Motores de Combustión Interna

Presentación del tema: "Motores de Combustión Interna"— Transcripción de la presentación:

1 Motores de Combustión Interna
Tema IV: “Procesos Reales de los motores de Pistón.” Conferencia No 6: Proceso de combustión en MEP Profesor: MSC. Nayví Ferrer Frontela

2 SUMARIO Proceso de combustión en los motores de carburación. Coeficiente de exceso de aire. Límite de inflación de mezcla. Combustión en los motores de carburación. Fases fundamentales del proceso. Factores que influyen en el proceso de combustión del motor de carburación. Alteraciones del proceso de combustión en MEP Bibliografía Jovaj, Motores de Automovil José Luis Reyes, Teoría de MCI Literatura orientada por el profesor.

3 OBJETIVOS Conocer como se desarrolla el proceso de combustión en los motores de carburación. Saber el significado de coeficiente de exceso de aire. Conocer la existencia de los límites de inflación de las mezcla. Saber identificar las fases fundamentales del proceso de combustión en MEP. Conocer los factores que influyen en el proceso de combustión de los MEP. Identificar las alteraciones del proceso de combustión en MEP. Conocer los factores que influyen en la Detonación.

4 Proceso de Combustión. Proceso físico químico complejo.
Su surgimiento, desarrollo y final se determina por la particularidades y la velocidad de las reacciones químicas, por las condiciones de transferencia de calor y masa en la zona de la llama, así como la entrega de calor al medio ambiente. La velocidad de los procesos de oxidación y combustión se pueden estimar según la velocidad de consumo de la sustancias iniciales (combustible u oxígeno) o por la razón de calor liberado. Se desarrolla en fase gaseosa, por la cual el combustible líquido debe evaporarse y sus vapores mezclarse con el aire. Dicho proceso es diferente en el motor de carburación que en el Diesel. 4

5 Cómo ocurre el proceso de combustión en los MCI?
Se suelta una chispa. Aparición de un frente de llama, (para esta se necesita un tiempo). El frente de llama avanza por la cámara de combustión quemando la mezcla aire combustible y cuando llega a las paredes de la cámara, continua quemando la mezcla dentro del frente. Dando lugar a tres fases las cuales unidas componen el proceso de combustión en carburación 5

6 Coeficiente de Exceso de Aire
donde : lr: son los Kg de aire real que entran en el cilindro lo: es la cantidad teórica necesaria de aire para la combustión completa de 1 Kg de combustible. 6

7 Si α =1 estamos frente a una mezcla estequeométrica.
Si α es mayor que 1 la mezcla se considera pobre. Si α es menor que 1 la mezcla se considera rica. Ga: Kg/h de aire que entra en el cilindro. Gc: Kg comb/h que entra en el cilindro. donde : lr: son los Kg de aire real que entran en el cilindro lo: es la cantidad teórica necesaria de aire para la combustión completa de 1 Kg de combustible. 7

8 MEP, MEC La máxima economía se logra 1.1<α< 1.3 y
La máxima potencia 0.8<α< 0.85, Para marcha en ralentí se necesita un mayor enriquecimiento de la mezcla. MEC Varía en función de la carga desde 5 a pequeñas cargas hasta 1.4 – 1.25 a plena carga. Con cualquier valor del coeficiente de exceso de aire no se logra que la mezcla se inflame. 8

9 Límite de Inflamación COMBUSTIBLE Límite superior Límite Inferior
Gasolina 0.3 1.3 Alcohol Etílico 0.4 1.7 CO 0.17 2.3 Metano 0.78 2.5 9

10 Si el proceso de combustión toma un curso normal en los motores de inflamación por chispa, una cantidad de mezcla homogénea suficiente de aire combustible vaporizado y gases residuales es inflamada por una chispa eléctrica y se quema cuando el frente de llama turbulenta se propaga por toda la carga. El pequeño foco de combustión que surge en la zona de muy altas temperaturas entre los electrodos de la bujía (en el momento de la descarga, la temperatura alcanza 10000oC), gradualmente se transforma en un frente desarrollado de llama turbulenta. La llama turbulenta rápidamente se propaga por toda la porción de la cámara de combustión cuyo espacio permanece prácticamente constante, ya que en este momento el pistón se encuentra en el PMS. La combustión por detrás del frente de llama dura hasta que alcanza la total combustión en capas cercanas a las paredes del cilindro y en el juego entre la culata y el fondo del pistón influyendo parte de la carrera de expansión. 10

