Combustion en MEC y MEP

7/21/2019 Combustion en MEC y MEP

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Resumen Capítulo 6

El proceso de combustión en los motores de encendido provocado yen los motores de encendido por compresión.

6.1. Tipos de combustión en motores de combustión internaalternativos.

El proceso de combustión en los MCIA es el proceso en el que se le proporcionael estado térmico al fuido de trabajo. La combustión, constituye un elementode caracterización y dierenciación entre los distintos tipos de motores. !e esaorma se puede establecer la si"uiente clasi#cación$

%i"ura &. Clasi#cación de los MCIA se"'n el proceso decombustión.

La combustión normal en los ME( consiste en una defa"ración de unapremezcla )omo"énea de aire y combustible que se inicia por medio de una"ente e*terno, en lo que se denomina i"nición o encendido. (or otro lado, la

combustión normal de los MEC es una combustión que se inicia mediante laautoinfamación de parte del combustible, pr+cticamente recién inyectado yaporizado, y prosi"ue con una combustión por diusión en la que elcombustible se quema conorme se contin'a inyectando en la c+mara decombustión.

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6.2. COM!"T#$% E% ME&

6.2.1. Conceptos b'sicos de la combustión en ME&

La combustión en los ME( consiste, en la defa"ración de una mezclapremezclada y )omo"énea de aire y combustible en estado "aseoso -oaporizado. La mezcla se realiza en el conducto de admisión antes de lapropia carrera de admisión. La combustión se inicia li"eramente antes de queel pistón alcance el (M/ en la carrera de compresión, por medio de un aportede ener"0a e*terno al motor, la i"nición o encendido. Esto se consi"uenormalmente mediante una c)ispa eléctrica . Este aporte de ener"0a,localizado en una zona muy peque1a de la c+mara de combustión, inicia lasreacciones de combustión, que se an propa"ando a una cierta elocidad al

resto de la c+mara de combustión por medio de un rente de llama que recorredic)a c+mara y a encendiendo la mezcla resca que encuentra en su camino.

%i"ura 2. %rente de llama en la combustión de un ME(.

El rente de llama, como se representa en la #"ura 2, a quemando la mezcla

resca que se encuentra delante y dejando detr+s los "ases quemados a muyalta temperatura. (or tanto, la temperatura en la c+mara de combustión no es)omo"énea. (or otro lado, la elocidad del rente de llama es subsónica ye*iste )omo"eneidad de presión dentro de la c+mara.

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La #"ura 3 muestra la eolución de la presión rente al +n"ulo del ci"4e1aldurante el proceso de combustión en un motor de cuatro tiempos. Antes delpunto muerto superior -5 6 3789 la presión aumenta uertemente

%i"ura 3. Eolución de la presión con el +n"ulo del ci"4e1al.

debido a la compresión olumétrica y, sobre todo, a la liberación de calor en lareacción de combustión. !espués del punto muerto superior la presión si"ueaumentando pero con menor intensidad -debido al descenso del pistónmientras dura la combustión. En la misma #"ura se de#ne el +n"ulo decombustión -5C, que es el +n"ulo que "ira el ci"4e1al durante el proceso decombustión.

La #"ura : muestra la eolución de la temperatura en dos puntos distintos de

la c+mara; uno -punto & en las cercan0as del punto donde inicia la combustión-el rente de llama alcanza pronto a dic)o punto y otro distante del primero -elrente de llama tarda en alcanzarle, punto 2. La temperatura de la mezclaaumenta bruscamente cuando es alcanzado por el rente de llama y entra encombustión, quedando los productos a una temperatura muy superior. /eobsera i"ualmente que la temperatura que se alcanza al #nal del proceso decombustión en ambos puntos no es la misma debido a la dierencia de caloresespec0#cos de la mezcla resca y los "ases quemados.

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%i"ura :. Eolución de la temperatura en dos puntos de la c+mara decombustión

<tra ariable muy empleada en el estudio de la combustión de los ME( es laracción de masa quemada, que es la relación entre la masa de los "asesquemados en un instante y la masa total que se encuentra en el cilindro$

f q

=

mquemados

mtotal

=

mq

m [1 ]

El calor liberado )asta un determinado momento es proporcional a la racciónde masa quemada )asta dic)o instante. La cura de racción de masaquemada rente al +n"ulo del ci"4e1al tiene la orma que se muestra en la#"ura =. Como se obsera, empieza a crecer li"eramente después de lai"nición, posteriormente el crecimiento se )ace muc)o m+s brusco y,#nalmente, su alor se )ace asintótico )acia & -no lle"a a quemase toda la

masa resca por las imperecciones del proceso de combustión y por equilibrioy cinética qu0mica, tal y como se e*plicó en el cap0tulo 3. Estas tres etapasdan lu"ar a las tres ases en las que se diide el proceso de combustión enME(, que se estudian a continuación.

