RETARDO DE LA IGNICIÓN EN LACOMBUSTIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES

112 Biocombustibles para uso en motores diesel

INTRODUCCIÓN

El retardo de la ignición ( ) se define comoel tiempo transcurrido, desde el comienzode la inyección hasta el comienzo de lacombustión [1]. Algunos autores consideranque el comienzo de la combustión es elinstante donde inicia el desprendimiento decalor, lo cual se puede analizar con ayudadel diagrama mostrado en la figura 26 paraun combustible en cuestión, o el instante aen el cual la presión varía drásticamente.Otro criterio es que el comienzo de lacombustión es el instante en que se haconsumido un 10 % de la masa inicial decombustible [2 - 4].

Figura 26. Diagrama de velocidad de calor liberado durante el proceso de combustión

Dentro del proceso de combustión delcombustible en un motor diesel, juega unpapel importante el fenómeno del retardode la ignición, tanto en la etapa de auto-inflamación, como en las de combustióncontrolada y combustión tardía [1]. Estasetapas se evidencian en el diagrama decalor liberado que aparece en la figura 27,donde la inflamación corresponde a laparte del incremento exponencial en el calorliberado. La etapa de combustión tardía seinicia en dicho gráfico aproximadamente apartir de los 360°. El retardo de la igniciónes un parámetro involucrado basicamentecon la primera de las tres etapas antesmencionadas, pero también afecta en ciertaforma a las otras.

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La reacción de combustión es muy sensiblea la temperatura. Esta dependencia se puedeobservar en la ecuación que representa lacinética química de dicho proceso, quebásicamente se representa mediante elmodelo general [1].

Donde: es el retardo de la ignición, Ea es la energía

de activación, R la constante universal delos gases, p es la presión en bar, T es latemperatura en Kelvin, B y a son constantesde ajuste del modelo y dependientes delcombustible y del motor empleados.

Esto quiere decir que la velocidad de dichareacción es exponencialmente proporcionala la temperatura; la combustión comienzatras un retardo inicial y luego continúa conuna cuña de quemado muy rápida en laque todo el combustible que se había sidovaporizado y pre-mezclado con el aire secalienta y se quema [1].

DETERMINACIÓN DELRETARDO DE LA IGNICIÓN

Mediante el análisis de la presión en elinterior de la cámara de combustión se puedeobtener información sobre la calidad de uncombustible y su proceso de combustión.Una de las formas más comunmente usadaspara determinar el retardo de la ignición estábasada en el análisis de las derivadas de lapresión en la cámara de combustión [3 - 5].Un diagrama típico de variación de presiónen la cámara de combustión se muestra enla figura 27.

La selección del instante de comienzo de lacombustión es bastante controversial en la

(1)

literatura. Estos criterios ya establecidosincluyen la observación del cambio drásticoen la presión del cilindro, la emisión de luzdetectada por una fotocelda, el incrementode la temperatura debido a la combustión,la combustión de cierta cantidad decombustible o el cambio de pendiente enel gráfico de calor liberado [3, 4]. De lastécnicas mencionadas, las basadas enpresiones junto a las del calor liberado sonlas más confiables. Se ha observado que ladetección del cambio de presión se evidenciaantes de que pueda ser detectada una señalluminosa [3].

Estudios realizados para retardo de laignición en bombas de volumen constante,en reactores de flujo estacionario y enaparatos de compresión rápida han sidocorrelacionados mediante la ecuación(1)(4). Ese tipo de modelo o correlación esdeducido de reacciones elementales conuna cinética basada en mecanismos dereacción en una sola etapa [3]. Los valoresde a en el modelo han sido calculados yreportados para varios combustibles endiferentes condiciones y con diferentesmotores, oscilando entre 0 - 2; los valoresde B se reportan de 10-10 1/s hasta 6.5 1/s.

