TEMA 13 COMBUSTIÓN EN MEP /33
Objetivos <ul><li>Analizar la evolución de la presión con el giro del cigüeñal. </li></ul><ul><li>Evaluar los factores que...
Contenidos <ul><ul><li>Características básicas del proceso </li></ul></ul><ul><ul><li>Desarrollo de la presión con el giro...
1. Características básicas del proceso <ul><li>Introducción </li></ul><ul><ul><li>Mezcla premezclada homogénea </li></ul><...
2. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal <ul><li>Diagrama p-  </li></ul>1 Encendido 2 Inicio 2ª fase 3 Inicio...
2. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) <ul><li>Primera fase: Tiempo (ángulo) de retraso </li></ul><u...
2. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) <ul><li>Segunda fase: Combustión rápida </li></ul><ul><ul><li...
2. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) <ul><li>Tercera fase: Combustión residual o fase final </li><...
3. Factores que afectan a la combustión <ul><li>Factores de funcionamiento </li></ul><ul><ul><li>Régimen de giro </li></ul...
3. Factores que afectan a la combustión (cont.) <ul><li>Factores de funcionamiento (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Dosado </...
3. Factores que afectan a la combustión (cont.) <ul><li>Factores de diseño </li></ul><ul><ul><li>Recorrido del frente de l...
3. Factores que afectan a la combustión (cont.) <ul><li>Factores de diseño (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Posición y número...
3. Factores que afectan a la combustión (cont.) <ul><ul><li>Generación de turbulencia:  U c ↑   c  ↓ </li></ul></ul>Tumbl...
4. Otros aspectos de la combustión en MEP <ul><li>Combustión de mezclas heterogéneas </li></ul><ul><ul><li>Dosado global e...
4. Otros aspectos de la combustión en MEP (cont.) <ul><li>Dispersión cíclica </li></ul><ul><li>Características: </li></ul>...
5. Combustión anormal en MEP <ul><li>Introducción </li></ul><ul><ul><li>La combustión anormal en MEP </li></ul></ul><ul><u...
5. Combustión anormal en MEP <ul><li>Tipos de combustión anormal </li></ul>/33 Combustión normal Combustión anormal Autoin...
5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Autoencendido </li></ul><ul><ul><li>Máquina de compresión rápida </li></ul></...
5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Mapas de autoencendido </li></ul><ul><ul><li>Poco afectado  para las presione...
5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Tiempo de retraso en el motor t r </li></ul><ul><ul><li>La mezcla sin quemar ...
5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Tiempo de retraso en el motor (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Hipótesis de Live...
5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Detonación </li></ul><ul><ul><li>Tiempo de retraso en el motor t r </li></ul>...
5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Detonación (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Constatación </li></ul></ul><ul><ul>...
5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Encendido superficial </li></ul><ul><ul><li>Puntos calientes en la cámara (de...
6. Factores que afectan a la detonación <ul><li>Factores de funcionamiento </li></ul><ul><ul><li>Régimen de giro </li></ul...
<ul><li>Factores de funcionamiento (cont.) </li></ul>6. Factores que afectan a la detonación (cont.) <ul><ul><li>Temperatu...
<ul><li>Factores de diseño </li></ul>6. Factores que afectan a la detonación (cont.) <ul><ul><li>Relación de compresión </...
<ul><li>Avance de encendido:   e </li></ul><ul><ul><li>Controla el inicio de la combustión. </li></ul></ul><ul><ul><li>Es...
<ul><li>Avance de encendido (cont.) </li></ul>7. Centrado de la combustión (cont.) /33
8. Cámaras de combustión en MEP <ul><li>Cámaras de combustión.  </li></ul><ul><ul><li>Objetivo principal:  aumentar  U c  ...
8. Cámaras de combustión en MEP (cont.) <ul><li>Diseño de la cámara </li></ul><ul><ul><li>Ángulo de combustión </li></ul><...
Resumen <ul><ul><li>Los parámetros que se modifican en el funcionamiento del motor afectan de forma importante al desarrol...
Bibliografía /33 <ul><ul><li>Motores de Combustión Interna Alternativos.  </li></ul></ul><ul><ul><li>M. Muñoz, F. Payri, S...
