09 Combustion interna

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Motores - ferguson

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  • Captulo 9

    Combustin y emisiones9.1 INTRODUCCIN

    En este captulo examinaremos los procesos de la combustin y de las emisiones en motores deencendido por chispa y compresin. Los procesos de la combustin que ocurren en cada uno de estostipos de motores son muy diferentes. Un motor de encendido por chispa tiene una mezcla turbulenta decombustible y aire, que enciende una vez por una chispa, sostiene un proceso de reaccin que propagauna llama en forma de una hoja arrugada fina a travs del cilindro. El lanzamiento del calor comienzarelativamente lentamente, y aumenta a su valor ms alto cerca del final del proceso. Por otra parte, unmotor del encendido por compresin tiene corrientes separadas de combustible y de aire quecombustionan mientras que se mezclan. La reaccin qumica, que produce una llama de difusin, ocurreen la interfase del combustible y el aire. El lanzamiento del calor comienza en un valor relativamente alto,y luego disminuye mientras se agota el oxgeno disponible.

    Las emisiones del producto de la combustin de los motores de combustin interna del xido delnitrgeno (NOX), del monxido de carbono (CO), de los hidrocarburos (HC), de las partculas (P.M.), yde los aldehdos son una fuente significativa de la contaminacin atmosfrica. El motor de combustininterna es la fuente de la mitad de los agentes contaminadores de NOX, del CO, y de HC en nuestro aire.Estos agentes contaminadores tienen variaciones adversas a la salud y efectos ambientales. Por ejemplo,NOX, reacciona con el vapor de agua formando el cido ntrico, y reacciona con la radiacin solarformndose ozono al nivel del suelo, que causa problemas al sistema respiratorio. El monxido decarbono tiene una afinidad para la hemoglobina cerca de 200 veces la del oxgeno, as que ella puedeinterferir con la distribucin del oxgeno a travs del sistema circulatorio de una persona. Finalmente, loshidrocarburos pueden causar mutaciones celulares y tambin contribuir a la formacin del ozono del niveldel suelo.

    La qumica de la combustin en motores de combustin interna es muy compleja, y depende deltipo de combustible usado en el proceso de combustin. Los modelos para los caminos de reaccin parala oxidacin de un combustible de hidrocarburo tal como parafina, CnH2n+2, un componente importante dela gasolina, pueden incluir por lo menos 200 diversas reacciones. Las reacciones del hidrocarburo seagrupan generalmente en tres pasos distintos. Por ejemplo, el primer paso en la interrupcin de unaparafina es por va de las reacciones con los tomos de O y de H para formar las olefinas (CnH2n) y elhidrgeno. El segundo paso es la oxidacin de las olefinas para formar el CO y el hidrgeno. El tercer yltimo paso es la oxidacin del CO para formar el CO2. La mayora de la expulsin de la energa ocurredurante el ltimo paso, un paso independiente del peso molecular. Por lo tanto, el hidrocarburo parafinade diverso peso molecular tiene muy similar calor de combustin. La informacin detallada sobre laqumica cintica del hidrocarburo se da en Westbrook y Dryer (1984); y los libros de Borman y Ragland(1998), y de Turns (1996) cubren qumica y cintica de la combustin en motores de combustin internade una perspectiva de la ingeniera.

    9.2 COMBUSTION DE LOS MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA

    Visualizacin Del Flujo

    En los ltimos aos 30, Rassweiler y Wlthrow (1938) realizaron un experimento clsico de lavisualizacin del flujo. Modificaron un cilindro L-head de un motor de encendido por chispa de modo queuna ventana del cuarzo se pudiera instalar permitiendo una vista sin obstculo del espacio entero de lacombustin.

    Usando fotografa de alta velocidad de movimiento, podan registrar el proceso de lacombustin. La Figura 9-1 muestra una secuencia tpica obtenida ilustrando la propagacin de la flama enuna carga homognea en un motor de encendido por chispa. Para el proceso de la combustin mostradoen la Figura 9-1, el encendido ocurre a los S = -25. Ntese que no hay llama visible hasta los S = -16la cual est 9 ms adelante. Ese perodo de 9 es llamado el encendido retrasado. Una vez que estaformada, la llama se separa como una onda esfrica en el gas que no reaccion en la combustin con una

  • superficie desigual debido a turbulencia. El final de la combustin a los S = +21 se determina de lamedida simultnea de la presin del cilindro. Ntese que los gases quemados siguen siendo luminososincluso despus de que la combustin esta completa.

  • La fotografa del registrador de sombras es un mtodo de visualizacin del flujo que muestra loscontrastes debido a las diferencias en la densidad del flujo. No registra la luz emitida por la llama; registraalgo la luz transmitida y refractada por los gases. La Figura 9-2 muestra las secuencias del registrador desombras para la pobre combustin. Una vez ms una onda desigual se propaga en la mezcla nocombustionada. La ignicin retrasa (en grados el ngulo inestable), est en la orden de 10 para la caja

  • rica y de 20 para el caso seco. En 20 y 25 despus de la ignicin en el caso rico, la anchura del frentede llama es claramente perceptible, una fotografa ofrece una ventajosa vista de la sombra de lafotografa. La anchura es ms difcil de discernir en el caso seco porque es dos o tres veces ms densa.As, una regin completamente quemada no aparece hasta aproximadamente 40 despus de la ignicin.En este tiempo, la regin ms blanca es gas quemado, la regin griscea delante de la llama es gas noquemado, y la regin oscura y blanca altamente enrollada es una mezcla de gas quemado, gas porquemarse, y gas lento.

    Modelo de la Combustin

    Hay un nmero de modelos del proceso homogneo de la combustin de la carga en motores de ignicinde chispa. Los modelos se extienden en dos modelos simples; los de la zona que dividen la cmara decombustin en quemado y de las zonas no combustionadas separadas por un frente de llama turbulento; ylos modelos de la ecuacin diferencial que se solucionan numricamente. Los parmetros de lacombustin incorporaron en estos modelos la velocidad y el grueso laminar de la llama, la velocidadturbulenta de la llama, y la intensidad de la turbulencia.

    La velocidad laminar sl de la llama es una caracterstica bien definida de una mezcla aire combustible.Representa la velocidad a la cual las propagaciones laminares unidimensionales de una llama en estado nocombustionado del gas bajo condiciones adiabticas. Segn lo demostrado en el cuadro 9-3, laconcentracin de reactivo disminuye a travs del frente de llama, y la temperatura de la mezcla aumenta atravs del frente de llama. Hay una zona de precalentado antes de la llama en la cual la temperatura de losreactivos es elevada a la temperatura de la ignicin por traspaso trmico de la conduccin del frente dellama en la regin no combustionada, y una zona de reaccin que contiene el frente de llama de lacombustin. Mientras que la temperatura se levanta en la zona de la reaccin, las reacciones qumicas,que dependen exponencialmente de temperatura, aumentan hasta que se consumen los reactivos y laconcentracin va disminuyendo hasta cero, formando la zona de baja corriente del frente de llama.

