MEP carga homogénea (MEP) CAI Fr>1 MEC HCCIpersonales.upv.es/carguaga/MCIA/L7.- Combustión en...

L6.- Combustión en MEP Carlos GuardiolaSeptiembre 2012

MEP carga homogénea

MEP carga estratificada

Fr<<1

MEC convencional

DI IDI

Fr=1

Fr<1

Fr>1(MEP) CAI

HSDIlento

MEC HCCI

LTC

homogénea ▲estratificada ▼

Fr=1

Fr<1

ence

ndid

o pr

ovoc

ado ▲

auto

ence

ndid

o ▼



0102030405060708090

100

GasolinePFI

stoich

DI SI Gasstratified

lean

GasolineCAI

stoich

GasolineCAIlean

DieselHCCIlean

DieselDI

lean

Rel

ativ

e F

uel C

onsu

mpt

ion

(%)

0102030405060708090

100

GasolinePFI

stoich

DI SI Gasstratified

lean

GasolineCAI

stoich

GasolineCAIlean

DieselHCCIlean

DieselDI

lean

GasolinePFI

stoich

DI SI Gasstratified

lean

GasolineCAI

stoich

GasolineCAIlean

DieselHCCIlean

DieselDI

lean

Rel

ativ

e F

uel C

onsu

mpt

ion

(%)


MEP carga homogénea

MEP carga estratificada

Fr<<1

MEC convencional

DI IDI

Fr=1

Fr<1

Fr>1CAI

HSDIlento

MEC HCCI

LTC

homogénea ▲estratificada ▼

Fr=1

Fr<1

ence

ndid

o pr

ovoc

ado ▲

auto

ence

ndid

o ▼


CONTENIDO

Introducción. Generalidades de la combustión

Proceso de combustión en MEP. Fases

Factores que afectan a la combustión

Combustión anormal en MEP. Detonación

Combustión con cargas estratificadas y CAI

Resumen

INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.

FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


INTRODUCCIÓN

La combustión de la mezcla en el cilindro es uno de los fenómenos que controlan la potencia, rendimiento y las emisiones del motor

En el caso de los motores MEP convencionales, la combustión comienza tras el aporte de energía externa (e.g. chispa) a una mezcla homogénea

Motor de explosión

terminología incorrecta

Tipos de combustión:

Generalizada (autoencendido o explosión)

Localizada (frente de llama)

Detonación (∆p,∆T)

Deflagración: (∆T)

– Premezclada MEP

– Difusión MEC


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


INTRODUCCIÓN

Importancia de la combustión sobre el funcionamiento de los MCIA:

Rendimiento de la combustión ηi

Velocidad de la combustión ηi

Formación de contaminantes

Combustión anormal


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


INTRODUCCIÓN

Estudio del proceso de combustión (I):

Visualización

Evolución de la pcil

( )p ( ), , ,a res fV m m m( ), ( )T FQL


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


PROCESO DE COMBUSTIÓN EN MEP

Fenomenología del proceso: Mezcla homogénea

Encendido provocado

Propagación del frente de llama

Velocidad de combustión

Tiempo de combustión

Combustible MEP: Elevada volatilidad: debe permitir la formación de una mezcla homogénea

Resistencia a la autoinflamación: elevado número de octano (NO)

Gasolina, GLP, GN, etanol, metanol


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI

Combustión subsónica –deflagración

Combustión turbulenta

Dispersión cíclica


VELOCIDAD FRENTE DE LLAMA

Frente de llama:


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI



Frente de llama:

Velocidad de combustión laminar

Hipótesis

•VCL = 80 cm/s

•Duración comb. 120º cig.

•Radio cámara: 40 mm.

nmáx = 400 r.p.m.

La velocidad de avance del frente de llama no se justifica por un proceso de combustión laminar


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI



Frente de llama:

bomba a volumen constante


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI



Combustión turbulenta:

Turbulencias en el campo de velocidad (micro y macro)

Plegamiento en el frente de llama gran superficie

Velocidad de combustión turbulenta: 20T

L

u

u

La turbulencia aumenta con n


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI



Avance del frente de llama:

Expansión de los gases quemados (ua)

Velocidad de la combustión (uC) Laminar o turbulenta

f C au u u


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


EVOLUCIÓN DE LA PRESIÓN EN CÁMARA

Si consideramos el proceso de combustión en un MEP:

V=V()

Avance del frente de llama liberación de calor

La variación de la presión en cámara es consecuencia de ambos efectos

p=p()


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI



Fases de la combustión –Encendido: chispa eléctrica.

–Fase inicial (1): desde el salto de la chispa hasta que la presión supera la correspondiente a la compresión. Combustión laminar.

–Fase principal (2): finaliza cuando se alcanza la presión máxima. Es turbulenta, en ella se quema la mayor parte de la mezcla.

–Fase final o residual (3): Es laminar y es difícil precisar dónde termina. En ella se quema la mezcla cercana a las paredes.

