Máquinas térmicas
Dpto. Ingeniería Mecánica
Combustión en MEP
Motores de Combustión Interna Alternativos
(MCIA)
Objetivos
Máquinas térmicas Combustión MEP
Conocer cómo se desarrolla el proceso de combustión en los MEP, viendo cuales son los principales parámetros de los que éste depende. Conocer cuales son los factores y parámetros más importantes para asegurar una correcta combustión en los MEP.
Contenido
Generalidades sobre la combustión Combustión normal
Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
Máquinas térmicas Combustión MEP
Generalidades sobre la combustión Combustión normal
Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Combustión anormal Picado Encendido superficial
Factores que afectan a la combustión Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
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Contenido
Generalidades sobre la combustión Combustión normal
Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
Máquinas térmicas Combustión MEP
Generalidades sobre la combustión Combustión normal
Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Combustión anormal Picado Encendido superficial
Factores que afectan a la combustión Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
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Tipos de combustión en MCIA
Generalidades sobre la combustión Combustión normal
Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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Combustión generalizada o autoencendido: inicio de la combustión no se ocasiona por un agente exterior. Combustión localizada: se genera mediante una fuente externa. Existe un frente llama que progresa.
Deflagración: discontinuidad de temperatura. (v.c. << a).
Premezclada (laminar o turbulenta): mezcla homogénea (MEP).
Difusiva (laminar o turbulenta): mezcla no homogénea (MEC).
Detonación: discontinuidad de presión. (v.c. ~ a).
¿Cómo se puede seguir la evolución del proceso de combustión en un MCIA?
Generalidades sobre la combustión Combustión normal
Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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La evolución de la fracción de masa de combustible quemado (fracción de calor liberado). La evolución de la temperatura. La evolución de la presión (caso más práctico).
Parámetros característicos de la combustión en MEP
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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Tiempo de combustión (tc): el que tarda el frente de llama en recorrer la cámara de combustión.
Gradiente de presión (dP/dα): velocidad con que cambia la presión a lo largo del ciclo . Posee un máximo (Pmax).
𝛼𝑐 =360°
𝑟𝑒𝑣∙ 𝑛 ∙ 𝑡𝑐
El proceso de combustión supone un desarrollo de presión por encima del desarrollo de presión asociado al motor arrastrado (sin combustión).
Contenido
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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Generalidades sobre la combustión Combustión normal
Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Combustión anormal Picado Encendido superficial
Factores que afectan a la combustión Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
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Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Secuencia en la combustión
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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1. Encendido (chispa eléctrica).
2. Combustión premezclada laminar. 3. Combustión premezclada turbulenta. 4. Combustión premezclada laminar. 5. Extinción.
Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Velocidad de combustión
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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Depende de la naturaleza del combustible Depende de la T, P y Dosado.
¿cuál será el regimen máximo de giro si…?
VCL= 80 cm/s Duración máxima de combustión: 120º cigüeñal Bujía central Radio cámara: 40 mm.
Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Velocidad de combustión
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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Velocidad de expansión (CA): debida a la expansión de la zona quemada (velocidad de arrastre). Velocidad de combustión (CC): debida al avance de la combustión de la mezcla fresca (velocidad relativa).
Velocidad del frente (CF): velocidad con que el frente de llama barre la cámara de combustión (velocidad absoluta).
Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Velocidad de combustión
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Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Fases de la combustión
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Fase final o residual (α3): Es laminar y es difícil precisar dónde termina. En ella se quema la mezcla cercana a las paredes.
Fase inicial (α1):desde el salto de la chispa hasta que la presión supera la correspondiente a la compresión. Predomina la combustión laminar (15% de αc).
Fase principal (α2): finaliza cuando se alcanza la presión máxima. Es turbulenta. Se quema la mayor parte de la mezcla (80% de αc).
Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Dispersión cíclica
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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En MEP, los ciclos de presión medidos consecutivamente y manteniendo las condiciones de funcionamiento presentan una importante variabilidad ciclo a ciclo llamada dispersión cíclica.
CAUSAS Variación cíclica en:
la escala e intensidad de la turbulencia en el momento de salto de la chispa. el dosado suministrado al motor (poco significativa). la fracción de residuales (poco significativa). las características de la chispa (motores mal mantenidos).
Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Dispersión cíclica
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Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Efectos y factores magnificadores de la dispersión cíclica
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Efectos
Emisiones contaminantes del motor Prestaciones del motor Tendencia a la autoinflamación
Factores magnificadores
Dosado de la mezcla (mínima dispersión cercanía de dosados estequiométricos). Escala de la turbulencia al salto de la chispa. Forma del electrodo y de la cámara de combustión.
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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Generalidades sobre la combustión Combustión normal
Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Combustión anormal Picado Encendido superficial
Factores que afectan a la combustión Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
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Picado Encendido superficial
Knocking
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La mezcla fresca se inflama por sí misma por estar sometida a altas presiones y temperaturas ocasionadas por la compresión causada por los gases quemados.
La combustión por autoinflamación es casi instantánea, provocando elevados gradientes de presión, con aparición de ondas de presión a menudo audibles, hablándose entonces de detonación o picado de bielas.
Picado Encendido superficial
Knocking
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La detonación es un fenómeno muy peligroso, ya que las vibraciones inducen mayor transmisión de calor a través de las paredes, pudiendo destruir el motor si el fenómeno es intenso y prolongada.
Picado Encendido superficial
Consecuencias del knocking
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Picado Encendido superficial
Encendido superficial
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Se ocasiona por la aparición, en determinadas situaciones, de puntos calientes que son fuentes de encendido, generando frentes de llama en cualquier instante del ciclo.
Puntos calientes
Electrodo central de la bujía. Depósitos. Zonas mal refrigeradas.
Tipos de encendido superficial
Preencendido Post-encendido
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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Generalidades sobre la combustión Combustión normal
Secuencia Velocidad de combustión Fases Dispersión cíclica
Combustión anormal Picado Encendido superficial
Factores que afectan a la combustión Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
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Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Régimen de giro
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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Si incrementa el régimen de giro:
Se reduce el tiempo disponible para el proceso (αc, no puede sobrepasar un determinado valor). Aumenta la turbulencia en la cámara de combustión
Para intentar mantener centrada la combustión, se utilizan dispositivos mecánicos o electrónicos que modifican el punto de encendido en función del régimen de giro.
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Grado de carga
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Al bajar la carga:
Se incrementa la concentración de gases residuales y por tanto se incrementa α1 por las dificultades de encendido.
Se reduce el riesgo de picado porque la autoignición es más difícil.
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Dosado
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Influye en la velocidad de combustión. La menor duración del proceso se consigue con mezclas ligera-mente ricas. El riesgo de picado es mayor entorno a Fr= 1.
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Condiciones ambientales
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Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Posición de la bujía
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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Para que αc sea pequeño debe estar colocada de forma que:
Minimice el recorrido del frente de llama. Maximice la superficie del frente de llama (reducción del riesgo de picado).
Para reducir la dispersión cíclica debe estar en una zona de alta turbulencia. Para reducir las pérdidas de calor en el encendido debe estar en una zona de alta temperatura.
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Turbulencia
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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Aumentan la turbulencia dentro del cilindro y por tanto producen mayores velocidades del frente de llama.
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Turbulencia
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El tumble por lo general siempre se descompone en turbulencia, porque a medida que el pistón se aproxima al PMS, se acorta la distancia entre el pistón y la culata.
El swirl por su parte, dependiendo de la forma de la cámara de combustión, puede no descomponerse en turbulencia cuando el pistón llega al PMS. El área de squish es la que obliga al swirl a adaptar la forma de la cámara cuando el pistón alcanza el PMS y es ahí donde esta obligado a transformarse en turbulencia.
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Tipos de cámara de combustión
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
Máquinas térmicas Combustión MEP
Deben favorecer la turbulencia y ser pequeñas para que αc sea pequeño.
De cuña: concentra la mayor parte de la mezcla cerca de la bujía. “end-gas” pequeño.
Hemiesférica: el recorrido de frente de llama es pequeño y simétrico. Muy compacta. Labrada en pistón: es compacta y de alta turbulencia. Labrada en la culata: es compacta, pero concentra mayor masa en “end gas”.
