/30 TEMA 14 COMBUSTIÓN EN MEC
<ul><ul><li>Entender cuáles son los fenómenos que intervienen en la combustión en los MEC </li></ul></ul><ul><ul><li>Resal...
<ul><ul><li>Características básicas del proceso </li></ul></ul><ul><ul><li>Comportamiento del sistema de inyección  </li><...
1. Características básicas del proceso /30 <ul><li>Introducción </li></ul><ul><ul><li>Estrecha relación entre inyección y ...
<ul><li>Visualización del proceso de combustión:  </li></ul><ul><li>Motor – maqueta </li></ul>1. Características básicas d...
1. Características básicas del proceso (cont.) /30 Motor transparente <ul><li>Visualización del proceso de combustión (con...
2. Comportamiento del sistema de inyección /30 <ul><li>Sistema de inyección  </li></ul><ul><ul><li>El sistema de inyección...
2. Comportamiento del sistema de inyección (cont.) /30 <ul><li>Tasa de inyección </li></ul><ul><ul><li>Masa inyectada por ...
2. Comportamiento del sistema de inyección (cont.) /30 <ul><li>Permeabilidad del inyector </li></ul><ul><li>La masa de com...
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/30 3. Comportamiento del chorro (cont.) <ul><li>Penetración del chorro: </li></ul>A partir de la teoría de chorros gaseos...
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3. Comportamiento del chorro (cont.) /30 <ul><li>Ejemplo de simulación de un chorro no reactivo gaseoso  </li></ul>
<ul><li>Atomización </li></ul><ul><ul><li>Fenómeno complejo en el que intervienen dos efectos contrapuestos: disgregación ...
<ul><li>Estructura general del chorro estabilizado en combustión </li></ul>4. Descripción fenomenológica del chorro en com...
<ul><li>Fases de la combustión </li></ul>5. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal /30 <ul><li>1ª Fase : Tiempo...
<ul><li>1ª fase: tiempo de retraso t r </li></ul><ul><ul><li>Tiempo que transcurre entre el comienzo de la inyección y el ...
<ul><li>Retraso físico </li></ul><ul><ul><li>Características del chorro (presión de inyección, tobera) </li></ul></ul><ul>...
5. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) /30 <ul><li>2ª fase: combustión premezclada </li></ul><ul><ul...
5. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) /30 <ul><li>3ª fase: combustión por difusión </li></ul><ul><u...
6.  Factores que afectan a la combustión <ul><li>Régimen:   </li></ul><ul><ul><li>El tiempo de retraso es independiente de...
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<ul><li>Efecto del EGR sobre la combustión:   </li></ul><ul><ul><li>Al introducir gases de escape se reduce la concentraci...
<ul><li>Diseño de la cámara </li></ul><ul><ul><li>Favorecer la mezcla aire-combustible </li></ul></ul><ul><ul><li>Minimiza...
7.  Combustión con inyecciones partidas <ul><li>Inyecciones piloto </li></ul><ul><ul><li>Inyección adelantada de poca masa...
8.  Motores Diesel de cámara dividida <ul><li>Inyección indirecta   </li></ul><ul><ul><li>Sistema cada vez menos empleado ...
<ul><li>Diferencias entre inyección directa e indirecta </li></ul>8.  Motores Diesel de cámara dividida (cont.) /30 Inyecc...
Resumen /30 <ul><li>Los fenómenos de inyección y combustión están estrechamente ligados en un MEC. </li></ul><ul><li>La co...
Bibliografía /30 <ul><ul><li>Motores de Combustión Interna Alternativos.  </li></ul></ul><ul><ul><li>M. Muñoz, F. Payri, S...