–Extinción


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI



Fases de la combustión


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI



Parámetros significativos

Ángulo/tiempo de combustión αC,tC Ángulo/tiempo de retraso α1,t1 Velocidad media de combustión uC

Gradiente de presión dp/dα,dp/dt

Presión máxima pmax

2

60m

CC C

cn L L

u S u

C

C

Lt

u


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN

Factores de diseño:

Cámara de combustión

Posición de las bujías

Factores de funcionamiento:

Régimen de giro del motor

Grado de admisión

Dosado

EGR

Punto de encendido

Existen variaciones locales en los niveles de turbulencia, dosado, EGR, etc. dispersión cíclica

presión en cámara en varios ciclos consecutivos en un MEP-2T de competición


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Cámara de combustión

Debe favorecer la turbulencia y ser de pequeñas dimensiones para que c sea pequeño

– De cuña: concentra la mayor parte de la

mezcla cerca de la bujía. “End-gas”

pequeño.

– Hemiesférica: el recorrido de frente de

llama es pequeño y simétrico. Muy

compacta.

– Labrada en pistón: es compacta y de alta

turbulencia.

– Labrada en la culata: es compacta, pero

concentra mayor masa en “end gas”.



FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Generación de turbulencia en pipas y cámara


Tumble

Squish


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI



Centrada para minimizar el recorrido del frente de llama

Situada en zona de alta turbulencia para disminuir la primera fase de la combustión

Situada en la zona más caliente

Posibilidad de utilizar varias bujías, o varias chispas por bujía



FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI





FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Régimen de giro del motor

Al aumentar el régimen de giro aumenta ligeramente el ángulo de combustión

Según lo visto anteriormente el aumento debería ser lineal:

La velocidad de combustión uC aumenta de una forma casi lineal con n debido a un aumento en la turbulencia

Esto permite el alto régimen de giro de los MEP

2

60m

CC C

cn L L

u S u



FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Grado de admisión/rendimiento volumétrico

Grado de carga afecta al rendimiento volumétrico

Al bajar la carga aumentan residuales y disminuye la densidad en cámara disminuye la velocidad de la combustión

Además, al bajar la carga, disminuyen intensidad y escala de la turbulencia



FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Efecto del dosado

El uso de mezclas pobres (Fr<1) permite aumentar el rendimiento al disminuir la necesidad de estrangulamiento

9 10 11 12p.m.e. [bar]

280

300

320

340

g ef [

g/k

Wh

]

FR lim

FR

FR = 1

FR N



FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Efecto del dosado

Fr [-]

grad

o de

adm

isió

n [%

]



FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


En los motores modernos existen varias opciones en el diseño del mapa de dosado:

Fr = 1 catalizador 3v

Fr>1 a alta carga

prestaciones

Fr < 1 a baja carga

consumo



FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI

la decisión afecta al sistema de post-tratamiento aplicable

Ejemplo:


Efecto del EGR: Diluye la mezcla menor estrangulamiento necesario

Puede aplicarse a mezclas pobres, pero también a Fr=1



FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Punto de encendido:

Es el parámetro de control que

permite centrar la combustión

Al adelantar el encendido se quema más mezcla en la carrera de compresión, con lo que aumenta la presión máxima

Al aumentar el avance se incrementa el riesgo de combustión detonante

El punto de encendido se adapta al punto de operación (régimen y carga)



FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Efecto del avance de encendido:

0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]

0

40

80

120

Pre

sió

n [

ba

r]

-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]

8

10

12

14

16

18

p.m

.i.

[bar

]

0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]

0

40

80

120

Pre

sió

n [

ba

r]

-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]

8

10

12

14

16

18

p.m

.i.

[bar

]

0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]

0

40

80

120

Pre

sió

n [

ba

r]

-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]

8

10

12

14

16

18

p.m

.i.

[bar

]

0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]

0

40

80

120

Pre

sió

n [

ba

r]

-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]

8

10

12

14

16

18

p.m

.i.

[bar

]

0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]

0

40

80

120

Pre

sió

n [

ba

r]

-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]

8

10

12

14

16

18

p.m

.i.

[bar

]

0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]

0

40

80

120

Pre

sió

n [

ba

r]

-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]

8

10

12

14

16

18

p.m

.i.

[bar

]

0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]

0

40

80

120

Pre

sió

n [

ba

r]

-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]

8

10

12

14

16

18

p.m

.i.

[bar

]

0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]

0

40

80

120

Pre

sió

n [

ba

r]

-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]

8

10

12

14

16

18

p.m

.i.

[bar

]

0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]

0

40

80

120

Pre

sió

n [

ba

r]

-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]

8

10

12

14

16

18

p.m

.i.

[bar

]

0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]

0

40

80

120

Pre

sió

n [

ba

r]

-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]

8

10

12

14

16

18

p.m

.i.

