PROCESO DE COMBUSTION EN MOTORES DE
COMBUSTION INTERNA
INTRODUCCION
En este capítulo vamos a estudiar con cierto grado de detalle el
proceso más importante o cuando menos, el más representativo de cuantos
se desarrollan en este tipo de máquinas.
Ya hemos indicado, al tratar el tema de los ciclos reales, que se recurre al
proceso de combustión para liberar la energía potencial química
almacenada en los combustibles y de esta manera generar internamente la
fuente de calor, necesaria para el desarrollo del ciclo.
También hemos indicado que el proceso debe realizarse lo suficientemente
rápido como para adaptarse satisfactoriamente al régimen de operación de
estos motores.
Por otra parte, sabemos que la naturaleza de los combustibles empleados,
permiten una clasificación de este tipo de motores según la forma de iniciar
el proceso de combustión.
Tenemos así los motores de encendido por chispa, denominados
comúnmente nafteros y que responden al ciclo de Otto y los motores de
encendido por compresión, denominados comúnmente gasoleros y que
responden al ciclo de Diesel.
Los motores de encendido por chispa, emplean combustibles volátiles
como la gasolina, alcoholes, GNC, etc.
Los motores de encendido por compresión, emplean combustibles pesados
como el gasoil, fuel oil, aceites combustibles, etc.
En los motores de encendido por chispa, el proceso de combustión se inicia
mediante la descarga de una chispa eléctrica en el seno de una mezcla aire /
combustible (A/C) dentro de los límites de inflamabilidad. Límite bastante
estrecho para el caso de las naftas.
En los motores de encendido por compresión la combustión se inicia de
manera espontánea, cuando se inyecta un chorro de combustible dentro de
una masa de aire en condiciones de temperatura y presión adecuadas, que
se obtiene por compresión del aire.
RELACION A/C Y REGULACION DE LA POTENCIA
La limitación enunciada respecto a las relaciones de mezcla
empleadas en el motor naftero, determina el empleo de un método de
regulación de potencia denominado cuantitativo, ya que mediante
estrangulación de la vena fluida se regula la cantidad de mezcla que ingresa
al cilindro y con ello la cantidad de energía liberada
En cambio en los motores de encendido por compresión solo es necesario
comprimir aire hasta alcanzar valores adecuados de presión y temperatura
que determinan la combustión espontánea de un chorro de combustible
inyectado oportunamente.
En este último tipo de motores no hay prácticamente restricciones respecto
de los valores de la relación de mezcla empleada para su funcionamiento y
el método de regulación de la potencia se conoce como cualitativo, ya que
solo se cambia la cantidad de combustible inyectado, sin limitar la cantidad
de aire aspirado por el motor.
El cambio de calidad en la relación A/C determina el cambio en la cantidad
de energía liberada.
COMBUSTION EN MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA
Abordaremos el estudio de la combustión en motores de encendido
por chispa (ciclo de Otto) considerando inicialmente un modelo
simplificado.
A tal efecto, consideramos una cámara de combustión esférica como se
observa en la figura, en la cual hemos encerrado una mezcla de aire y
combustible, con una relación A/C dentro de los límites de inflamabilidad.
Consideremos además que esta mezcla se encuentra inicialmente en reposo
a las condiciones de presión y temperatura que indicaremos
i
p
y
i
T
respectivamente.
En un instante determinado hacemos que se produzca una chispa en
la bujía instalada sobre la superficie de la cámara.
La mezcla se encenderá, iniciándose la combustión en la más próxima
vecindad de la bujía, a partir de ese instante, comenzará una verdadera y
propia combustión que se reflejará en el avance de un frente de llama.
El frente de llama que es la superficie de separación entre la porción de
mezcla ya encendida y la que todavía no lo está.
De acuerdo con la hipótesis del estado inicial de reposo, el frente de llama
se corresponde con una porción de una superficie esférica más o menos
regular con centro en la bujía que avanzará sobre la mezcla aun no
combustionada con una velocidad inicial muy pequeña, pero que irá
creciendo a medida que va creciendo el frente de llama.
Mientras tanto y como consecuencia del proceso de combustión se van
incrementando las condiciones de presión y temperatura dentro de la
cámara.