Existe en la literatura un determinadonúmero de modelos para predecir el retardode la ignición a partir del modelo básico[1] que relacionan el tiempo de retardo convariables propias del motor como son larelación de equivalencia y la frecuencia derotación, o la concentración de las especiesquímicas [1, 3 - 5]. Algunos de estos crean larelación entre el retardo de la ignición yla temperatura, presión y relación deequivalencia ( ); esta última es el inversodel coeficiente de exceso de aire ( a). Larepresentación general de este tipo de

Retardo de la ignición en la combustión de biocombustibles

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modelo es:

El modelo de tipo (2) se deriva de laecuación de velocidad de una reacción

Con la ecuación de estado del gas ideal, ladefinición de relación de equivalenciacombustible-aire y teniendo en cuenta queel retardo de la ignición en milisegundos esigual al inverso de la velocidad de reacción

(2)

Figura 27. Primera derivada de presión vs. Ángulos de rotación de cigüeñal

(3)

global para una cinética de reacción enuna etapa. En la ecuación (3) col representala eficiencia de las colisiones y lasumatoria de las concentraciones de lasespecies en la mezcla homogénea. En elproceso de combustión en un motor diesel deinyección directa se asume que es descritopor una cinética de una sola etapa.

Dos de los modelos más empleados enla literatura consultada [3] y [4] sonreportados para combustible diesel enmotores diesel. Ambos modelos tienen encomún que usan la relación de equivalencia,a diferencia de que el propuesto por Assanismantiene este término en el modelo como

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variable, mientras que Watson asume unvalor constante de relación de equivalencia

= 0.116. Ambos modelos asumen un valorconstante del factor exponencial de 2 100.

El mismo estudio ha observado valores de que oscilan según el tipo de motor; así para

motores diesel de baja relación decompresión (0.3 ms - 3 ms), para motoresdiesel con altas relaciones de compresióno turbo cargados (0.4 ms - 1 ms) y en motoresdiesel en general (0.6 ms - 1.5 ms). Se leatribuyen las diferencias en los valoresde retardo a las extrapolaciones de lascorrelaciones en algunos casos .

Entre los factores a analizar que influyenen el retardo de ignición está la carga delmotor; en la medida que esta aumenta, elretardo debe disminuir. Cuando la cargaaumenta, las temperaturas de los gasesde escape, en el interior de la cámara decombustión también lo hacen, así como lapresión dentro de la cámara y esto disminuyefísicamente el tiempo de retardo. Otrosfactores que influyen son: el tamaño dela gota de combustible, la velocidad deinyección, y la geometría. La concentraciónde oxígeno también influye, así como larelación aire-combustible.

En cuanto a la frecuencia de rotación delmotor, cuando esta se incrementa a una

correlación de Assanis

(4)

correlación de Watson

(5)

carga constante, se observa una pequeñadisminución en el retardo de la ignición enmilisegundos, mientras en ángulos de girode cigüeñal se observa un leve aumento [1].Esto se debe solo a la mayor frecuencia degiro y no a fenómeno físico alguno. Losanálisis donde se utilizan los ángulos degiro de cigüeñal como variable de tiemposon más adecuados que los que utilizanla unidad de tiempo convencional, puestoque los ángulos de giro no dependen de lafrecuencia de rotación del motor mientrasel tiempo real sí es dependiente de esta.Además, el análisis en ángulos de giro esmás adecuado, pues brinda informaciónadicional sobre qué proceso está ocurriendoen cada instante.

Las propiedades físico-químicas que poseecombustible, influyen en el retardo de laignición, siendo las últimas las que ejercenuna mayor influencia. La calidad de lacombustión para combustible diesel sehalla sujeto al índice de cetano (IC) y ladependencia de éste con la estructuraquímica es la siguiente: los compuestospara-fínicos de cadena corta (los alcanosnormales) obtienen la mejor calidad deignición y esta se incrementa a medidaque la longitud de la cadena aumenta ydisminuye con las ramificaciones.

El retardo de la ignición tiene dos causasbásicas: una química y una física. La causafísica del retardo está relacionada con eltiempo necesario para desintegrar el chorrode combustible en gotas, evaporar elcombustible y mezclar sus vapores con elaire. Por su parte, la causa química estárelacionada con el retardo de la inflamaciónde la mezcla gaseosa homogénea. A pesarde que ambas causas ocurren de formasimultánea, la causa física es de las dos, laque primera ocurre.