[bar

]



FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Mapa de avance de encendido:



FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


COMBUSTIÓN ANORMAL EN MEP

Combustión normal

Combustión anormal

Autoinflamación

Encendido superficial

Detonaciónknock

PreencendidoPostencendido

Encendido superficialcon detonación

Encendido superficialsin detonaciónAutoinflamación

persistente (RUN ON)Continúa girando con el

encendido cortado

Encendido superficial creciente

Aparece cada vez antes en el ciclo

Picado intenso(WILD PING)

Detonación comoconsecuencia del

encendido superficial

Marcha dura (rumble)Ruido sordo distinto a ladetonación provocadopor frentes de llama múltiples


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


DETONACIÓN

Detonación: bajo ciertas circunstancias puede darse el autoencendido de la mezcla: combustión detonante

Aparece en puntos a elevada presión y

temperatura, tras un tiempo de retraso ()

Genera ondas de presión que rebotan en la cámara de combustión hasta ser disipadas por rozamiento

Efectos destructivos sobre el motor (pistón y culata de aluminio)

Factor limitante de potencia y rendimiento en MEP

Ruido característico

Requerimientos sobre el combustible

Grado de detonación: ligero es admisible


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Factores de funcionamiento

FACTORES QUE AFECTAN LA DETONACIÓN

FACTORES p T tCTENDENCIA A DETONACIÓN

Régimen

Grado de carga

Presión atmosférica

Temperatura atmosférica

Depósitos en cámara

CC u

Lt


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Reglajes



Avance de encendido

Dosado (=estequiométrico)

Temperatura refrigerante


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Factores de diseño



Relación de compresión

Turbulencia

Temp. fracción final // tamaño cilindro

()

Inhibidores de reacción(aditivos NO, residuales, EGR)

Recorrido de llama


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


IMPLICACIONES DE LA DETONACIÓN

Relación de compresión


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


IMPLICACIONES DE LA DETONACIÓN

Punto de encendido (avance):

Centrado de la combustión

Limitado por la

combustión detonante

en los motores actuales, generalmente se alcanza antes el límite por detonación que el punto de máxima pme


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Funcionamiento con mezcla estratificada

COMBUSTIÓN MEP CARGA ESTRATIFICADA


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI



Combustión con mezclas estratificadas/inyección directa gasolina:

Objetivo: reducir el trabajo de bombeo por eliminación (parcial) de la mariposa

Dosados globalmente pobres (por debajo del límite de inflamabilidad) a baja carga

Estratificación de la mezcla

Requiere un control muy preciso del sistema de inyección


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI



Efecto del empleo de MEP de carga estratificada a baja carga:

0

2

4

6

8

10

12

14

16

SI DISI

ener

gy

dis

trib

uti

on

[kW

h]

radiation &convection

exhaust gasenthalpy flow

chemical losses(HC+CO)

coolant waterheating

charge cycle

friction

effective power


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


COMBUSTIÓN MEP CARGA ESTRATIFICADA Adaptación del modo de funcionamiento

homogeneous λ=1

homogeneous λ>1

stratified λ>>1

EGR

REGEN.


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


Autoignición controlada: Autoencendido en condiciones controladas de una mezcla homogénea

No hay frente de llama aparente

CAI

INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN

EN MEPFACTORES

DISPERSIÓN CÍCLICA

RNUEVOS

CONCEPTOS

0102030405060708090

100

GasolinePFI

stoich

DI SI Gasstratified

lean

GasolineCAI

stoich

GasolineCAIlean

DieselHCCIlean

DieselDI

lean

Rel

ativ

e F

uel C

onsu

mpt

ion

(%)

0102030405060708090

100

GasolinePFI

stoich

DI SI Gasstratified

lean

GasolineCAI

stoich

GasolineCAIlean

DieselHCCIlean

DieselDI

lean

GasolinePFI

stoich

DI SI Gasstratified

lean

GasolineCAI

stoich

GasolineCAIlean

DieselHCCIlean

DieselDI

lean

Rel

ativ

e F

uel C

onsu

mpt

ion

(%)

MEP convencional

CAI


RESUMEN

La combustión en MEP se produce por el avance de un frente de llama en una mezcla homogénea

La expansión de los gases quemados y los fenómenos de turbulencia permiten altas velocidades del frente de llama son posibles altos regímenes de giro

El dosado afecta a la potencia y al rendimiento

El punto de encendido es un parámetro de control clave

La combustión con mezclas estratificadas permite mantener un dosado global bajo evitando el uso de la mariposa


FACTORESCOMBUSTIÓN

ANORMALR

MEP ESTRAT. y CAI


BIBLIOGRAFÍA M. Muñoz y F. Payri "Motores de Combustión Interna Alternativos" (Cap. 13-18)

J.B. Heywood "Internal Combustion Engine Fundamentals" (Cap. 9)

R. van Basshuysen y F. Schäfer "Internal Combustion Engine Handbook: Basics, Components, Systems and Perspectives" (Cap. 15)

R. Stone "Introduction to Internal Combustion Engines" (Cap. 3 y 4)

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