11 Fases Fundamentales del Proceso de Combustión en MEP

12 Primera Fase Fase inicial de combustión o fase de la formación del frente de llama Comienza en el momento de la aparición de la chispa eléctrica en la bujía y termina cuando la variación de la presión el cilindro, como resultado del termodesprendinmiento, se hace más alta que durante la compresión de la mezcla sin combustión. En los motores de encendido por chispa no existe prácticamente el periodo de retraso a la inflamación ya que su foco de combustión surge instantáneamente cerca de la bujía. Pero hay un periodo durante el cual el frente de llamas se propaga desde el foco lentamente y la fracción de la mezcla quemada es tan pequeña que no observa en el diagrama indicado elevación de presión producida 12

13 Primera Fase Fase principal de la combustión,
Su duración se calcula desde el final de la primera fase hasta el momento de alcanzar la presión máxima en el ciclo. La velocidad de liberación de calor durante la fase principal de la combustión determina el grado de aumento de la presión por ángulo de giro del cigüeñal y la búsqueda de la aplicación de los esfuerzos en las piezas del mecanismo biela manivela, es decir, la rigidez de la operación del motor. Estas fuerzas dependen también de la suavidad del pase de la línea de compresión a la de combustión. 13

14 Con iguales valores de y un pase mas suave del motor opera con menos ruido. Valores máximos de:
14

15 Primera Fase Fase de poscombustión
Comienza en el punto de máxima presión en el ciclo. En esta fase, la mezcla se quema en las capas cercanas a las paredes donde las escalas de las pulsaciones turbulentas son notablemente menores que en el volumen principal de la cámara de combustión Volúmenes independientes elementales de la mezcla postcomustionan fuera del frente de llama, sobre todo cuando la zona de la combustión turbulenta tiene gran profundidad. El final de esta fase, no puede determinarse claramente debido a la dificultad en la determinación del momento en que todo el combustible se ha quemado. Cuando el motor trabaja a bajas cargas con la mariposa parcialmente cerrada o con mezclas pobres el desprendimiento activo de calor en la segunda fase es bajo por lo que la III fase aumenta en duración. 15

16 Factores que influyen en el proceso de Combustión en los MEP
Composición de la mezcla El menor valor de corresponde a la composición de la mezcla en la cual la mayor magnitud la tiene la velocidad normal de combustión (0.8<α< 0.85). Par un considerable empobrecimiento de la mezcla no solo aumenta notablemente , sino también empeora bruscamente la estabilidad de la inflamación en algunos ciclos 16

17 Relación de Compresión
Con el crecimiento de la relación de compresión aumenta la temperatura y la presión de la mezcla de trabajo en el momento de inducción de la chispa y disminuye la concentración de los gases residuales lo que posibilita el aumento de la velocidad normal de combustión . Esto crea condiciones más favorables para la inflamación de la mezcla y la reducción correspondiente de la duración de la fase Crece la fracción de la mezcla que poscombustiona en las capas cercanas a la pared y en el espacio entre la culata y el fondo del pistón (expulsores) lo cual contribuye considerablemente con el crecimiento de 17

18 Ángulo de avance al encendido
Por las mismas causas en la relación de compresión, la reducción del ángulo de avance del encendido conduce a una cierta reducción de Si la magnitud de la segunda fase camia poco es necesario el aumento del ángulo de avance al encendido para compensar la duración creciente de y 18

19 Número de Revoluciones (EI).
Con el aumento del número de revoluciones del motor, disminuye el tiempo para el desarrollo del proceso de combustión y a la vez aumenta la intensidad de la turbulencia de la carga de trabajo. Con la variación en ángulo de giros del cigüeñal prácticamente no varia debido a que la intensidad de la turbulencia en la carga en el cilindro es proporcional al número de revoluciones, por eso con el crecimiento de n la duración de la segunda fase se reduce en correspondencia con la duración de todo el ciclo. La velocidad de propagación del frente de llamas La experiencia demuestra que en el cual el valor m = ( ). Mientras más fuertemente crezcan las pulsaciones de pequeña escala durante el crecimiento de las revoluciones mayores serán las magnitudes del índice m, o sea aumenta y también . 19

20 20

21 Carga del Motor. A medida que se cierra la mariposa crece la cantidad relativa de los gases residuales y se reduce la presión de la mezcla. Todo esto conduce a un aumento de y también el empeoramiento de la estabilidad de la inflamación. Solo para estrangulaciones muy fuertes se observa un crecimiento de 21

