasdeEGRsobreeltamaomediodelaspartculas primariasnoharesultadosignificativo,probablementedebidoauna superposicin de efectos contrapuestos [Martos 2006]. Zhuetal.[Zhu2003]yLeeetal.[Lee2002]justificanladisminucindel dimetro con el hecho de que cuando aumentan el rgimen o la carga del motor, lasaltastemperaturasdecombustinprovocanunaoxidacinmsefectiva. Mientrasque[Schraml1999]afirmaquelasreaccionesdecrecimiento superficiales no tienen tanto tiempo para ocurrir cuando el rgimen aumenta. 341 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales Se realizaron varios anlisis de dimetros de partculas primarias a partir de unas muestras analizadas con microscopio o con medidas pticas con incandescencia introducida por lser. Esas muestras se obtienen mediante los gases de escape en loscualesseencuentranpartculasdieseltpicascompuestasporpartculas primarias esfricas (Figura1.9). Figura1.9: Fotografa de una partcula diesel tpica (o aglomerado) compuesta por partculas primarias esfricas [Martos 2006]. Esosanlisishanreveladoqueparacualquierparmetrodefuncionamientode motordieseldeautomvil,rgimendegiro,tasadeEGR,etc...,losvaloresse encuentran en un rango de 19 a 36 nm [Schraml 1999, Zhu 2003].De acuerdo con lo anterior, varios autores coinciden en decir que la variacin del dimetro de las partculas primarias es muy dbil en funcin de las condiciones 1 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales35 de funcionamiento del motor por lo que se podra considerar un dimetro medio del orden de 25 nm [Martos 2006]. Otrasmedidasrealizadasenelcilindroconmedidasdeextincindeluzhan estimadoeldimetrodelaspartculasprimariasentre30y50nm[Tree1994]. Parecequelatcnicademedidatieneunainfluenciaeneltamaoestimadode las partculas primarias de holln. Yaunquedosaglomeradostenganelmismonmerodepartculasprimarias, stas se disponen en cada aglomerado de manera distinta, haciendo que cada uno tengaunaformairregulardistinta,condiferentecompactacinytamao (Figura1.10).Contrariamentea laspartculasprimarias,losaglomeradosnoson uniformes ni en tamao ni en forma y es muy difcil obtener un dimetro medio. Unavezelprocesodecombustinterminado,sehanmedidolosdimetrosde aglomeradosysehanencontradovaloresentre100nmy2m[Ladammatos 1994] pero pueden ser incluso ms grandes. Figura1.10: Fotografas de unas partculas diesel tpicas (o aglomerados) [Martos 2006]. La foto en la izquierda representa un aglomerado compuesto de 80.89 partculas primarias mientras que la foto en la derecha representa un aglomerado compuesto de 77.63 partculas primarias. Se puede observar que los aglomerados, a pesar de tener un nmero de partculas primarias similares, tienen una morfologa muy diferente. 361 Formacin de holln y de partculas, aspectos generales 1.2.3.2. DENSIDAD En1976,Surovikin[Surovikin1976]definielparmetrodedensidaddeun ncleoenelestudioquehizoapropsitodeunmodelomatemticosobrela formacindepartculasdecarbononegro.Sinembargonodioningnvalor aproximado de esa densidad. Encuantoaladensidaddepartculasprimarias,sepuedenencontrarvalores en varios estudios. Moss et al. [Moss 1995] asumen una densidad de 1.8 g/cm3 en su modelo terico deformacindehollnenuna llamadedifusinlaminar.Tambin, Corcioneet al.[Corcione2002]proponenelmismovalorde1.8g/cm3ensumodelosemi-emprico de formacin y oxidacin de holln en motor diesel. Otros autores definen un valor de densidad de 2 g/cm3, como por ejemplo Smith [Smith 1982] para el clculo de un modelo fsico y tambin Shurupov [Shurupov 2000] en sus experimentos. En1994,Choietal.[Choi1994]hanmedidounvalordedensidadparalas partculas primarias de 1.84 g/cm3, valor coherente y muy similar al asumido por otros autores. Sinembargo,esmuypococomnencontrarestudiosenlosquesehayan estudiado valores de densidad de los aglomerados [Lapuerta 2003]. Ladensidaddelaglomeradosepuededefinircomoelratioentrelamasayel volumen del mismo: 36veppppdmVm = = (EC1.1) siendo pdensidad de la partcula, pmmasa de la partcula, pVvolumen de la partcula y veddimetro del volumen equivalente. Hayquetenerencuentaqueladensidaddelaglomeradoesdiferentedela densidad del material cuando en el aglomerado existen huecos; de manera que en este caso la densidad del material slida ser mayor que la del aglomerado. Aspues,sedefineparalaspartculas(oaglomerados)porosasnoesfricasel conceptodedensidadaparente.Sudeterminacindependedelasdensidadesde laspartculasprimarias,delamorfologa,delaporosidad,ytambindela tcnica de medida utilizada [Fuentes 2006]. CAPTULO 2 FORMACIN DE HOLLN EN LA LLAMA DE DIFUSIN DIESEL Contenido 2.1.Modelos conceptuales de la llama de combustin por difusin: importancia del dosado en el lift-off para la formacin deholln..39 2.1.1. Antecedentes..39 2.1.2. Modelo conceptual de Dec44 2.1.2.1.Esquema general..44 2.1.2.2.Evolucin temporal..46 2.1.2.3.Formacin de holln.48 2.1.2.4.Choque contra la pared...49 2.2. Medidas del lift-off y del holln..50 2.2.1. Instalaciones experimentales50 2.2.1.1.Motor con pistn transparente...51 2.2.1.2.Mquina de compresin rpida..52 2.2.1.3.Motor con culata transparente...54 2.2.1.4.Cmara de combustin con volumenconstante.55 2.2.2. Visualizacin del lift-off57 2.2.3. Cuantificacin de la concentracin de holln..60 2.2.3.1.Incandescencia Inducida por Lser (LII)..61 2.2.3.2.Extincin de luz64 2.2.3.3.Mtodo de los 2 colores69 2.2.3.4.Comparacin de las diferentes tcnicas.74 2.3. Efectos de los parmetros fsicos sobre la formacin de holln..77 2.3.1. Estudio terico sobre el lift-off.77 2.3.2. Efecto de la temperatura..79 38 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel 2.3.3. Efecto de la densidad.82 2.3.4. Efecto de la presin de inyeccin.84 2.3.5. Efecto del dimetro de la tobera..85 2.3.6. Efecto de la concentracin de oxgeno.87 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel39 