MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

Motores de Combustión Interna (Ingeniería Mecánica - UNJBG) Avelino Pari P.

CAP 3 .- TEORIA DE COMBUSTION Y COMBUSTIBLES

Definición de Combustión.- Proceso de oxidación del combustible por el aire, que provoca la conversión de la energía química que posee el combustible en energía térmica. Este proceso tiene lugar dentro del cilindro, suponiendo un incremento de presión que permite extraer energía mecánica mediante el movimiento del pistón

Tabla 3.1 Diferencias del proceso de combustión en MEP y MEC

MEP MEC Habitualmente formación de la

mezcla fuera del cilindro. La combustión se inicia por una

causa externa, habitualmente el salto de una chispa.

La combustión se realiza sobre una mezcla de aire y combustible homogénea.

La relación aire-combustible utilizada está en el entorno de la estequiométrica.

El motor admite aire sin combustibleInyectándose combustible (chorro) al final de la carrera de compresión.

La mezcla se auto inflama comoconsecuencia de la propia compresión.

La combustión se desarrolla sobre una mezcla heterogénea.

Siempre trabajan con mezclas con exceso de aire.

3.1 DESCRIPCION DE LA COMBUSTION EN MEP

Se dice que la combustión es homogénea y premezclada y como la formación de la mezcla se da fuera de la cámara, el dosado es en cualquier punto el mismo.En medio de la combustión se distinguen dos zonas: Zona Fresca y Zona Quemada, independientemente de la posición de la bujía.

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MEP MEC


Figura 3.1 Proceso de combustión en MEP

3.2.- PARAMETROS CARACTERISTICOS DE LA COMBUSTION

Los parámetros característicos se visualizan en la Tabla 3.2

Tabla 3.2 Parámetros característicos de la combustión

Parámetro Expresión Descripción1 Tiempo de combustión

tC

Es el tiempo que tarda el frente de llama en recorrer la cámara de combustión. A este tiempo se le puede asociar un intervalo angular llamado ángulo de combustión αC(°):

2 Gradiente de presión dP/dα o dP/dt Expresa la velocidad con que cambia la presión a lo largo del ciclo (bar/° ó bar/s).

3 Presión máxima de combustión

Pmax Es el máximo valor de la presión dentro de la cámara de combustión a lo largo del ciclo (bar).

El proceso de combustión supone un desarrollo de presión por encima del desarrollo de presión asociado al motor arrastrado (sin combustión).

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Figura 3.2 Nivel de presiones en un estado con y sin combustión


En el proceso de combustión se puede distinguir tres fases (Figura 3.3)

Figura 3.3 Fases de la combustión

1ª FASE (αC1): Corresponde con el tiempo desde que salta la chispa hasta que se separan los

desarrollos de presiones con y sin combustión. Ocupa aproximadamente 15% del ángulo de combustión.

2ª FASE (αC2): Ocupa aproximadamente un 80% del ángulo total de combustión, siendo una

combustión muy rápida y turbulenta.

3ª FASE (αC3): La combustión se hace más lenta y concluye.

3.3.- PROCESO DE COMBUSTION NORMAL Y ANORMAL

La combustión en MEP se puede dar de dos formas:

a) Combustión por avance del frente de llama.- La zona quemada trasmite calor al frente de llama, entonces la mezcla que integra el frente se inflama, pasando a engrosar la zona quemada, provocando que avance el frente de manera suave y comprimiendo la mezcla fresca. Este tipo de combustión se considera combustión normal, su representación gráfica se muestra en la Figura 3.4.

