COMBUSTION

Introducción:

Para que se produzca una buena combustión es necesario que haya una unión intima entre

el comburente (en nuestro caso especifico oxígeno del aire) y el combustible (nafta, gasoil,

etc.), entre otros parámetros. -

A continuación una breve descripción de los procesos de combustión en los distintos

ciclos (Otto y Diesel) y de los problemas más frecuentes producidos por una mala

combustión. El aire para la combustión ingresa al motor por el filtro de aire, por lo que

debemos tener el mismo en perfectas condiciones.-

En el ciclo Otto, el componente necesario para realizar una buena emulsión aire-

combustible es el carburador, responsable de dosificar la mezcla aire-combustible de

acuerdo a las condiciones de carga -

Una vez realizada la mezcla de aire y combustible, el siguiente paso es tratar de que

llegue en cantidad y calidad necesaria a cada uno de los cilindros, por lo que los próximos

constituyentes de este circuito que se deben analizar son el múltiple y las válvulas de

admisión.-

En lo que respecta al primero es muy importante su diseño, para lograr que la

perdida de carga sea la mínima posible, influyendo grandemente la rugosidad y cambio de

direcciones.-

Por ejemplo en los

años 70, existía un motor

que tenia un múltiple de

admisión en el que a

simple vista parecía que

la pérdida de carga era

grande debido a la gran

longitud de los

conductos, pero esto era

debido a que se utilizaban

para ayudar a introducir

la mezcla por medio de ondas vibratorias producidas en dicho múltiple (resonancia).-

En lo que respecta a las válvulas las dimensiones (diámetro y carrera) son funciones de las presiones en el cilindro y del volumen desplazado, y de la velocidad del pistón.

Dos válvulas pequeñas son mejores que una sola más grande por varias razones. Primero, hay una mayor capacidad de flujo y también está el remolino. Si los diseñadores consiguen que la entrada aire/combustible gire alrededor de la cámara (efectos Swirl y Squish), es posible obtener una combustión más completa y se reducen las posibilidades de fallas en el encendido (detonación). Esto resulta en mayor rendimiento de combustible, escape más limpio y mayor potencia producida. Relacionado con esto, la velocidad de admisión, es más fácil de mantener elevada con lumbreras múltiples que con una sola abertura.-

En los motores diesel, los componentes que se suman a los descriptos anteriormente en lo

que respecta a una buena preparación de la mezcla son: la cámara de combustión y la

forma de la cabeza de los pistones lo que también influye en el Otto. Esto es debido

fundamentalmente a que la mezcla se realiza dentro del cilindro, por lo tanto se necesita

crear una buena turbulencia para que la difusión sea lo más homogénea posible.-

Otro componente para la concreción de una buena mezcla en los motores diesel es el grado de pulverización del combustible inyectado, cuando más microscópicas sean las gotas, mejor será la combinación aire/combustible y favorecerá la evaporación del mismo y su posterior oxidación.-

Otro factor importante para obtener una combustión completa es la ubicación de las bujías en los motores ciclo Otto o de los inyectores en los de ciclo diesel, dado que es allí donde comienza a generarse el frente de llama.-

En el dibujo se observa la progresión teórica del frente de llama cuando la bujía está

colocada en el centro de la culata y los puntos más críticos en donde se puede producir la

detonación.-

Ahora describiremos el proceso de combustión en los motores ciclo

Otto: Una vez comprimida la mezcla aire combustible y debido al salto de la

chispa en el momento oportuno en la bujía, se produce entre los electrodos

un principio de combustión de la mezcla que la rodea. En un primer momento la

combustión y su propagación se realizan con dificultad. De la eficacia de la ignición

(intensidad de la chispa y duración) dependerá el arranque del frente de llama y éste irá

aumentando gradualmente. La velocidad de propagación de este punto ígneo en sus

principios dependerá pura y exclusivamente de la velocidad de oxidación, además, esta

reacción química es función de la presión y de la temperatura, aumentando

exponencialmente con estas.