Enelcaptuloanterior,seintrodujolaproblemticageneraldelaformacinde holln,ysepresentelesquemaqueparecegobernarsuformacinen condiciones uniformes y estacionarias. Enestecaptuloseintroducirlaproblemticaespecficadelaformacinde hollnenunallamadedifusindiesel.Enlallamadedifusindiesel,las condiciones en la cmara son variables y no uniformes a causa de las variaciones localesdetemperatura,densidadyconcentracinoriginadasporelprocesode mezcla. Lacomplejidaddeldesarrollodeunallamadedifusindieselcondujoalos investigadoresaelaborarunmodeloconceptual,esdecir,unaespeciede esquema de la llama de difusin diesel que representa los diferentes mecanismos involucrados.Assepudoaveriguarlaimportanciadelasvariacionesdelas condicioneslocalesenlallamadedifusinparalaformacindeholln.El parmetro que parece tener una importancia primordial en la formacin del holln eseldosadoenellift-off(ellift-offeslazonaqueexisteentreelinyectoryel principiodelallamadecombustin).Asquesedesarrollaronvarias herramientasexperimentales(instalaciones,cmaras)quepermitenalavez medir el lift-off y la concentracin de holln. Esos puntos se presentan en los dos primeros apartados de este segundo captulo. Enlaltimapartedeestecaptuloseestudiarnlosefectosquetienenlos parmetros de funcionamiento, como la presin de inyeccin,la temperatura, la densidad, el dimetro de la tobera y la concentracin de oxgeno, en la formacin de holln. 2.1. MODELOS CONCEPTUALES DE LA LLAMA DE COMBUSTIN POR DIFUSIN: IMPORTANCIA DEL DOSADO EN EL LIFT-OFF PARA LA FORMACIN DE HOLLN 2.1.1. ANTECEDENTES Lacombustindieselesunprocesocomplejo,turbulentoentresdimensiones, compuesto de varias fases, que tiene lugar a altas temperaturas y presiones. Desdehacevariosaosya,sehaintentadodesarrollarmodelosconceptuales, paratenerunaimagenclaradeloqueocurraduranteesacombustin.Un 40 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel modeloprecisoyexactopodraservirdeayudaparalainterpretacindelos ensayosexperimentales,yademspodraguiareneldesarrollodemodelos numricos. Sin embargo, es slo desde hace pocos aos que se han desarrollado tcnicas de medida que han permitido entender mejor lo que ocurra durante la combustin. Antesdelaaparicindeesastcnicasavanzadas,lainformacinylasmedidas eran muy limitadas. Lasprimerastentativasyprimerosexperimentosparadescribirlacombustin diesel,fueronadaptadosapartirdeestudiosyresultadosobtenidosen condicionescuasi-estacionariasparaunallamadeturbinadegasodehorno [Agnew1984].Enefecto,variosinvestigadorestenanlaintuicindequela partecuasi-estacionariadelacombustindiesel,esdecirdespusdelafase transitoriayantesdelfinaldelainyeccin,ocurradelamismaformaquela partecuasi-estacionariadelacombustindeunaturbinadegasodeunhorno. Esashiptesisserelatanen[Faeth1977,Agnew1984,Kuo1986].Parael estudiodeesapartecuasi-estacionariatambinsehizolasuposicindequeno haban interacciones con la pared. El concepto y la descripcin del primer modelo conceptual pueden encontrarse enelartculodeFaeth[Faeth1977]yunesquemadeesemodeloest representando a continuacin en la Figura2.1. Figura2.1: Esquema representativo de una llama de difusin coaxial [Faeth 1977]. 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel41 Se pueden distinguir varias zonas: en el centro del chorro est representada una zona fra muy rica en la cual slo se encuentra combustible alrededordeesaprimerazona,elcombustiblesevamezclandoconelaire englobado. Se forman zonas con niveles demezcla distintos; y la concentracin de combustible decrece poco a poco al alejarse del centro del chorro y acercarse a su periferia. lazonadecombustintienelugaraunaciertadistanciadelcentrodelchorro cuando la mezcla aire/combustible est apropiada. Ensuartculo,Faeth[Faeth1977]declaraquealanalizarlamayoradelos experimentossepuedeafirmarquelasgotitasdecombustibledefuel desaparecenalacercarsealazonadetemperaturamxima.Sinembargono especificasilacombustinocurreconunconjuntodepequeasllamasde difusinalrededordecadagotitaoconunallamadedifusingrande(ovaina) querodealaperiferiadelchorroyqueestalimentadaporelvapordel combustible de todas las gotas.Luego, esos dos modos de combustin han sido objetodevariosestudioscomolosdeKuo[Kuo1986]odeChiuetal.[Chiu 1982], no obstante no han llegado a un consenso sobre la naturaleza de la llama de combustin por difusin diesel. Aunque hay varios detalles que no estn completamente definidos o verificados, la descripcin hecha por Faeth [Faeth 1977] parece coherente con la mayora de losexperimentosdelapoca.Eseprimermodeloconceptualhadadolugara varias discusiones en la comunidad cientfica diesel y ha sido aceptado como una descripcin de la combustin por difusin diesel de inyeccin directa y tambin ha sido al origen del primer modelo de simulacin [Chiu 1976]. Chiuetal.[Chiu1976],hanadoptadoenparteelmodeloanteriorteniendo principalmente en cuenta la vaporizacin del combustible, la mezcla y las zonas decombustin.SumodeloconceptualestrepresentadoenlaFigura2.2yes muy similar al modelo de Faeth [Faeth 1977]: propone un chorro diesel formado poruncentroricoexclusivamentecompuestodecombustiblequeestrodeado progresivamente por una mezcla aire/combustible ms y ms pobre al acercarse a la periferia del chorro, y que se quema cuando el oxgeno englobado es suficiente para reaccionar con el fuel.Noestespecificadalalocalizacindelaformacindeholln.Sinembargo, segnWagner[Wagner1981],laformacindehollnresultadelapirlisisdel combustibleparatemperaturasaproximadamentede1300K.Comola 42 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel temperatura mxima alcanzada por la mezcla aire/combustible es de alrededor de 1000K,sededujoquelaformacindehollndebatenerlugarenlaszonasde combustindondelastemperaturassonmselevadas.Aspues,sesupona generalmentequeelhollnaparecaenlaszonasricasdecombustinpor