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Figura 3.4 Proceso de una combustión normal

b) Combustión por auto inflamación.- La combustión se origina como consecuencia del alto estado térmico (P, T) que adquiere la zona fresca. Es una combustión brusca y rápida. Si la masa de mezcla auto inflamada es grande la auto inflamación es muy perjudicial para el motor hablándose de combustión detonante o picado de bielas a este tipo de combustión se considera combustión anormal

3.4 TIPOS DE COMBUSTION ANORMAL

Los tipos de combustión anormal se visualizan en la Figura 3.5

3.4.1 PROCESO DE COMBUSTION POR AUTOINFLAMACION

La combustión por inflamación es una combustión rápida y brusca “descontrolada”, donde, la mezcla fresca se inflama por sí misma por estar sometida a altas presiones y temperaturas que son ocasionadas como consecuencia de la compresión sufrida por la mezcla frescaLa combustión por auto inflamación es casi instantánea, mucho más rápida que la combustión normal, provocando elevados gradientes de presión, con aparición de ondas de presión a menudo audibles, hablándose entonces de detonación o picado que cuando se presenta, se percibe un golpeteo o un cascabeleo metálico llamado en ocasiones “pistoneo”.Este proceso anormal se visualiza en la Figura 3.6.

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Figura 3.5 Tipos de combustión anormal

Figura 3.6 Proceso de una combustión por auto inflamación

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La detonación es un fenómeno muy peligroso, ya que sus efectos producen mayor transmisión de calor a través de las paredes, pudiendo destruir el motor si este se mantiene de manera prolongada. Gráficamente la detonación se visualiza en la Figura 3.7

Figura 3.7 Fenómeno de detonación

La detonación es un fenómeno que limita las prestaciones del motor y que obliga a veces a mantener avances a la combustión menores a los que dan la máxima potencia en unas condiciones de funcionamiento dadas.En la actualidad, los motores modernos llevan sensores que detectar detonación informa al procesador para que este regule

3.4.2 PROCESO DE COMBUSTION POR ENCENDIDO SUPERFICIAL

Se caracteriza por la aparición, en determinadas situaciones, de puntos calientes que durante el ciclo son fuentes de encendido que generan frentes de llama en todos esos puntos. Este efecto puede darse debido a:

a) Electrodo central de la bujíab) Formación de depósitos en la cámara de combustiónc) Aparición de zonas mal refrigeradas, generando diferencia de temperaturas

TIPOS DE ENCENDIDO SUPERFICIAL

Los tipos de encendido superficial se visualizan en la tabla 3.3

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Tabla 3.3 Tipos de encendido superficial

N° TIPO DE ENCENDIDO CARACTERISTICA

1 Preencendido Anterior al encendido normal

a) Preenccendido con detonación Es muy peligroso debido a que la detonación realimenta el efecto de incremento del avance, pudiéndose llegar a detonaciones de efectos destructivos (Wild ping)

b) Preenccendido sin detonación No es tan peligroso para los componentes del motor pero es negativo para la marcha del motor (Rumble)

2 Postencendido Posterior al encendido normal y Se da debido a mayores gradientes de presión

3.5 TIPOS DE CAMARAS DE COMBUSTION EN MEP

Definición de Cámara de Combustión.- Es el espacio que se forma entre la cabeza del pistón, cuando este está en el PMS (punto muerto superior) y la culata. Es en este espacio donde se comprime el gas y se lleva a cabo el proceso de la combustión.La cámara se construye generalmente en la culata del pistón y en ella se alojan las válvulas de admisión y escape y la bujía (MEP) o el inyector (MEC).

Los tipos de cámara de combustión se visualizan en la Figura 3.8

Figura 3.8 Tipos de cámaras de combustión con pistón de cabeza plana

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TIPO BAÑERA HEMISFERICAEN CUÑA


Figura 3.9 Tipos de cámaras de combustión con pistón de cabeza labrada

Las características de cada uno de los tipos de cámara de combustión se visualizan en la Tabla 3.4

Tabla 3.4 Características de los tipos de cámaras de combustión

N° TIPO CARACTERISTICAS DETALLES1

Tipo Bañera- Válvulas de tamaño reducido- Buen alzado de válvulas- Recorrido del frente de llama excesivamente largo.