22 Característica de la Carga de la Chispa.
Mientras más alta es la tensión, duración y estabilidad de la carga, menor será y por eso los sistemas electrónicos (transitorizados) de inflamación mejoran en comparación con los sistemas clásicos de baterías, la inflamación y la combustión, sobre todo el arranque. Por otro lado habrá una mejor combustión ( ) y será menor 22

23 Ubicación de la Bujía . Esto no afecta en lo absoluto a , sin embargo mientras más cercana al centro se encuentre de la cámara de combustión, posibilita el aumento de la turbulencia de la carga y la reducción de la duración de las fases y . 23

24 Composición de la mezcla Mezcla Rica, reduce la face
Relación de Compresión aumenta la temperatura y la presión de la mezcla de trabajo Disminuye la concentración de los gases residuales Aumento de la velocidad normal de combustión . Reduce la fase la fase Crece la fracción de la mezcla que poscombustiona en las capas cercanas a la pared y en el espacio entre la culata y el fondo del pistón Contribuye considerablemente con el crecimiento de la fase AAE Por las mismas causas en la relación de compresión, la reducción del ángulo de avance del encendido conduce a una cierta reducción de esta fase Si la magnitud de la segunda fase cambia poco es necesario el aumento del ángulo de avance al encendido para compensar la duración creciente de I y II 24

25 Característica de la carga de la chispa
Carga del Motor Más carga, mariposa crece la cantidad relativa de los gases residuales y se reduce la presión de la mezcla. Todo esto conduce a un aumento de esta fase Solo para de esta fase. Aumenta la fase Característica de la carga de la chispa Mientras más alta es la tensión, duración y estabilidad de la carga, menor será esta fase Mejor combustión Menor será la fase Ubicación de la Bujía mientras más cercana al centro se encuentre de la cámara de combustión, posibilita el aumento de la turbulencia de la carga y la reducción de la duración de las fases Reduce la fase 25

26 Conclusiones Preliminares
La realización del proceso de combustión en los MEC y en los MEP, es diferente. El coeficiente de exceso de aire evalúa la calidad de la mezcla y es variable. El proceso de combustión en los motores de carburación, está compuesto por tres fases. Diferentes factores influyen en el proceso. 26

27 Motores de Combustión Interna
Tema IV: “Procesos Reales de los motores de Pistón.” Conferencia No 6: Alteraciones del Proceso de combustión en MEP Profesor: MSC. Nayví Ferrer Frontela 27

28 SUMARIO Alteraciones fundamentales del proceso de combustión de los motores de carburación. Inflamación prematura y subsecuente Detonación. Factores que influyen en la misma. Bibliografía Jovaj, Motores de Automovil José Luis Reyes, Teoría de MCI Literatura orientada por el profesor. 28

29 Autoencendido prematuro
En determinadas condiciones, ciertos puntos calientes en la cámara como calentamiento de los electrodos de la bujías, las cabezas de la válvulas de escape y también de partículas incandescentes (carbonilla), puede surgir la inflamación de la mezcla durante el proceso de compresión incluso antes de la aparición de la chispa. Si el encendido prematuro surge anticipadamente crece bruscamente la temperatura y la presión, lo que conduce a un aumento de la temperatura del motor y a su sobrecalentamiento. Autoencendido prematuro PMS P Vc Vh V 29

30 Autoencendido Retrasado
En los motores forzados con carburador que tienen altas relaciones de compresión y que consumen combustibles de alto NO después de comenzada la combustión en algunas zonas de la cámara aparecen focos de autoencendidos debido a partículas de carbonillas incandescentes, como resultado de esto en la cámara de combustión se propagan frentes de llamas adicionales que aumentan en la fase principal y la presión máxima del ciclo. 30

31 Combustión Detonante Al avanzar el frente de llama la mezcla sin quemarse se comprime La zona donde el frente de llama llega en el último supera la temperatura de autoinflamación y se produzca la autoinflamación de la misma. La autoinflamación de la mezcla sin quemar produce gradientes de presión suficientemente intenso acompañado de ruido fácilmente audible. Se realiza prácticamente a volumen constante y no existe frente de llama, La combustión aquí tiene una velocidad muy superior al de la combustión normal, El fuerte desequilibrio de presiones que normalmente produce la detonación, se propaga por la cámara de combustión por ondas de choque En general se puede afirmar que la combustión detonante es un factor limitador de la potencia y el rendimiento en las MCI de carburación. 31

32 Factores que Influyen en la Detonación
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33 Aumento de las RPM Aumenta la velocidad del frente de llama. El tiempo de preparación química de la mezcla disminuye, aumenta la resistencia en el conducto de admisión, el coeficiente de gases residuales crece. La acción conjunta de todos estos factores determina que a medida que aumenta las revoluciones disminuye la propensión a la detonación. El aumento de las RPM también provoca el aumento de la temperatura interna. 33

