combustión en motores de encendido provocado

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CAPTULO 10

COMBUSTIN EN MOTORES DE ENCENDIDO PROVOCADOCARACTERSTICAS ESENCIALES DEL PROCESO [1] El proceso de combustin inicia hacia el final de la carrera de compresin, desde el momento en que se produce una descarga elctrica a travs de la buja. Esto genera una inflamacin de la mezcla aire/combustible, con lo cual se empieza a propagar un frente de llama turbulento que se extingue al llegar a las paredes de la cmara de combustin. La energa liberada por la llama que se empieza a desarrollar despus de la descarga de la buja es demasiado pequea durante un corto perodo de tiempo como para que provoque un incremento apreciable en la presin por s misma. A medida que el frente de llama turbulento continua creciendo y se propaga a travs de la cmara de combustin, la presin aumenta sta por encima del valor que tendra en ausencia de combustin. La presin alcanza su mximo pasado el punto muerto superior, pero antes de que se haya quemado toda la carga y entonces empieza a disminuir a medida que el volumen del cilindro incrementa durante la carrera de expansin (Figura 10.1). La propagacin del frente de llama turbulento depende de la composicin de la mezcla, de su movimiento local y de la variacin en las cantidades de combustible, aire y gases de escape recirculados para un cilindro dado. Estas tres condiciones son prcticamente imposibles de repetirse de un ciclo a otro y menos an de un cilindro a otro. A este fenmeno se le conoce como dispersin cclica que es importante porque en su anlisis se identifican los ciclos extremos que limitan el rgimen de operacin del motor. El proceso de combustin lo podemos dividir en cuatro fases distintas: Instante en que se produce el encendido de la mezcla aire/combustible por accin de la descarga elctrica de la buja; desarrollo inicial del frente de llama; propagacin del frente de llama y terminacin del frente de llama.

Captulo 10. Combustin en MEP

Figura 10.1 Presin en el cilindro, fraccin de masa quemada, y fraccin de volumen quemado para cinco ciclos consecutivos en un MEP en funcin del ngulo de cigeal. Salto de la chispa 30 APMS, mariposa totalmente abierta, 1044 r.p.m., dosado = 0.98 [1]

Combustin Centrada En una curva de presin - ngulo de cigeal (Figura 10.2) se puede observar como el par motor (a un rgimen y a unas condiciones en la admisin dadas) vara en funcin del instante en que salte la chispa. Si se avanza la chispa (alejarla del PMS), el pistn transmite mayor cantidad de

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Captulo 10. Combustin en MEP

trabajo a los gases, lo que implica una presin pico muy elevada y muy prxima al PMS. Si por el contrario la chispa se retrasa (acercarla al PMS), la presin pico se da muy avanzada la carrera de expansin, reduciendo el trabajo transmitido por los gases al pistn y su magnitud ser muy baja respecto al caso anterior. El instante ptimo para que se produzca la chispa es aquel que da el mximo par al freno (MBT), el cual ocurre en una posicin intermedia a las dos tendencias anteriores. El MBT es funcin de: diseo del motor condiciones de operacin las propiedades del combustible, el aire y la mezcla de gases quemados Para condiciones de MBT se cumplen como reglas empricas que: La presin mxima de combustin ocurre aproximadamente 16 grados de cigeal despus del PMS y el 50% de la carga se ha quemado cuando el cigeal ha girado unos 10 grados despus del PMS.

Figura 10.2 (a) Presin en el cilindro vs ngulo de cigeal para diferentes instantes de salto de la chispa. (b) Efecto del avance de la chispa en el par al freno a relacin Aire/Combustible y velocidad constante, mariposa totalmente abierta. [1]

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Captulo 10. Combustin en MEP

Combustin anormal Hasta el momento se ha descrito lo que es un proceso de combustin normal en un MEP convencional, sin embargo, la realidad ofrece una serie de dificultades para que esto se logre como por ejemplo, la composicin del combustible, ciertos parmetros de operacin y de diseo del motor, depsitos en la cmara de combustin, etc. Se han identificado entonces dos tipos de combustin anormal globales que son: el knock1 y el encendido superficial. Se conoce como knock a la liberacin espontnea de gran parte de la energa qumica contenida en aquella porcin de gas que est siendo comprimida delante del frente de llama turbulento. Esto produce una onda de presin o de choque que se propaga a travs de la cmara de combustin. El encendido superficial es el encendido de la mezcla aire/combustible debido a puntos calientes dentro de la cmara de combustin, por ejemplo depsitos, zonas calientes de la cmara como la vlvula de escape o la propia buja, etc. Puede suceder un pre-encendido, si el encendido se produce antes de que empiece a desarrollarse el frente de llama, o un postencendido si se produce una vez que ha pasado el frente de llama. El ms nocivo de los casos y que puede llegar incluso a destrozar el motor es el pre-encendido. Anlisis termodinmico del proceso de combustin en un MEP El objetivo de esta seccin es determinar el estado termodinmico de los gases en el interior del cilindro, cuya distribucin de presiones, temperaturas y densidades est variando debido a que la combustin se produce en un proceso de propagacin de una llama turbulenta confinada en un espacio de geometra variable con el tiempo. Durante la combustin, la presin en el cilindro aumenta gracias a la liberacin de la energa qumica de la mezcla aire/combustible. Cuando un elemento de mezcla aire/combustible arde, su densidad se reduce aproximadamente la cuarta parte. Este elemento de gas ahora quemado, inicialmente se expande y comprime de un lado la mezcla sin quemar que est delante del frente de llama empujndola hacia las paredes de la cmara de combustin, y de otro lado a los elementos de gas que ya han quemado comprimindolos hacia la buja. As, aquellos elementos de la mezcla sin quemar que arden en instantes diferentes tienen temperaturas y presiones diferentes justo antes de la combustin y por lo tanto se darn tambin estados termodinmicos diferentes despus de sta. Esto implica que no uniformidad ni en composicin ni en estado