Es poco usado debido a su bajo rendimiento

2En Cuña

- Distribución sencilla- Pequeño tamaño de válvulas- Buena resistencia a la detonación

Ofrece buen rendimiento, aunque menor que la hemisférica.Ofrece un buen frente de llama

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Hemisférica

- Válvulas grandes- Recorrido pequeño del frente de llama, lo cual la hace compacta.- Desplazamiento rápido y homogéneo del frente de llama

Es el modelo ideal de cámara, debido a su buen rendimientoSe aplica en los vehículos modernos.

4Tipo Herón

- Culata plana- Formación de turbulencia en el proceso de compresión

Se consigue una mezcla muy homogénea que permite utilizar elevadas relaciones de compresión

5 Para Inyección Directa

- Forma especial de cabeza del pistón-

Permiten al motor trabajar con mezclas pobres estratificadas.

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CAMARA HERON CAMARA PARA INYECCION DIRECTA


3.6 INTRODUCCION A LA COMBUSTION EN MEC

A diferencia del proceso de combustión en MEP, el combustible es inyectado en el interior de la cámara de combustión al final de la carrera de compresión. La combustión en MEC presenta las siguientes características:

a) Tan pronto como se inyecta el combustible, se forman las primeras gotas que se evaporan y mezclan con el aire, y debido a las altas P y T empiezan las pre reacciones químicas que van a dar lugar después de un cierto tiempo (llamado tiempo de retraso) a la aparición de llama por auto inflamación

b) La localización del punto donde se inicia la combustión es aleatoria, no dependiendo la inflamación de la mezcla de un aporte exterior de calor como ocurría en MEP (encendido provocado), sino que se trata de un fenómeno de auto inflamación que es consecuencia del elevado estado térmico (P,T) que existe en la cámara en las cercanías del PMS (encendido por compresión).

c) El desarrollo de la combustión en MEC depende fundamentalmente de las condiciones locales de dosado y temperatura de cada punto de la cámara de combustión.

d) La llama suele aparecer cuando la distribución del aire y combustible no estodavia homogénea, por lo que coexisten los procesos de formación de la mezcla y de combustión.

e) La duración de la mezcla es mayor en MEC que en MEP.

3.6.1 Requerimiento para una buena combustión

El proceso de combustión está directamente ligado a la distribución del combustible en el aire, por lo que para una buena combustión es necesario:

a) Buenas características del Sistema de inyecciónb) Elevada turbulencia en la cámara de combustión

3.6.2 Diseño de la cámara de combustión en MEC

Aparte de favorecer la correcta combustión, el diseño de la cámara de combustión tiene la misión de propiciar la formación de una mezcla adecuada. Se distinguen 2 tipos fundamentales de cámara de combustión:

a) Diseño con cámara abierta (inyección directa) Relacionado directamente con el sistema de inyección b) Diseño con cámara dividida (inyección indirecta) Relacionado directamente con la turbulencia de la mezcla. Por lo que es importante la geometría de la cámara.

Los diseños de cámara de combustión se visualizan en la Figura 3.10

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Figura 3.10 Diseño de las cámara de combustión

3.7 PARAMETROS CARACTERISTICOS DE LA COMBUSTION EN MEC

Los parámetros característicos de la combustión en MEC se visualizan en la Tabla 3.5

Tabla 3.5 Parámetros característicos de la combustión en MEC

N PARAMETRO DETALLE1 Angulo de avance a la inyección,

[ ]

Es el ángulo existente entre el comienzo de la inyección y el PMS

2 Angulo de inyección, [ ] Es el intervalo angular que dura el proceso de inyección. El tiempo que dura la inyección es de milisegundos

3 Tiempo de retraso, [ ] Es el tiempo que transcurre desde que se inicia la inyección hasta que se produce la auto inflamación, durante el cual el combustible se va gasificando y mezclando con el aire y van ocurriendo pre reacciones químicas hasta que se inflama. A este tiempo le corresponde un intervalo angular en el cigüeñal llamado “ángulo de retraso (αr)”.