Retardo de la ignición en la combustión de biocombustibles

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RESULTADOS DE RETARDODE LA IGNICIÓN CONDIFERENTESBIOCOMBUSTIBLESBIODIESEL DE PALMA Y COLZA

Por medio del uso de una instalación debanco de pruebas con motor Volvo [4] seevaluó el fenómeno del retardo de laignición empleando biodiesel derivado deaceites de colza y palma. Los resultadosde las pruebas realizadas en el motorVolvo se muestran en las tablas 25 y 26.En las mismas se muestran los resultadosde las mediciones de presión en el instantede comienzo de la inyección; así como ladeterminación del retardo de la igniciónen cada punto experimental para BD-palma y BD-colza. En ellas se observa unaumento de la presión al aumentar de lafrecuencia de rotación y de la carga. Seobserva también un aumento del retardode la ignición en ángulos de rotación delcigüeñal con el aumento de la frecuenciay una ligera disminución cuando este

Tabla 25. Resultados con BD-palma en elmotor Volvo

Tabla 26. Resultados con BD-colza en elmotor Volvo

parámetro seexpresa en milisegundos.La presión en el instante de comienzo dela inyección es bastante similar cuandocomparamos los diferentes combustiblesanalizados en el motor.

Adicionalmente, se realizó un análisis deinfluencia de factores en el retardo de laignición, definido a partir de la primeraderivada de la presión vs. Ángulos derotación de cigüeñal. Los resultados semuestran en las figura 39.

La ecuación en variables codificadas quemuestra la dependencia del retardo de laignición con los parámetros analizadosincluido el tipo de combustible empleadose muestra a continuación:

Donde:C es el tipo de combustible y

en milisegundos

En la ecuación (6) se aprecia como los tresfactores acortan el retardo de la ignición.

(6)

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El valor medio de retardo de ignición es de1.23 ms para todos los experimentos quese realizaron y la influencia relativa de cadauno de ellos es muy similar. Esta ecuaciónes útil para predecir tiempo de retardo apartir de parámetros técnico-operacionalesde funcionamiento del motor a diferenciadel modelo tipo (1), el cual necesita deinformación sobre la cinética química delproceso de combustión en el motor y datosde presión.

De acuerdo con los resultados del diseñofactorial aplicado, en el valor obtenido elfactor tipo de combustible sí influye deforma significativa, lo cual tiene que estarrelacionado con el mayor índice de cetanode estos últimos respecto al combustiblediesel, pues es de esperar que el biodieseltenga mayor índice de cetano.

Los resultados experimentales entoncesindican que al parecer la causa principalen el retardo de ignición es la composiciónquímica, que no es solo gobernada por laenergía de activación, sino también por elíndice de cetano, el cual es mayor paralasmuestras de biodiesel que se utilizaron

Figura 28. Diagrama de efectos principales en el retardo de la ignición

en el motor Volvo en comparación con elcombustible diesel.

Una vez comenzada la reacción e inclusoantes, dadas las temperaturas que sealcanzan en la cámara de combustión, seproduce un craqueo de las insaturacioneso dobles enlaces de las moléculas de BD,produciendo en la cámara de combustiónseñalado número de compuestos, órganosvolátiles muy ligeros que acortan el períodode retardo químico pues combustionanrápidamente. Este fenómeno no ocurrecon el combustible diesel. Esta podría serla causa del menor tiempo de retardo yestá estrechamente relacionada con elíndice de cetano.

Se ha observado una tendencia muy claraa acortar este período cuando se sustituyeel combustible diesel por biodiesel. Esnecesario puntualizar que la reducción deltiempo de retardo cuando se compara albiodiesel con el combustible diesel fu eobservada en los experimentos, tanto enángulos de rotación como, en milisegundos.Esto es un fenómeno desfavorable parael funcionamiento del motor, por lo que

Retardo de la ignición en la combustión de biocombustibles

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es recomendable en este caso realizar unavance de la inyección algunos grados derotación del cigüeñal.