    La velocidad laminar de la llama depende de la presin, de la temperatura, y de la composicin del gas nocombustionado. Algunas de estas dependencias se ilustran en los cuadros 9-4 y 9-5 en los cuales los datosde Metghalchi y de Keck (1982) se comparan a las predicciones de Westbrook y de Dryer (1980). Lavelocidad laminar de la llama, o la velocidad de quemado, muestra que un mximo para las mezclaslevemente ricas, es una funcin fuerte de la temperatura de no combustin del gas, y es una funcin dbilde la presin. Tambin disminuye linealmente con la fraccin residual y la recirculacin del gas de escape(vase el problema 9-1 de la preparacin). La dependencia de la velocidad laminar de la llama de latemperatura es debido a la relacin exponencial entre la cintica de la reaccin y la temperatura.

  • Hay tres regmenes para las llamas turbulentas. Los regmenes son llama laminar arrugada, sin flama enremolinos, y reaccin distribuida. Las caractersticas de los regmenes son trazados en la tabla 9-1. Losmotores de combustin interna funcionan en la llama y las flamas laminares arrugadas en regmenes delos remolinos, dependiendo de la velocidad del motor (Abraham et el al., 1985).

    En el rgimen laminar arrugado de la llama, el del grosor de la llama t es ms fino que el grosorturbulento del remolino , y la intensidad de turbulencia ut, esta tambin en funcin de la velocidadlaminar sl de la llama. El efecto de la turbulencia en el cilindro por lo tanto es arrugar y torcer el frente dellama laminar. En el campo del flujo, los sitios turbulentos de la ignicin de la extensin de los vrticesva un borde desigual desean emerger del encendido de la chispa. Para las condiciones turbulentas delflujo del ejemplo 7-3, la escala de las arrugas es cerca de 1 milmetro, y la llama es menor que 0.01milmetro densamente. El la velocidad de turbulencia de llama ut puede ser de 3 a 30 veces la velocidadlaminar de la llama, dependiendo de la intensidad de la turbulencia. La relacin entre m velocidadturbulenta de la llama y la velocidad laminar de la llama se modela como:

    st / sl = a( ut / sl )b

    La posicin del frente de llama se mueve irregularmente, haciendo que en el tiempo el perfil medio dellama se vuelva relativamente grueso, formando un "cepillo turbulento de la llama."

  • Una manera conveniente de conceptuar la propagacin de la llama en el rgimen laminar arrugado est entrminos de los rodillos de tinta. El modelo del rodillo de tinta se demuestra en el cuadro 9-6. Imagine unmanojo de rodillos cilndricos segn lo representado para representar remolinos de un dimetro similar enel campo turbulento del flujo. Ahora considere la ignicin siendo anlogo continuamente y depositandouna corriente de tinta en la periferia de un rodillo. Los rodillos estn rotando, y consecuentemente, lasextensiones de la tinta. Una onda desigual del borde emerge del sitio inicial de la deposicin. Lavelocidad de la propagacin es proporcional a la velocidad en el borde de los vrtices. El frente adquirirun grueso determinado por la velocidad de los rodillos, su tamao, y la tarifa en el cual entinta filtra enlos rodillos. En el campo del flujo el grueso de la llama depender del vrtice, de los tamaos delremolino, y de la tarifa de la llama que se separa laminar. Observe que los remolinos en el campo delflujo son ms probables de asemejarse a un acoplamiento del espagueti que los rodillos perfectamentealineados de la tinta.

    Puesto que la intensidad de la turbulencia es proporcional a la velocidad del motor, a velocidades delmotor ms altas la transicin turbulenta puede estar en la regin del rgimen de los remolinos. En lasflamas en rgimen de los remolinos, el grosor de la llama es mayor que el grosor pequeo del remolino ,pero menor que el grosor integral l, y las turbulencias que se intensifican son mucho mayores que lavelocidad laminar de la llama. El aumento de la arruga puede dar lugar a la creacin de bolsillos de lamezcla no combustionada del gas. En este rgimen, la tarifa ardiente es controlada por la tarifa que semezcla turbulentamente, es decir, la escala integral de la longitud, no la tarifa de la reaccin qumica.

    La combustin tambin depende de la geometra de la cmara de combustin. Para ilustrar el efecto de lageometra de la cmara de combustin, considere dos casos de limitacin de combustin: (1) en unaesfera centralmente encendida y (2) en un tubo encendi en un extremo. Asuma eso, la esfera y el dadotienen el mismo volumen. En cada caso la llama propagar como frente esfrico desigual del radio rf, delenchufe de chispa. En la esfera el rea del frente crece como rf2. As, la tarifa del arrastre consigue msrpidamente mientras que la llama crece. Por otra parte, en el dado, el frente de llama crecer inicialmentecomo rf2, pero pronto golpear las paredes y obligarn que sea ms o menos constante el encendido. As,la combustin en una esfera se puede esperar para quemarse ms rpidamente; es decir, tomar menostiempo para quemarse la carga. La presin mxima del cilindro ocurre alrededor del tiempo que la llamaalcanza la pared del cilindro. ste es tambin el punto del rea superficial de la llama ms grande, con elflujo mximo de gases incombustos en la llama.

  • Hay variaciones del ciclo-a-ciclo en la propagacin de la llama causada por las caractersticas al azar delcampo del flujo. El cuadro 9-7 demuestra las llamas a partir de cuatro diversos ciclos en un motor bajocondiciones de funcionamiento idnticas. No es difcil imaginarse que el cuadro izquierdo coincidi conla chispa que encenda una regin del alto esquileo cerca del permetro de una cima, de modo que elsepararse la turbulencia comenzara inmediatamente. En el cuadro de la derecha la chispa encendi elcentro de una cima de modo que el separarse laminar pudiera separarse turbulentamente.

    9.3 COMBUSTIN ANORMAL (GOLPES) EN MOTORES DE IGNICIN CON CHISPALos golpes son el trmino usado para describir un ruido que silba como una bala emitida de cargahomognea, en los motores de ignicin por chispa. Es causado por el autoignicin del gas incombusto,creando las ondas de la presin que viajan a travs de los gases de combustin. La compresin del gas delextremo por la extensin de la parte quemada de la carga levanta su temperatura al punto de laautoignicin. Si o no un motor golpear depende del diseo del motor, los parmetros de funcionamientodel motor (tales como operacin en la vlvula reguladora de par en par abierta), y el cociente de lacompresin del combustible y as la eficacia del motor.

    Fotografas de alta velocidad de Schlieren (vase el cuadro 9-8) revelan que debajo de las condicionesque golpean, la extensin de la llama ocurre mucho ms rpidamente que lo normal. Esto es porque el gasincombusto implicado est en una temperatura elevada, as que la velocidad laminar de la llama aumentasubstancialmente. Ms importante, sin embargo, es que en varios sitios de la autoignicin aparecen casisimultneamente. Las fluctuaciones rpidas acompaantes en la presin pueden ser un problema seriocomo pueden interrumpir las capas de lmite termales del cilindro que causan a un pistn ms alto lastemperaturas superficiales, dando por resultado la erosin y la falta superficiales. Los perfiles de lapresin del cilindro para la combustin normal y que golpea se demuestran en el cuadro 9-9. Observe (5 -10 kHz) las fluctuaciones de alta frecuencia de la presin resultado de la autoignicin.