La velocidad de combustión resulta de la suma de dos componentes.
• Una, la propia del frente de llama que avanza sobre la masa de
mezcla no combustionada.
• Y la otra, producto de la expansión de los gases generados en la
combustión.
Sobre el final de la combustión la velocidad decrece hasta anularse.
Es importante destacar que el tiempo disponible para que se desarrolle el
proceso de combustión en un motor real es muy corto.
Veamos un ejemplo:
Consideremos el caso de un motor monocilindrico de cuatro tiempos
girando a 6000 rpm. Dividiendo el valor dado de la velocidad de rotación
entre 60, tenemos 100 revoluciones por segundo (rps)
Suponiendo que la combustión tiene una duración de 45º, medido en grados
de giro de cigüeñal, el tiempo involucrado en el proceso resulta de:
360°--------------------------------1/100seg
45°-------------------------- (45°/360°)* 1/100seg =0,00125seg
Tiempo de combustión = 1,25 milisegundos
COMBUSTION NORMAL
Hay que indicar que el proceso de combustión es un capítulo muy
complejo de la cinética de las reacciones químicas y que es objeto
particular de estudio en el diseño de reactores.
Existen varias teorías que intentan explicar el proceso de la combustión,
todas coinciden en reconocer que el proceso presenta dos fases
distinguibles, una de preparación o de alumbramiento de la llama y otra de
combustión propiamente dicha.
En la primera fase, la chispa producida en la bujía genera una reacción
local para luego dar lugar a reacciones intermedias que determinan las
condiciones del comienzo y desarrollo de la combustión verdadera o
segunda fase.
DESCRIPCION DEL PROCESO
Se considera que hacia el final de la carrera de compresión, el
combustible se encuentra vaporizado a expensas de la energía suministrada
a la mezcla en el proceso de compresión e íntimamente mezclado con el
aire, presentando una mezcla gaseosa homogénea.
En el momento en que salta la chispa, se forma el foco ignifugo inicial
alrededor de los electrodos de la bujía y desde allí se propaga gradualmente
según el avance del frente de llama.
A medida que se progresa la combustión y se completa, la presión en el
reactor aumenta rápidamente pero de manera gradual hasta que el proceso
se completa.
Esto que hemos descripto es lo que se llama una combustión normal, es
decir, aquel proceso en que el encendido tiene lugar en el momento preciso,
como consecuencia de la chispa disparada con el avance adecuado y las
partículas de la masa gaseosa comienzan a quemarse cuando son
alcanzadas por el frente de llama y no antes.
Se considera que el avance de encendido óptimo debe ser tal que determine
una presión igual a la mitad de la máxima a desarrollar en el ciclo cuando
el pistón alcanza el PMS.
Una combustión normal se lleva a cabo de un modo uniforme y gradual y
en consecuencia la energía liberada por el proceso tendrá lugar también en
forma progresiva o regular.
VELOCIDAD DE COMBUSTION
Para medir la velocidad de combustión estática de un determinado
combustible se utilizan cámaras como la del gráfico anterior donde se
cargan mezclas con una determinada relación A/C, luego se las lleva a
condiciones adecuadas de presión y temperatura y finalmente se la
enciende por medio de una bujía instalada en un extremo de la cámara
como muestra la figura.
La cámara de combustión tiene un visor longitudinal (normalmente de
cuarzo) que permite registrar el proceso de la combustión mediante el
empleo de sistemas fotográficos de alta velocidad y otro tipo de sensores.
La figura siguiente representa la variación de la velocidad de combustión
para distintas relaciones C/A, tomados por vía experimental.
Se observa que la velocidad de combustión aumenta en la medida que
aumentamos la relación C/A (enriquecemos la mezcla) desde los valores
mínimos hasta un valor límite, a partir de donde comienza a decrecer.
Se observa que el valor máximo se obtiene para una relación de mezcla
C/A = 0,09 correspondiente a una mezcla rica.
VELOCIDAD DE PROPAGACION DE LA LLAMA
A continuación trataremos de explicar la diferencia existente entre
los conceptos de Velocidad de combustión y Velocidad de propagación de
la llama.
