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Fenomenología de la combustión

A.Velázquez y J.R. Arias

Motores Alternativos

A.Velázquez y J.R. Arias

EIAE-UPM

Tipos básicos de combustión: mezcla homogénea (gasolina)

� Mezcla turbulenta de combustible y aire� Se utiliza un chispa para provocar la ignición� Un frente de llama bien definido se propaga a través de la cámara de combustión

Tipos básicos de combustión: mezcla homogénea (gasolina)

� Secuencia del proceso de ignición

Tipos básicos de combustión: mezcla heterogénea (diesel)

� El combustible se inyecta en una cámara en la que existe aire y la combustión procede a medida de que los dos flujos se van mezclando

� Las reacciones químicas tienen � Las reacciones químicas tienen lugar en la entrefase aire-combustible.

� La región de combustión ocupa un volumen 3-D

Introducción. Tipos básicos de combustión

Tipo de mezcla

Premezclada

Movimiento

Laminar

Aplicacion

Bunsen

Sin premezclar

Premezclada

Laminar

Turbulento

Turbulento

SI motor

Vela

CI motor

Comportamiento con el régimen de giro del motor

Aumento de

Mayor velocidad del fluido en la admisión

Mayor Mayor

velocidad de Aumento de RPM’s

Tiempo más corto de compresión

Mayor turbulencia

velocidad de propagación de la llama

Llama PistonV V∝

Aspectos físicos: llamas

Velocidades típicas de propagación

Laminar Turbulenta

Inyección : Introducción

� Los combustibles se almacenan en fase líquida o sólida

� El Oxígeno necesario para la combustión se suele tomardel aire (fase gaseosa)

Hay que vaporizar el combustible (convertirlo a fasegaseosa) mediante un proceso de spray

Inyección: Aspectos a considerar

� Fluidodinámica de la inyección

� Fluidodinámica de la formación del spray

� Transporte de gotas

� Flujo turbulento bifásico

� Cinética química

� Interacción entre la cinética química y la radiación

Inyección : Ejemplos de sistemas en los que se utilizan procesos de inyección

Inyección en paralelo de combustible y oxidante

Combustión casi premezclada

Cohetes de combustible líquidoCohetes de combustible líquido

z Configuración 2

F(z)


Zona 1: Combustible líquido inyectado en una corrientede aire caliente

Zona 2: Zona de combustión

Zona 3: Mezcla con aire

Turbinas de gas

r

zConfiguración 3

F(z,r)


Similar a la configuración 3 pero con una geometría máscompleja

Combustores industriales

x

y

z

Configuración

4

F(x,y,z)


Injección de combustible líquido

La combustión tiene lugar en un volumen que cambiacon el tiempo

Puede haber contacto (no deseado) entre el spray y lasPuede haber contacto (no deseado) entre el spray y lasparedes del volumen

Motores Dieselx

yz

Configuración 5

F(t,x,y,z)

Descripción del proceso de inyección

Caracterización del Spray (Física)

Distribución de gotas por tamaño

Angulo del Spray

Configuración del spray: full cone or hollow cone

Caracterización del spray (Tecnología)

Inyectores por presión: La atomización ocurre debido ala caida de presión en el inyector

Inyectores bi-fluido: la atomizacion se ve favorecida porla confluencia de una corriente de aire a alta vlocidad


La diferencia de velocidad entre gotas y gas es máximaen la salida del inyector

Se transfiere momento del líquido al gas

Hay arrastre del gas en el jet

Las gotas pequeñas en el cono de inyección seevaporan y queman en la zona de la llama de difusión

Las gotas grandes (mayor inercia) viajan a mayordistancia a lo largo del eje del spray

La temperatura (debido a la combustion) crece a lo largodel eje del spray

Combustión en spray (1)

El proceso de combustión diesel puede dividirse (fenomenológicamente) en tres partes:

• Retraso de la ignición.