    Usando un motor de investigacin de un solo cilindro, el gas incombusto del extremo en un alto remolino,motor homogneo de la carga ha sido aislado en el centro de la cmara de combustin con la ignicinsimultnea en cuatro enchufes de chispa igualmente espaciados montados en la pared del cilindro. Elcuadro 9-8 nos muestra demostraciones del cambio dramtico en el patrn de Schlieren momentos antes yenseguida despus de la ignicin. Llev cerca de 2 ms para las llamas a la extensin de los enchufes dechispa a las posiciones demostradas en la fotografa momentos antes de golpes; mientras que llev asolamente 0.1 ms a la propagacin a travs del gas del extremo una vez que la autoignicin ocurri. Ni lasondas del choque ni de detonacin fueron observadas.

    En estos experimentos, las medidas de la temperatura se han hecho del gas del extremo usando unatcnica lser. Para la espectroscopia coherente de 1100 de Raman de los antistokes de las temperaturasmenos K. (COCHES) se utiliza, y en las temperaturas ms altas Raman espontneo que se utiliza ladispersin. Los principios subyacentes estas tcnicas se discuten largamente en Greenhaugh (1988) yEckbreth (1988). Los resultados, demostrados en el cuadro 9-10, demuestran que la temperatura tienegusto de la presin, experimentan un cambio precipitado en el ndice del cambio en el punto de losgolpes. Tambin demuestran que la temperatura contina levantndose incluso despus del 0.1 msrequerido para los sitios homogneos de la ignicin y la propagacin de la llama haber consumido el gas

  • del extremo. La oxidacin no es claramente completa en despus de los golpes, esto se ve en la fotografadel cuadro 9-8.

    Proporcionar una medida estndar de las caractersticas de los golpes de un combustible, una escala hasido ideada en qu combustibles se asignan un nmero de octano. Segn lo discutido en el captulo 10, elnmero del octanaje referido en la gasolina bombea como (R + M)/2 es el promedio de la investigacin(r) y de los nmeros de octano del mtodo del motor (m). Tambin se llama el ndice antidetonante(AKI). Un motor estandardizado funcion bajo condiciones de funcionamiento especificadas se utilizamedir el nmero de octano de un combustible. El motor empleado es un motor cooperativo de lainvestigacin del combustible (CFR) que ofrece un cociente variable de la compresin. Para medirgolpes, una sociedad americana para los materiales de prueba (ASTM) golpea el metro que responde alndice de la subida de la presin se utiliza. Dos sistemas de condiciones de funcionamiento se emplean: elmotor y el mtodo de la investigacin, como se describe en la tabla 9-2.

  • El procedimiento para medir el nmero de octano de un combustible de la prueba es como sigue: Funcione el motor de CFR en el combustible de la prueba en las condiciones de funcionamiento

    del motor o de la investigacin. Aumente lentamente el cociente de la compresin hasta que ocurre la cantidad estndar de

    golpes. En ese cociente de la compresin, funcione el motor en las mezclas del isooctano de los

    combustibles de la referencia y del n-heptano. El nmero de octano es el porcentaje del isooctano en la mezcla que produce la estandarizacin

    de golpes en ese cociente de la compresin.

    Una medida del requisito del octano de un motor es su presin eficaz indicada y limitada por los golpes(klimep). Cuanto mayor es el klimep, ms pequeo es el requisito del octano. El imep limitado los golpeses medido aumentando la presin pi (que de la entrada aumentar la densidad y la temperatura de la cargadel cilindro) hasta que ocurren los golpes; el imep en esa condicin es el klimep. El cuadro 9-11demuestra los resultados experimentales que demuestran disminuciones del klimep con el aumento detemperatura del lquido refrigerador. Los resultados similares se obtienen con el aumento de latemperatura del aire de la entrada. Ambos resultados deben esperar puesto que las tarifas de la reaccinqumica son aceleradas fuertemente por aumentos en temperatura.

    El cuadro 9-11 tambin ilustra dos problemas con la escala del nmero de octano:1. En las temperaturas bajas del lquido refrigerador el di-isobutileno se realiza mejor que el isooctano (laimplicacin del nmero de octano es mayor de 100).2. La graduacin relativa del isooctano y del di-isobutileno depende de temperaturas del lquidorefrigerador; mientras que si la escala del octano fuera desemparejada de diseo del motor, haciendo elnmero asignado una caracterstica del combustible, el combustible con el mayor nmero de octanorendira siempre el klimep ms grande.

    El problema anterior es ocupado por la extrapolacin. Un nmero del funcionamiento definido como elcociente del klimep para el combustible en la pregunta al klimep del isooctano se utiliza para estepropsito. El ltimo problema es ocupado por usar dos condiciones de funcionamiento estndares(investigacin y motor) y divulgacin de un nmero medio. Estos defectos se deben tener presente; sonfcil de olvidarse debido a la gran utilidad de la escala del nmero de octano.Los resultados tpicos obtenidos para variar el cociente aire combustible se demuestran en el cuadro 9-12.Note que las mezclas cercanas tienen defectos en el klimep ms bajo (por lo tanto el requisito ms alto deloctano). Note tambin que el klimep mximo es logrado con ( ~ 1.6) mezclas muy ricas. Por lo tanto,para obtener energa mxima de un motor, uno debe funcionar muy rico, cerca de = 1.6, con uncociente de la compresin y una presin de la entrada tales que el imep es igual al klimep.

    Los golpes ocurren si hay bastante tiempo para los suficientes precursores para formar la autoignicin.As, a las altas velocidades del motor uno no pudo esperar que los golpes sean un problema puesto quehay menos tiempo disponible para formar a los precursores. Por otra parte, como hay aumentos de lavelocidad del motor, hay menos prdida de calor de los gases de modo que las temperaturas del gas seanms altas. Esto acelera la tarifa de la formacin del precursor para requerir menos hora de formar unaconcentracin bastante arriba para que ocurra el autoignicin. Como resultado de stos y de otros efectoscompetentes, algunos motores demuestran un klimep que aumenta con velocidad, y otros demuestran unadisminucin.

    Una forma para modelar golpes del motor es suponer que existe una fraccin de la masa crtica de losprecursores que si estn logrados donde quiera dentro de la carga causarn la autoignicin. Deje el xpdenotar la fraccin total de precursores y xc denota el valor crtico. Los golpes entonces ocurrirn antes delfinal de la combustin normal si el ndice integrado de la formacin iguala la fraccin de la masa crtica:

  • El lmite ms bajo de la integracin se elige para coincidir con el cierre de la vlvula del producto, as nohaciendo caso de la formacin del precursor en el mltiple de producto. El agradable no-dimensional dela formacin de precursores es representado por una ecuacin de la forma siguiente

    donde las constantes empricas A, B, y n se determinan de un sistema de resultados experimentales. Comoconstantes en leyes ardientes algebraicos, estas constantes variarn del motor al motor y al combustible alcombustible.

    Es instructivo considerar la dependencia de la tarifa de la formacin del precursor de la temperatura. Parael isooctano en el = 1.0, P = 10 bar, los resultados demostrados en la tabla 9-3 son obtenidos con lasconstantes A, B, y n de Douaud y de Eyzat (1978). Note que la tarifa de la reaccin es una funcinextremadamente fuerte de la temperatura. De hecho, en las temperaturas caractersticas del mltiple deproducto, el ndice de la formacin de precursores es insignificante. Puesto que la combustin ocurre enun cierto plazo de la orden 10-2s, no hasta que las tarifas se acercan 100s-1 o el ~ 900 K de T golpearocurre con el isooctano.