1 Knock: nombre onomatopyico en ingls asignado al ruido que caracteriza a la autoignicin espontnea de aquella porcin de gas que es comprimida tanto por el frente de llama de turbulento como por el movimiento del pistn.

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Captulo 10. Combustin en MEP

termodinmico de los gases quemados. determinar dichos estados.

Mediante un anlisis de primera ley podremos

Figura 10.3 Esquema del cilindro durante la combustin: gases sin quemar (U) a la izquierda del frente de llama, gases quemados a la derecha. A representa el ncleo adiabtico de gases quemados., BL representa la capa lmite en los gases quemados, W es la tasa de trabajo transmitido al pistn, Q es la tasa de transferencia de calor a las paredes de la cmara de combustin [1]

Se toma como sistema termodinmico el cilindro, una vez que ha iniciado la combustin (Figura 10.3). Asumiendo condiciones de operacin normales y de momento cero fugas, la presin en cualquier posicin angular del cigeal a travs del cilindro es aproximadamente uniforme. Las condiciones en los gases quemados y sin quemar estn determinadas por la conservacin de la masa:

VTot Vb Vu = + m m m

VTot m m = b b + u u m m mDonde m = mb + mu :

VTot = b xb + (1 xb ) u mb VTot = b dx + u dx m xb 0

x

1

(10.1)

Aplicando la ley de conservacin de la energa para un sistema cerrado:

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Captulo 10. Combustin en MEP

U = Q + WU0 - U = Q + W U = U0 - Q - W Ub + Uu = U0 - Q - Wub mb + uu mu = U 0 W Q

De donde:ub xb + uu (1 xb ) = U0 W Q m

xb

u0

b

dx + uu dx =xb

1

U0 W Q m

(10.2)

Se pueden obtener resultados ilustrativos suponiendo que los gases quemados y sin quemar con sus calores especficos respectivos, son gases ideales diferentes; i.e.,

pb = Rb Tb pu = Ru TuAsumiendo que :1 b Tb = T dx xb b 0 y multiplicando (10.1) por, pb RT RT pV = p b b dx + p u u dx m p p xb 0

ub = Cv ,b Tb + h f ,b uu = Cv ,u Tu + h f ,u

(10.3) (10.4)

x

Tu =

1 T dx 1 xb xb u

1

x

1

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Captulo 10. Combustin en MEP

pV = Rb Tb xb + Ru Tu (1 xb ) m Despejando de aqu la temperatura media de los gases quemados,

(10.5)

Tb =

R T R T pV u u + u u mRb xb Rb xb Rb

Tb =de (10.2) tenemosxb

Ru pV mRu Tu Tu + Rb mRb xb1

(10.6)

(0

Cv ,b Tb + h f ,b dx + Cv ,u Tu + h f ,u dx =xb

)

(

)

U0 W Q m

Integrando,

xb Cv ,b Tb + h f ,b + (1 xb ) Cv ,u Tu + h f ,u =

(

)

(

)

U0 W Q mCv 1 : = R 1

Reemplazamos Tb de (10.6) y adems sabiendo que Cp - Cv = R, y que por lo tanto

R U0 W Q pV mRu Tu + h f ,b + Cv ,u Tu + h f ,u xb Cv ,u Tu + h f ,u = xb Cv ,b u Tu + m mRb xb Rb

(

)

(

)

Cv ,b pV mRu Tu Cv ,b U0 W Q = xb Ru Tu + + xb h f ,b + Cv ,u Tu + h f ,u xb Cv ,u Tu + h f ,u m Rb m Rb

(

)

(

)

pV mR T R T U0 W Q u u = xb u u + m( 1) + xb h f ,b + Cv ,u Tu + h f ,u xb Cv ,u Tu + h f ,u m b 1 b

(

)

(

)

R T pV mRu Tu U0 W Q + Cv ,u Tu + h f ,u = xb u u + h f ,b Cv ,u Tu + h f ,u + m b 1 m( b 1)

(

)

(

)

197

Captulo 10. Combustin en MEP

xb =

U 0 W Q pV mRu Tu Cv ,u Tu + h f ,u m m( b 1)

(

)

Ru Tu + h Cv ,u Tu + h f ,u b 1 f ,b pV mRu Tu

(

)

() ()

xb =

m( b 1)

+

Q + W U0 + Cv ,u Tu + h f ,u m Ru Tu b 1

h f ,u h f ,b + Cv