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Tema13 CombustióN En Mep

  1. 1. TEMA 13 COMBUSTIÓN EN MEP /33
  2. 2. Objetivos <ul><li>Analizar la evolución de la presión con el giro del cigüeñal. </li></ul><ul><li>Evaluar los factores que afectan a la combustión. </li></ul><ul><li>Conocer las combustiones anormales que se dan en los MEP y los factores que influyen sobre estas combustiones. </li></ul><ul><li>Describir y justificar las distintas soluciones existentes para las cámaras de combustión. </li></ul>/33
  3. 3. Contenidos <ul><ul><li>Características básicas del proceso </li></ul></ul><ul><ul><li>Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal </li></ul></ul><ul><ul><li>Factores que afectan a la combustión </li></ul></ul><ul><ul><li>Otros aspectos de la combustión en MEP </li></ul></ul><ul><ul><li>Combustión anormal en MEP </li></ul></ul><ul><ul><li>Factores que afectan a la detonación </li></ul></ul><ul><ul><li>Centrado de la combustión </li></ul></ul><ul><ul><li>Cámaras de combustión </li></ul></ul>/33
  4. 4. 1. Características básicas del proceso <ul><li>Introducción </li></ul><ul><ul><li>Mezcla premezclada homogénea </li></ul></ul><ul><ul><li>Encendido provocado </li></ul></ul><ul><ul><li>Propagación del frente de llama </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Velocidad de combustión </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Tiempo de combustión </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Ángulo de combustión </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Combustión subsónica – Deflagración </li></ul></ul><ul><ul><li>Combustión prácticamente a volumen constante </li></ul></ul>/33
  5. 5. 2. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal <ul><li>Diagrama p-  </li></ul>1 Encendido 2 Inicio 2ª fase 3 Inicio 3ª fase 4 Extinción /33
  6. 6. 2. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) <ul><li>Primera fase: Tiempo (ángulo) de retraso </li></ul><ul><ul><li>Definida como: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>5% en masa quemada </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Separación de la línea de compresión sin combustión </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Velocidad de combustión laminar </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Efecto capa límite </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Núcleo de la llama menor que los torbellinos </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Temperatura baja </li></ul></ul>/33
  7. 7. 2. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) <ul><li>Segunda fase: Combustión rápida </li></ul><ul><ul><li>Definida como </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Hasta el 95% de la masa quemada </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Hasta que se alcanza la presión máxima </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Velocidad de combustión turbulenta </li></ul></ul><ul><ul><li>Efecto de paredes poco importante </li></ul></ul><ul><ul><li>Liberación de la mayor parte de la energía </li></ul></ul><ul><ul><li>Temperatura elevada </li></ul></ul>/33
  8. 8. 2. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) <ul><li>Tercera fase: Combustión residual o fase final </li></ul><ul><ul><li>Definida como: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Desde el 95% de la masa quemada </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Velocidad turbulenta baja y tendencia a laminar </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Efecto de la capa límite </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Temperatura baja </li></ul></ul><ul><ul><li>Apagado de llama </li></ul></ul>/33
  9. 9. 3. Factores que afectan a la combustión <ul><li>Factores de funcionamiento </li></ul><ul><ul><li>Régimen de giro </li></ul></ul>como si n crece, resulta: suponiendo suponiendo  c ↑ (1ª fase) proporcional a n (turbulencia)  c = cte (2ª fase) <ul><li>Avance centrífugo </li></ul><ul><ul><li>Grado de carga </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Si disminuye el grado de carga </li></ul></ul></ul>Aumento de residuales Consecuentemente <ul><li>Avance neumático </li></ul>/33
  10. 10. 3. Factores que afectan a la combustión (cont.) <ul><li>Factores de funcionamiento (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Dosado </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>F r = 1,1 máxima temperatura </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Condiciones ambientales </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Disminución de presión </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Disminución de temperatura </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Aumento de humedad </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Producen: </li></ul></ul></ul>Consecuentemente Consecuentemente /33
  11. 11. 3. Factores que afectan a la combustión (cont.) <ul><li>Factores de diseño </li></ul><ul><ul><li>Recorrido del frente de llama: </li></ul></ul><ul><ul><li>Relación de compresión: </li></ul></ul><ul><ul><li>Rendimiento volumétrico: </li></ul></ul><ul><ul><li>Naturaleza del combustible: afecta a la combustión laminar </li></ul></ul>/33
  12. 12. 3. Factores que afectan a la combustión (cont.) <ul><li>Factores de diseño (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Posición y número de bujías: L </li></ul></ul>Twin-spark /33
  13. 13. 3. Factores que afectan a la combustión (cont.) <ul><ul><li>Generación de turbulencia: U c ↑  c ↓ </li></ul></ul>Tumble Squish <ul><li>Factores de diseño (cont.) </li></ul>/33