  • Para incorporar la ecuacin 9.2 en un modelo arbitrario del lanzamiento del calor de la combustin unadefine el grado de la reaccin como el cociente de la fraccin de la masa del precursor a la fraccin dela masa crtica.:

    = xp / xc (9.4)y

    La ecuacin 9.5 se integra simultneamente con las ecuaciones de la energa y de la continuidaddiscutidas en el captulo 4. Si en cualquier momento antes del final de la combustin alcanza l, losgolpes se dan al instante y el gas incombusto restante se quema instantneamente. Un ejemplo de laincorporacin del los golpes modela en un cdigo de la simulacin del funcionamiento de motor se da enHo et al. (1996).

    9.3 COMBUSTIN EN MOTORES DEL ENCENDIDO ESPONTNEOVisualizacin y diagnstico del flujo

    La visualizacin del flujo y las tcnicas de diagnstico son herramientas significativas usadas paramejorar los incomprensibles procesos diesel de la combustin. El uso del diagnstico ptico de lacombutin diesel es obligado por la necesidad de mantener geometra realista de la cmara decombustin, mientras que mantiene el acceso ptico satisfactorio. Un ejemplo de un motor de la pruebamodificado para el acceso ptico por los investigadores en el laboratorio nacional de Sandia se demuestraen el cuadro 9-13 (Dec y Espey, 1995). El motor utiliza un pistn extendido con una ventana de la coronadel pistn. Este solo motor de investigacin del cilindro se basa en un anuncio tpico, motor dieselresistente, y tiene un movimiento de 140 milmetros y un alesaje de 152 milmetros. Las ventanas en latapa del cilindro prev el acceso del lser a lo largo del eje del aerosol del combustible, que en este motores 14 desde la horizontal.

    La corona del pistn en el cuadro 9-13 ilustra la compensacin entre el acceso y la geometra pticos deltazn de fuente de la combustin. Cuando una ventana plana de la corona del pistn y una ventana planade culata estn instaladas, el tazn de fuente de la combustin tiene un fondo plano de la "crepe"permitiendo que la hoja del lser sea vista de antedicho y abajo a travs del tazn de fuente y de la reginde la salpicadura. Otros motores pticos se han construido usando geometras ms realistas del tazn defuente a expensas de la distorsin ptica creciente en las imgenes.

    El cuadro 9-15 demuestra una secuencia de alta velocidad de la cinematografa de la combustinluminosa en el motor directo de la inyeccin del cuadro 9-13. Los datos de alta velocidad de lacinematografa demuestran la penetracin del jet del combustible y la extensin de las zonas luminosas dela combustin. La primera luminosidad se considera sobre 5 despus del comienzo de la inyeccin. Elaspecto rpido de la combustin extensa indica que la ignicin ocurre en los puntos mltiples a travs deljet. La luminosidad es amarilla, sugiriendo la combustin de los ricos del combustible. Despus dealgunos ms grados, los jets ardientes del combustible entran en contacto con el borde del tazn de fuentede la combustin, y despus se separan a lo largo de la circunferencia en el espacio entre los jets y haciaabajo en el fondo del tazn de fuente. Para el caso demostrado en el cuadro 9-15, sobre la mitad delcombustible se inyecta despus de que el jet ardiente del combustible alcance el borde del tazn defuente.

    La cinematografa de alta velocidad es una tcnica cualitativa de la medida, puesto que la imagen seintegra a lo largo de la lnea de la vista de un medio opticamente grueso; y no es tambin especfico de laespecie, as que se han desarrollado las tcnicas de diagnstico adicionales. Las varias tcnicas dediagnstico lser basadas en la combustin se convirtieron por los investigadores de la combustin y sehan aplicado a los motores diesel para obtener una informacin especfica ms detallada y especie sobrelos procesos de la combustin que ocurran en un motor diesel. Las tcnicas incluyen la luz lser quedispersa, e incandescencia y fluorescencia lser inducidas.

  • Con la tcnica de la dispersin una luz lser elstico es dispersada por las gotitas del combustible y/o laspartculas de holln. La distribucin y la intensidad de la dispersin dependen del tamao de la partcula.La dispersin de Mie se define como la dispersin elstica de las partculas cuyo dimetro es de la mismamagnitud o ms pequeo que la longitud de onda ligera. La dispersin elstico de la luz de las molculaso de las partculas pequeas con los dimetros mucho ms pequeos que la longitud de onda de la luzlser se llama dispersin de Rayleigh. Los patrones de aerosol lquidos se han determinado va medidasde la dispersin de Mie. Los patrones de la mezcla aire combustible de la fase del vapor y los campos dela temperatura se han determinado con Rayleigh que dispersaba medidas.

    La luz lser tambin se utiliza para inducir incandescencia y fluorescencia de la especie dada. Se handeterminado las concentraciones relativas y absolutas del holln usando la incandescencia lser-inducida(LII). No se ha utilizado la fluorescencia lser-inducida planar (PLIF) para determinar las concentracionespolyaromatic del hidrocarburo (PAH), que son precursores a cubrir de holln, del OH, y distribuciones delNO. La distribucin radical del OH proporciona la informacin sobre la localizacin y la intensidad deuna llama de la difusin. Los radicales de NO indican la localizacin de la produccin de NOx en elcilindro. Para la informacin adicional, dar una revisin de varias tcnicas de diagnostico pticas se da enEckbreth (1988).

    Modelo de la Combustin

    El proceso diesel de la combustin se ha clasificado en tres fases: la ignicin retrasada, presupuesto de lacombustin, y la combustin controlada que se mezcla. En un motor diesel un combustible de bajavolatilidad se debe convertir de un lquido fro en un estado finalmente atomizado, vaporizado, y sutemperatura levantada a un punto para apoyar el autoignicin. Este intervalo del tiempo entre el comienzode la ignicin y el comienzo de la combustin se llama la ignicin retrasada. Las regiones de la forma dela mezcla del vapor-aire alrededor del jet flido como primero se inyecta en el cilindro estn una vezsobre la temperatura de la autoignicin, el combustible se encender espontneamente. La combustin deesta mezcla inicial del vapor-aire se llama la fase premezclada de la combustin. Finalmente, elcombustible en el cuerpo principal del jet del combustible se mezclar con el aire y el vago circundantes,que se llama la fase controlada de la mezcla de la combustin. La combustin ocurre en una tarifalimitada por la tarifa en la cual el combustible restante que se quemar se puede mezclar con aire.

    Los modelos tempranos de la combustin diesel asumieron que un jet diesel ardiente fue compuesto deuna base combustible-rica densa rodeado por una mezcla fuel-air uniformemente ms magra, segn lodemostrado en el cuadro 9-16. Referente a los modelos usados para la combustin constante del aerosolen hornos y turbinas de gas, el autoignicin del combustible y las fases premezcladas diesel de lacombustin tambin fueron asumidos para ocurrir en una llama de la difusin en la estequiometra (lasregiones ~ 1) entre el R rico y los lmites magros del L, en el borde externo del jet. El holln fueasumido para formar en una regin estrecha en el combustible-rico de la llama de la difusin.

    Los experimentos de diagnstico de la hoja reciente del lser en motores diesel han indicado que elproceso de la combustin en motores diesel es diferente que se en hornos y turbinas de gas. Dec (1997)ha propuesto un modelo conceptual alternativo basado en resultados experimentales del papel del lser.Las caractersticas modelo de la DEC dos etapas de oxidacin del combustible para ambos premezcladoslas fases controladas de la combustin que se mezclaban. La primera etapa es oxidacin parcial delcombustible en una reaccin premezclada rica, y la segunda etapa es combustin de los productoscombustible ricos, particularmente oxidados de la primera etapa en una llama estiquiomtrica cercana dela difusin.