difusin en las cuales las temperaturas son suficientemente altas. Figura2.2: Esquema representativo de las diferentes zonas de mezcla y de combustin en la llama de difusin [Chiu 1976]. Mstarde,otromodelohasidodesarrolladoporDec[Dec1997],antesdelos estudios con imgenes lser, y est representado en la Figura2.3. Dec especifica queelmodelopropuesto nosepuedeconsiderarcomounmodeloconceptual completo sino ms bien como una imagen o un esquema que intenta capturar los conceptosgeneralesdelacombustinpordifusindiesel.Declaraquesu modelonopuedeser exactoporque existenincertidumbres considerablesenlos detalles y adems afirma que varios datos experimentales e imgenes [Heywood 1988,Kamimoto1988,Kamimoto1991]sugierenquelacombustindieseles mscompleja,peroquenotieneinformacinsuficienteparadesarrollarun modelo conceptual fiable. La Figura2.3, representa un chorro diesel durante la combustin por difusin. La partecentralrepresentadaencolornegrorepresentalaregindecombustible lquido. Est rodeada por una zona donde las gotitas liquidas estn ms dispersas y se vaporizan al acercarse de la periferia del chorro. La combustin tiene lugar cuando el combustible evaporado y el aire entran en contacto en la periferia de la llama. 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel43 Para el proceso de combustin, el modelo propuesto por Dec se puede interpretar de dos maneras: - lacombustinocurrecomounallamadedifusingrande(ovaina) querodealaperiferiadelchorro:lallamadedifusinseforma alrededordelaperiferiadelchorrodondeelaireyelcombustible vaporizadoseencuentrancomoseharepresentadoenlaFigura2.3.La formacindehollnseesperaalrededordelaperiferiadelchorroenel lado rico de la zona de reaccin. - lacombustinocurrecomounconjuntodepequeasllamasde difusinalrededordecadagotita:enestecaso,habraunacantidad menordecombustibleevaporadoantesdelazonadellama,yenesa ltimaunamultituddepequeasllamasalrededordecadagota.La formacindehollnocurriraalrededordecadagota(ogrupodegotas) perolasinteraccionesconelflujodegaspodranparcialmenteo completamenteapagarlaspequeasllamasantesdelaproduccinde holln.Esoprovocaraunadistribucindehollnmshomognea alrededor de la periferia del chorro similar a la del caso anterior. Figura2.3: Esquema general de la antigua representacin de la llama de combustin por difusin diesel (antes de los estudios con imgenes lser) [Dec 1997]. 44 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel Esapartirdelosaos90,queeldesarrollodelasherramientasdemedidas pticascomolastcnicaslserysusaplicacionesalacombustindiesel,ha permitido, por primera vez, obtener detalles en el proceso de combustin diesel. Un modelo conceptual ha sido desarrollado a travs del anlisis de una multitud deimgenes,quehoyenda,eselmodeloconceptualaceptadoportodalo comunidad diesel y llamado modelo conceptual de Dec. 2.1.2. MODELO CONCEPTUAL DE DEC 2.1.2.1. ESQUEMA GENERAL La Figura2.4 muestra la imagen conceptual representativa de la llama de difusin sobre la que se marcan tres zonas distintas: Figura2.4: Esquema de la estructura de la llama Diesel durante la parte cuasi-estacionaria de la fase de combustin por difusin [Dec 1997]. - Zonadelift-off:estaprimerazonaestencontactoinmediatoconla toberadeinyeccin.Enestazonanohayllamadecombustinyaque estaltimanollegahastaelinyectordebidoalaselevadasturbulencias quetienenlugar.Enefecto,ladistanciaentrelatoberayeliniciode llama,denominadalongituddellift-off,estdefinidaporunequilibrio entrelavelocidaddeconveccinaguasabajogeneradaporelpropio 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel45 procesodeinyeccinylavelocidaddelfrentedellamadecombustin premezclada turbulenta que trata de remontar aguas arriba.Es en esta zona que los procesos de atomizacin, englobamiento de aire y evaporacin tienen lugar. - Zona de combustin por premezcla: esa zona es una regin de pequeo espesor y de dosado muy rico (del orden de 2 a 5 segn Dec [Dec 1998] y segn Flynn et al. [Flynn 1999]). En esta zona tiene lugar una reaccin premezcladaqueestalorigendelaformacindeespeciesCO,H2Oy fragmentos de combustible. Es una regin en la cual se consume todo el oxgeno englobado por el chorro en la primera zona no reactiva de forma queenelinteriordelatercerazonasesuponequelaconcentracinde oxgeno es nula (el oxgeno se encontrar de manera virtual en forma de CO2,COyH2O).Adems,loshidrocarburosparcialmentequemados (principalmente C2H2, C2H4 y C3H3) formados durante la reaccin sirven de base para la formacin de precursores de holln. - Zona de combustin por difusin: Segn el estudio de Dec [Dec 1998],una estructura tpica de llama por difusin, consta de una zona interna ocupada por productos parciales de combustin, combustible sin quemar y holln, rodeados de la superficie de reaccin. En dicha superficie, estas sustanciasseoxidantotalmenteadixidodecarbonoyaguaal encontrar la proporcin de oxgeno necesaria.Ensutrabajo,DecyCoy[Dec1996]muestranquelazonadereaccin tiene la apariencia de una superficie de espesor muy pequeo (de menos de 120 m). Adems, el frente de llama se establece en una posicin en la que la relacin oxgeno/combustible es la estequiomtrica y donde las temperaturas alcanzadas son del orden de 2700 a 3000 kelvin. Enlapartefrontaldelallamadedifusinseobservaunvrtice caractersticoquepresentalasconcentracionesdehollnmselevadas. Ese holln se va a oxidar en el frente de llama formando productos de la combustin, y va a seguir oxidndose en la medida que la concentracin deoxgenoesaltaylatemperaturasuficienteparaquelostiemposde reaccinseancortos.Adems,estambinenelfrentedellama,ensu parteexternamsprecisamente,dondesevanaformarlosxidosde nitrgenoNOx,puestoquesedanlascondicionesdetemperatura elevada y disponibilidad de oxgeno necesarias para la aparicin de dicha especie [Dec 1998]. 