En efecto, si analizamos las posibilidades de un motor alternativo,
considerando la velocidad de combustión de una mezcla inicialmente
estática, con los tiempos disponibles para combustión, veremos que
estamos muy limitados, tanto en el tamaño del motor, como en la velocidad
de operación de los mismos.
La velocidad de propagación de la llama, queda perfectamente definida por
la relación de dos factores a saber:
• Longitud del recorrido del frente de llama.
• Tiempo necesario para la combustión.
10
12
14
16
18
20
22
24
0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12
Relación másica de combustible-aire [adimensional]
Velocidad de propoagación de llama [m/seg]
Estando el primer factor determinado por la forma y dimensiones de
la cámara de combustión y por la posición de la bujía y el segundo es un
valor inversamente proporcional al régimen de giro.
Volvamos al ejemplo:
Consideremos nuevamente el caso del motor monocilindrico que
opera a 6000 rpm para el que calculamos un tiempo normal de combustión
de 0,00125 seg.
Si elegimos una relación combustible/aire estequiométrica (1/14,7)
podremos ver en el diagrama anterior que le corresponde una velocidad de
combustión de aprox. 20 m/seg.
Luego la distancia recorrida por el frente de llama en esas condiciones será:
d [mts] = V [m/seg] * t [seg]
d [mts] = 20 [m/seg] * 0,00125 [seg]
d = 0,025 mts
Tan solo unos 25 mm, lo que condicionaría a trabajar con motores
cuyos cilindros tengan un diámetro que no supere los 50mm.
Ni hablar de lo que ocurre si pretendemos aumentar el régimen de giro del
motor, o empobrecer un poco la relación de mezcla.
No obstante ello, la evidencia experimental nos muestra que los motores
pueden funcionar a mayor régimen y / o con diámetros de cilindro mayores.
Ello nos indica que la velocidad real de propagación de la llama debe ser
mayor a la velocidad de combustión para un dado tipo de combustible y
una dada relación de mezcla.
Lo que ocurre en la realidad, en el caso de los motores, es que aparece una
nueva componente de velocidad, la velocidad de arrastre, que se suma a la
velocidad de combustión propia del combustible para determinar la
velocidad de propagación de la llama.
La velocidad de propagación de la llama tiene al menos dos componentes
distinguibles:
• La velocidad de combustión.
• La velocidad de arrastre.
Mientras la velocidad de combustión esta determinada por el tipo de
combustible y por la relación de mezcla empleada, resultando limitativa de
tamaño y velocidad de operación de motores, la componente de arrastre
permite compensar estas limitaciones y trabajar con motores de encendido
por chispa con cilindros de hasta 140 mm de diámetro o con regímenes de
giro que superan las 20000 rpm.
La velocidad de arrastre es una componente muy importante sobre la que
podemos trabajar mucho más libremente en el diseño del motor.
La velocidad de propagación de la llama influye sobre la forma en que
aumenta la presión dentro del reactor, es decir sobre el gradiente de
presiones, el cual es muy importante por su efecto determinante en el
funcionamiento del motor.
La velocidad de propagación de la llama es un elemento vital en la
producción de combustiones normales.
Cuando se trata este tema desde el punto de vista del diseño de reactores, es
frecuente mencionar a las tres “T” de la combustión, aludiendo a la
influencia que tienen la Temperatura, el Tiempo y la Turbulencia sobre el
proceso.
Los factores más importantes que influyen sobre la velocidad de
propagación de la llama son:
TURBULENCIA: La alta turbulencia tiene una incidencia muy importante
en la velocidad de propagación de la llama.
Por un lado favorece la homogeneidad de la mezcla y determina un alto
número de colisiones (encuentros) entre partículas de reactivo, con ello se
garantiza la velocidad de combustión, pero además proporciona la
componente de arrastre desplazando al frente de llama con lo que se
obtienen muy altas velocidades de propagación que permiten obtener alto
número de rpm, o aumentar la distancia recorrida en tiempos muy cortos.