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Número de Octano (NO)
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Medida del poder antidetonante de un combustible. Cuanto mayor sea el NO, mayor es la resistencia a la auto-ignición. Recuerde que los MEP están diseñados para quemar el combustible controladamente (deflagración). Un NO alto mejora el rendimiento del motor y evita el knocking (evita posibles daños en el motor, mejorando así la vida útil del motor).
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Número de Octano (NO)
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Se asigna al combustible por comparación con mezclas de hidrocarburos patrones, en un motor CFR.
iso-octano o 2,2,4 tri-methyl-pentano (C8H18): NO = 100 n-heptano (C7H16) : NO = 0
Para encontrar el NO de un combustible: 1. Un combustible X se usa, la Rc se ajusta para condiciones de operación
específica hasta que se experimenta un nivel estandar de knocking. 2. El combustible X se reemplaza por una mezcla de estos dos combustibles
(a través de un sistema que permite cualquier mezcla), hasta que se obtiene el mismo nivel de knocking.
3. En ese instante, el (%) de iso-octano en la mezcla representa el NO del combustible X.
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Número de Octano (NO)
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Una gasolina con las mismas características de knocking de una mezcla de 90% de iso-octano y 10% de heptano tendría un índice de octano de 90. Esto no quiere decir que la gasolina contiene sólo iso-octano y heptano en estas proporciones, pero si que tiene las mismas propiedades de resistencia a la detonación. Algunos combustibles son más resistentes al knocking que el iso-octano, por tanto tienen un NO mayor a 100.
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Número de Octano (NO)
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
Máquinas térmicas Combustión MEP
Fuel RON MON AKI
n-hexane 25 26.0 26
requirement for a typical 2T 69 65 67
n-butanol 92 71 83
"regular" gasoline in US 91–92 82–83 87
"Premium" gasoline in US (10% ethanol blend) 97 87-88 92-93
propane 112 97
methanol 108.7 88.6 98.65
ethanol 108.6 89.7 99.15
methane 120 120 120
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Métodos empleados para elevar el NO de las gasolinas
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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Mezclas con productos de elevado NO (Etanol o Metanol). Mediante aditivos antidetonantes:
Gasolinas con plomo: Pb-Tetraetilo o Pb-Tetrametilo diluido en Bromuro o Cloruro de Etileno Gasolinas sin plomo: Terciari Butil Alcohol (TBA) Metil Terciari Butil Eter (MTBE)
Inconvenientes en el uso de los aditivos de Pb 1. Solo mejoran el NO de las fracciones más pesadas de la gasolina. 2. En la combustión forman contamiantes como Bromuro de Pb o Cloruro de Pb. 3. Producen depósitos en la cámara de combustión facilitando la aparición de puntos calientes que dan origen al autoencendido de la mezcla.
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Avance al encendido
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Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
Máquinas térmicas Combustión MEP
Permite centrar la combustión. Se tiene que cambiar con el régimen de giro y la carga. Al adelantar el encendido se quema más mezcla en la carrera de compresión, con lo que aumenta la presión máxima. Al aumentar el avance se incrementa el riesgo de picado.
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Avance al encendido
Generalidades sobre la combustión Combustión normal
Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
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Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Resumen
Generalidades sobre la combustión Combustión normal
Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
Máquinas térmicas Combustión MEP
En un MEP, la combustión es premezclada. El avance de encendido es el parámetro del que se dispone para corregir el efecto de los diferentes factores y centrar la combustión. En especial se tiene que cambiar con el régimen de giro y la carga. Altas T y P del “end gas” favorecen el picado. Su riesgo aumenta a alta carga, bajo régimen de giro, motor muy caliente, avance elevado y combustible de baja calidad.
Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido
Resumen
Generalidades sobre la combustión Combustión normal
Combustión anormal Factores que afectan a la combustión
Máquinas térmicas Combustión MEP
En el diseño de las cámaras de combustión se intenta:
Minimizar el volumen del “end-gas” (para minimizar el picado). Minimizar el recorrido del frente de llama (para reducir el tiempo de combustión).
El NO caracteriza la resistencia a la auto-inflamación del combustible. No tiene nada que ver con la energía que libera en la combustión (no aumenta la potencia efectiva, salvo en los sistemas de avance adaptativo).
Máquinas térmicas
Dpto. Ingeniería Mecánica
¡Gracias!
Combustión en MEP