46 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel 2.1.2.2. EVOLUCIN TEMPORAL Apartirdeladescripcingeneralanteriordelaestructuradelallamadiesel cuasi-estacionariasepuedeestablecerlaevolucin temporaldeuna cantidad de masa(unpaquete)decombustibleinyectadoconformevapasandoportodas estas zonas. Esta secuencia est descrita por Flynn et al. [Flynn 1999] y recogida porMolina[Molina2003]yGarca[Garca2004],mostrndoseenlasFiguras 2.5 y 2.6. Figura2.5: Evolucin espacio-temporal de un paquete de masa inyectado durante la parte cuasi-estacionaria de la fase de combustin por difusin. Adaptado por Dec [Dec 1997] y Molina [Molina 2003]. Inicialmenteelpaquetedecombustible,inyectadoaunatemperaturacercanaa 350K,vaatomizndoseymezclndoseconelaire.Debidoalaatomizacinde lasgotitasdecombustibleyalenglobamientodeairecaliente,delordende 950K,seincrementalatemperaturadelcombustiblelquidoyvaevaporndose hastaquedesapareceaunaciertadistanciadelatobera.Apartirdedicha distancia,elcombustibleenfasevaporcontinamezclndoseconairehasta llegaralfinaldelaprimerazona.Alalcanzarlazonadecombustinpor premezcla,lamasainicialdecombustiblesehadiluidoconelairehastaun 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel47 dosadorelativodelordende4[Dec1997,Flynn1999],calentndosedesdela temperatura de inyeccin hasta alcanzar una temperatura del orden de 825K. Al atravesar la zona de combustin premezclada, la masa anterior se quema elevando su temperatura hasta unos 1600K. Puesto que el dosado local es rico, el oxgeno englobado se quema totalmente yse forma en gran proporcin productos parcialmente quemados procedentes del combustible. Estos ltimos son principalmente monxido de carbono e hidrocarburosdecadenacortanosaturados(C2H2,C2H4,C3H3),consideradoscomo especiesquellevanalaformacindehidrocarburospoli-aromticos,loscuales constituyen los autnticos precursores de holln. Figura2.6: Resumen de los diferentes procesos que ocurren durante la combustin [Flynn 1999]. Segn estimaciones de Flynn et al. [Flynn 1999], en este proceso de combustin seliberadelordendel10-15%delaenergaqumicaquecontieneel combustible. A continuacin el paquete entra en la zona de la llama de difusin, donde sigue mezclndose y englobando gases, aunque aqu no hay aportacin de oxgeno.Enefecto,lallamadedifusinexistenteenlaperiferiaimpidequeel oxgenopenetreenestazona.Debidoaestaausenciadeoxgeno,esmuypoco probable que exista liberacin de calor en el interior de esta zona. Paralelamente a este proceso de englobamiento, el holln va creciendo en el interior de la llama 48 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel dedifusin,cuyotamaosermximoalaproximarsealcontorno estequiomtrico. Cuando finalmente el paquete atraviesa el frente de la llama de difusin, se quema completamente debido al aporte de oxgeno por difusin de la parteexteriordelfrente,liberandoelresto(alrededorde85%)deenerga qumicaquequedabadel combustibleinicial.Con ellose alcanzaen estefrente latemperaturamxima,delordendelaadiabticadellama(2700-3000K).Al atravesar la zona de combustin, el holln se oxida, formando dixido de carbono yagua,fundamentalmentedebidoalasaltastemperaturasyalapresenciadel radical OH, como indican resultados de Dec y Coy [Dec 1996]. Adems, la tasa de formacin de NOx, igualmente muy dependiente de la temperatura, se activa de manera considerable en el frente de llama. 2.1.2.3. FORMACIN DE HOLLN Como ya se ha detallado anteriormente, los precursores de holln se forman en la partepremezcladaricadelallamadedifusinapartirdefragmentosde combustible con una temperatura aproximada de 1600K. Son el acetileno C2H2, etilenoC2H4ypropargilC3H3queseconsiderancomoespeciesquellevanala formacin de hidrocarburos poli-aromticos, precursores de holln. En su trabajo, Flynn [Flynn 1999] afirma que en la parte de premezcla, 45% del combustible se oxida parcialmente en fragmentos defuel que darn lugar a precursores. Luego, lacolisindeesosprecursoresengendrancleosdeholln.Experimentos realizadosporDecyEspey[Dec1995]demuestranque el tamaodelhollnes pequeo en la regin prxima a la zona premezclada y que van creciendo poco a pocoalacercarsedelaperiferiadelallama,hastaalcanzarsutamaomximo cercadelcontornoestequiomtrico.Laausenciadeoxgenoenestazona premezclada favorece la formacin y la aglomeracin del holln. Al atravesar el contornoestequiomtrico,latotalidaddelhollnseoxidaformandodixidode carbono y agua. En efecto, durante la combustin por difusin el holln se forma yseoxidayalfinalnoseproducenada.Noobstante,cuandoaparecela configuracin de difusin tarda (es decir a partir del momento que se termina la inyeccin),lallamadecombustinpordifusinesmenosestable,las temperaturas bajan y el holln formado no se oxida completamente. 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel49 2.1.2.4. CHOQUE CONTRA LA PARED ElmodeloconceptualdeDecesunmodeloqueconsideraeldesarrollodeun chorro diesel libre, sin interacciones con las paredes del pistn.Alparecer, elhollnseformaprincipalmenteenla llamade difusindiesel; sin embargo,enlamayoradelos casos,stanopuedeevolucionar completamente sin chocar contra las paredes del pistn o del cilindro y no se sabe que importante esesainteraccinparalaformacindelholln.Aspues,conelfindeconocer cual es el efecto de la interaccin llama-pared en esa formacin, varios estudios han sido realizados. Kittelsonetal.