    Este modelo conceptual se demuestra esquemticamente en el cuadro 9-17. El cuadro 9-17 es unasecuencia temporal que demuestra los cambios progresivos durante el proceso de la inyeccin. Losacontecimientos significativos en la evolucin del estado del jet se dibujan en los grados sucesivosdespus de que el comienzo de la inyeccin (ASI) seis parmetros se demuestre en el cuadro 9-17; elcombustible lquido, la mezcla del vapor-aire, el PAHs, la llama de la difusin, la regin de la emisin delchemiluminscence, y la concentracin del holln.

    En 1.0 en el cuadro 9-17, cerca del principio de la ignicin retrasa fase, como el combustible lquido seinyecta en el cilindro, l arrastra el aire caliente del cilindro a lo largo de los lados del jet, conduciendopara aprovisionar de combustible la evaporacin. Observe que a travs del proceso de la inyeccin, laporcin lquida de la longitud del jet sigue siendo relativamente constante. Hay penetracin limitada de

  • las gotitas del combustible en la cmara de combustin. La profundidad de la penetracin del jet lquidose ha encontrado para ser dependiente en la volatilidad el tamao del agujero del inyector de combustible,temperatura del aire del combustible y del cilindro, y del relativamente insensible a la presin de lainyeccin (Siebers. 1998).

    En alrededor 4.0 ASI, un vrtice de la cabeza del vapor est comenzando a formar en la porcin principaldel jet ro abajo del jet lquido. El bulto del combustible vaporizado est en el jefe del jet. La regin de lamezcla del vapor-aire del combustible en el vrtice principal es relativamente uniforme, tiene un lmitebien definido el separar de l del aire circundante, y tiene un cociente de equivalencia entre 2 y 4 a travsde su seccin transversal. En alrededor 5.0 ASI, la combustin premezclada comienza en el vrticeprincipal. Como consecuencia del alto cociente de equivalencia, la combustin premezclada inicial escombustible-rica con una temperatura de K. cerca de 1600 y produce PAHs y el holln. La concentracindel holln es bastante uniforme a travs de la seccin transversal del jet.

    En alrededor 6.5 ASI, una llama turbulenta de la difusin forma en el borde del jet alrededor de losproductos de la etapa premezclada inicial. Esta llama turbulenta de la difusin comienza la transicin defase controlada que se mezcla, y est cerca de la estequiometra. La llama de la difusin causa laformacin de partculas de holln ms grandes en la periferia del jet. La concentracin del holln continaaumentando a travs de la regin principal del vrtice en el jefe del jet. Puesto que el vrtice principal deljet se compone de recircular los gases, las partculas de holln tambin recirculan y crecen de tamao.

  • Figura 9-17 Modelo detallado de de la combustin diesel (diciembre de 1997). Reimpreso con el permiso 1 del 997. Sociedad de ingenieros automotores, inc.

    contina aumentando a travs de la regin principal del vrtice en el jet puesto que el vrtice principal deljet se ocupa de recircular los gases, las partculas de holln tambin recirculan y crecen de tamao.

    En 8 ASI. el jet alcanza alrededor una casi condicin constante en la cual las caractersticas generales deljet no cambien perceptiblemente mientras que U se ampla a travs de la combustin del compartimientode la combustin es en la fase controlada que se mezcla. El combustible primero pasa a travs de ricosmezclas de un mismo combustible ( > 4) la etapa premezclada de la reaccin y entonces quema en lallama turbulenta de la difusin en el borde del jet.

    La mayora del holln se quema con el combustible en la llama de la difusin. La fraccin del holln queno se oxida se convierte en una emisin del extractor. NOx se forma en las regiones de alta temperatura enla llama de la difusin donde estn disponibles el oxgeno y el nitrgeno, y en las regiones calientes delgas de la combustin.

  • La cantidad de combustible quemada en cada uno de las fases controladas premezcladas y que se mezclanes influenciada no solamente por el motor y el diseo del inyector, pero tambin por el tipo delcombustible y la carga. Por ejemplo, los hidrocarburos aromticos tienen vnculos qumicos que seandifciles de romperse y dar lugar a una ignicin larga retrasada. Si este combustible se inyectarpidamente bastante mezcla del la totalmente con aire antes de que ocurra el autoignicin, todo el vagorpidamente cuando la ignicin ocurre en la fase presupuesta, produciendo un ndice del cambio grandede la presin y de una alta presin mxima. Por otra parte, los vnculos qumicos de algunos combustiblesestn rotos fcilmente. La ignicin retrasada es entonces corta, y con una inyeccin lenta del combustibleque se quemar se inyecta ms despus de que ocurra el autoignicin. Pocos vagos del combustible en lafase premezclada y la mayora se queman en una tarifa limitada por el ndice de mezclarse con el aire delcilindro. En la marcha lenta, la mayora del combustible inyectado en motores diesel del alesaje pequeose quema en la fase premezclada. Mientras que la carga aumenta, la duracin de la inyeccin aumenta, yel tamao relativo de mezclarse control aumentos de la fase concerniente a la fase premezclada.

    Puesto que la combustin diesel es heterognea, los modelos numricos necesitan ser multidimensionalespara explicar las variaciones espaciales en concentraciones de la temperatura y de la especie. El cdigonumrico KIVA (Amsden et en, 1989). del laboratorio nacional desarrollado de la CA Los Alamos, es unpublico dominante tridimensional del programa CFD que ha sido utilizado por un nmero de grupos de lainvestigacin para modelar la combustin diesel. Reitz y los compaeros de trabajo en la universidad deWisconsin (por ejemplo, vea Rutland et ah, 1994, y Kong et en, 1995) han agregado un nmero demejoras al modelo original KIVA que incorporan a analistas ms realistas de la desintegracin del aerosoldel combustible, vaporizacin, transferencia de calor por las paredes, ignicin, combustin e informacinpopular.

    Nmero Diesel Cetano

    Se comparan los combustibles diesel usando el criterio de ignicin retrasada y clasificada por el nmerodel cetano. Se mide el nmero de cetano usando un motor estndar de precarga de CFR que ofrezca uncociente variable de la compresin. Se funciona bajo condiciones de funcionamiento estndaresdemostradas en la tabla 9-4. Se ajusta el cociente de la compresin hasta que la ignicin retrasa es 13 conel combustible de la prueba. En ese cociente de la compresin, los combustibles de la referencia semezclan para producir otra vez una ignicin retrasan de 13. Entonces

    Cetano No. = % hexadecano - 0.15 {% heptamethyInonane) (9.6)

    El cetano conocido se deriva del hecho de que muchas personas refieren al hexadecano como n-cetano.Originalmente, la escala del cetano asign un valor de cero al -methylnaphthaiene como combustible dereferencia. El combustible pobre de la referencia fue cambiado ms adelante al heptamethylnonane,probablemente porque es ms barato, y asign un nmero de cetano de 15, de modo que los resultadosobtenidos en el pasado siguieran siendo vlidos. El nmero de octano y el nmero de cetano de uncombustible se correlacionan inversamente propocional, segn lo demostrado en el cuadro 9-18. Lagasolina es un combustible diesel pobre y viceversa. Un combustible bajo del nmero de cetano semezclar ms totalmente con el aire del cilindro antes de quemarse, de modo que el cociente deequivalencia local del vago premezclado inicial sea menor ( ~ 3) que el cociente de equivalencia local( ~ 4) para un nmero de cetano ms alto.