  14. 14. 4. Otros aspectos de la combustión en MEP <ul><li>Combustión de mezclas heterogéneas </li></ul><ul><ul><li>Dosado global estequiométrico o pobre </li></ul></ul><ul><ul><li>Objetivo reducir NOx </li></ul></ul><ul><ul><li>Combustión en mezcla rica y pobre </li></ul></ul><ul><ul><li>Inyección directa de gasolina </li></ul></ul><ul><ul><li>Dificultades de optimización con la variación de las condiciones operativas (n y  ) </li></ul></ul>/33
  15. 15. 4. Otros aspectos de la combustión en MEP (cont.) <ul><li>Dispersión cíclica </li></ul><ul><li>Características: </li></ul><ul><ul><li>Más acentuada en mezclas </li></ul></ul><ul><ul><li>pobres </li></ul></ul><ul><ul><li>La presencia de residuales </li></ul></ul><ul><ul><li>la incrementa (EGR) </li></ul></ul><ul><ul><li>La turbulencia reduce la </li></ul></ul><ul><ul><li>dispersión cíclica </li></ul></ul><ul><li>Causas: </li></ul><ul><ul><li>Turbulencia en la bujía </li></ul></ul><ul><ul><li>Energía del encendido </li></ul></ul><ul><li>Problemática: </li></ul><ul><ul><li>Emisiones </li></ul></ul><ul><ul><li>Trabajo efectivo medio </li></ul></ul>/33
  16. 16. 5. Combustión anormal en MEP <ul><li>Introducción </li></ul><ul><ul><li>La combustión anormal en MEP </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Fenómenos indeseables y no controlados </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Reducen prestaciones del motor </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Pueden destruirlo en casos extremos </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Combustión detonante </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Autoinflamación de una zona de la cámara de combustión </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Explosión (en sentido estricto) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Si es audible “detonación” o “picado” </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Encendido superficial </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Encendido de la mezcla como consecuencia de un punto caliente en las paredes </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Preencendido </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Postencendido </li></ul></ul></ul></ul>/33
  17. 17. 5. Combustión anormal en MEP <ul><li>Tipos de combustión anormal </li></ul>/33 Combustión normal Combustión anormal Autoinflamación Encendido superficial Detonación (Knock) Preencendido Postencendido Encendido superficial con detonación Encendido superficial sin detonación Autoinflamación persistente (RUN ON) Continúa girando con el encendido cortado Encendido superficial creciente Aparece cada vez antes en el ciclo, lo que puede llevar a la destrucción del motor Picado intenso (WILD PING) Detonación como consecuencia del encendido superficial Marcha dura Rumble Ruido sordo distinto a la Detonación provocado posiblemente por frentes de llama múltiples
  18. 18. 5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Autoencendido </li></ul><ul><ul><li>Máquina de compresión rápida </li></ul></ul><ul><ul><li>Parámetros que afectan al tiempo de autoencendido </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Naturaleza del combustible </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Dosado </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Temperatura final de compresión </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Presión final de compresión </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Diagramas p-t para el isooctano A y el benceno B </li></ul></ul>/33
  19. 19. 5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Mapas de autoencendido </li></ul><ul><ul><li>Poco afectado para las presiones de combustión que se dan en los motores </li></ul></ul><ul><ul><li>Ecuaciones semiempíricas </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Tiempo de autoencendido </li></ul></ul></ul>/33
  20. 20. 5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Tiempo de retraso en el motor t r </li></ul><ul><ul><li>La mezcla sin quemar sufre una variación de p y T durante el proceso de compresión-combustión, por lo que </li></ul></ul><ul><ul><li>Hipótesis de Livengood y Wu </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>El número de radicales necesarios para que aparezca el autoencendido es el mismo en la máquina de compresión rápida y en el motor </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Los radicales se van acumulando en cada estado de p y T de la mezcla </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>La tasa de producción de radicales en el motor coincide con el valor medio que tendría dicha tasa en las mismas condiciones de p y T, en la máquina de compresión rápida </li></ul></ul></ul>/33
  21. 21. 5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Tiempo de retraso en el motor (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Hipótesis de Livengood y Wu </li></ul></ul>o lo que es lo mismo Integrando ambos entre (x = 0 t = 0) y (x = x f t = t r ) resulta: Expresado gráficamente /33
  22. 22. 5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Detonación </li></ul><ul><ul><li>Tiempo de retraso en el motor t r </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Depende de la misma forma que de: </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>T final de compresión (presión final) </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Naturaleza del combustible (I.O.) </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Dosado </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><li>Autoinflamación </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Grandes variaciones temporales de presión </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Vibraciones en la estructura del motor </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Ruido audible </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Aumento de la transferencia de calor a la pared </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Elevación de las temperaturas de pared </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Puede inducir el encendido superficial </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>La detonación en el motor se produce si t r < t c </li></ul></ul>/33