Motores lentos baja velocidad del frente de llama.-

Motores rápidos alta velocidad del frente de llama necesitamos que sean

motores muy comprimidos.-

Las velocidades de propagación de distintos combustibles se miden a través de un ensayo

realizado en un tubo, a presión y temperatura ambiente y en donde se coloca la mezcla del

combustible a ensayar en relación estequiométrica.-

De este ensayo se han obtenidos velocidades tales como: Metano 35 cm/seg, Etano

37 cm/seg, Isoctano 53 cm/seg, H2 195 cm/seg, etc.-

En cuanto al primero de los puntos y recordando que la velocidad del frente de

llama es función de la presión y temperatura diremos que una velocidad normal de

propagación en un motor ciclo Otto esta alrededor de los 90 a 100 m/seg., pero que la

misma está influenciada por distintos factores, alguno de los cuales se describen a

continuación.-

Factores que actúan sobre la velocidad y propagación del frente de llama

1) Turbulencia:

Este es el factor principal que permite lograr altas velocidades de propagación

del frente de llama cuando es la adecuada.-

La mezcla aire/combustible ingresa al cilindro con cierta turbulencia, en el

proceso de compresión se modifica y en el momento de la combustión y avance del

frente de llama, si el diseño de la cámara de combustión es el correcto la variación de

presión debida a la combustión generará grandes turbulencias, que redundará en una

gran velocidad de propagación y total combustión en tiempo muy breve.-

Entonces el diseño de la cámara de combustión entre otros, es esencial para

lograr altas velocidades de propagación del frente de llama permitiendo lograr altos

regímenes en los motores.-

2) Relación de mezcla:

Existe una relación de mezcla que nos permite lograr altas velocidades del

frente de llama y es generalmente toda relación un poco más rica que la

estequeométrica. Toda relación de mezcla más pobre o más rica que esta producirá

retrasos en el desplazamiento del frente de llama.-

3) Temperatura

Existe un valor de temperatura a la cual la velocidad de propagación del frente

es la óptima, es decir que por debajo y por encima de ese valor el frente de llamas

tendrá importantes variaciones en su propagación. La temperatura incide

grandemente en la velocidad de oxidación.-

4) Humedad

La presencia de humedad en la mezcla retarda la propagación del frente,

debido a que modera la reacción química oxidante.-

Debido a este poder moderador, en algunos motores particulares se incorpora

humedad en motores ciclo Otto muy comprimidos, para que regulen la temperatura y

por ende eviten la detonación en determinadas circunstancias.

5) Presión

Conjuntamente con la turbulencia, la presión es uno de los factores que más

influyen en la velocidad, en un principio si la mezcla se encuentra a elevada presión,

el comienzo de la ignición se ve demorada, es decir le cuesta arrancar y propagarse,

pero una vez que la reacción química de la oxidación ha comenzado, el frente de

llama se desplazará con una buena velocidad y si estuviésemos en presencia de una

baja relación de compresión ocurriría todo lo contrario, es decir la ignición sería más

fácil y la propagación más lenta lo que no nos permitiría lograr altas velocidades en el

motor según los casos.-

A continuación se describe lo que sucede cuando tenemos una combustión

deficiente y que significan los términos: preignición, predetonación y post-

detonación.

El primero de los términos, tal como su vocablo lo indica es la inflamación de la

mezcla antes de que se produzca el salto de la chispa.-

Esta clase de encendido, surge por la presencia de zonas extremadamente calientes

en la cámara de combustión, como ser: válvula de escape, electrodos de bujía y en algunos

casos y según las condiciones en que se encuentre el motor por puntos ígneos carbonosos

que se han formado como consecuencia de un excesivo consumo de aceite por parte del

motor ó debido al uso de combustibles no adecuados.-

Este fenómeno puede suceder también por deficiencias en el sistema de

refrigeración y dado que la ignición se produce antes del salto de la chispa, es decir con el

pistón realizando la carrera de compresión se genera una elevada contrapresión por

preignición que en los sucesivos ciclos irá generando una gran cantidad de calor que el

motor no estará en condiciones de evacuar, por lo que con la marcha la preignición se

acentuará cada vez más.-

La predetonación en algunos casos es producida por exceso de temperatura

localizada en la cámara de combustión, siendo la consecuencia de la preignición.-