[Kittelson1990]fueronlosprimerosendefinirlatermoforesis como el proceso de deposicin de holln en la pared durante la combustin de la llama.Handemostradoqueunacantidadsignificativadehollnsedeposita contra la pared y no sufre el proceso de oxidacin. Adems afirman que durante el proceso violento de expansin el holln se libera de la pared y est englobado en los gases de escape.En1992,SuhreyFoster[Suhre1992],hanexperimentadovariosmecanismos quepodranllegaraladeposicindehollnenlaparedyhanconcluidoqueel mecanismo dominante es el de la termoforesis, en acuerdo con los resultados de Kittelson et al. [Kittelson 1990]. DecyTree[Dec2001]yTreeyDec[Tree2001]demuestranquelallamano est soplada por la pared pero se separa, se deforma y se acopla a la forma de la paredquedndoseencendidauntiempocorto(Figura2.7).Esapartirdeese proceso que se deposita el holln contra la pared. Adems han demostrado que la cantidadtotaldehollndepositadacontralaparedyqueseliberaduranteel procesodeexpansinespequeaencomparacinalacantidadtotaldeholln formada. Figura2.7: Secuencia temporal de dos imgenes simultanes de OH y de holln. Las curvas amarillas representan el borde de la ventana y la pared del pistn respectivamente. Se nota en la imagen tomada a 358 una llama deformada que se ha acoplado a la pared [Dec 2001]. 50 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel El holln que se queda pegado contra la pared, forma una especie de depsito que sedesprendeysaleporelescapedevezencuando.Esaspartculastienenun tamaomuygrandeencomparacindelasformadasyoxidadasdurantela combustin. Pueden medir de 1 a 10 micras; sin embargo aunque sean de tamao msgrande,alestarpresentesencantidadesdespreciablesnotienenmucho efecto sobre la cantidad total de partculas. Aspues,apesardenoconsiderarlainteraccinllama-pared,elmodelo conceptualdeDecestotalmentevlidoparalaformacindehollnyaquela mayora de esas partculas se forma durante la combustin por difusin diesel. 2.2. MEDIDAS DE LIFT-OFF Y DEL HOLLN 2.2.1. INSTALACIONES EXPERIMENTALES Lasinvestigaciones,enelcomplejodominiodelacombustindelosmotores diesel,hanconducidoaldesarrollodemotoresexperimentalesquepermiten visualizar lo que ocurre durante la combustin. Algunasveceslosmotoresexperimentalessonderivadosymodificadosde motoresdeserieyaexistentes,yotrasvecespuedensermaquetasdiseadas especialmentepara lasnecesidadesde lainvestigacin.En cualquiercaso todos tienen una accesibilidad ptica muygrandey simulan condiciones de operacin muy parecidas a las de un motor diesel. Lainformacinprincipalquesepuedeobtenerapartirdeesosmotoresesla siguiente: - progresin del frente de llama en la cmara de combustin, - desarrolloymovimientodelaszonasderecirculacindelosgases durante la fase de admisin, - configuracindelasturbulenciasengendradasporlacompresinola expansin de los gases, - perfil de los chorros de combustible, - etc Enelpresentetrabajo,lainformacinquenosinteresaesprincipalmentela visualizacindelallamaylaconcentracindeholln.Losprincipalesmotores experimentalesqueseencuentranenlaliteraturayparaloscualessehan realizadoestostiposdeestudiosson:elmotorconpistntransparente,la 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel51 mquinadecompresinrpida(MCR),elmotorconculatatransparenteyla cmara de combustin de volumen constante. Enelapartadosiguiente,sepresentanconmsdetallesesosdiferentesmotores experimentales, precisando sus caractersticas y su procedimiento experimental. 2.2.1.1. MOTOR CON PISTN TRANSPARENTE CARACTERSTICAS Elmotorconpistntransparentehasidodesarrolladoenvarioscentrosde investigacin[Dec1996,Choi2001,Musculus2003],yaunqueellugardonde hasidodesarrolladoseadiferente,suscaractersticasygeometrasonmuy similares.Elmotorconpistntransparentesebasaenlaestructuradeunmotorserie,lo quepermiteensayarencondicionesdetemperatura,presinydensidadusuales delosmotoresdiesel.Lamodificacinselocalizaalniveldelpistn:hasido alargadoylevantadoysecomponedeunapartetransparente(Figura2.8).Un espejocolocadoenlaparteinferiordelcilindropermitelavisualizacindela combustin a travs des pistn.El motor con pistn transparente es un motor mono-cilndrico, as no se tiene en cuentaladispersinqueexisteentrecadacilindrodeunmotordeserie,que puede ser originada, por ejemplo, por la dispersin en el proceso de inyeccin. La cmara de combustin es de forma cilndrica. El primer acceso ptico se sita alniveldelpistntransparente.Sepuedenencontrarunoovariosaccesos suplementarios en la culata. Las ventanas estn generalmente hechas de cuarzo. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Elprocedimientoexperimentaleselmismoqueeldeunmotordiesel experimentaldeserie.Seimponenlatemperaturaypresindeadmisinconel fin de obtener las temperaturas y densidades deseadas en el cilindro. Sisequiereobteneruna concentracindeoxgenoinferior a21% envolumen, slohacefaltarecircularlosgasesdeescape,delamismamaneraqueenun motor de serie. 52 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel Figura2.8: Esquema del motor con pistn transparente [Choi 2001]. 2.2.1.2. MQUINA DE COMPRESIN RPIDA CARACTERSTICAS Lamquinadecompresinrpida(MCR)quesepresentaacontinuacinesla descrita en [Iida 1993]; sin embargo otras mquinas han sido desarrolladas, como por ejemplo en [Kosaka 1996] o [Lu 2004]. La mquina de compresin rpida ha sido desarrollada para simular condiciones demotoresdieselcuandoelpistnselocalizaenelpuntomuertosuperior.Sin embargo tambin se pueden reproducir condiciones de compresin o expansin. Lageometradelacmaradecombustinnoesexactamenteladeunmotor diesel as que se pueden simular llamas diesel sin interacciones con las paredes. El rango de operacin de la temperatura es del orden de 870 a 1100 K y el de la concentracindeoxgeno(envolumen)de17a25%.LaMCRtieneuna flexibilidad y una precisin en el control de las condiciones de operacin tanto de temperaturaydepresincomodevelocidaddelpistn,delvolumendela cmara de combustin o de relacin de compresin. 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel53 Lacmaradecombustinesdeformacilndricaytienedosaccesospticos situados,unoenelpistnyotroenelcilindro.Lasventanassecomponende cuarzo y son muy grandes, lo que facilita la limpieza despus de la combustin. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Lamquinadecompresinrpidapresentadaen[Iida1993]secomponedeun elemento que permite guiar el pistn, de un pistn, un cilindro, un orificio para la tobera y el inyector, y una cmara de combustin (Figura2.9).Durante un ensayo experimental, se empuja el pistn a la derecha y los gases de la cmara de combustin se comprimen. En esa cmara, los gases se encuentran inicialmenteen condicionesdepresinytemperaturaatmosfrica,sinembargo, sinecesario,sepuedencalentaralatemperaturadeseadaantesdelensayo. Adems,sisequierevariarlaconcentracindelosgases,hayquerealizarla preparacin de la mezcla fuera de la cmara de combustin. Figura2.9: Esquema de la mquina de compresin rpida y de la cmara de combustin [Iida 1993]. 54 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel 2.2.1.3. MOTOR CON CULATA TRANSPARENTE CARACTERSTICAS Lamaquetapresentadaenesteapartadohasidodesarrolladaporelcentrode investigacinCMT-MotoresTrmicosdelaUniversidaddeValencia [Bermdez2003,Martnez2003,Pastor2004,Pastor2005],dondeesposible reproducirlascondicionestermodinmicasqueposeeelfluidodetrabajoenun motor trmico real en funcionamiento ordinario (Figura2.10). Ese motor maqueta estbasado enunamodificacindelmotordedos tiemposdeinyeccindirecta Jenbach JW50. Es un motor de 3 litros de cilindrada para el cual la cantidad de combustibleinyectadaesinsuficienteparaelfuncionamientoautnomodel motor as que est arrastrado por un motor elctrico con un rgimen constante de 500 rpm.El rango de operacin, tanto de temperatura como de presin es del orden de 800 a1100Kyde45a120baresrespectivamente,loquesignificaqueladensidad puede variar entre 18 y 30 kg/m3. Adicionalmente a eso, es posible ensayar con concentracindeoxgenode0(esdecirencondicionesinertes)ode21%en volumen.Lacmaradecombustinesdeformacilndricaytienecuatroportaventanas lateralesortogonales.Enunodeellossesueleponersiempreuncaptadorde presin (y no una ventana de zafiro), conlo que queda slo tres accesos pticos. Adems,estmontadosobreunsistema-soporteantisismoquepermiteatenuar lasvibracionesgeneradasporelmotortrmicoconelfindecumplirconlas exigencias de las tcnicas pticas. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Elmododefuncionamientodelmotormaquetaesmuysimilaralmodode funcionamientodecualquiermotordeinvestigacin:demanerasimplificada, regulandolatemperaturaypresinenlaadmisinsepuedenobtenerlas condiciones en la cmara de combustin deseadas.Estemotortienelaoriginalidaddepoderfuncionarcondosmodosde funcionamiento diferente: - en condiciones atmosfricas de reaccin, es decir que el gas considerado es aire conteniendo 21% de oxgeno en volumen. - encondicionesatmosfricasinertes;sesubstituyeelairepornitrgeno puro, impidiendo cualquier reaccin qumica. 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel55 Figura2.10: Seccin vertical de la culata del motor maqueta [Bermdez 2003]. 2.2.1.4. CMARA DE COMBUSTIN CON VOLUMEN CONSTANTE CARACTERSTICAS Lamaquetapresentadaenesteapartadohasidodesarrolladaporelcentrode investigacin Sandia National Laboratories y consiste en una cmara de volumen constante,dondeesposiblesimularcondicionestermodinmicassimilaresalas deunmotordiesel(Figura2.11).Aplicacionesdeesamaquetasedescribenen [Siebers2000,Higgins2001,Siebers2001,Pickett2002,Siebers2002,Siebers 2002a, Kitamura 2003, Pickett 2004, Pickett 2004a, Idicheria 2005, Pickett 2005, Pickett2005a,Pickett2006].Tambinsepuedeencontrarotramaqueta desarrollada por la Universidad de Doshisha [Kitamura 2003], maqueta que tiene aproximadamentelasmismascaractersticasqueladeSandiaperocontamao diferente. Esasmaquetasdevolumenconstantesondiseadasparareproducirlas condicionesnecesariasdelainvestigacin,permitiendosimularcondicionesde motor diesel en reposo. Para la cmara de volumen constante desarrollada por el centro de investigacin de Sandia, el rango de operacin, tanto de la temperatura comodeladensidadesdelordende600a1400Kyde3.6a60kg/m3 respectivamente.Adicionalmenteaesoesposibleregularlaconcentracinde oxgenoenelinteriordelacmara,desde0(esdecirparacondicionesinertes) inyector pistn cmara de combustin Ventana de visualizacin 56 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel hasta un valor superior a 21 % en volumen dependiendo del tipo de estudio que se desee realizar.Lacmaradecombustinesdeformacbicaytienecuatroaccesospticos colocados de forma ortogonal y equidistantes. Esas ventanas son de zafiro. En la cmara de combustin, adems, se encuentran 2 bujasy un pequeo ventilador de mezcla. Las bujas son para iniciar la combustin premezclada, y el ventilador es para homogeneizar las condiciones. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Elprocedimientoexperimentalseiniciacuandounaprimeramezclaaire-combustible(acetileno)seenciendeapartirdeunaignicinprovocada(por mediodelasbujas)enlacmaradecombustin.Laformadeconseguirlas condicionestermodinmicasapropiadasenelinteriordelacmaraesinusual pero permite alcanzar temperaturas altas y la densidad deseada. Se puede ver en la Figura2.12 que se alcanzan esas condiciones en 0.1s aproximadamente. Luego, los productos de la combustin se enfran poco a poco y la presin en la cmara de combustin decrece tambin lentamente. Cuando se alcanzan las condiciones depresinytemperaturadeseadas,elcombustibledieselseinyectayla combustin diesel tiene lugar (indicada en le esquema a 1.65 ms). Durantecadaensayo,seutilizaelpequeoventiladordemezclaconelfinde obtener una temperatura uniforme en toda la cmara de combustin.Lacomposicinenlacmaradecombustinsedeterminaapartirdela composicindelamezclaaire-combustiblequesehaquemadoduranteel encendidoprovocado.Porejemplo,eneltrabajodeSiebersyHiggins[Siebers 2001] se obtiene la composicin siguiente en la cmara de combustin; 21% O2, 69.3 % N2, 6.1 % CO2 y 3.6 % H2O y el peso molecular de esa mezcla (29.47) es muy similar a la del aire (28.96).