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%i"ura =. %racción de masa quemada rente al +n"ulo del ci"4e1al.

6.2.2. *ases de la combustión

6.2.2.1. &rimera +ase

La primera es el encendido de la mezcla y lu"ar el encendido, la ormación delrente de llama y la combustión de una peque1a parte de la mezcla. /ecorresponde con el crecimiento débil de la racción de masa quemada -entre

un => y un &8>, tal y como se indica en la #"ura =.

La i"nición es el aporte e*terno de la ener"0a de actiación de la reacción decombustión. !ic)a ener"0a se debe aportar a una cierta cantidad de masa. ?stadebe ser peque1a para que la ener"0a necesaria para la actiación no sea muyeleada, pero debe superar una ma"nitud m0nima para que el calor que libereal quemarse sea capaz de desarrollar un rente de llama que se puedatransmitir al resto de la c+mara. A olumen m0nimo de masa encendida en lai"nición se le denomina olumen m0nimo o cr0tico. <tro par+metro importante

en el encendido es el tiempo en el que se libera la ener"0a de actiación. /iéste uera demasiado lar"o, la ener"0a de actiación se podr0a perder portransmisión de calor )acia el entorno y el rente de llama no se desarrollar0a.(or tanto, la i"nición debe consistir en el aporte de una cantidad de ener"0a aun cierto olumen de masa en un tiempo su#cientemente corto.

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!urante el aporte de ener"0a, la temperatura del olumen encendido se eleabruscamente y se inician las reacciones e*otérmicas de combustión.

6.2.2.2. "e,unda +ase

@iene lu"ar la propa"ación del rente de llama a traés de la c+mara decombustió, en esta ase es donde se quema la mayor parte de la mezcla airecombustible, tal y como se obsera en la #"ura =.

El rente de llama es una rontera 0sica -del orden de centésimas de mil0metro entre los "ases quemados y la masa resca. Como ya se io, dentro deél se producen las reacciones qu0micas de combustión. La #"ura = muestra, denueo, un esquema del rente de llama supuesta la combustión laminar y serepresenta la ariación de la temperatura y las concentraciones de aire y deC<2 . Aunque el espesor del rente de llama se puede de#nir de diersasormas, se puede a#rmar que, como se ilustra en la misma #"ura, dentro delrente de llama se distin"uen dos zonas, una de calentamiento de la masaresca y otra de reacciones qu0micas.

%i"ura 7. Esquema del rente de llama.

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(or otro lado, en la #"ura 2 se mostraron dos par+metros muy relacionados conesta ase de la combustión y reerentes al rente de llama; la lon"itud decombustión -LC y la elocidad del rente de llama -C% . ?stos est+nrelacionados con el +n"ulo de combustión a traés del tiempo de combustión-tC se"'n la ecuación B2.

ac=2π ∙n ∙ t c=2π ∙n ∙ Lc

C P [2 ]

La lon"itud de combustión es la distancia que tiene que recorrer el rente dellama )asta concluir el proceso de combustión, y no es constante debido almoimiento del pistón, por lo que se suele de#nir en el (M/ ya que el tiempode combustión es, por lo "eneral, bree en comparación con el ciclo completo.La lon"itud de la combustión depende undamentalmente de la "eometr0a de lac+mara de combustión y de la posición de la buj0a -o las buj0as dentro de ella.Esta lon"itud debe ser lo m+s peque1a posible para que el tiempo decombustión sea corto, por lo que )abitualmente la buj0a se ubica en la parte

central de la c+mara de combustión, posición que es, adem+s, necesaria en losmotores multi+lulas.

En la #"ura D se muestra la eolución de la racción de masa quemada enunción de la lon"itud de combustión, que resulta una cura que depende de la"eometr0a de la c+mara de combustión. Como se obsera, la mayor0a de lamasa se quema cuando el rente de llama est+ lle"ando al #nal de su recorrido.Esto es debido a dos razones$ la primera es la propia "eometr0a del rente dellama que, al ser pr+cticamente esérico -e*ceptuando las paredes de la

c+mara de combustión, conorme aanza a encendiendo un olumen demasa resca cada ez mayor. La se"unda es debida a la dilatación de los "asesquemados. ?stos, al ir aumentado la temperatura, tienen un olumenespec0#co cada ez mayor y con#nan una "ran cantidad de masa resca en unolumen reducido en la zona de la c+mara de combustión m+s alejada delpunto de encendido.

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%i"ura D. %racción de masa quemada se"'n aanza el rente de llama.

