COMBUSTIÓN EN MEP Comisión 7

TEMAS A TRATAR INTRODUCCIÓN: NOCIONES GENERALES COMBUSTIÓN EN CONDICIONES NORMALES COMBUSTIÓN ANORMAL EMISIONES CONTAMINANTES DETALLES CONSTRUCTIVOS DE LAS CAMARAS DE COMBUSTIÓN

NOCIONES DEL PROCESO Analizar el proceso de combustión alejándose del modelo ideal (analizar cada instante del proceso) Parámetros del proceso: Presión y Temperatura Aplicar el principio de conservación de energía, se obtiene el calor liberado en la cámara de combustión Cuantificando las perdidas de calor, se puede obtener el calor liberado por el proceso. Conociendo el PC del combustible, se obtiene la masa de combustible que se quema en cada instante

Interior de la cámara de combustión de un MEP δ: espesor de frente de llama uf: velocidad de frente de llama End gas: mezcla mas alejada de la bujía FQL o FMQ : fracción de calor liberado o fracción de masa quemada DFQL o DFMQ : derivada de la fracción de calor liberado o masa quemada

METODOS PRACTICOS (Heywood) Para el caso de cámaras de volumen constantes P: presión en el instante considerado Psoc: presión al inicio de la combustión Peoc: presión al final de la combustión TASA DE MASA QUEMADA ρsq : densidad de la mezcla sin quemar A: superficie del frente de llama Uc: velocidad de combustión

Combustión normal Desarrollo de la combustión normal Se inicia tras una chispa eléctrica en el volumen de la mezcla A partir de ahí la combustión se divide en tres fases

Estructura de velocidad de llama Hay tres velocidades a considerar: Velocidad de combustión laminar Velocidad de combustión turbulenta Velocidad de arrastre

Velocidad de combustión laminar Se considera que la mezcla aire-combustible se encuentra en reposo El frente de llama se propaga hacia la mezcla a medida que su temperatura se difunde en la misma. Los parámetros principales son dos: Presión Temperatura

Presión: Temperatura _El efecto que produce es moderado _A medida que crece la presión la velocidad decrece Temperatura _Afecta directamente a las características de transporte y de reacción _Existen dos temperaturas de interés: _de la mezcla sin quemar (Tsq) _de los productos quemados (Tpq)

Velocidad de combustión turbulenta La turbulencia incrementa de manera significativa la velocidad de propagación del frente de llama. Este incremento se cuantifica con el FSR (Flame Speed Ratio) Los principales parámetros que caracterizan el flujo turbulento son La intensidad de la turbulencia (l) y la energía cinética turbulenta (k). La tasa de disipación de la energía turbulenta (ε). La escala integral espacial (Lint) y temporal (τint), representando los tamaños y tiempos característicos de los torbellinos más grandes. La escala de Kolmogorov espacial (λK) y temporal (τK), representando los tamaños y tiempos característicos de los torbellinos más pequeños, en los que se da la disipación de la turbulencia.

Existen dos tiempos característicos de la turbulencia: _uno referido a la macroescala (la escala integral, τint) _y el otro referido a la microescala (la escala de Kolmogosov, τK) Comparados con el tiempo de característico de reacción (τR)dan lugar a dos números adimensionales: El número de Damköhler, Da, que compara τint con τR: Donde δ es el espesor del frente de llama. El número de Karlovitz, Ka, que relaciona τK con τR:

Area efectiva del frente de llama Aef A partir de resultados experimentales y usando la ecuación de la masa de la mezcla que se está quemando en un instante dado, se obtiene Aef Permite comparar motores diferentes o condiciones de operación diferentes

Velocidad de arrastre Velocidad de arrastre El aumento de temperatura en la cámara provocado por la combustión provoca una dilatación que empuja al frente de llama hacia la mezcla sin quemar, adicionando una velocidad a la propia velocidad del frente de llama, la cual se denomina VELOCIDAD DE ARRASTRE. Su valor está dado por:

Evolución de las diferentes velocidades que se desarrollan en la combustión

Desarrollo de la presión y factores que afectan a la combustión Primer fase de combustión transcurre entre el salto de la chispa y el punto en el que la curva de presión en el cilindro empieza a separarse de la evolución que tendría de no existir combustión. -Frente de llama con flujo Laminar Angulo que dura la fase: L1: distancia recorrida Ucl: vel de propagación W: vel angular

Segunda fase de la combustión Frente de llama con flujo turbulento. Esta fase tiene lugar desde el punto en el que la curva de presión se separa de la curva de presión sin combustión hasta que el frente de llama llega a las proximidades de las paredes de la cámara de combustión. Angulo que dura la fase:

Tercera fase de combustión Tiene un carácter laminar, ya que el frente de llama se encuentra con las paredes del cilindro, donde las velocidades de mezcla son mucho menores que lejos de las mismas

Instante de encendido   La variación del instante de encendido modifica la cantidad de mezcla que se quema antes y después del PMS, y por tanto ejerce una influencia notable en el trabajo desarrollado por el ciclo. avance pequeño: la presión en el interior del cilindro sube demasiado tarde, no se saca el máximo provecho de la combustión. avance excesivo: la presión en el cilindro se eleva demasiado pronto, dificultando la subida del pistón al final de la fase de compresión Situación intermedia: combustión centrada

Régimen de giro Al incrementar el régimen de giro, se da un progresivo incremento de la turbulencia inducida por el régimen, lo cual puede hacer aumentar la fracción de ángulo de la combustión que ocurre en condiciones turbulentas. Esto lleva a que el incremento de avance de encendido sea innecesario a partir de un cierto régimen de giro.