OBTENCIÓN DE MODELOSPARA PREDECIR EL RETARDODE LA IGNICIÓN

A partir de los experimentos realizadosen el motor Volvo, se procedió a la obtenciónde modelos de la forma general [2] quepermitan bajo determinadas condicionesexperimentales predecir el retardo de laignición. Los modelos referenciados en laliteratura que se utilizarán para compararresultados con los que se obtienen en estetrabajo en lugar de la presión en el instante

de comienzo de la inyección, utilizan lapresión media durante el período deretardo de la ignición. Por ello, se procedióal cálculo de la presión media en cadaprueba con el motor Volvo durante elperíodo de retardo.

Mediante el empleo de los diagramas quecorresponden al ciclo termodinámico delmotor diesel obtenido en cada experimento(diagramas p-V) fue posible estimar lapresión en el instante de comienzo de lainyección (338 °) y la presión en el instantede comienzo de la combustión para estimarasí el valor medio entre ambas y el volumenmedio correspondiente.

El diagrama p-V que muestra el ciclo del

Figura 29. Diagrama p-V para BD-palma a 1500 r/min y 138 Nm

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(7)Donde:(est) responde a la cantidad de moles que senecesitan para la combustión estequiometriade 1 kg de combustible.

En la ecuación (7) las cantidades de N2 sehan planteado en función de moles de O2

considerando la composición en porcentajedel volumen de estos dos gases en el aire.Por tanto, de (7) se llega a (8)

Teniendo en cuenta que el numerador de (8)representa los moles de O2 reales queparticipan de la combustión y estos soniguales a la cantidad necesaria paracombustión estequiométrica más el excesode oxígeno presente proveniente del mismoaire, se puede llegar a la expresión:

Si se dividen numerador y denominador delcociente en la expresión (9) entre moles

motor Volvo obtenido para la muestra deBD-palma a 1500 r/min y 138 Nm se puedeobservar en la figura 29. Con el diagramap-V correspondiente a cada experimento paracada combustible, mediante interpolaciónutilizando el software Matlab 7.0 se pudodeterminar en todos los casos el volumenpara cada punto experimental.

Se observó que el volumen en el instante decomienzo de la inyección en todos losensayos experimentales correspondía con0.1·10-3 m³. Este volumen obtenido es fijopara todos los experimentos en el motor Adebido a que todos se realizan con unainyección de combustible fija en 338 °, locual implica que en ese valor de ángulos derotación del cigüeñal, el volumen dentro delcilindro debe ser único pues está definidopor la geometría en función del ángulo derotación del cigüeñal. Si bien es cierto quela eficiencia volumétrica varía en el motory esto afecta el volumen, no se comprobóvariación del volumen en ese instante, lo cualtambién podría estar relacionado convariaciones por debajo de la sensibilidad enla determinación del volumen.

Mediante la determinación del flujo másicode aire que entra al motor se procedió a ladeterminación de la masa de aire durantecada etapa de compresión por cilindro.Conjuntamente con la determinaciónexperimental de a se desarrolló unaexpresión que permitiera su determinacióna partir de datos de composición químicade las emisiones del motor.

OBTENCIÓN DE EXPRESIONESPARA LA DETERMINACIÓNDEL COEFICIENTE DE EXCESODE AIRE A PARTIR DE LASEMISIONES EN EL MOTOR

Partiendo de la definición de coeficiente deexceso de aire:

(8)

(9)

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totales de los productos de la reacción decombustión no estequiométrica (real) yteniendo en consideración que el número demoles en exceso que participan en lareacción de combustión saldrán en elcontenido de los gases de escape,

O2 (exc) = O2(escape),se puede llegar a la expresión:

Así el numerador del cociente de (10)corresponde a la fracción volumétrica de O2

en los gases de escape.

Para lograr la correcta determinación deldenominador de la expresión (11), espreciso plantear la ecuación química de lacombustión estequiometria de combustiblediesel (C16H30).

A partir de la expresión anterior es posiblela determinación del término O2 (est). Parala combustión completa de 1 mol decombustible diesel se necesitan 47/2 moles,mientras se necesitan 105.7 moles de O2 parala combustión estequiométrica de 1 kg deC16H30. Los moles totales T se puedenponer en función de otra especie presenteen los gases de escape, siempre y cuandodicha cantidad total sea común a todas lasespecies presentes en los gases de escape.Tomando el CO2 y su fracción molar se llegaa la expresión (13) que corresponde a la

(10)

(11)

(12)

dependencia del coeficiente de exceso deaire con las emisiones de estos dos gasescontaminantes para el combustible diesel.Para ello se tuvo en cuenta además, que lafracción molar de un componente en unamezcla es igual a su fracción en volumen.