La elocidad del rente de llama es la elocidad con la que éste aanza alrecorrer la lon"itud de la combustión. @iene dos componentes$ la elocidadpropia de combustión -CC y la elocidad de arrastre -Ca $

C% 6 CC Ca [3 ]

La elocidad propia de combustión es la elocidad con la que se muee el

rente de llama respecto de la masa sin quemar. La elocidad de arrastre, porotro lado, es la elocidad que tiene localmente el fuido en la zona de la llama yest+ precisamente proocada por la dilatación de los "ases quemados, queempujan a la masa resca )acia las paredes de la c+mara de combustión.

La elocidad propia de combustión, supuesta una combustión laminar,depende principalmente de la composición de la mezcla, de sus propiedades0sicas -entre las que destaca la diusiidad térmica, 5 y de la temperatura de

la masa resca en cada instante del proceso - C c,lam=f ( F ,α term ,T sq ) . /in

embar"o, en la mayor0a de los motores tanto el fujo como el rente de llamaest+n en condiciones de ré"imen turbulento. En ese caso, la elocidad decombustión se ri"e principalmente por la fuidodin+mica del proceso, por laintensidad de la turbulencia, tanto a escala -o tama1o microscópica comomacroscópica, alcanz+ndose elocidades muy superiores a la elocidad laminarde combustión. Esta dependencia de la elocidad del fuido en el interior delcilindro permite que la elocidad de combustión aumente con el ré"imen de

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"iro del motor, por lo que el rente de llama puede recorrer la totalidad de lalon"itud de combustión incluso a muy altos re"0menes de "iro.

La elocidad del rente de llama laminar es unción del dosado, de la

diusiidad térmica y de la temperatura de la mezcla sin quemar C C,lam 6 -%,5term, @sq.

La elocidad de la llama en condiciones turbulentas es muc)o mayor y se ri"epor los eectos fuidodin+micos del "as en el interior del cilindro.

%i"ura F. %rente de llama turbulento.

La turbulencia, a su ez, modi#ca la "eometr0a del rente de llama. ?ste,debido a los torbellinos, se deorma y deja de ser esérico, como se muestra enla #"ura Fa. Como consecuencia de esto, la super#cie del rente de llama semultiplica y el olumen que es capaz de quemar en cada instante es mayor.

/i la turbulencia es muy intensa, como sucede )abitualmente, el rente dellama aanza a la elocidad del fuido en el torbellino dejando zonas sinquemar en su interior -er #"ura Fb. Estas bolsas de masa resca se quemanposteriormente cuando el rente de llama aanza )acia su interior. !e esemodo la super#cie del rente de llama se )ace muc)o mayor, el rente aanza

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muy r+pidamente y, a su ez, se quema simult+neamente una "ran cantidadde masa resca en m'ltiples zonas de la c+mara de combustión.

6.2.2.(. Tercera +ase

Cuando el rente de llama )a recorrido completamente la lon"itud decombustión la se"unda ase del proceso de combustión #naliza y comienza latercera. Esta ase, di0cil de delimitar temporalmente, consiste en lacombustión de la masa que permanece a'n resca dentro de la c+mara decombustión debido a las bolsas creadas durante la propa"ación del rente dellama turbulento. Esta combustión se produce ya que el rente de llama aanza)acia el interior de las bolsas, como se e*plicó anteriormente. El calor o la

racción de masa que se quema en esta ase es, como se obsera en la #"ura=, muy peque1o.

6.2.(. *actores 0ue inuyen en la determinación del avance delencendido

/e denomina aance del encendido al +n"ulo que orma en el dia"rama de ladistribución el punto del encendido con el punto muerto superior. En la #"ura Gse muestran diersos dia"ramas p5 con distintos aances del encendido.

%i"ura G. Eolución de la presión con distintos aances delencendido.

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Hn aance demasiado "rande -un encendido demasiado adelantado2 suponeque el aumento de presión sea mayor con anterioridad al (M/ y menorposteriormente. Esto resta trabajo indicado al ciclo, ya que la presión enc+mara antes del (M/ debe ser encida por el pistón mientras que la presióndespués del (M/ es aorable a la e*pansión.

(or otro lado, un aance demasiado peque1o -combustión muy retrasadaconduce a presiones menos eleadas, ya que la combustión sucedemayoritariamente en la carrera de e*pansión, por lo que las presiones que sealcanzan y el trabajo que se desarrolla son menores.

%i"ura &8. !ia"rama del indicador para dierentes aances del

encendido.

En la #"ura &8 se representan los dia"ramas del indicador correspondientes alos distintos aances de la #"ura G. En ella se puede obserar cómo,eectiamente, e*istir+ un aance óptimo del encendido que ma*imice eltrabajo indicado.

El aance óptimo del encendido ar0a dependiendo de las condiciones de

trabajo de cada motor y tiene relación directa con el +n"ulo de combustión. (ortanto, los actores que determinan dic)o aance se pueden estudiardesarrollando la ecuación B2.