RELACION DE MEZCLA: Experimentalmente se ha encontrado que la
velocidad más alta se verifica con una relación de mezcla sensiblemente
más rica que la estequiométrica (C/A = 0,09)
Este valor puede presentar ligeras variaciones para distintas partidas de
combustible
TEMPERATURA: Para cada relación de mezcla existe un limitado intervalo
de temperatura donde la reacción de oxidación es rapidísima pero para
temperaturas mayores o menores la velocidad disminuye.
Es importante indicar que las altas temperaturas favorecen la producción de
NOx.
PRESION: Cuanto mayor es la presión en el momento que salta la chispa,
mayor dificultad experimenta la combustión en sus comienzos (primera
fase) pero se ve compensada posteriormente con un mayor incremento de la
velocidad de propagación.
HUMEDAD: La velocidad de propagación de la llama disminuye con el
aumento de la humedad. La presencia de agua en el reactor tiene un efecto
moderador muy interesante en condiciones de sobrecarga extrema.
GASES RESIDUALES: La presencia de gases residuales moderan y retardan
el proceso de combustión. En efecto, su presencia determina una
disminución de la temperatura del proceso y se emplean para mitigar la
producción de NO
X
siendo este el motivo de la generalización del empleo
de las válvulas EGR (Exhaust Gas Recirculation)
VARIACIONES DE PRESION DURANTE LA COMBUSTION
La velocidad con que aumenta la presión dentro del reactor durante
el desarrollo de la combustión, ejerce una notable influencia, sobre la
presión máxima alcanzada y la forma en que es transmitida al pistón la
fuerza generada por el fluido.
El investigador inglés “Ricardo” determinó experimentalmente que el
gradiente de presión máximo respecto al ángulo de giro debe ser:
2
2
/
P kg
cm
=
Es decir que el incremento de presión respecto a cada grado de giro
del cigüeñal no debe superar los
2
2kg cm
.
El diagrama anterior muestra procesos de combustión con diferentes
gradientes de presiones (distintas velocidades de combustión) dentro del
cilindro, pero dentro de valores normales.
COMBUSTIONES ANORMALES
Se consideran combustiones anormales a aquellas que por alguna
causa liberan la energía de forma espontánea, no progresiva y regular como
fuera indicada anteriormente.
En una combustión normal no existen focos de incendio alimentados por
depósitos carbonosos incandescentes o partes excesivamente calientes en la
bujía o de la cámara de combustión.
Las combustiones anormales pueden aparecer debido a procesos de
encendido superficial o encendido por autoencendido.
• El encendido superficial es causado por la presencia de puntos
calientes o partículas incandescentes que inflaman la mezcla antes
y/o después de la chispa.
• El autoencendido es el encendido total o parcial de la mezcla en
forma espontánea y se verifica como consecuencia de una condición
particular de presión y temperatura.
En este último caso no es posible distinguir un punto donde se inicia
la combustión, sino que se trata de una porción de mezcla que se inflama
espontáneamente.
La combustión en este caso se desarrolla con muy alta velocidad.
Si la combustión es rápida pero sucede a una velocidad menor que la del
sonido en ese medio, se dice que es una deflagración. Si se produce a una
velocidad mayor que la del sonido, es una detonación.
La detonación no es el mismo fenómeno que el autoencendido.
En un motor de gasolina, la combustión normal es una deflagración, en tal
caso existe un frente de llama que se inicia en la bujía y se propaga por la
cámara a una velocidad muy alta, pero menor que la del sonido.
Ese frente de llama aumenta la presión delante de él a medida que se
desplaza, sin alcanzar las condiciones de autoencendido.
No obstante ello, puede ocurrir que la presión llegue a ser muy alta en
algún punto de la cámara, como para producir el autoencendido de una
porción de la mezcla que aún no se ha quemado, lo que podría generar una
detonación.
En tal caso, la energía que inicia la reacción de combustión por
autoencendido, no la produce ni el arco eléctrico de la bujía ni la llama que
se va desplazando, sino el aumento de temperatura local como
consecuencia del aumento de presión.
Cuando esto ocurre no solamente disminuye el rendimiento del motor, sino
que por su violencia, la detonación puede causar daños mecánicos graves
en los pistones, bielas y otros componentes del motor.
Cuando existe detonación, decimos que el motor se «pica» o que
pistonea.