Siguiendo este mismo procedimiento parael biodiesel, cuya ecuación de la reacciónquímica para combustión estequiométrica semuestra a continuación:

Se llega a la expresión para el cálculo de e

para el biodiesel.

Donde:e representa el coeficiente de exceso de aire

estimado a partir de las emisiones del motor.

Por tanto, a partir de determinaciones decontenido en las emisiones de estos doscomponentes es posible mediante una únicaecuación, la estimación del coeficiente deexceso de aire.

Posteriormente, con la estimación de lamasa de aire que hay en el interior delcilindro durante el proceso de compresión,se calcularon las temperaturas mediasdurante el tiempo de retardo. Para ello seasumió como primera aproximación queel aire en el cilindro tiene comportamientoideal. De esta forma su ecuación de estado

(13)

(14)

(15)

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es descrita mediante:

Donde:pm y Tm aluden a la presión y temperaturamedias en el período de retardo, y Raire

es la constante particular del aire (Raire =0.29 kJ/kg·K), mT es la suma de la masa deaire que entra al cilindro más la masaresidual del ciclo anterior que queda en lacámara de combustión.

Los resultados de temperaturas mediasdurante el período de retardo se muestranen la tabla 27, teniendo en cuenta losfactores de compresibilidad del aire en lascondiciones de presión a las que se vesometido. Los resultados de estimación dela temperatura media dentro del cilindropara ambos tiempos de biodiesel han sidoexpuestos en detalle por la literatura [4, 5],los que fueron obtenidos por coautores deeste trabajo y proyecto de investigaciones.Los valores de Zc obtenidos para el aireoscilaron entre 1.02 y 1.04. Los valores de

(16)

temperaturas medias se encuentran en elrango reportado en la literatura [1, 4, 5]conreferencia al final del proceso de compresiónen un motor diesel con sobrealimentación.

La masa de aire reportada en la tabla 27corresponde a una etapa de compresiónpara un cilindro y fue estimada a partirde la determinación de la cantidad de aireque entra al motor por unidad de tiempo.Considerando los gases residuales tambiénse reporta la masa total.

A partir de las temperaturas calculadasacorde a la cantidad de aire que entra alcilindro y sus correspondientes valores deretardo de la ignición y los valores mediosde presión dentro del cilindro, se procedió ala obtención de un modelo para estimar elretardo tipo (2) para el combustible diesel.Para ello se ajustaron mediante la regresiónmúltiple, los valores experimentales depresión, temperatura y . Las constantesdel modelo fueron se ajustaron buscandominimizar el error cuadrático medio; asícomo obtener el valor mayor de R2.

Tabla 27. Estimación de temperatura media dentro del cilindro para combustible diesel durante elperíodo de retardo de la ignición

Retardo de la ignición en la combustión de biocombustibles

122 Biocombustibles para uso en motores diesel

El modelo obtenido para biodiesel depalma es:

La R2 obtenida es de 89.61 % con 2.75 paraDurbin-Watson. Como se observa, existendiferencias entre los modelos obtenidosde combustible diesel y el de BD-palma.En el factor exponencial es donde seregistran las diferencias más notables, elcual es para el BD-palma mayor que eldel modelo con combustible diesel. Estose debe fundamentalmen te a que ladependencia del retardo con la temperaturano es la misma con ambos combustiblesy a las diferencias en energías de activación.También hay diferencias significativas enel resto de los coeficientes de ajuste delmodelo.

De la misma forma que en el combustiblediesel, para el BD-palma se realizó unacomparación de los valores de retardo deignición obtenidos experimentalmente conlos predichos por el modelo. Los valores deresiduales en sentido general son menoresde un 10 %.