  • 9.5 ANALISIS TERMODINMICO

    Motores de Ignicin por chispa

    Las medidas de la presin del cilindro contra ngulo inestable en motores de la ignicin de la chispa sepueden incorporar en un primer anlisis de la ley para computar el fraccin total xb quemada, la ignicinretrasada, y la duracin de la combustin d. Si uno asume equilibrio termaodinmico a cada nguloinestable, a una mezcla uniforme, y al comportamiento ideal del gas, la primera ley para una sola zona(vase la ecuacin 8.26) es:

    La ecuacin 9.7 se puede solucionar numricamente para obtener el lanzamiento neto del calor por unidadde ngulo dQ/d. La fraccin total xb quemado es la integral normalizada del lanzamiento del calor.

  • Para la exactitud creciente, el flujo de la grieta y la variacin del cociente especfico del calor con lacomposicin, la presin, la temperatura, y el cociente de equivalencia se deben considerar, segn lo hechoen el anlisis del lanzamiento del calor de Cheung y Heywood (1993). La dependencia de la temperaturadel calor especfico se asume generalmente para ser linear:

    y = 1.40 -7.18 x 10-5 T (K) (.9.9)

    El solo anlisis de la zona se puede ampliar a dos zonas si se asume que la carga se puede partir en untono quemado e incombusto. La zona incombusta incluye el gas delante de la llama y el gas incombustodentro de la llama. La zona quemada incluye el gas detrs de la llama y el gas quemado dentro de lallama. As, la estructura altamente enrollada de la llama observada en la va de visualizacin del flujo seconsidera, y el anlisis es limitado en principio solamente por la asuncin que la masa del gas quereacciona realmente es pequea. El anlisis es limitado en la prctica ms lejos por las estimacionesimprecisas del calor y de la prdida de la masa as como error experimental en la medida de la presin.

    Los resultados tpicos obtenidos con este mtodo se demuestran en la Figura 9-9. El motor usado era unmotor de CFR. que funcionaba a 1600 RPM. Para las condiciones estquiomtricas, la ignicin retrasadaes aproximadamente 10 y la duracin de la combustin es aproximadamente 40. Constante con laobservacin hecha va la fotografa de la llama, la ignicin retrasada y la duracin ambas de lacombustin crecientes como la mezcla se inclina hacia fuera de condiciones estquiomtricas. Para elmotor y el combustible particulares en el cuadro 9-19, el lmite magro de la inflamabilidad est cerca =0.68. Bajo estas condiciones, la ignicin retrasada y la duracin de la combustin es absolutamente larga,el cerca de 20 y la chispa 70 despues, respectivamente. Que las curvas masa-fraccin-quemadas as quededucido no van a una y no siguen siendo constantes es causado por la imprecisin en el modelo y lasmedidas experimentales. Los resultados se juzgan generalmente si las curvas nivelan apagado en el xb =1.00 0.05. Alcanzar ste tiene que explicar prdida de calor de la fuga de gas, y la combustinincompleta.

    Un modelo (Tabaczynski et el al., 1980) se ha desarrollado para predecir curvas quemadas traccin totalde cantidades fundamentales tales como la velocidad laminar de la llama del combustible y la intensidadde la turbulencia del flujo. La llave al anlisis son los rodillos de tinta que ascienden a los sitios de laignicin son separados por la turbulencia y la combustin nuclear laminar del material en medio de lascapas del esquileo ocurren. El cuadro 9-20 demuestra comparaciones de las curvas quemadas fraccintotal medidas y predichas para variar cocientes y cantidades de equivalencia de recirculacin del gas deescape. El buen acuerdo observado tambin se obtiene para las variaciones en avance de la chispa,velocidad del motor, y la carga (imep).

  • Dos aspectos de la curva de la fraccin de masa quemada total que se utiliza para caracterizar lacombustin son la ignicin retrasada y la duracin de la combustin. El cuadro 9-21 no da resultados delas demostraciones obtenidas por Young (1980) para la ignicin retrasada, definido en este caso como elngulo entre la poca de la lea de la chispa y el tiempo en el cual el 1% de la fraccin total se quema. Laignicin retrasada vara principalmente con la sincronizacin de la chispa, la fraccin residual, y elcociente de equivalencia. La ignicin retrasada aumenta con avance de la chispa porque las gotaslaminares de la velocidad de la llama dan como resultado de temperaturas ms bajas a la hora del golpepero ste no es el nico efecto, para el campo turbulento es tambin diferente. Asimismo la ignicinretrasada aumenta mientras que la mezcla es diluida inclinando la carga o recirculando el extractor. Elcambio es proporcionalmente menor que el cambio en velocidad laminar de la llama. Los modelos de lacombustin indican que es ste porque la combustin influencia la turbulencia mientras que la llamacrece.

  • Los resultados de la duracin de la combustin obtenidos por Young (1980) se demuestran en el cuadro9-22. La duracin de la combustin en este caso se define como el cambio del ngulo a partir de la 1%hasta el 90% se quem la fraccin. Como la ignicin retrasada, la duracin de la combustin depende delcociente del equivalente de la fraccin residual del dado, y de la sincronizacin de la chispa. Sin embargo,demuestra un dependencia ms fuerte en velocidad del motor y cociente de la entrega. La duracin de lacombustin depende de la velocidad laminar de la llama, de la intensidad de la turbulencia del flujo, y dela geometra de la cmara de combustin.

    La reduccin al mnimo de la duracin de la combustin en un motor requiere una intensa y subida de laturbulencia (que se alcance a menudo a expensas de eficacia volumtrica), un rea de la llama queaumente con distancia del enchufe de chispa, y un enchufe centralmente localizado reducir al mnimorecorrido de la llama. Mientras que uno espera, la reduccin al mnimo de la duracin de la combustinmaximiza el trabajo hecho, puesto que la combustin acerca al volumen constante, y tambin baja eloctano requerido. El cuadro 9-23 demuestra los resultados experimentales para tres diversas formas de lacmara de combustin, de que confirma estas expectativas.Para el uso en programas de la simulacin del motor, el perfil fraccin de masa quemada se cabe con unaecuacin de la funcin de Wiebe. Ecuacin 2.22, expuesta en forma modificada aqu como ecuacin 9.10:

    Motores de Encendido espontneo

    Se realiza el anlisis de la combustin del motor diesel usando un anlisis del balance energtico paradeterminar el lanzamiento eficaz del calor o para desechar la tarifa eficaz de la inyeccin del combustible.Los clculos tpicos para un motor directo de la inyeccin (Dl) utilizan la ecuacin 9.7, que asume unproceso homogneo, y comportamiento ideal del gas. El lanzamiento del calor en los motores indirectosde la inyeccin (identificacin!) es modelado con un balance energtico aplicado al compartimientoprincipal y a la precarga, para requerir datos de la presin para ambos compartimientos.

  • El lanzamiento neto eficaz del calor (J/deg) para las condiciones de carga bajas y altas para el motordiesel de la inyeccin directa descrito en la seccin 9.4 se traza en cuadros 9-24 y 9-25 como una funcindel ngulo inestable. Tambin se traza la presin del cilindro y la elevacin de la aguja del inyector.