• Fase de premezcla

• Combustión

Fuel

Liquido

VaporizaciónCrece la

temperatura

Autoignicion

Atomización

Combustion

Combustión en spray


Fase 1

• El líquido arrastra aire del ambienteambiente

• El arrastre tiene lugar en los laterales del jet

• El fuel se vaporiza en esa región


Fase 2

• Se empieza a formar en vórtica de cabeza del chorrovórtica de cabeza del chorro

• El vórtice de cabaze está formado por fuel vaporizado

• Empieza a haber combustión premezclada dentro delvórtica

• T ~ 1600 K


Fase 3

• Se empieza a formar una • Se empieza a formar una llama turbulenta de difusión en el vórtice


Fase 4

• La zona de llama crece de manera controlada

• Se mantiene una condición cuasi-estacionaria

• La zona de llama se expande por toda la cámara de combustión

Modelos

Correlaciones

Modelos balísticos de gotas

Modelos unidimensionales

Modelos de flujo localmente homogéneoModelos de flujo localmente homogéneo

Modelos bifásicos

Modelos

Correlaciones

No son genéricas. Limitadas a configuracionesparticulares.

Buenas para derivar mapas de actuaciones de unaconfiguración determinadas. Malas para hacer diseñosnuevos.nuevos.

% de fuel evaporado función de P, T, v, característicasdel injector y distancia a la salida del propio inyector.

Apertura del spray función de P, T, v, características delinjector y distancia a la salida del propio inyector.

Cantidad de calor liberado función del cauda deinyyección

Correlaciones para emisiones de NO

Modelos

Modelos balísticos de gotas

Se supone temperatura y velocidad de las gotasconstantes.

El arrastre del gas gas ambiente no se considera.

El comportamiento del Spray está determinado por elcomportamiento de las gotas individuales.

El comportamiento de las gotas y del gas ambiente estácasi desacoplado.

Tienden a sobreestimar la tasa de vaporización de gotas

Modelos

Modelos unidimensionales

Consideran interacción entre las fases líquida ygaseosa.

La difusión de gotas en un flujo turbulento no seconsidera.considera.

1-D significa transitorio sin gradientes espaciales.

Son más sofisticados que los anteriores pero aúncontienen muchas constantes semiempíricas de cierre.

Buenos para el diseño. Malos para estudiar en detalle lacombustión del spray.

Modelos

Flujos localmente homogéneos (LHF) (1)

Las dos fases (líquido y gas) están en equilibriotermodinámico.

La diferencia de velocidad líquido-gas no se considera.

La hipótesis principal es que el tiempo característico deltransporte entre fases es mucho más rápido que el tiempotransporte entre fases es mucho más rápido que el tiempocaracterístico de movimiento del flujo.

La formulación soporta modelos (simplificados) decombustión.

LHF puede ser considerada como ellímite asintótico deun spray cuyas gotas son infinitamente pequeñas.

Aún tiene constantes semiempíricas pero menos que losmodelos anteriores.

Modelos

LHF (2)

Hipótesis básicas

Los coeficientes de transporte son los mismos paratodas las especies.

La combustión es adiabática.

La radiación y los efectos viscosos no se consideran.

Las reacciones químicas son infinitamente rápidas(equilibrio).

El flujo es estacionario y axysimétrico.

La turbulencia se simula con un modelo de turbulencia,típcamente k-ε.

Modelos

Modelos de flujo bifásico

Hay transprote entre fases en condiciones de fuera deequilibrio.

Formulación Lagrangiana para las gotas. Euleriana parael gas.el gas.

La distribución de gotas fj(r,x,u,v,t) es contínua ydepende de las variables fluidodinámicas.

Formulación contínua. Gotas y gas se tratan comomedios interpenetrantes.

Modelos

LHF: resultadosnuméricos vsexperimentales

Modelos

LHF: resultados numéricos vs experimentales

Modelos

Modelos de flujo bifásico: resultados numéricos vs experimentales

Tipos de inyectores

Modelos

La combustión en un motor

diesel es heterogénea,

multifase y 3-D.

En la actualidad, los

fabricantes utilizan modelos

basados en CFD

Código KIVA (Los Alamos)

• 3-D

• No estacionario

• Multifase

• Multicomponente

• Metodología Lagrangiana-

Euleriana

• Volúmenes finitos

• Low Mach a supersónico

• Laminar y turbulento

Modelos

Fuente: Universidad de Wisconsin at Madison

Modelos

Fuente: Universidad de Wisconsin at Madison. Estructuras coherentes:

superficies de isovorticidad. Proyecto para aumentar el mezclado y la

turbulencia en la cámara de combustión.