En el caso del biodiesel, los modelos deAssanis y Watson predicen valores deretardo en casi todos los puntos alejados delos valores obtenidos experimentalmente.Esto se debe a que estas correlaciones sonestablecidas para otro tipo de combustible.Esto es una muestra de la necesidad deobtención de modelos para biocombustibles,puesto que aún con el mismo tipo de motor,no es posible utilizar el modelo obtenidopara un tipo de combustible para predecir elcomportamiento de otro.

El modelo para la predicción del retardo de

(17)

la ignición en el caso de BD-colza es:

(18)

La observación más importante del modelo(18) es que existen diferencias significativasentre esta y la correlación correspondientea BD-palma. Las diferencias observadas conrespecto al factor exponencial deben sercausadas basicamente por una mayor energíade activación de BD-colza comparada conel BD-palma.

Se ha observado en los resultados del trabajoque el cambio en el tipo de combustibleno afecta significativamente la presión enel instante de comienzo de la inyección nila presión máxima alcanzada en la cámarade combustión. A pesar de lo cual, la presiónmedia durante el período de retardo de laignición sí se afecta por el cambio decombustible, debido a que la duración deeste período no es la misma como haquedado evidenciado y durante este períodotambién influyen los parámetros físicos yde inyección del combustible.

La principal limitación de estos modeloses que cada combustible analizado hapresentado una correlación diferente delas variables analizadas, por lo que no hasido posible encontrar un modelo único.Esto hace que el uso de estos sea específicopara cada tipo combustible.

MEZCLAS DE JATROPHACURCAS CON COMBUSTIBLEDIESEL

Las pruebas con mezclas de Jatrophacurcas y combustible diesel se realizaron

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a 10 % de BD (B10) y al 20 % (B20). Losresultados promedios de la presión en elinstante en que comienza la inyección decombustible (P1) y la presión en el instanteen que comienza la combustión (P2) en elcaso de ambas mezclas se muestran en lastablas 28 y 29. Además, se exponen losresultados promedios del retardo de laignición ( ) y del ángulo de rotación delcigüeñal en el instante en que comienzala combustión ( 2), para cada valor defrecuencia de rotación.

Para el caso de las mezclas B10 y B20ocurre una caída importante en el valorde P1 y un incremento substancial en el

Tabla 29. Resultados promedios de P1, de P2, de 2 y de para B20

Tabla 28. Resultados promedios de P1, de P2, de 2 y de para B10

tiempo de retardo de la ignición al pasarde las 1 600 rpm a las 1 700 rpm. En cuantoal retardo de la ignición, al comparar losresultados de las mezclas con los resultadosdel combustible diesel de referencia, seobservó que en cada punto experimental(es decir, en cada valor de frecuencia derotación) el retardo de la ignición presentóun comportamiento bastante similar,evidenciándose apenas una diferenciamáxima de un grado en el tiempo de retardode la ignición para cada una de las mezclasanalizadas, en comparación con elcombustible diesel; lo cual es un resultadosatisfactorio, si tenemos en cuenta que latarjeta de adquisición de datos utilizada

Retardo de la ignición en la combustión de biocombustibles

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durante las pruebas presenta una resoluciónde 1° de rotación del cigüeñal.

En el caso de las mezclas no fue observadauna variación apreciable del tiempo deretardo de la ignición al utilizar Jatrophacurca al 10 % y 20 %. Ello es a causaprincipalmente de que el porcentaje debiocombustible en la mezcla es bajo y ellohace que no varíe apreciablemente elpoder calórico del combustible, ni elíndice de cetano. Sin embargo, en el casode los biodiesel derivados de colza y palma,su uso en los motores diesel provoca unasignificativa variación en el tiempo deretardo de la ignición comparado con elcombustible diesel de referencia.

El estudio desarrollado en el contexto denuestro proyecto de investigaciones hademostrado que siempre se debe realizar unestudio previo a la introducción del uso deun biocombustible en particular en un motordiesel pues dadas las características físico-químicas del mismo, debe ocurrir cambiosen los procesos de combustión, en elfenómeno conocido como retardo de laignición fundamentalmente. A partir deestos resultados y mediante un ajuste delmotor, escencialmente en el ángulo deinyección, debe ser posible compensar lasconsecuencias que origina la variación en eltiempo de retardo.

REFERENCIAS

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