4 Además se añaden los parámetros ya conocidos, tc, dP/dα o dP/dt y P max.

Gráficamente, estos parámetros se visualizan en la Figura 3.11

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Figura 3.11 Parámetros característicos de la combustión en un MEC

3.8 FASES DE LA COMBUSTION EN MEC

En los MEC, a partir del inicio de la inyección (αai) se distinguen tres fases que se muestran en la Figura 3.12

Figura 3.12 Fases del proceso de la combustión en un MEC

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3.8.1.- 1ª FASE: Periodo de retraso.

Esta fase se extiende desde el inicio de la inyección hasta que se produce la auto inflamación, observándose entonces procesos de atomización, vaporización y prereacciones previas, diviediendo este periodo en: Preparacion de la mezcla y Retraso quimico, tal como se muestra en la Figura 3.13

Figura 3.13 Primera Fase: Tiempo de retraso

a) Factores que afectan la preparación de la mezcla

- Características del chorro

- Propiedades del combustible

- Presión y temperatura en el cilindro, tr = f(P,T)

- Movimiento del aire en el cilindro

b) Factores que afectan el retraso químico

- Composición del combustible (longitud de la cadena)

- Temperatura y presión dentro del cilindro (sobre todo la temperatura)

Finalmente, se puede agregar que el retraso se puede disminuir haciendo chocar el chorro en

superficies calientes, con lo que disminuye el retraso físico y químico.

3.8.2.- 2ª FASE: Combustión rápida o premezclada. Durante esta fase se quema rápidamente el combustible inyectado durante el tiempo de retraso, que ha tenido tiempo de mezclarse.Los parámetros que caracterizan esta fase son:

a) La elevada velocidad de combustiónb) El gran aumento de la presión, ligado con el tiempo de retraso.

Por ello en la Tabla 3.6 se visualiza las consecuencias de sus variaciones.

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Tabla 3.6 Variación de parámetros

Variación de parámetro ConsecuenciaMenor tiempo de Retraso, [tr] La combustión es suave

Mayor tiempo de Retraso, [tr]Mayor combustible evaporado y mezclado y mayor combustible inyectado, por lo tanto la marcha se torna dura

Al aumentar la combustión premezclada Aumenta la presión, por lo tanto mayor ruido y mayores emisiones de NOx

Los factores que influyen en esta fase se visualizan en la Tabla 3.6

N° FACTOR DETALLE1 Tipo de cámara Abierta o Dividida. El tr suele ser menor en cámara

dividida por lo que la marcha es menos dura2 Combustible inyectado durante el

retrasoTiempo de retraso, tr

3 Combustible gasificado durante el retraso

Finura de las gotas, Turbulencia optima, propiedades físicas del combustible

4 Encuentro Combustible - Oxigeno Penetración del chorro , turbulencia

3.8.3.- 3ª FASE: Combustión por difusión. Se quema el combustible que no fue quemado durante la 2ª fase y el inyectado con posterioridad a medida que se va mezclando. Su duración es desde el punto de presión máxima hasta donde acaba la combustión.

Características de la fase

En esta fase se quema todo aquel combustible no quemado en la 2da fase y aquel que se inyecta con posterioridad a la conclusión de la 2da fase, si la inyección no ha terminado.

En motores grandes que giran a bajo régimen (αr <<αi), la mayor parte de combustible se quema en la 3ra fase.

En esta fase puede haber combustión incompleta y entonces puede formarse humos en el escape. La combustión incompleta se debe a la existencia de gran cantidad de combustible que no encuentra oxígeno para quemarse y que debido a las altas temperaturas y presiones se craquea, se deshidrogena y se convierte en carbón.

De lo expresado y a manera de conclusión, en esta fase se pueden dar casos:a) La inyección termina antes de la conclusión de la 2da faseb) La inyección continúa tras la conclusión de la 2da fase.