La detonación suele ir acompañada de un sonido metálico característico
producido por el choque de la onda expansiva contra el pistón cuando este
todavía está subiendo (durante la carrera de compresión).
Las variables principales de las que depende la detonación son el índice de
octano del combustible, el avance del encendido y la relación de
compresión.
Cuanto menor es el índice de octano, mayor es la posibilidad de detonación
porque el combustible necesita menor temperatura para inflamarse.
Se adjunta al trabajo un archivo anexo que trata sobre el tema de la
medición del número de octanos.
Cuanto mayor es el avance del encendido, mayor es la posibilidad de
detonación por el importante aumento de la presión y por ende de la
temperatura en la cámara antes de que el pistón llegue al punto muerto
superior.
Cuanto mayor es la relación de compresión, mayor es la posibilidad de
detonación porque la presión en la cámara aumenta con relación a un motor
de menor relación de compresión.
Es importante destacar que la forma de la cámara de combustión es otro
factor que influye de manera decisiva sobre el proceso de combustión.
Esto junto con la distribución geométrica de las válvulas y la posición de la
bujía, son herramientas muy valiosas en el diseño del reactor de
combustión en motores para controlar la detonación.
A continuación se muestran imágenes del proceso de combustión normal
en la primera secuencia y de combustión con detonación en la siguiente,
junto a los correspondientes diagramas que muestran las variaciones de
presión. En ellos puede observarse como pequeñísimas variaciones de
presión generadas por la detonación en el grafico p-t son amplificadas y
puestas de manifiesto de manera contundente en el diagrama de relacionas
que no es otra cosa que la derivada primera de la presión respecto del
tiempo.
Los sensores destinados a percibir la detonación incipiente en
motores actuales o los utilizados para medir el número octano de un
combustible operan precisamente con este concepto, respondiendo frente a
las variaciones de presión y no a su valor absoluto.
VARIABLES QUE INFLUYEN EN LA DETONACION
Es posible minimizar o restringir la detonación recurriendo a la
aplicación de alguna de las siguientes recomendaciones:
1. Reduciendo la carga introducida.
2. Reduciendo la temperatura del carburante.
3. Disminuyendo el grado de sobrealimentación.
4. Reduciendo la relación de compresión.
5. Disminuyendo la temperatura de la mezcla a su entrada.
6. Manteniendo bien refrigeradas las paredes del reactor.
7. Retrazando el encendido.
8. Empleando mezcla rica o pobre para disminuir la temperatura de la
llama.
Por otra parte se reduce el peligro de detonancia si se acorta el
tiempo de combustión por lo cual es útil entonces:
1. Aumentar la turbulencia (aumenta la velocidad de propagación de la
llama)
2. Aumentar el régimen de giro del motor
(turbulencia).
3. Reducir la longitud del recorrido de la llama en la cámara de
combustión. (cilindros pequeños y posición central de la bujía)
4. Emplear mezcla rica para obtener máxima velocidad de combustión.
COMBUSTION EN MOTORES DE ENCENDIDO POR
COMPRESION
Este es el caso de los motores que funcionan según el ciclo de Diesel.
Ya hemos indicado que en este tipo de motores los procesos de admisión y
compresión se realizan con aire y que el combustible se inyecta dentro del
reactor hacia el final de la carrera de compresión, una vez alcanzadas las
condiciones de temperatura adecuadas para el encendido espontáneo de
este último.
COMBUSTION NORMAL - DESCRIPCION DEL PROCESO
La inyección de combustible se realiza con un cierto grado de avance
respecto a la llegada del pistón al PMS y se mantiene durante un cierto
tiempo.
La duración de la inyección depende de la velocidad del motor y del estado
de carga, pudiendo alcanzar los 35° de giro del cigüeñal.
A diferencia de lo que ocurre en los motores de encendido por chispa, acá
no tenemos una mezcla homogénea.
De hecho, a medida que las partículas de combustible entran en la cámara,
se mezclan con el aire y comienzan a evaporarse generando una mezcla
bastante heterogénea.