  • La duracin de la inyeccin para el caso de baja carga es cerca de 10 grados, dando por resultado uncociente de equivalencia total de 0.25. La duracin de la inyeccin para el caso alto de la carga est sobre20, dando un cociente de equivalencia total de 0.43. La forma mxima doble del perfil del lanzamientodel calor en las figuras 9-24 y 9-25 es caracterstica de la combustin diesel. El primer pico ocurredurante la fase presupuesta de la combustin y los resultados de la combustin rpida de la porcin deldado del combustible inyectado que se ha vaporizado y se ha mezclado con el aire durante la ignicinretrasan el perodo. Observe que la curva del lanzamiento en la fase presupuesta de la combustin esrelativamente independiente de la carga, puesto que la mezcla inicial es independiente de la duracin de lainyeccin. El segundo pico ocurre durante la combustin controlada que se mezcla del azulejo. Ellanzamiento del calor durante esta fase depende de la duracin de la inyeccin. Pues se aumenta laduracin de la inyeccin, la cantidad de combustible inyect aumentos, as aumentando la magnitud y laduracin del lanzamiento controlado del calor que se mezclaba. Una funcin dual de Wiebe (vase elcuadro 9-26), que tiene dos picos, se ha utilizado a los datos diesel del lanzamiento del calor decombustin del abeto (Miyamoto et el al, 1985). La ecuacin dual, con siete parmetros, es:

    Los subndices p y d refieren a las porciones controladas presupuestas y que se mezclan de la combustin,respectivamente. El parmetro a es un nmero adimensional constante, p y d son la duracin ardientepara cada fase. Qp y Qd son el lanzamiento integrado de la energa para cada fase, y mp y el md sonfactores de la forma adimensional para cada fase. Los parmetros ajustables son el usar seleccionadomenos cuadrados cabidos.Miyamoto et el al. (1985), para los motores directos ( DI) y los motores diesel indirectos de la inyeccin(IDI) probados en sus experimentos, divulgados que la mp, md, y p eran esencialmente independiente dela velocidad del motor, de la carga, y sincronizacin de la inyeccin. Los valores cabidos de estosparmetros eran: a = 6.9, mp = 4. md = 1.5 (DI) o 1.9 (IDI), y p = +7.

  • La tarifa diesel eficaz de la inyeccin del combustible tambin se obtiene usando la ecuacin de laenerga. La tarifa eficaz de la inyeccin del combustible se basa en las asunciones que la mezcla delcompartimiento es homognea y en equilibrio termodinmico. Fracciones del combustible por lo tanto lasdiversas del lquido y del vapor no se incluyen a este nivel de modelo. La primera ley del sistema abiertopara la cmara de combustin, con el combustible inyectado ahora incluido explcitamente es:

    Y la ecuacin de conservacin de la masa es:

    En las ecuaciones 9.12 y 9.13, la frecuencia intermedia es la tarifa de la inyeccin del combustible, el hfes la entalpa del combustible inyectado, y Qi es la tarifa de la prdida de calor. Con las asuncionesantedichas, la ecuacin ideal del gas en forma diferenciada est

    Si la disociacin se descuida, la energa interna es una funcin del cociente de la temperatura y de laequivalencia solamente.

    La diferenciacin de la ecuacin 9.15 con respecto a tiempo da:

    Si la masa del aire en el cilindro es constante, sin el combustible residual en el compartimiento alprincipio de la inyeccin, los aumentos de equivalencia totales del cociente solamente debido a lainyeccin del combustible, y en forma diferenciada estn dadas por:

    Finalmente, combinar las ecuaciones 9.12 a 9.17 conduce a:

    Ecuaciones 9.14, 9.17, y 9.18 son un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias las cuales cunado sonintegradas numricamente estn integrado usando los valores medidos para la produccin P, P, V adems;T, , , , ma, y mf como funciones del tiempo. En cada vez que el paso, un valor numrico del productode la combustin del equilibrio da los derivados parciales requeridos de la energa interna. La prdida decalor Ql es computada en cada vez que camina de un modelo apropiado.

  • Los resultados obtenidos por Kreiger y Borman (1966) para un cmputo del lanzamiento del calor queincluya los efectos relativamente pequeos de la disociacin se dan en el cuadro 9-27. La presin delcilindro, el gradiente de la presin del cilindro, y la tarifa eficaz de la inyeccin del combustible (mg/deg)se trazan en funcin de ngulo inestable. La curva eficaz de la tarifa de la inyeccin del combustible esdoble enarbolada, similar a la tarifa de lanzamiento eficaz del calor. El rea debajo de la curva esaproximadamente igual a la masa actual inyectada.

    9.6 XIDOS DEL NITRGENO

    Los xidos del nitrgeno (NOx) se forman a travs de la cmara de combustin durante el proceso de lacombustin debido a la reaccin del oxgeno atmico y del nitrgeno. Las reacciones que forman NOxson mismo dependiente de la temperatura, as que NOx las emisiones de una escala del motorproporcional a la carga del motor, y las emisiones de NOx son relativamente bajos durante comienzo ycalentamiento del motor. En motores de ignicin por chispa, el componente dominante del NOx, es xidontrico, NO. como la concentracin del dixido ntrico, N02, est de la orden de el solamente 1% a el 2%.

    Tres mecanismos de la reaccin que producen NO son la termal o el mecanismo de Zeldovich, elFenimore o el mecanismo pronto, y el mecanismo del intermedio N20. Para los motores de combustininterna, el ms significativo es el mecanismo de Zeldovich (Zeldovich. 1946) en el cual NO es formadoen el detrs izquierdo quemada de alta temperatura de los gases por el frente de llama. El mecanismopronto ocurre dentro del frente de llama, y es relativamente pequeo si el volumen de los gases quemadosde alta temperatura es mucho ms grande que el volumen instantneo del frente de llama, al igual quegeneralmente el caso en motores de combustin interna. Las tres ecuaciones qumicas siguientes formanla reaccin extendida de Zeldovich (Molinero y bowman. 1989):

    La primera reaccin, la ecuacin 9.19, es una reaccin de la disociacin del nitrgeno accionada por untomo de oxgeno. Esta reaccin es endotrmica con la energa de activacin de 1-75.0 kcal. Por eso estaes una reaccin controlada. En la segunda reaccin. Ecuacin 9.20. un tomo de nitrgeno reaccionaexotermicamente (+31.8 kcal) con una molcula de oxgeno para formar el xido ntrico y un tomo deoxigeno. La tercera reaccin. La ecuacin 9.21, es (+49.4 kcal} una reaccin exotrmica entre un tomo

  • de nitrgeno y un radical del hidrxido que forme el xido ntrico y un tomo de hidrogeno. Lasconstantes del tipo a plazo para estas reacciones estn como sigue (Borman y Ragland. 1998):

    donde las unidades son m3/kmol-s.Usando las reacciones qumicas dadas, uno puede escribir las expresiones siguientes para el ndice delcambio de la concentracin ntrica del xido

    donde los soportes denotan las concentraciones en unidades de molculas / m3 y el subndice adicional ren las constantes de la tarifa denota una clasificacin constante:Para aplicar la ecuacin 9.23 dos aproximaciones se introducen

    El sistema de C-O-H est en equilibrio y no es perturbado por N2 La concentracin del cambio de los tomos de N por un proceso cuasi esttico.