34 Carga del Motor El estrangulamiento está vinculado con la reducción de la presión y temperatura de la carga y con el crecimiento como resultado al disminuir la carga se reduce la tendencia a la detonación. 34

35 Presión Exterior Al aumentar la presión ambiental, se incrementa la presión al final de la compresión y la tendencia a la detonación 35

36 Temperatura Exterior Cuando aumenta la temperatura exterior crece la temperatura final de la compresión y por tanto la fracción de mezcla sin quemar. El aumento de la temperatura conduce a una fuerte reducción del período de retraso el resultado final es un aumento a la tendencia a la detonación. 36

37 Humedad del Aire La humedad del aire aumenta el tiempo de retraso por la menor reactividad de la mezcla, así como el tiempo de combustión por ser menor la velocidad de la llama; la influencia del primer factor predomina reduciéndose consecuentemente la tendencia a la detonación con el aumento de la humedad del aire. 37

38 Ángulo de Adelanto al Encendido
Cuando se reduce el AAE en este caso disminuye la presión máxima y del ciclo de lo que posibilita una menor compresión de la mezcla ante el frente de llama y se reduce la tendencia a la detonación. 38

39 Temperatura del Refrigerante
Al aumentar la temperatura del refrigerante aumenta la tendencia a la detonación. La razones son las mismas que las expuestas en apartado referido a la temperatura exterior. conduce a una fuerte reducción del período de retraso el resultado final es un aumento a la tendencia a la detonación. 39

40 Turbulencia El aumento de la turbulencia es un factor que reduce el tiempo de combustión mas que el retraso y hace disminuir la tendencia a la detonación. En general en el diseño del motor se buscara el aumento de la turbulencia modificando: Geometría adecuada del conducto de admisión (helicoidal) Colocando defectores en la válvula de admisión. Ubicando parte de la cámara en la cabeza del pistón. Empleo de cámaras que por su diseño generan turbulencia como consecuencia del movimiento del pistón. 40

41 Relación de Compresión
La elevación de la temperatura y la presión por el aumento de la relación de compresión incrementa la tendencia a la detonación. En la actualidad un aumento de la relación de compresión implica un aumento del NOx 41

42 Fracción Final de la mezcla sin quemar
Todo lo que conduzca a la reducción de la temperatura de la reacción final de la mezcla sin quemar, aumenta el tiempo de retraso y disminuye la tendencia a la detonación. Los sistemas que logran que la temperatura de la reacción final sea menor son: Cámara de combustión: Empleo de geometría que lleven a que el volumen de la fracción final de la mezcla sin quemar tenga una reacción (superficie/volumen) elevadas. Materiales: Utilización de materiales que favorezcan la transmisión de calor por ejemplo aleaciones de aluminio. Refrigeración: Intensificación de la refrigeración de la zona que ubica la fracción final de la mezcla sin quemar. Tamaño del cilindro: Con el aumento del tamaño del cilindro lleva al aumento de la temperatura media del gas y se reduce el tiempo de retraso. Por otro lado aumenta el recorrido de la llama y aumenta la tendencia a la detonación S/D<1 no es conveniente. 42

43 Cámara de Combustión en MEP
Características de la cámara de combustión: Alta turbulencia. Pequeña relación entre el recorrido de la llama y el diámetro del pistón (compacta). Ausencias de puntos calientes que puedan provocar detonación y autoencendido prematuro. Geometría que faciliten importantes secciones de paso en la válvula. Formas que favorezcan buena disposición de las válvulas y de la bujía. 43

44 Estudio Individual Tipos de Cámaras más usadas. Ventajas y desventajas de cada una. 44

45 Tipos de Cámaras Cámaras Ventajas Desventajas Forma de cuña
Se puede concentrar la mayor cantidad de mezcla cerca de la bujía. La fracción final de mezcla sin quemar transmite calor debido a la elevada relación (superficie/Volumen). Facilita el funcionamiento de las válvulas con un solo árbol de leva El tamaño de la válvula puede ser muy grande por no disponer de espacio suficiente. Hemisférica La sección de paso de la válvula puede ser grande. Compacta, poco recorrido de la llama. El accionamiento de la válvula es más complejo Cámara de combustión labrada en el pistón. Elevada turbulencia. Simplifica la culata. Cámara compacta. 45

46 Muchas gracias MSc. Nayví Ferrer Frontela