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3.9 TIPOS DE CAMARAS DE COMBUSTION EN MEC

Según lo indicado en el punto 3.6.2 existen dos diseños de cámaras: abiertos y divididos, por lo que teniendo en cuenta la geometría que ambos diseños puedan presentar, estos se clasifican en:

Figura 3.14 Esquema de los tipos de cámara de combustión según su geometría

3.9.1 CAMARA ABIERTA SIN TURBULENCIA

Son cámaras de combustión compactas sin estrechamientos y por tanto sin diferencias apreciables de presión. Según su geometría se clasifican en: Figura 3.15

Figura 3.15 Clasificación de cámaras abiertas sin turbulencia

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Las cámaras abiertas sin turbulencia presentan las siguientes características:

a) Formación de la mezcla encomendada al inyector, que tiene varios orificios y que funciona con elevada presión de inyección. Por ello, el funcionamiento del sistema de inyección debe ser impecable

b) Como no hay turbulencia, las pérdidas de calor a través de las paredes disminuyen, por lo tanto aumenta el rendimiento, [η] y el arranque en frio es más fácil.

c) Se emplea en motores lentos (motores 2T)

3.9.2 CAMARA ABIERTA CON TURBULENCIA

Presenta las siguientes características:

a) La cámara de combustión es labrada en el pistón, ello hace que las dimensiones del pistón aumenten.

b) El aire alcanza velocidades del orden de 250 m/sc) El efecto de la turbulencia (movimiento del aire a alta velocidad) mejora el mezclado y

consecuentemente reduce el tiempo de retraso, pero presenta el problema de grietas térmicas en la cabeza del pistón.

La clasificación de las cámaras con turbulencia se muestra en la Figura 3.16

Figura 3.16 Clasificación de cámaras abiertas con turbulencia

3.9.3 CAMARA DIVIDIDA o de TIPO INYECCION INDIRECTA

Presenta las siguientes características:

a) Constructivamente la cámara está dividida en dos compartimientos: Espacio muerto y Precamara, donde existe diferencia de presiones considerables.

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b) Formación de la mezcla encomendada a la turbulencia ocasionada por el fluido cuando atraviesa el estrechamiento que une los dos compartimientos.

c) Sistema de inyección sin elevadas exigencias. Por lo que el inyector es de orificio único ubicado en la pre cámara.

d) Dado que en gran parte la 2da fase de la combustión se realiza en la pre cámara, las presiones y los gradientes pueden ser más elevados en esta, no afectando a la vida del motor, especialmente al pistón.

e) La pre cámara desemboca tangencialmente en el cilindro, siendo el volumen de esta al menos un 50% del volumen total de la cámara de combustión.

f) Una parte de la pre cámara es de acero especial postizo, poco refrigerado y situado en zona caliente, para funcionar como pared caliente.

g) La velocidad del aire entre los dos compartimientos llega a ser del orden de 500 m/s, lo que supone una pérdida de un 5% de la potencia del motor.

La clasificación de cámaras divididas se muestra en la Figura 3.17.

Figura 3.17 Clasificación de cámaras abiertas con turbulencia

3.10 CUADRO COMPARATIVO DE LA COMBUSTION EN MEP Y MEC

Comparando el diagrama de presiones (Figura 3.18) de un MEC con el de un MEP, se observan las siguientes diferencias:

a) Las presiones máximas de combustión son mayores en los MECb) El gradiente de presión es mayor en los MEC, lo que les da parte del ruido

característico que los diferencian de los MEP.c) El ángulo de avance a la inyección es menor que el avance al encendido.d) El ángulo de combustión en MEC es mayor como consecuencia de que el proceso de

combustión se prolonga durante parte importante de la carrera de expansión.

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Figura 3.18 Diagrama de presiones de un MEP y un MEC.

3.11 SEMINARIO DE COMBUSTIBLES

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