Modelos

Fuente: Universidad de Wisconsin at Madison.

5

6

7

8

9

10

11

12

Press

ure [

MP

a]

E x p erim en t

Sim ulat io n

� Cylinder bore X stroke (mm) 137.6 X

165.1

� Displacement volume (L) 2.44

� Compression ratio 15.1

� Engine speed (rpm) 1600

� % Load 75

� START OF INJECTION -9 ATDC

� Duration of injection (degree) 21

4

5

-10 -5 0 5 10 15 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0

C A [ o A TD C ]

-3 0

7 0

17 0

2 7 0

3 7 0

4 7 0

-10 -5 0 5 10 15 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0

C A [o

A T D C ]

Hea

t R

elea

se [J

/Deg

ree] E x p e r im e n t

Sim ula t io n

� Duration of injection (degree) 21

Cámaras de combustión

Combustibles

Gasolinas:

� Mezcla de parafinas, olefinas, naftalenos e hidrocarburos aromáticos

� Hidrógeno / Carbono = 1.6 a 2.4 aprox.

� Fórmula típica C8H15

� Peso molecular = 100 aprox

� La tendencia a la autoignición se mide con un número que se denomina índice de octanooctano

Diesel:

� Mezcla de parafinas, olefinas, naftalenos e hidrocarburos aromáticos en una proporciones distintas de la gasolina

� Peso molecular = 200 aprox

� Mayor energía por unidad de volumen que las gasolinas (+ 8%)

� La capacidad de ignición se mide con un número que se denomina índice de cetano

Combustibles alternativos

� Son, básicamente: metano, gas natural, propano, alcohol, e hidrógeno.

� En 2000, su índice de penetración en el mercado era del 0.5 al 1 %

� Es conceptualmente sencillo adaptar un motor existente (gasolina o diesel) a un combustible alternativo.

� El proceso de combustión es distinto y hay que adaptar apropiadamente el tiempo de ignición o de inyección.

� Los combustibles alternativos tienen propiedades lubricantes reducidas y requieren un mayor cuidado en la lubricación del motorrequieren un mayor cuidado en la lubricación del motor

� Tienen mayor índice de octano que la gasolina; o sea, pueden operarse a mayor relación de compresión y, por tanto, con mayor eficiencia.

� Los biodiesel tienen un contenido energético del orden de la mitad del diesel y un mayor coste de producción pero producen menos emisiones

Detonación (autoignición – knock)

� ¿Qué oye el pasajero?: una especie de repiqueteo causado por la aparición de ondas de presión no deseadas en el cilindro.

� Se deteriora el proceso de combustión.

� Los automóviles modernos se diseñan para no entrar en la zona de autoignición. En algunos casos, la centralita del motor zona de autoignición. En algunos casos, la centralita del motor lleva los parámetros a otro punto de funcionamiento cuando se detecta la aparición de autoignición.

� Es un limitador importante de diseño en los motores de gasolina


� Está causada por la autoignición de gases aguas arriba de la llama.

� Los precursores de autoignición están distribuidos al azar por el interior del cilindro.

� La autoignición suele aparecer simultáneamente en distintos puntos.

� La autoignición genera ondas de presión que viajan e � La autoignición genera ondas de presión que viajan e interaccionan entre sí por el interior del cilindro.

� La autoignición de debe a las altas presiones y temperaturas en el interior del cilindro.

� Desde el punto de vista de diseño, impone restricciones a la relación de compresión máxima que puede utilizarse.


� El índice de octanos mide las característias de autoignición de un combustible.

� La autoignición requiere tiempo para que se formen los precursores. O sea, a régimen más alto menos probabilidad de formación.

� La autoignición se ve favorecida por las altas temperaturas. O sea, a régimen más alto más probabilidad de formación.O sea, a régimen más alto más probabilidad de formación.

� Efectos contrarios que los fabricantes tratan de compensar en el diseño.