[3 ]

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La ecuación B: indica que el +n"ulo de combustión depende de la relaciónentre la lon"itud de combustión y la carrera -LC/ y de la relación entre laelocidad media lineal del pistón y la del rente de llama -CmC% . El actorLC/ es un actor "eométrico #jo para cada motor. El alor que debe tomar esdeseablemente peque1o para que el +n"ulo de combustión también lo sea. (or

ese motio, como se indicó anteriormente, se deben dise1ar c+maras decombustión con una lon"itud de combustión peque1a. En cuanto al actorCmC% , es un actor que depende de las condiciones operatias. La elocidadlineal media del pistón depende del ré"imen de "iro del motor. (or otro lado, laelocidad del rente de llama, como se indicó, depende principalmente de lacomposición y riqueza de la mezcla, de la naturaleza del combustible, de latemperatura de la masa resca durante el proceso de combustión y, al ser unacombustión turbulenta, del ré"imen de "iro del motor. La riqueza de la mezclaen motores de automoción as0 como la naturaleza del combustible soninariantes con respecto al punto de uncionamiento del motor3 . /in embar"oel "rado de car"a del motor s0 aecta a la presión de admisión y,consecuentemente, a la concentración de "ases residuales en el nueo ciclo;es decir, el "rado de car"a del motor infuye sobre la composición de la mezcla.Al ser los "ases residuales inertes, una reducción del "rado de car"a disminuyela temperatura que se alcanza en la c+mara de combustión y, con ello, laelocidad del rente de llama.

6.2.). Combustión anormal en ME&. Combustión detonante yencendido super3cial

Jasta el momento se )a estudiado la combustión normal en los ME(, es decir,una defa"ración de cuya i"nición se tiene el control y es proocadaoluntariamente por un a"ente e*terno. /in embar"o, a lo lar"o de la )istoriade los ME( )an sido recuentes diersos tipos de combustión err+tica, nodeseada. Los dos tipos de combustión anormal m+s )abituales son la llamada

detonación o picado y la combustión por encendido super#cial.

6.2.).1. Combustión detonante en ME&

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La detonación o picado es la autoinfamación no deseada de parte de la masaresca antes de que sea alcanzada por el rente de llama, y se produce debidoa las condiciones de presión y temperatura en las que se encuentra la mezclatoda0a sin quemar. Es, por tanto, una combustión espont+nea, no deseada ymuy brusca, ya que sucede pr+cticamente de manera simult+nea en toda la

masa resca que en ese instante no )a sido alcanzada por el rente de llama.Jay que tener en cuenta, adem+s, que la mayor parte de la masa resca, enuna combustión normal, se quema cerca del #nal del proceso de combustión-er #"ura D, por lo que la autoinfamación suele suceder en una "rancantidad de masa.

%i"ura &&. !ia"rama p5 durante una combustión en la que se producedetonación.

Al ser la combustión muy intensa, con una liberación de calor muy r+pida, se"enera un uerte aumento de la temperatura y de la presión en la c+mara decombustión. El repentino aumento de presión prooca una onda de presión quee*perimenta repetidos enómenos de refe*ión o rebote cuando lle"a a lasparedes de la c+mara de combustión. El enómeno de detonación quedarelejado en le dia"rama p5, que muestra la oscilación de la presión debido ala propa"ación de la onda que por la c+mara -#"ura &&.

El "olpeo de la onda de presión con las paredes ocasiona deterioros mec+nicosy, adem+s, rompe la capa l0mite térmica del "as en contacto con las paredes,por lo éstas pasan a estar en contacto con un "as a muy alta temperatura ypueden lle"ar a presentarse usiones locales en los pistones, la culata y las+lulas Kde a)0 el nombre de picadoK. Adem+s, la detonación se caracterizapor un ruido peculiar -"olpeteo met+lico que le )acen +cilmente detectableaudiblemente y produce una ibración del motor a una recuencia determinada

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-su recuencia natural o propia que permiten detectarla con sensores deaceleración.

El enómeno de detonación )a estado presente y )a sido objeto de estudio

desde los or0"enes de los ME(. Los actores determinantes que permitenconocer si se producir+ la autoinfamación de la mezcla en el uncionamientodel motor son el tiempo de combustión y el llamado tiempo de retraso. Enconcreto, la detonación ocurrir+ cuando el tiempo de retraso sea menor que eltiempo de combustión y, de esa orma, se autoinfame la masa que a'n no )asido alcanzada por el rente de llama. (or tanto, lo deseable es que el tiempode combustión sea bree y el tiempo de retraso dilatado.

El tiempo de combustión -tC se relaciona con el +n"ulo de combustión a

traés de la ecuación B:. Los actores m+s importantes que )acen posible sureducción ya )an sido, por tanto, estudiados. En este sentido cabe recordarque se debe procurar una peque1a lon"itud de combustión -que puede limitarel di+metro del cilindro y una alta elocidad del rente de llama,necesariamente turbulenta.

