7 Combustion MEP MaqTerm

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



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




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?




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




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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Secuencia en la combustión




1. Encendido (chispa eléctrica).

2. Combustión premezclada laminar. 3. Combustión premezclada turbulenta. 4. Combustión premezclada laminar. 5. Extinción.


Velocidad de combustión




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.






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).


Fases de la combustión




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).


Dispersión cíclica




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).


Dispersión cíclica





Efectos y factores magnificadores de la dispersión cíclica




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.

Contenido








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Picado Encendido superficial

Knocking




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.


Knocking




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.


Consecuencias del knocking





Encendido superficial




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

Contenido








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Condiciones operativas Condiciones ambientales Diseño geométrico Avance de encendido

Régimen de giro




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.


Grado de carga




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.


Dosado




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 ambientales





Posición de la bujía




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.


Turbulencia




Aumentan la turbulencia dentro del cilindro y por tanto producen mayores velocidades del frente de llama.


Turbulencia




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.


Tipos de cámara de combustión




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”.


Número de Octano (NO)




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).






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.






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.






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


Métodos empleados para elevar el NO de las gasolinas




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.


Avance al encendido




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.


Avance al encendido





Resumen




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.


Resumen




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).

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