La diferencia entre ambas es que la preignición es un adelanto a la ignición,

mientras que la predetonación es algo que se realiza de forma casi instantánea produciendo

un gran pico de presión lo que provoca un gran golpe sobre el pistón, por lo tanto también

repercute en sobre el perno, biela, cigüeñal, etc y es la considerada combustión anormal.-

La post-ignición es un fenómeno de encendido que sucede una vez comenzada la

combustión por la chispa y avanzando el frente de llama, en una zona alejada de dicho

frente y ya sea por la presencia de carbón ígneo, válvula recalentada, etc., instantáneamente

aparecerá un nuevo frente de llama cuyo avance perturbará el camino del principal frente,

originándose en la cámara de combustión un notable aumento de la presión que incidirá

directamente sobre el pistón y los primeros aros.-

La otra evidencia de una mala combustión es el

problema de la detonación pudiendo darse los casos de pre

y post-detonación, siendo el caso más típico cuando luego

de producido el salto de la chispa (post) y después de que el

frente de llama avanza, aumente la presión y la temperatura

en la mezcla sin quemar y en el seno de ésta comienzan a

formarse peróxidos que son compuestos altamente

inestables y que tienen la particularidad de que cuando se

inflaman instantáneamente y producen reacción en cadena, generan picos anormales de

presión muy importantes asociados a frecuencias particulares.-

El

diseño de la cámara de combustión es uno de los factores que tratan de evitar que se

produzca la detonación, en la figura se observa un tipo de cámara en donde la cantidad de

mezcla que queda sin quemar a medida que avanza el frente de llama es mínima, por lo que

0,001 seg

0,0008 seg

T3

T2

T1

Temp.

Tiempo

1

23

si autocombustiona, la detonación producida sobre el final de la combustión es ínfima.

Existen otros métodos para disminuir el fenómeno de la detonación tales como: doble

bujía, diseñar un buen sistema de refrigeración, etc.-

El problema de una mala combustión en un motor ciclo diesel, tal como lo indica la

figura anterior, se manifiesta al comenzar la inyección debido a que surge cuando el

combustible inyectado no se inflama en forma instantánea (por presión inferior a la

necesaria, poca temperatura, etc.) y por lo tanto se va acumulando y cuando se inflama lo

hace en forma explosiva (golpe diesel).-

A continuación haremos un análisis sobre lo que sucede con la mezcla aire y combustible cuando se la somete a una compresión rápida con aumento de la temperatura

Retardo de encendido ó período de inducción

Una mezcla de combustible y oxigeno pueden reaccionar espontáneamente sin

necesitar una llama para iniciar la combustión. Cuando ocurre este autoencendido,

aumentan abruptamente la presión y la temperatura por la súbita liberación de la energía

química. Las curvas representan la evolución de la mezcla homogénea aire combustible

cuando se la somete a una compresión rápida con aumento de temperatura y se la mantiene

a esta presión.-

La curva N° 1 representa una mezcla que al ser comprimida llega hasta T1, se

detiene la compresión, la

temperatura permanece casi

constante para ir descendiendo en el

tiempo. El análisis de la mezcla

indica que se produjeron reacciones

químicas de prellama sin llegar a la

combustión.-

La N° 2 representa la misma

mezcla anterior que al ser más

comprimida alcanza T2. En este

momento se detiene la compresión y

en un tiempo t1= 0,001 seg toda la

masa entra en autoignición (sin salto de chispa) produciendo un gran aumento de

temperatura.-

La curva N° 3 representa lo mismo pero para una relación de compresión mayor mayor

temperatura final de compresión T3.-

El fenómeno producido en los respectivos tiempos 0,001 seg. y 0,0008 seg. Se denomina

retardo de encendido de la mezcla y determina el tiempo que tarda en detonar (entrar en

autoignición instantánea) una mezcla aire combustible sometida a una cierta relación de

compresión. Para modificar (aumentar) estos tiempos se utilizan aditivos antidetonantes en

las naftas. También otros factores modificadores son la relación de mezcla, humedad del

aire, temperatura ambiente, etc.-

PROCESO DE COMBUSTIÓN CICLO DIESEL

PROCESO DE COMBUSTIÓN EN EL DIESEL