    La primera aproximacin significa simplemente que dado la presin, la temperatura, el cociente delequivalencia, y la fraccin residual de un elemento fluido, uno computa simplemente la composicin delequilibrio para determinar las concentraciones del N2, O2, O, el OH, y H. La segunda aproximacinsignifica que uno puede solucionar para la concentracin del tomo de N fijando el ndice del cambio delos tomos de N a cero:

    Con estas dos aproximaciones, esto puede mostrarse de la siguiente manera:

    donde es el cociente de la fraccin ntrica de la masa del xido a su valor del equilibrio:

    y Rj (i = I, 2, 3) es un tipo a plazo de la reaccin en el equilibrio, etiquetado con el subndice e.

  • El cuadro 9-28 ilustra el uso de la ecuacin 9.25 a carga homognea y chispa de motor de ignicin. Lascurvas en una demostracin la fraccin de la presin y de la masa del cilindro se quemaron a diversosngulos inestables. Las curvas en temperatura-tiempo dan un historial de b (el tiempo es proporcional alngulo) del primer elemento del dado al vago (x = 0) y del elemento pasado a quemarse (x = I). Elcmputo asume que los elementos fluidos conservan su identidad, que es decir que ocurre el ningnmezclarse entre los elementos fluidos.

    Los vagos de cada elemento a su temperatura adibtica de la llama basada en temperatura del gas cuandose quem. Una vez que estn quemadas, las pistas de la temperatura de un elemento decae la presin,pues ms o menos isoentropicamente se comprime o expande. Aviso que el primer elemento al vago secomprime considerablemente: cada elemento subsecuente al vago se comprime menos, y el elementopasado al vago no experimenta ninguna compresin. Consecuentemente el primer elemento a quemarse esms caliente que todo el resto, y el elemento pasado al vago est el ms fresco

    Las curvas en c ilustran cmo los xidos ntricos varan con el tiempo en los diversos elementos fluidos.Las curvas rayadas corresponden a la concentracin del equilibrio basada en la temperatura local, lapresin, el cociente de equivalencia, y la fraccin total residual. Las curvas slidas son computadasintegrando la ecuacin 9.25.

  • Cuando los vagos de un elemento, su concentracin ntrica del xido estn cerca de cero pero finitodebido a el presente residual del gas. Puesto que la qumica no es bastante rpida asumir que el proceso escuasi esttico, es tarifa controlada. Una vez que se queme el elemento, la concentracin calculada delequilibrio es alta, mientras que la concentracin real es baja. Note que cada elemento intenta equilibrar; sila concentracin del equilibrio es ms alta que la concentracin actual, despus los xidos ntricos estnformando, mientras que se descomponen si la concentracin del equilibrio es menos que la concentracinreal.Las tarifas de la reaccin qumica aumentan fuertemente con temperatura. Consecuentemente haydiferencias grandes entre las concentraciones ntricas del xido en las primeras y los elementos pasados.Adems, puede ser visto que cuando las temperaturas caen a K cerca de 2000, la tarifa de descomposicindel dado llega a ser muy lenta y para los propsitos prcticos puede ser dicho que los xidos ntricoscongelan en una concentracin mayor que los valores del equilibrio. La cantidad total de xido ntrico queaparezca en el extractor es computada sumando los fracciones totales congelados dado para todos loselementos fluidos.

    Las comparaciones entre algunas concentraciones medidas del extractor con predicciones hicieron con elprocedimiento descrito se dan en el cuadro 9-29. La figura demuestra que el acuerdo es absolutamentebueno. Tambin demuestra un resultado tpico de todos los motores, los xidos ntricos se maximiza conla inclinacin de las mezclas levemente de estequiometra. Recuerde que las temperaturas crecientesfavorecen la formacin del xido ntrico y las temperaturas quemadas la estera del gas estn maximizadascon las mezclas que son levemente ricas. Por otra parte, hay poco exceso de oxgeno en mezclas ricas alsepararse y la fijacin a los tomos del nitrgeno para formar el xido ntrico. La interaccin entre estosresultados de dos efectos en los xidos ntricos mximos que ocurren en mezclas levemente magras,donde hay un exceso leve de los tomos de oxgeno a reaccionar con los tomos del nitrgeno. A estepunto es til discutir mezclarse de los gases quemados. Los elementos fluidos se mezclan el uno con elotro va turbulencia, si el ndice de mezclarse es ms rpido que se produce la tarifa en la cual se quemel gas, despus el gas quemado se puede asumir para ser homogneo y caracterizar por una solatemperatura. Si el mezclarse es lento, entonces el gas quemado debe tratarse como conjunto de elementosfluidos en diversas temperaturas. Se observa experimental que hay elementos fluidos de diversatemperatura en los gases quemados pero que las diferencias son ms pequeas que predichas, como en elcuadro 9-28. As puede ser indicado que ocurre el mezclarse, pero no es completo durante la combustin.

  • Puede ser demostrado usando los anlisis en el captulo 4 que la energa del gas quemado es una funcincasi lineal de la temperatura (es decir, el calor especfico vara poco sobre la gama de las temperaturasencontradas en el gas quemado), para la presin del cilindro que computa, poder utilizar la temperaturamedia total del gas. Iguales no pueden ser dichos de xidos ntricos puesto que las tarifas qumicas sonfunciones no lineales de la temperatura. Puesto que los cmputos hechos para el cuadro 9-28 noadmitieron a mezclarse y no hicieron caso de los gradientes de la temperatura debido a las capas de lmitede la pared, el buen acuerdo demostrado es algo fortuito. El estado plus ultra requiere uno explicar estosefectos para realizar el buen acuerdo debajo de todos las circunstancias. Con los motores diesel, uno tieneque explicar ms lejos variaciones en cociente de equivalencia del elemento fluido al elemento fluido

    En la conclusin, algunos resultados experimentales se presentan para ilustrar cmo los xidos ntricos enel extractor dependen de varios parmetros del motor. Las tendencias, aunque son tpicas, son de ningunamanera universal, especialmente para los motores diesel. Los cuadros 9-30 a 9-33 para cargashomogneas, los motores de ignicin por chispa conducen a las observaciones siguientes:

    La dependencia de la sincronizacin de la chispa y de la presin de la entrada es fuerte para lasmezclas magras y dbil para las mezclas ricas.

    Los xidos ctricos son mximos para las mezclas levemente magras. La dependencia de la velocidad del motor no se puede indicar simplemente: los factores a

    considerar son la variacin en la prdida de la duracin y de calor de la combustin convelocidad del motor

    La temperatura creciente o la presencia de depsitos cada uno del lquido refrigerador reduceprdida de calor y aumenta los xidos ntricos.

    La dilucin de la carga por el gas residual, explcitamente va la recirculacin del gas de escape,implcito va sofocar, o por la humedad en el aire de la entrada reduce el oxido ntrico

  • Las cuatro observaciones pasadas apenas citadas tambin se aplican a los motores diesel. El cuadro 9-34ilustra los efectos de la sincronizacin de la inyeccin y del cociente de equivalencia aire - combustible.La demostracin de los resultados se muestra:

    Los xidos ntricos son una funcin fuerte de la sincronizacin de la inyeccin. Para motores de inyeccin directa (los xidos ntricos aumentan con la carga (bmep).