El tiempo de retraso en la autoinlamación de una mezcla -r , como tambiénse io en el cap0tulo 3, es un tiempo de prerreacciones qu0micas y transcurredesde que la mezcla se encuentra en unas determinadas condiciones de

presión y temperatura )asta que se produce la primera reacción altamentee*otérmica de combustión. En el caso de los ME( el concepto de tiempo deretraso -tr en ME( es el mismo, pero se debe tener en cuenta que lascondiciones de presión y temperatura son ariables durante el ciclo, por lo queambos tiempos -r y tr no coinciden numéricamente. Los actores queinfuyen el tiempo de retraso se muestran en la tabla &.

@abla &. %actores que aectan al tiempo de retraso de una mezcla.

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En la mayor0a de ME( actuales, el dosado es pr+cticamente el estequiométricopara que el catalizador de tres 0as uncione correctamente y se reduzcan lasemisiones contaminantes, por lo que la riqueza de la mezcla no puede seralterada. (or otro lado, el eecto de la presión, debido a los alores que tomaen los puntos )abituales de uncionamiento del motor, es pr+cticamente

inapreciable en comparación con los otros actores, por lo que su infuencia sepuede obiar. As0 pues, los actores que determinan el tiempo de retraso son latemperatura de los "ases no quemados y el combustible empleado.

/e"'n lo indicado en la tabla 7.&, el tiempo de retraso decrece con latemperatura de los "ases no quemados. (ara eitar la detonación se debencontrolar los actores que eleen la temperatura en la c+mara; se debe limitarla relación de compresión y se debe dotar de una buena reri"eración en laparte superior del bloque y de la culata. (or el mismo motio, la

sobrealimentación en los ME( no es siempre adecuada y, en caso de quee*ista, la relación de compresión debe ser inerior a la de los motores deaspiración natural.

La temperatura de los "ases no quemados también se puede controlar a traésdel aance del encendido y del "rado de car"a. Con un encendido adelantadoel aumento de la presión y de la temperatura es mayor que con uno retrasado,por lo que el control electrónico del motor puede retrasar el encendido en casode que detecte la presencia de combustión detonante. (or otro lado, la

reducción del "rado de car"a aumenta el contenido de "ases residuales en lamasa resca, lo que )ace disminuir su temperatura.

El otro "ran actor que determina el tiempo de retraso es el combustibleempleado. Como norma "eneral, no siempre cierta, los combustiblescompuestos por )idrocarburos de cadenas cortas, rami#cadas y saturados

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-para#nas Kqu0micamente m+s di0ciles de atacarK, tienen menor tendencia ala detonación que los de alto contenido en )idrocarburos lineales, de cadenaslar"as, con enlaces dobles y triples -ole#nas o los arom+ticos. (ara medir latendencia a la detonación de un combustible se emplea el 0ndice de octano.

El 0ndice o n'mero de octano de un combustible -< es un n'mero que secorresponde con la proporción -en > de isoctano que debe )aber en unamezcla de isoctano)eptano= que ten"a la misma tendencia a la detonaciónque el combustible. El 0ndice de octano de un combustible puede ser mayor de&88 o menor de 8. Las "asolinas comerciales, "racias a los aditios que se lesincorporan, suelen tener un 0ndice de octano que ar0a entre G8 y GF.

El metanol, por ejemplo, tiene un < 6 &8=, y el "as natural tiene un <6&28.

Es importante resaltar que el empleo de un combustible de mayor o menor0ndice de octano no mejora o empeora el comportamiento de un motorconcreto en cuanto a prestaciones o rendimiento. /in embar"o un alto n'merode octano reduce la tendencia a la detonación, por lo que los motores que seandise1ados espec0#camente para utilizar combustibles con alto 0ndice de octanopueden tener mayor relación de compresión o un punto del encendido mejoroptimizado sin que aparezcan problemas de detonación, por lo que susprestaciones, debido a estas dierencias del dise1o y de los re"lajes, s0 puedenser mayores.

6.2.).2. Encendido super3cial

El encendido super#cial es un enómeno no deseable en la combustión de losME( que consiste en la i"nición de la mezcla en al"'n punto -o al"unos puntosde las paredes de la c+mara de combustión o en la propia buj0a debido a la altatemperatura a la que se encuentran -puntos especialmente calientes debido ala presencia de )oll0n. Este tipo de encendido, que )oy en d0a ya no es com'n,sucede sin control al"uno y puede conducir a distintos tipos de combustión

err+tica.

El encendido super#cial puede darse antes o después de que salte la c)ispa enla buj0a. En el caso de que el encendido super#cial sea posterior al salto de lac)ispa el enómeno se denomina postencendido y sus repercusiones no sonmuy da1inas. La i"nición en el punto caliente produce un nueo rente de

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llama, por lo que la combustión es m+s r+pida y se pueden producir "randes"radientes de presión y de temperatura que pueden da1ar el motor y producenuna marc)a m+s brusca del motor y un ruido peculiar.