Grado de carga Al disminuir la carga se incrementa la proporción de gases residuales en el cilindro. Al bajar la carga se reduce la presión en la admisión, y es necesario despresurizar los gases residuales del interior del cilindro al final del proceso de escape para que pueda entrar la mezcla fresca. El mayor contenido de inertes en la mezcla produce una reducción en la velocidad de propagación del frente haciéndose necesario un incremento del avance de encendido para centrar nuevamente la combustión.

Dosado Para mezclas ricas, la variación del ángulo de combustión no es muy grande. Fuera del rango de 1 , 1.2 , el ángulo de combustión sí que aumenta de manera muy significativa.

Presión exterior La disminución de la presión exterior conduce a una reducción en la cantidad de masa encerrada en el cilindro, con lo que proporcionalmente las pérdidas de calor tienen un mayor peso. Esta disminución de la temperatura conlleva una disminución en la velocidad de combustión, conduce a un ángulo de combustión mayor.

Temperatura exterior Una reducción en la temperatura exterior con- duce a una disminución de la velocidad de combustión que se traduce en un aumento del ángulo de combustión. Humedad La humedad tiene un efecto sobre el proceso de combustión por el hecho de añadir masa inerte a la mezcla.

Combustión de mezclas estratificadas Existen motores en los que el inyector está montado directamente en la cámara de combustión, que permiten operar con carga estratificada. el principal interés que tiene la estratificación de la mezcla es intentar mejorar el rendimiento del motor a baja carga

Dispersión cíclica Diferencias en la evolución de la combustión durante la primera fase. La velocidad de combustión depende fuertemente de la turbulencia y dosado entre los electrodos de la bujía, que varían debido al carácter aleatorio que tiene el movimiento de la mezcla en el interior de la cámara de combustión.

Dispersión cíclica Introduce una irregularidad en el régimen de giro limita la potencia del motor, dado que el par es irregular irregularidad en las emisiones contaminantes producidas por el motor

MEP Combustión anormal Anomalías: Auto inflamación Encendido superficial

Combustión con auto inflamación Ocurre en una porción de la mezcla antes de que llegue el frente de llama Se produce en la zona mas alejada de la bujía

Combustión con auto inflamación Consecuencias de esta anomalía: Incremento repentino de presión y temperatura Generación de una onda de presión que causa: Ruido, característico de un motor diesel, acompañado un gradiente de presiones Rompe la capa limite de temperatura en las vecindades de las paredes de la cámara de combustión.

Combustión con encendido superficial Se inicia un frente de llama en algún punto caliente de la cámara de combustión Los puntos calientes pueden ser el electrodo de la bujía o algún deposito carbonoso en el pistón

Combustión con encendido superficial El inicio del frente de llama puede ocurrir antes o después del salto de la chispa, dado lugar a un pre encendido o un post encendido respectivamente

Combustión con encendido superficial Pre encendido Es el mas peligroso para la vida útil del motor Puede tener origen en la combustión con auto inflamación ya que esta genera puntos calientes A veces los puntos calientes se deben a la combustión normal, son los aditivos de la gasolina y del aceite los que pueden generar estos puntos calientes

Combustión con encendido superficial Post encendido Solo genera un incremento en el gradiente de presiones

Emisiones Contaminantes La contaminación química es el parámetro que mas condiciona el diseño de los motores en la actualidad.

Principales sustancias contaminantes en MEP Nox HC (hidrocarburos sin quemar)

Emisiones en la cámara de combustión

Efecto Pared

Métodos de reducción de emisiones contaminantes Existen dos tipos de estrategias para la reducción de sustancias contaminantes: Soluciones Activas Soluciones Pasivas

Cámaras de combustión en MEP Criterios de diseño. Configuración en MEP tradicionales. Configuración en MEP de inyección directa.

Criterios de diseño Reducir el tiempo de combustión. Reducir la relación superficie/volumen para minimizar las perdidas de calor. Evitar anomalías en la combustión, como lo son la auto inflamación y el encendido superficial. Resistencia al envejecimiento, evitando el aumento de depósitos carbonosos en la CC. Evitar rincones en la CC donde se depositan hidrocarburos que permanecen sin quemar.

Configuraciones de CC en MEP tradicionales Hay tres tipos diferentes de configuraciones de CC: Cámara de cuña Cámara labrada en pistón Cámara hemisférica

A. Cámara de cuña Concentra la mezcla cerca de la bujía. Permite ubicar solo dos válvulas en forma paralela accionadas por un único árbol de levas. Válvulas pequeñas debido al espacio insuficiente.

B. Cámara labrada en el pistón Diseño simple de la culata por ser plana. Configuración apta para dos o cuatro válvulas. Alto nivel de turbulencia de la mezcla al quedar confinada entre la cabeza del pistón y la culata, favoreciendo la combustión y reduciendo el riesgo de auto ignición.

C. Cámara hemisférica Mayor superficie disponible, mayor sección de paso. Cámara compacta (baja relación sup/vol). Recorrido de frente de llama mínimo al estar la bujía centrada. Accionamiento de válvulas complejo debido a su disposición.

Configuraciones de CC en MEP de inyección directa Hay tres tipos diferentes de configuraciones en el guiado del combustible en la inyección directa: Guiado por la pared Guiado por el aire Guiado por el chorro

A. Guiado por la pared La cabeza del pistón es la que se encarga de dirigir el combustible hacia la bujía.

B. Guiado por el aire El patrón de movimiento del aire arrastra el combustible hacia la bujía. Mejora en el consumo y en emisiones de hidrocarburos sin quemar.

C. Guiado por el chorro El chorro se encarga se dirigir el combustible hacia la bujía, mezclándose con el aire. Inyectores de tecnología compleja. Mejoras sustanciales en el consumo y en emisiones de hidrocarburos sin quemar

¡Muchas gracias!