Análisis de estrategias para la combustión dual gasóleo-hidrógeno orientadas a la reducción de emisiones: desarrollo teórico-experimental sobre motor diésel common-rail y aplicación en motores diésel lentos de dos tiempos

Abstract

Este trabajo de investigación con título “Análisis de estrategias para la combustión dual gasóleo-hidrógeno orientadas a la reducción de emisiones: desarrollo teórico-experimental sobre motor diésel common-rail y aplicación en motores diésel lentos de dos tiempos” se enmarca en el contexto actual de implantación de nuevas leyes y medidas para reducir las emisiones de gases de efectos invernadero, impulsar las energías renovables e incrementar la eficiencia energética. Es por ello que en esta tesis se realiza un estudio de los procesos de combustión de diferentes motores de combustión interna alternativos para su aplicación en distintos ámbitos: motores de vehículos convencionales, la producción de potencia y la propulsión naval; el empleo de diversas técnicas para la reducción de emisiones contaminantes en los mismos, analizando el impacto de éstos en la reducción de emisiones y en las prestaciones del motor. En el trabajo se analizan dos modos de combustión diferentes, un primer modo de combustión diésel convencional y un segundo modo de combustión dual, que combina el hidrógeno y el diésel como combustibles. El trabajo incluye dos partes, aunque ambas están ligadas:  Un primer estudio basado en un motor diésel convencional de turismos de producción actual que empleará la experimentación y un modelo termodinámico para analizar ambos modos de combustión, así como la implementación de las técnicas de reducción de emisiones: recirculación de gases de escape y la inyección de agua en la admisión del motor.  Un segundo estudio de un motor diésel de dos tiempos de baja velocidad, motor empleado en la propulsión naval y en la plantas de producción de potencia, mediante el desarrollo de un modelo termodinámico completo, incluyendo el compresor y la turbina, para el análisis de los modos de combustión en el mismo. El motor empleado en esta parte del trabajo es un motor representativo de este tipo de motores y que se encuentra presente en muchas de las centrales térmicas que existen en España, así como en la propulsión de grandes buques. La presente tesis está dividida en nueve capítulos:  En el primer capítulo se expone el contexto y la legislación vigente en materia de emisiones. Así como se hace un breve repaso de las evoluciones tecnológicas que han experimentado los diferentes tipos de motores sobre los que se basa el trabajo. Finalmente se justifica el trabajo de investigación y se plantean los objetivos.  El segundo capítulo es un estudio del arte del uso del hidrógeno en motores de combustión interna alternativos y de las técnicas para paliar los efectos negativos de su utilización.  El tercer capítulo presenta las diferentes herramientas para el análisis de los procesos de combustión. En primer lugar se describe la transformación del motor diésel convencional para su utilización con hidrógeno. Posteriormente se desarrolla el modelo termodinámico de zona cero que permite el estudio de la tasa de liberación de calor del proceso de combustión y finalmente se expondrá la validación de dicho modelo.  El capítulo cuarto es el análisis del modo de combustión diésel convencional para el control de emisiones. Se analizarán y compararán las técnicas de recirculación de gases de escape y la inyección de agua en dos puntos de la admisión del motor.  El quinto capítulo es el estudio del modo de combustión dual hidrógeno – gasóleo. El estudio contempla dos enfoques distintos: 1) La utilización del hidrógeno como combustible primario y el gasóleo sólo como fuente de ignición. 2) El empleo de ambos (hidrógeno y diésel) como combustibles primarios.  El sexto capítulo incluye el estudio del empleo del hidrógeno en motores destinados a la propulsión naval y a la producción de potencia. Este capítulo estudia el estado del arte del empleo de este tipo de combustible en dichos motores, así como una descripción general de los mismos. Se desarrolla y expone el modelo termodinámico del motor diésel de dos tiempos lento, incluyendo los diferentes sub-modelos que lo componen y la validación del mismo. Finalmente se realiza un análisis de la operación del motor en modo dual.  El séptimo capítulo incluye las conclusiones que se alcanzan con el trabajo de investigación.  El penúltimo capítulo incluye los posibles desarrollos futuros.  Finalmente, el capítulo nueve, incluye las referencias incluidas a lo largo de la tesis.