(or otro lado, si el encendido super#cial sucede con anterioridad al salto de lac)ispa se denomina preencendido y sus repercusiones pueden ser muyne"atias. En primer lu"ar, el instante de la i"nición ya no est+ controlado, porlo que el aance del encendido no es el óptimo sino que se encuentraadelantado. Esto, en el caso menos desaorable, repercute en el trabajoindicado del ciclo, que se er+ reducido. /in embar"o, la consecuencia m+simportante del preencendido es la tendencia a la detonación$ al adelantarse elencendido, la temperatura de los "ases no quemados es mayor, por lo que eltiempo de retraso se reduce y es muy posible que se produzca una combustióndetonante. Adem+s, al no tener controlado el momento de la i"nición, el

problema no se puede solucionar retrasando la c)ispa en la buj0a. El preencendido suele conducir a combustiones detonantes que son, adem+s, muyintensas ya que el problema se debe a un encendido demasiado adelantado yla masa de mezcla que se autoinfama es muy eleada.

El problema puede ser, incluso, m+s "rae si el encendido se adelanta cada ezm+s ciclo a ciclo. En tal caso, las presiones y temperaturas alcanzadas puedenproducir da1os mec+nicos irreersibles.

6.(. COM!"T#$% E% MEC

La combustión en los MEC, es una combustión por diusión que se inicia con laautoinfamación de una peque1a cantidad de masa. En el proceso de admisiónse introduce e*clusiamente aire en el cilindro. (osteriormente, en un puntopró*imo al #nal de la compresión, se empieza a inyectar el combustible.

El papel que jue"a la inyección, que se estudia m+s detenidamente en elapartado 7.3.2, es undamental, ya que desencadena y controla el proceso decombustión$ el inicio de la combustión iene proocado por la autoinfamaciónde la primera racción de combustible inyectado, debido a que las condicionesde temperatura en las que se encuentra al aire son su#cientes paraautoencender el combustible. Este enómeno se produce una ez transcurridoun bree tiempo llamado tiempo de retraso.

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En la #"ura &2 se muestra un ejemplo de ley de inyección junto con laeolución de la presión rente al +n"ulo del ci"4e1al. En ella se muestran,adem+s, las distintas etapas o ases del proceso de combustión. Estas son laprimera ase o de prerreacciones, la se"unda ase o de combustión r+pida y latercera ase o de combustión por diusión, y se estudian en el apartado 7.3.3.

%i"ura &2. !ia"rama p5 durante la combustión de un MEC y su ley deinyección.

La orma de la ley de inyección es undamental en los MEC ya que infuye sobre

las tres ases de la combustión.

Con respecto a los combustibles que se pueden emplear, en el caso de los MECtienen que satisacer dos condiciones undamentales. (or un lado, deben teneruna +cil tendencia a la autoinfamación, que se debe traducir en cortostiempos de retraso. (or otro lado, deben poseer ciertas caracter0sticas 0sicasque aciliten el proceso de inyección y que permitan lubricar, a su ez, el propiosistema de inyección -bombas e inyectores. Los combustibles que satisacenambas condiciones son los "asóleos y los uelóleos7 . /u iscosidad bene#cia a

la lubricación del sistema de inyección pero no es lo e*cesiamente alta comopara impedir una buena atomización y pulerización del combustible.

6.(.2. &rincipales +unciones de la inyección en MEC. Microme4cla ymacrome4cla

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Como ya se )a dic)o, la ley de inyección jue"a un papel undamental en lacombustión en los MEC. /u objetio principal es introducir la cantidad decombustible deseada en las condiciones adecuadas y con una ley determinadapara que cada una de las ases de la combustión ten"a un comportamiento yun desarrollo idóneos.

%i"ura &3. Esquema de la ormación de la micromezcla.

La inyección del combustible )a de realizarse a muy alta presión -:88 2888bar debido a la alta presión que a su ez e*iste en el cilindro y a la necesidadde pulerizar el combustible para aorecer su aporización. La pulerizaciónde un c)orro depende, entre otros actores, de la elocidad a la que se inyectaque, a su ez, depende de la dierencia de presiones que e*ista entre elinyector y la c+mara de combustión.

La pulerización es necesaria para que el combustible se aporice con rapidezy, de esa orma, se pueda mezclar la cantidad deseada con el aire de la c+marade combustión en un tiempo lo su#cientemente corto. La mezcla delcombustible aporizado en el entorno de la "ota con el aire se denominamicromezcla y se ilustra en la #"ura 7.&3. Como se obsera, la "ota de l0quidoatomizado se aporiza por su parte e*terior. La racción aporizada se empiezaa mezclar con el aire que encuentra a su alrededor de orma que e*iste unadistribución del dosado en el sentido radial de la "ota. (or tanto, la mezcla noes )omo"énea, caracter0stica que, como se er+, es undamental en la

se"unda ase de la combustión.

