Energy Conversion and Management 172 (2018) 67–80             

Caracterización de las anomalías de combustión en un motor comercial de encendido por chispa de 1,4 L alimentado con hidrógeno mediante mediciones de presión en el cilindro, vibraciones del bloque del motor y análisis acústicos.

Resumen

Los fenómenos de combustión anómala se encuentran entre los principales obstáculos para la introducción del hidrógeno en el sector del transporte mediante el uso de motores de combustión interna (ICE). Por ello, el desafío consiste en garantizar un funcionamiento libre de anomalías de combustión en condiciones cercanas a las que proporcionan el mejor rendimiento del motor (máximo par y potencia al freno).
Con este fin, la detección temprana y precisa de los eventos de combustión anómala resulta decisiva para que la unidad de control electrónico (ECU) pueda determinar las acciones correctivas adecuadas. En este trabajo, se ha investigado un motor Volkswagen automotriz de 4 cilindros y 1,4 L, de aspiración natural e inyección de combustible en el puerto, adaptado para funcionar con hidrógeno.

Se emplearon tres métodos distintos (presión en el interior del cilindro, vibraciones del bloque del motor y mediciones acústicas) para detectar fenómenos de combustión anómala provocados mediante el enriquecimiento de la mezcla hidrógeno-aire suministrada a los cilindros, en un amplio rango de velocidades del motor (de 1.000 a 5.000 rpm).
Se observó que los componentes de alta frecuencia de las señales de presión en el cilindro y de aceleración del bloque del motor, obtenidos tras un análisis de transformada de Fourier, pueden utilizarse para una detección muy sensible de los ciclos de combustión con detonación. En el caso de las mediciones de ruido ambiente, un análisis espectral en bandas de tercio de octava de la señal registrada por un micrófono permitió una caracterización precisa.
Las anomalías de combustión pudieron detectarse mediante un aumento de la intensidad de las bandas de octava en frecuencias comprendidas entre 250 Hz y 4 kHz en el caso de los retrocesos de llama, y entre 8 kHz y 20 kHz en el caso de la detonación. Las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) realizadas indicaron que ciertas características del motor empleado —como las dimensiones de las válvulas de los cilindros y el caudal de hidrógeno suministrado por los inyectores— desempeñan un papel importante en la probabilidad de que se produzcan eventos de retroceso de llama.