Fuel 337 (2023) 127178              

Alimentación gaseosa de un motor automotriz comercial de encendido por chispa adaptado: modelado termodinámico simplificado y estudio experimental funcionando con hidrógeno, metano, monóxido de carbono y sus mezclas.

Resumen

En el presente trabajo se consideraron como combustibles el metano, el monóxido de carbono, el hidrógeno y las mezclas binarias 20% CH₄–80% H₂, 80% CH₄–20% H₂ y 25% CO–75% H₂ (en volumen), empleadas en un motor de encendido por chispa (SI) Volkswagen de 1,4 L, de cuatro cilindros, con inyección de combustible en el puerto y aspiración natural.
El interés por estos combustibles radica en que pueden obtenerse a partir de recursos renovables, como la fermentación o gasificación de biomasa residual, así como mediante la electrólisis del agua utilizando electricidad de origen renovable en el caso del hidrógeno. Además, pueden emplearse con modificaciones relativamente sencillas en los motores, incluyendo la adaptación de motores de combustión interna ya existentes.
Se ha comprobado que el motor ofrece un rendimiento similar independientemente de la naturaleza del combustible gaseoso, siempre que la relación aire-combustible equivalente (λ) sea la misma. Se obtuvieron valores máximos de par motor y presión media efectiva comprendidos entre 45 y 89 N·m y entre 4,0 y 8,0 bar, respectivamente, para valores de λ entre 1 y 2 a plena carga, con una velocidad de 2000 rpm y un avance de encendido óptimo.
En cambio, la naturaleza del combustible gaseoso tuvo una gran influencia en el rango de valores de λ en el que un combustible (puro o en mezcla) podía utilizarse. El metano y las mezclas ricas en metano con hidrógeno o monóxido de carbono permitieron operar el motor en condiciones cercanas a la estequiometría (es decir, 1 < λ < 1,5), alcanzando los valores más altos de par motor y presión media efectiva. Por el contrario, el hidrógeno y las mezclas ricas en hidrógeno con metano o monóxido de carbono solo pudieron emplearse en la región muy pobre en combustible (es decir, 1,5 λ 2). El comportamiento del monóxido de carbono fue intermedio entre el del metano y el del hidrógeno.

El presente estudio amplía y complementa trabajos anteriores en los que los combustibles mencionados se comparaban únicamente en condiciones estequiométricas en aire (λ = 1). Además, se ha desarrollado un modelo termodinámico de combustión sencillo y unidimensional (de cero dimensiones) que permite describir de forma cualitativa las tendencias marcadas por los distintos combustibles. Aunque el modelo resulta útil para comprender la influencia de las propiedades de los combustibles en el rendimiento del motor, su capacidad predictiva está limitada por las simplificaciones adoptadas.