<tro aspecto importante de la inyección es la macromezcla. La macromezcla esla distribución de los c)orros de combustible a lo lar"o de la c+mara decombustión. ?sta es necesaria para el buen reparto de los c)orros en toda lac+mara y se puede mejorar aumentando el n'mero de ori#cios, inyectando

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c)orros a distintos nieles y a alta presión e introduciendo turbulencia que"eneren remolinos como los que se indican en la #"ura &:.

%i"ura &:. Esquema de la ormación de la macromezcla.

%i"ura &=. (rec+mara e inyección indirecta en MEC.

La micromezcla y la macromezcla son enómenos sobre todo importantes enlos motores de inyección directa -en los que el inyector se encuentra en elpropio cilindro. /on los ilustrados )asta el momento. En ellos, sobre todo enlos "randes motores estacionarios, la ormación de la mezcla se encomiendae*clusiamente a la inyección, ya que el combustible se inyecta directamenteen el cilindro sin e*istir pr+cticamente turbulencia. En los motores de inyeccióndirecta de automoción, m+s peque1os y r+pidos y con inyectores de muy altapresión )asta 2288 bar, la mezcla se encomienda i"ualmente a lapulerización del c)orro pero se introduce una alta turbulencia "racias al

dise1o de las c+maras de combustión, por lo que se a"ilizan y pereccionan losprocesos de micromezcla y macromezcla y se posibilita, de esa orma, eluncionamiento a mayores re"0menes de "iro. (or 'ltimo, en los motores deautomoción de inyección indirecta con prec+mara -er #"ura &=, la inyecciónno jue"a un papel tan cr0tico ya que la aporización y el proceso de mezcla sepuede aorecer con una alta turbulencia y diri"iendo el combustible )acia lapared de la prec+mara, buscando lo que se conoce como eecto de pared

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caliente. En estos motores la combustión es m+s lenta pero m+s suae, debidoa que la )omo"eneización de la mezcla es menor.

6.(.(. *ases de la combustión

6.(.(.1. *ase del tiempo de retraso

La primera ase de la combustión en los MEC tiene lu"ar desde el momento enel que comienza la inyección del combustible )asta que inicia laautoinfamación de la mezcla. La eolución de la presión en la c+mara, como seobsera en la #"ura 7.&2, es la que e*istir0a si la combustión no se )ubierainiciado, ya que la cantidad de calor liberado es pr+cticamente nula.

!urante su transcurso tienen lu"ar procesos 0sicos y qu0micos. Los procesos0sicos infuyen en las ya mencionadas atomización y eaporación delcombustible y en la mezcla de la racción eaporada con el aire circundante.(or otro lado, los procesos qu0micos consisten en el inicio de las primerasreacciones de combustión, poco e*otérmicas, que aanzan "racias a que latemperatura es mayor a la de autoinfamación -er cap0tulo 3. Estasprerreacciones ocurren sólo en las zonas donde ya se )a mezclado elcombustible con el aire y transcurren con mayor rapidez en los puntos donde eldosado es el estequiométrico -er #"ura 7.&7.

%i"ura &7. @iempo de retraso en unción del dosado.

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Los actores que aectan al tiempo de retraso son los mismos que losestudiados en los ME(. /in embar"o y a dierencia de estos 'ltimos, en los MECeste periodo coniene que sea bree. /i"uiendo una estructura an+lo"a alestudio de los ME(, la tabla 2 resume los principales actores que aectan altiempo de retraso en MEC.

@abla 2. %actores que aectan al tiempo de retraso en un MEC.

En el caso de los MEC, el dosado no es )omo"éneo en la c+mara decombustión debido, por un lado, a que la eaporación de las "otas y la mezclacon el aire se realiza simult+neamente al inicio de las prerreacciones y no datiempo a que se )omo"eneice la mezcla y, por otro, a que la macromezcla no

es perecta. Como indica la #"ura 7.&7, el tiempo de retraso de una mezcla esm+s bree cuanto m+s cercana a la estequiometr0a sea su riqueza. (or tanto, laautoinfamación se dar+ con anterioridad en los puntos con dosado localestequiométrico y el tiempo de retraso lo marca la autoinfamación en dic)ospuntos, donde el tiempo de retraso es menor.

(or otro lado, el eecto de la presión sobre el tiempo de retraso, debido al alorque toma en los puntos )abituales de uncionamiento y como ocurr0a en losME(, es pr+cticamente inapreciable.