Figura2.11: Esquema de la cmara de volumen constante y principales accesos pticos (Laboratorios Nacionales de Sandia). 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel57

Figura2.12: Representacin de la presin en funcin del tiempo ilustrando el procedimiento de simulacin de la combustin diesel en la cmara de volumen constante de los Laboratorios Nacionales de Sandia. 2.2.2. VISUALIZACIN DEL LIFT-OFF Como ya se ha comentado en el apartado 2.1.2.1. anterior, la longitud del lift-off es una zona en la cual no hay combustin, as pues la llama est despegada de la tobera.Adems,ellift-offseestabilizaenlaregindondelamezclaha alcanzado las condiciones estequiomtricas, es decir en el contorno de la llama a alta temperatura.Duranteaproximadamente10aos,variosmtodosdevisualizacinhansido empleados para estudiar la longitud del lift-off. En efecto, con el fin de tener una visinmsconcretadelfenmenolocalquetienelugarenlaregin estequiomtrica de estabilizacin de la llama, diferentes mtodos de diagnstico por lser han sido utilizados, como por ejemplo: - imgenes del radical CH [Namazian 1988] - tcnicas de Fluorescencia Inducida por Lser del radical OH [Dec 1996] - radiacin visible de la llama [Winklhofer 1996, Larsson 1999] SonSiebersetal.alolargodeunaseriedetrabajosexperimentales[Siebers 2001, Siebers 2002a, Siebers 2002b] los que han estudiado el fenmeno de lift-off con ms detalles para un chorro diesel inyectado en una cmara de volumen constante.Ensustrabajosestudiaronlalongituddellift-offapartirdela radiacin natural de la llama para distintas longitudes de onda representativas de 58 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel la incandescencia del holln (532 y 695 nm) o de las especies CH (434nm) y OH (280, 310, 330 y 340 nm). SiebersyHigginsdemostraronquelavisualizacindelallamaapartirdela incandescenciadelhollnparacualquieralongituddeondadelrangovisibleno permite detectar correctamente el lift-off (Figura2.13 (a) y (b)). Confirman lo que habamencionadoDecensumodeloconceptual[Dec97],esdecirqueel holln no se forma a partir de la longitud del lift-off sino aguas abajo de la zona depremezcla.Enefecto,elhollnnecesitauntiempoparaformarseynoes posiblequeestepresente alprincipiodelaaparicinde lazonade combustin. Laluminosidademitidaalalongituddeondadominadaporlaincandescencia delhollnnopuedeproporcionarunalongituddellift-offrealyesloquese visualiza en la Figura2.13 (a) y (b). Figura2.13: Comparacin de imgenes de emisin natural de la llama tomadas a 310nm (a) y 532 nm (b y c) en las mismas condiciones [Higgins 2001]. SiebersyHigginscomparanlasdiferenteslongitudesdeondarepresentndolas todasenunamismagrafica(Figura2.14).LaFigura2.14(a)dalaintensidad relativaentrelasdiferenteslucesemitidasporelchorroparacadalongitudde ondamientrasquelaFigura2.14(b)representalosperfilesdeintensidades normalizados. 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel59 Se puede observar que para la longitud de onda de 280 nm, la intensidad empieza adetectarseaunadistanciaaxialmsalejadadelinyectorquelalongitudde ondade310nm.Adems,paralongitudesdeondamayorde310nm,la intensidad que se detecta cerca de la longitud del lift-off es muy debil y se podra confundir con la fase liquida de fuel como est representado en la Figura2.13 (c).As pues, los autores concluyen que es a partir de la radiacin de la llama en la longitud de onda de 310 nm que la medida de la longitud del lift-off es la mejor y la ms real. Figura2.14: Representacin de las diferentes longitudes de onda estudiadas para la visualizacin del lift-off [Higgins 2001]. Aspues,lalongituddeondade310nmesunadelasbandasdeemisinde quimioluminescenciamsintensadelradicalOH.Esteradicalapareceen procesosdecombustinencondicionesestacionariasdetemperaturaelevada, condiciones que se alcanzan en el lift-off.A esa distancia, la combustin de los hidrocarburosengendraunaimportanteelevacindelatemperaturayuna liberacin de calor considerable debido a la reaccin qumica de las especies en 60 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel estadoexcitadocomoelOH,presenteenformadeOH*.Elprimerpasopara formar las especies OH* es la reaccin exotrmica siguiente: CH + O2 CO + OH* Unavezformadas,lasespeciesOH*vuelvenrpidamenteasuestadooriginal, una parte a travs del fenmeno de quimioluminescencia y otra parte por colisin delasespeciesentres.Laquimioluminescenciasolodura1microsegundo [Gaydon1974].Estmuchomsrpidaqueelmovimientodelamezclaaire-combustibleaspueslavisualizacindelaquimioluminescenciadelradical OHpareceunmuybuenmtodoparaladeterminacindelalongituddel lift-off. 2.2.3. CUANTIFICACIN DE LA CONCENTRACIN DE HOLLN Durantelacombustindiesel,elrangodeluzemitidaporlallamaesamplio, desde longitudes de onda del ultravioleta UV hasta el infrarrojo IR. Esaluminosidadsecomponeprincipalmentedequimioluminescenciae incandescenciadeholln.Enefecto,latemperaturadelhollnpresenteenla llamadieselesmuyparecidaaladelosgasesquelerodean[Zhao1998], emitiendounaradiacintrmicacomocualquierotrocuerpo.Estaradiacin trmica domina la quimioluminescencia de las otras especies presentes, como por ejemploH2O,CO2uOH.Aspueslaluzemitidaporlallamadieseles principalmente luminosidad de holln y eso simplifica su visualizacin: se puede observarcontcnicaspticasconvencionalesenelrangodelaslongitudesde onda visible. Tres tcnicas principales se presentan a continuacin, mtodos que han sido muy amenudoutilizadosparaestudiosdeconcentracindeholln:elmtodode incandescencia inducida por lser, la tcnica de extincin de luz y el mtodo de los 2 colores. Para cada mtodo se presentan a continuacin los fundamentos, sus caractersticas y la instalacin experimental. Hayqueserconscientedequeelmejormtododemedidaenelcilindrotiene incertidumbres hasta un 40 50% [Tree 2007]. Esas incertidumbres resultan de hiptesis consideradas para el ndice de refraccin, la forma o las caractersticas (composicin, tamao, etc) del holln. 