Detonación (autoignición – knock) Knock sensor


Parámetros que afectan a la autoignición:

� A mayor Padmisión, mayor probabilidad de autoignición

� A mayor temperatura de admisión, mayor probabilidad de autoignición

� La sobrealimentación de motores Otto tiene, básicamente, la limitación de la autoigniciónlimitación de la autoignición

� A bajo régimen la probabilidad de autoignición crece (mayor tiempo de residencia)

� Los motores con cilindros grandes (mayor tiempo de residencia) tienen mayor probabilidad de autoignición (limitación para Otto)

I+D para predecir ( y controlar) la autoignición

Emisión de NO

Un mecanismo relativamente sencillo que reproduce con precisión razonable la formación de NO es:

O + N2 ↔ NO + N

N + O2 ↔ NO + O

N + OH ↔ NO + H

En donde

1 1

2 2

3 3

[ ][ ][ 2] [ ][ ]

[ ][ 2] [ ][ ]

[ ][ ] [ ][ ]

f b

f b

f b

d NOk O N k NO N

dt

k N O k NO O

k N OH k NO H

= − +

+ − +

+ −

Emisión de NO

Ilustración de la

solución obtenida

Emisión de CO

� Se genera en mezclas ricas cuando no hay oxígeno suficiente para convertir todo el C a CO2

� El parámetro más importante en la emisión de CO es la relación aire – combustible

� El modelo es de equilibrio

H + H + M ↔ H2 + M

H + OH + M ↔ H2O + M

H + O2 + M ↔ HO2 + M

CO + OH ↔ CO2 + H

� Se supone que el sistema está en equilibrio (1800 K) hasta que la válvula de escape se abre y ese momento todas las concentraciones se quedan congeladas

Emisión de hidrocarburos (1)

� Presencia de fuel no quemado en los gases de escape

� Un combustible típico contiene del orden de 10 a 20 especies principales y de 100 a 200 especies secundarias

� En los gases de escape aparecen especies que no estaban en el combustible original: se generan el proceso de combustión

� Algunas de estas nuevas especies son tóxicas: acetaldehido, � Algunas de estas nuevas especies son tóxicas: acetaldehido, formaldehido, butadieno, etc, y representan al 50% (aprox.) de todos los hidrocarburos emitidos.

� Adicionalmente, del orden del 5 al 10 % del combustible original no llega a quemarse y sale por los gases de escape.

� En la cámara de combustión hay pequeñas zonas a las que no llega la llama

� Hay que capas de aceite que atrapan combustible

� Aparecen con el tiempo depósitos porosos de carbono

Emisión de hidrocarburos (2)

En motores diesel

� Hay pequeños volúmenes de combustible que quedan atrapados en el inyector y que se difunden durante las otras tres carreras

� Hay gotas que se vaporizan en zonas en las que ya no queda prácticamente oxígeno y no se queman

� Hay gotas que llegan hasta las paredes sin quemarse

Emisión de partículas (1)

� Las partículas son visibles, a veces, en los gases de escape

� Típicamente tienen un tamaño del orden de 0.1 micras.

� Incluso pequeñas cantidades pueden crear problemas respiratorios

� Existen dos tipos de partículas: carbono sólido y especies que se han oxidado parcialmente y han condensado en el filtro.

� La misión de partículas depende, principalmente, de la relación aire – combustible

� En motores diesel bajar temperatura es bajar la emisión de NO pero es aumentar la emisión de partículas.

Control de emisiones (1)


Forma de controlar las emisiones

� Actuando sobre el proceso de combustión

� Optimizando los parámetros de operación del motor

� Actuando sobre los gases en el colector de escape


Catalizador de tres vías

� Actúa sobre NO, CO e hidrocarburos

� Estructura interna de panel de abeja

� Metales nobles actúan como catalizadores de los gases de escapeescape

� Para que un catalizador actúe correctamente, la relación aire –combustible tiene que estar en una franja muy estrecha. La química del NO y el CO es muy distinta y actuar sólo sobre una implica no hacer nada sobre la otra. El catalizador actúa sobre las dos y esto restringe su rango de parámetros de operación

� La limitación en el rango de parámetros de operación del catalizados limita el rango de parámetros de operación del motor: este debe operar muy cerca de la relación estequiométrica aire –combustible.


Catalizador

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