Puesto que el aire comprimido dentro del reactor se encuentra a una
temperatura bastante superior a la temperatura de encendido del
combustible, la combustión puede comenzar en cualquier punto en el cual
se hayan alcanzado las condiciones adecuadas. Esto puede suceder
simultáneamente en distintos puntos de la cámara, razón por la cual no se
forma un frente de llama bien definido como se tiene en el motor de
encendido por chispa.
El desarrollo del proceso de combustión, es entonces bastante diferente del
que se tiene en el motor de encendido por chispa.
Un elemento en común es que en este caso también tenemos un
retraso del encendido, aunque obedece a distintas causas.
El combustible no se quema inmediatamente cuando es inyectado en el
reactor, sino que lo hace luego de un brevísimo intervalo de tiempo que
demanda para alcanzar las condiciones de encendido.
El retraso del encendido, es de gran importancia, por su influencia en la
manera en que se desarrolla la combustión.
En efecto, la combustión, iniciada en varios focos de encendido y
alimentada por el combustible acumulado durante el retraso de encendido,
provoca un rapidísimo aumento de la presión y temperatura en el reactor
como se observa en la primera fase (tramo 2-3 de la figura). En la fase final
(tramo 3-4) se continua quemando el combustible en la medida que ingresa
a la cámara y el gradiente de presión es menos importante.
El movimiento del pistón contribuye a acentuar la situación anteriormente
descripta.
El retraso del encendido tiene influencia en el normal desarrollo del
proceso de combustión, manifestándose también en el arranque y en la
emisión de humos de este tipo de motores.
Para que el motor queme todo el combustible inyectado es necesario
atomizar finamente el chorro y lograr un contacto íntimo con la adecuada
cantidad de concurrente.
Por lo tanto estamos frente a un problema probabilístico y para aumentar la
probabilidad de que el evento se produzca, se recurre a generar una alta
turbulencia dentro del reactor y a emplear una cantidad de aire muy
superior a la estequiométrica.
COMBUSTIONES ANORMALES “GOLPETEO Y DETONACION”
Si el retraso de encendido es muy prolongado, se acumula mucho
combustible en el reactor y cuando comienza el proceso de combustión se
produce un violento aumento de la presión que genera vibraciones dentro
de la masa del gas que son propias de la detonación y que se evidencian
por el denominado “golpeteo” del motor Diesel.
Lo que ocurre es que el gradiente de presiones, ha superado los valores
límites, la velocidad de quemado es superior a la de una deflagración y
estamos frente a condiciones de desarrollo de combustiones anormales.
El fenómeno es similar a lo que ocurre en los motores de encendido por
chispa, pero, mientras que en estos la detonación tiene lugar hacia el final
del proceso de combustión, en los motores de encendido por compresión se
produce a comienzo del mismo.
Para reducir la tendencia a la detonación es necesario reducir el retraso de
encendido y esta es una característica propia de los combustibles utilizados.
El número de cetano es una medida de esta propiedad.
El retraso de encendido es tanto menor cuanto mayor sea el número de
cetano del combustible.
El número de cetano puede aumentarse aditivando convenientemente al
combustible diesel (gasoil)
Un aditivo utilizado para esta función es el nitrato de etilo.
VARIABLES QUE INFLUYEN EN EL RETRASO DEL
ENCENDIDO
PULVERIZACION
Una alta pulverización se logra con alta presión de inyección y
pequeños diámetros de toberas, ello determina un máximo número de gotas
de tamaño mínimo con lo que se reduce el retraso del encendido,
mejorando la combustión local y el arranque en frío.
Pero, para obtener una alta penetración del chorro, que permita aprovechar
bien la carga de aire se requiere un aumento del tamaño de las gotas, lo que
determina un aumento del retraso del encendido.
La pulverización del chorro no puede separarse de la penetración del
mismo, y como generan efectos antagónicos, obliga a conciliar entre
ambos factores.
TURBULENCIA
Nuevamente estamos ante una situación de compromiso.
Con el aumento de la turbulencia, aumentamos la probabilidad de
colisiones de las partículas de combustible con el aire generando una
reducción del retraso de encendido.
Pero por otra parte aumenta la transferencia de calor a través de las paredes
del reactor con lo que disminuye la temperatura con lo que se consigue el
efecto inverso.
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