  23. 23. 5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Detonación (cont.) </li></ul><ul><ul><li>Constatación </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Diagrama p-  </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Consecuencias </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Solicitaciones mecánicas </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Solicitaciones térmicas </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Ruido </li></ul></ul></ul>/33
  24. 24. 5. Combustión anormal en MEP (cont.) <ul><li>Encendido superficial </li></ul><ul><ul><li>Puntos calientes en la cámara (depósitos carbonosos en culata, cabeza de pistón, electrodo de la bujía, etc): pueden generar frentes de llama en cualquier momento del ciclo. </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Postencendido: ocurre después del salto de la chispa. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Preencendido: ocurre antes del salto de la chispa. Suele conducir a la detonación. </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Diagrama de presión con preencendido </li></ul></ul>/33
  25. 25. 6. Factores que afectan a la detonación <ul><li>Factores de funcionamiento </li></ul><ul><ul><li>Régimen de giro </li></ul></ul><ul><ul><li>Grado de carga </li></ul></ul><ul><ul><li>Dosado </li></ul></ul><ul><ul><li>Punto de encendido </li></ul></ul>/33
  26. 26. <ul><li>Factores de funcionamiento (cont.) </li></ul>6. Factores que afectan a la detonación (cont.) <ul><ul><li>Temperatura del refrigerante </li></ul></ul><ul><ul><li>Condiciones ambientales </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Presión ↑ </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Temperatura ↑ </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Humedad ↓ </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Combustible índice de octano I.O. </li></ul></ul>/33
  27. 27. <ul><li>Factores de diseño </li></ul>6. Factores que afectan a la detonación (cont.) <ul><ul><li>Relación de compresión </li></ul></ul><ul><ul><li>Cámara de combustión </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Geometría (relación SUP/VOL) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Materiales </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Recorrido del frente de llama </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Turbulencia </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Tamaño del cilindro </li></ul></ul><ul><ul><li>Doble bujía </li></ul></ul>/33
  28. 28. <ul><li>Avance de encendido:  e </li></ul><ul><ul><li>Controla el inicio de la combustión. </li></ul></ul><ul><ul><li>Es el parámetro de control que permite centrar la combustión. </li></ul></ul><ul><ul><li>Al aumentar el avance se quema más mezcla durante la compresión y aumenta la presión máxima. </li></ul></ul><ul><ul><li>Al aumentar el avance, por existir aumento de presión (T), puede aparecer la detonación. </li></ul></ul><ul><ul><li>Existe un valor óptimo de  e que es el que hace la pme máxima, que suele estar limitado por la detonación. </li></ul></ul>7. Centrado de la combustión /33
  29. 29. <ul><li>Avance de encendido (cont.) </li></ul>7. Centrado de la combustión (cont.) /33
  30. 30. 8. Cámaras de combustión en MEP <ul><li>Cámaras de combustión. </li></ul><ul><ul><li>Objetivo principal: aumentar U c y evitar la detonación </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Minimizar el recorrido del frente de llama </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Favorecer la turbulencia </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Transferencia de calor (parte final del recorrido del frente) </li></ul></ul></ul>Cuña Hemiesférica Labrada en el pistón Labrada en la culata /33
  31. 31. 8. Cámaras de combustión en MEP (cont.) <ul><li>Diseño de la cámara </li></ul><ul><ul><li>Ángulo de combustión </li></ul></ul><ul><ul><li>Turbulencia </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Proporcional al régimen de giro (2ª fase) </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Factor de proporcionalidad k </li></ul></ul>siendo k característico del diseño del motor: cámara de combustión y pipas de admisión /33 k
  32. 32. Resumen <ul><ul><li>Los parámetros que se modifican en el funcionamiento del motor afectan de forma importante al desarrollo de la combustión. </li></ul></ul><ul><ul><li>En el diseño de un motor intervienen parámetros que son fundamentales para la consecución de una combustión eficiente. </li></ul></ul><ul><ul><li>Los fenómenos no deseables que pueden aparecer en el proceso de combustión son el autoencendido (detonación) y el encendido superficial. </li></ul></ul>/33
  33. 33. Bibliografía /33 <ul><ul><li>Motores de Combustión Interna Alternativos. </li></ul></ul><ul><ul><li>M. Muñoz, F. Payri, Servicio de Publicaciones E.T.S.I.I. de Madrid, 1989. </li></ul></ul><ul><ul><li>Internal Combustion Engine Fundamentals. </li></ul></ul><ul><ul><li>J.B. Heywood, McGraw-Hill, 1988. </li></ul></ul><ul><ul><li>The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. </li></ul></ul><ul><ul><li>C.F. Taylor, MIT Press. 1985. </li></ul></ul>

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