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel61 2.2.3.1. INCANDESCENCIA INDUCIDA POR LSER(LII) FUNDAMENTOS Latcnicadevisualizacindeincandescenciainducidaporlseresuna herramientatildediagnsticoparamedidasdealtaresolucin,tantoespacial como temporal,deholln.Medianteestatcnicaes posibleobtener informacin sobre la masa, la fraccin de volumen (TI-LII - time integrated LII), as como el tamao del holln (TR-LII - time resolved LII). El mtodo se basa en el calentamiento del holln contenido en un cierto volumen, hasta aproximadamente la temperatura de vaporizacin (por supuesto mayor que la temperatura de llama) por medio de un pulso lser de alta energa. La energa dellseresabsorbidaporlanubedehollnyesteltimoemiteunaradiacin cercana a la de un cuerpo negro. La radiacin emitida se registra con un sistema apropiado. Resolviendolasecuacionesdebalancedeenergaydemasa,yteniendoen cuentalosfenmenosrelevantesenla absorcindela energaylasprdidas de calor, es posible determinar la temperatura y el dimetro del holln en cualquier instante de tiempo. As que se puede estudiar las relaciones entre la seal LII, la concentracin volumtrica de holln y su tamao: considerando la ley de Planck para un cuerpo negro, y con algunas simplificaciones (por ejemplo que el holln esesfrico),ytambinconsiderandoqueelhollnabsorbelasuficienteenerga lsercomoparaelevaralmximosutemperatura,yparalongitudesdeonda entre 400 y 700 m, la seal LII es proporcional al dimetro medio dh del holln elevadoalapotencia3yaladensidaddelhollnCn,esdecirquees aproximadamente igual a la fraccin volumtrica fv. La relacin fundamental de lasealLIIparalamedidadeconcentracindehollnseescribedelamanera siguiente[Melton 1984]: SLII fv Cn dh3 (EC2.1) Delcomportamientotemporaldelenfriamientosededuceladistribucinde tamaodelholln(Figura2.15).Sinembargo,senecesitaunatemperaturade referenciaparaelenfriamientoqueestdesconocida.Sepuedeestimar mediante otro mtodo como por ejemplo el mtodo de los 2 colores o a partir de unclculoterico.Sinembargoparaelclculohacefaltaconocerelndicede refraccin. 62 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel Ladeterminacindeltamaoydelaconcentracindehollnserealizan considerando que el holln se compone de partculas primarias. Figura2.15: Tiempo de enfriamiento para diferentes partculas.

ENERGA DE EXCITACIN LASER Y LONGITUD DE ONDA Lalongituddeondadeexcitacinesunfactorqueafectadirectamentela relacinseal-ruido.Cuandolaluzinteractaconelhollnenlacmarade combustindeunmotordiesel,laluzdispersadaestdentrodelrgimende Rayleigh (es decir que la dimensin del holln es muy pequea en comparacin conlalongituddeonda),dondelaeficaciadeabsorcindelhollnvara aproximadamente de forma inversa con la longitud de onda a valores constantes de ndice de refraccin y tamao [Dec 1992]. Por lo tanto, el holln se calentar ms eficientemente a medida que la longitud de onda se haga ms corta. A pesar deestelmite,cuandoseutilizalaluzUV(bajaslongitudesdeonda)para calentarelhollnpuedenaparecerinterferencias,msprecisamente fluorescencias,causadasporloshidrocarburospoli-aromticos(PAHs)y molculasC2 generadasporellser[Shaddix1996,Schraml2000,Bengtsson 1995].Altrabajarconunalongituddeondainfrarroja,laeficaciadeabsorcin delhollnesmenor,loquesignificaquesenecesitaunamayorcantidadde energaparacalentarleyelevarsutemperaturaanivelesdeincandescencia,lo quevieneaserunagrandesventajaalutilizareste tipodefuenteslser.Eluso delsegundoarmnicodeunlserNd:YAG(532nm)permiteobtenerunbuen equilibrio entre la eficacia de excitacin y la relacin seal-ruido. 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel63 SISTEMA EXPERIMENTAL Debidoaquelatcnicainvolucraelrpidocalentamientodeunapartcula absorbenteusandounlserpulsadodealtaenergayseguidamentelafoto-deteccindelaincandescenciaresultantedelapartcula,elsistemaparala implementacindelatcnicaesmuysencillo.Dehecho,lasimplicidaddel mtodoLIIesunodesusaspectosmsatractivos:elmontajeexperimental consisteenunlserpulsadodealtaenerga,unapticadefocalizacin,una pticaderecepcin,unsistemadeadquisicindedatosapropiadoyunfoto-detector. La Figura2.16 muestra la disposicin de los elementos del sistema LII. Se puede verificar que para la aplicacin de ese mtodo hacen falta 3 ventanas de visualizacin (1 para el foto-detector y 2 para la entrada y salida de la seal lser). Figura2.16: Diagrama del montaje experimental para aplicaciones de LII. El mtodo LII puede ser aplicado como un punto, una lnea o para medidas conlaminalserparavisualizacin2D[Kohse-Hinghaus2002,Dec1991, Smallwood 2002]. Los elementos experimentales son similares en cada caso con apenas algunas diferencias en la ptica de focalizacin y recepcin para obtener unas medidas en concreto. MEDIDAS CUALITATIVAS Y CUANTITATIVAS DE LII Las medidas cualitativas se establecen a partir de la relacin directa entre la seal de incandescencia emitida por el holln y su concentracin volumtrica. 64 2 Formacin de holln en la llama de difusin diesel De forma general, la mayora de los autores utilizan el mtodo LII para obtener medidas directas de la concentracin de holln y slo en pocos casos realizan la calibracinpreviaynecesariaparaobtenerresultadosenbasecuantitativa.A pesardeello,lasmedidasrealizadassincalibracinpermitenestablecer relacionesentrelosdiferentesfenmenosestudiadosyevaluardeforma adecuadalainfluenciadeciertosparmetrosqueafectandirectamentealos procesos de formacin del holln en la cmara de combustin. 2.2.3.2. EXTINCIN DE LUZ FUNDAMENTOS Durantelaaplicac