En lo reerente a la temperatura de los "ases no quemados -en este caso est+nmezclados con los quemados ya que no e*iste un rente de llama que lossepare, es deseable que sea alta para que el tiempo de retraso se reduzca.(ara ello, los MEC se dise1an con alta relación de compresión -para arranquesen r0o es necesario, en al"unos casos, resistencias que precalienten lamezcla. (or el mismo motio, en los MEC la sobrealimentación aorece la

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reducción del tiempo de retraso y, en los motores de inyección indirecta, sebusca el eecto de pared caliente.

(or 'ltimo, otro actor determinante del tiempo de retraso es el combustible

empleado. (ara ealuar la tendencia a la autoinfamación de los "asó leos serecurre al 0ndice o n'mero de cetano, que se corresponde con la composiciónporcentual en cetano presente en una mezcla de cetanoD y 5metilnatalenoque ten"a el mismo tiempo de retraso que el "asóleo o uelóleo empleado. /usalores oscilan entre :8 y 78 y son mayores cuanto menor sea el tiempo deretraso. An+lo"amente a lo que ocurr0a con las "asolinas, a los "asóleos se lesa1aden aditios que aumentan su n'mero de cetano, aunque no lo )acen deorma tan notoria como ocurr0a con el n'mero de octano. Las caracter0sticas delos )idrocarburos que )acen aumentar -o disminuir el tiempo de retraso ya)an sido estudiadas en el apartado 7.3, siendo deseable que la composición del

"asóleo sea rica en arom+ticos, )idrocarburos c0clicos o cadenas lar"as conenlaces insaturados -ole#nas.

6.(.(.2. Combustión r'pida

La se"unda ase de la combustión comienza cuando se inicia laautoinfamación del combustible que se )a eaporado y mezclado con el airedurante la primera etapa. /e puede decir que la autoinfamación inicia cuando

tiene lu"ar la primera reacción muy e*otérmica. Cuando #naliza se obtienenpr+cticamente las presiones m+s eleadas de la combustión.

Es una ase de combustión muy r+pida pero controlada, en la que seautoinfama en un tiempo muy bree una "ran cantidad de masa, aunque elproceso no es instant+neo debido principalmente a la )etero"eneidad de lamezcla. En la #"ura &2 se obsera el uerte "radiente de presión que se ori"inadurante esta ase. A pesar de que es una ase de combustión muy intensa, nolo es tanto como la detonación en ME(, ya que la masa que se autoinfama es

mayor en esta 'ltima y, adem+s, en los ME( la mezcla es )omo"énea, por loque toda la masa que se autoinfama en la detonación lo )acesimult+neamente.

Los principales actores que )ay que considerar en esta ase son la presiónm+*ima alcanzada y el "radiente de presiones en el dia"rama p5. La presión

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se debe limitar por razones mec+nicas. ?sta ser+ tanto mayor cuanto lacantidad de combustible eaporizado y mezclado con aire en la primera asesea mayor. (or tanto, el tiempo de retraso y la ley de inyección infuyen sobreel aumento de presión en la c+mara; cuanto mayor sea el tiempo de retraso,m+s combustible se mezclar+ con el aire y la presión alcanzada ser+ mayor. Lo

mismo ocurre con la ley de inyección; si se inyecta m+s combustible en elmismo tiempo durante la primera ase, la autoinfamación ser+ m+s intensa yla presión alcanzada mayor. (ara aclarar esta idea, la #"ura &D compara dosleyes de inyección que suministran la misma cantidad de combustible pero condistinta elocidad. La se"unda ase de la combustión, considerado idénticotiempo de retraso, ser+ m+s intensa con la ley de inyección 2, ya que seeaporar+ mayor cantidad de combustible porque se )a inyectado m+s.

%i"ura &D. Comparación de dos leyes de inyección.

El "radiente de presiones debe ser controlado principalmente por razones deruido del motor. La pendiente de la presión est+ m+s relacionada con la)omo"eneidad de la mezcla que, a su ez, depende de la micromezcla y lamacromezcla.

Estos dos actores, presión m+*ima y "radiente de presiones, no deben sere*cesios. En caso contrario se dice que el motor unciona con marc)a dura,que se caracteriza por un uerte ruido y una brusquedad en el motor debido alas altas presiones que, adem+s, pueden producir deterioros mec+ nicos. (araeitarla, en muc)os motores se limita la cantidad de combustible que se

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autoinfama por medio de la ley de inyección, realizando una preinyección, quees la que suministra el combustible que se eapora y autoinfama,prosi"uiendo posteriormente la inyección del combustible que se debe quemaren la tercera ase -#"ura &F.

%i"ura &F. Ley de inyección con preinyección.

Re+erencias

Marta Mu1oz !omin"uez Antonio Nose Ooira de Antonio. -28&:. Capitulo 7 . EnMaquinas @ermicas-7F&. Madrid$ HE!.

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Combustion en MEC y MEP

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