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Tema14 CombustióN En Mec

  1. 1. /30 TEMA 14 COMBUSTIÓN EN MEC
  2. 2. <ul><ul><li>Entender cuáles son los fenómenos que intervienen en la combustión en los MEC </li></ul></ul><ul><ul><li>Resaltar y analizar la importancia del comportamiento del chorro en estos motores </li></ul></ul><ul><ul><li>Describir las fases en las que se divide la combustión </li></ul></ul><ul><ul><li>Conocer los factores que afectan al proceso de combustión </li></ul></ul>Objetivos /30
  3. 3. <ul><ul><li>Características básicas del proceso </li></ul></ul><ul><ul><li>Comportamiento del sistema de inyección </li></ul></ul><ul><ul><li>Comportamiento del chorro </li></ul></ul><ul><ul><li>Descripción fenomenológica del chorro en combustión </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>Combustión con inyecciones partidas </li></ul></ul><ul><ul><li>Motores Diesel de cámara dividida </li></ul></ul>Contenido /30
  4. 4. 1. Características básicas del proceso /30 <ul><li>Introducción </li></ul><ul><ul><li>Estrecha relación entre inyección y combustión </li></ul></ul><ul><ul><li>Combustión de mezcla heterogénea de combustible-aire </li></ul></ul><ul><ul><li>Duración de la combustión mayor que en los MEP </li></ul></ul><ul><ul><li>Dosado global pobre </li></ul></ul><ul><ul><li>Actores condicionantes </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Tasa de inyección </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Características del chorro </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Movimiento del aire </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>p y T en el cilindro </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Autoencendido de la mezcla (a diferencia del MEP): </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Elevada relación de compresión </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Propiedades del combustible </li></ul></ul></ul><ul><li>Inyección </li></ul><ul><li>Tasa de inyección </li></ul><ul><li>Atomización </li></ul><ul><li>Mezcla </li></ul><ul><li>Evaporación </li></ul><ul><li>Combustión </li></ul><ul><li>Tiempo de retraso </li></ul><ul><li>Autoencendido </li></ul><ul><li>Difusión </li></ul>
  5. 5. <ul><li>Visualización del proceso de combustión: </li></ul><ul><li>Motor – maqueta </li></ul>1. Características básicas del proceso (cont.) /30
  6. 6. 1. Características básicas del proceso (cont.) /30 Motor transparente <ul><li>Visualización del proceso de combustión (cont.) </li></ul>
  7. 7. 2. Comportamiento del sistema de inyección /30 <ul><li>Sistema de inyección </li></ul><ul><ul><li>El sistema de inyección es vital en motores de inyección directa (DI) </li></ul></ul><ul><ul><li>La variación en la ley de inyección repercute directamente en la ley de combustión (por ejemplo: inyección piloto) </li></ul></ul><ul><ul><li>Se tiende a utilizar sistemas electrónicos, los cuales permiten una gran flexibilidad </li></ul></ul><ul><ul><li>Tipos: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Sistema tradicional: bomba + inyector </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Inyector bomba </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Sistema Common-Rail </li></ul></ul></ul>
  8. 8. 2. Comportamiento del sistema de inyección (cont.) /30 <ul><li>Tasa de inyección </li></ul><ul><ul><li>Masa inyectada por ciclo en función del tiempo (  ) </li></ul></ul><ul><li>Inyecciones partidas </li></ul><ul><ul><li>Actualmente existe la posibilidad de hacer varias inyecciones en un ciclo </li></ul></ul>t i tiempo de inyección  i ángulo de inyección 1 inyección piloto 2 inyección principal 3 postinyección 1 3 2
  9. 9. 2. Comportamiento del sistema de inyección (cont.) /30 <ul><li>Permeabilidad del inyector </li></ul><ul><li>La masa de combustible inyectada por cilindro y ciclo vale: </li></ul>Por otra parte la masa de combustible por cilindro y ciclo en función de parámetros del motor vale: sustituyendo resulta: ordenando y simplificando resulta:
  10. 10. <ul><li>Estructura general de un chorro gaseoso no reactivo </li></ul>3. Comportamiento del chorro /30 Perfiles de velocidad y concentración Contorno del chorro  ángulo del chorro
  11. 11. /30 3. Comportamiento del chorro (cont.) <ul><li>Penetración del chorro: </li></ul>A partir de la teoría de chorros gaseosos y mediante el análisis dimensional, la penetración de un chorro gaseoso se puede expresar como: siendo <ul><li>Velocidad del chorro: </li></ul>sustituyendo el tiempo por la penetración, resulta: o lo que es lo mismo
  12. 12. /30 3. Comportamiento del chorro (cont.) <ul><li>Englobamiento de aire (concentración de combustible) </li></ul>Aplicando la conservación de la cantidad de movimiento y siendo m a la masa de aire englobada podemos escribir: <ul><li>Efectos destacables: </li></ul><ul><ul><li>Disminuir el diámetro de la tobera mejora la mezcla aire-combustible </li></ul></ul><ul><ul><li>Aumentar la densidad en la cámara mejora la mezcla aire-combustible </li></ul></ul><ul><ul><li>Aumentar la presión de inyección incrementa la velocidad de penetración, y por tanto el combustible llega antes al dosado estequiométrico (el necesario para la combustión por difusión) </li></ul></ul>La concentración de combustible vale (chorros isomorfos)
  13. 13. 3. Comportamiento del chorro (cont.) /30 <ul><li>Ejemplo de simulación de un chorro no reactivo gaseoso </li></ul>
  14. 14. <ul><li>Atomización </li></ul><ul><ul><li>Fenómeno complejo en el que intervienen dos efectos contrapuestos: disgregación y coalescencia </li></ul></ul><ul><ul><li>En las condiciones de inyección de los motores actuales se tiene régimen de atomización completa es decir la atomización se inicia prácticamente en la tobera </li></ul></ul>3. Comportamiento del chorro (cont.) /30 <ul><li>Evaporación </li></ul><ul><ul><li>Controlada por el proceso de mezcla aire-combustible </li></ul></ul><ul><ul><li>El combustible se evapora a medida que el aire caliente englobado por el chorro aporta la entalpía necesaria para el cambio de estado </li></ul></ul>
  15. 15. <ul><li>Estructura general del chorro estabilizado en combustión </li></ul>4. Descripción fenomenológica del chorro en combustión /30 L LL La longitud de llama o longitud de mezcla es aquella en que se alcanza el dosado estequiométrico Lift-off
  16. 16. <ul><li>Fases de la combustión </li></ul>5. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal /30 <ul><li>1ª Fase : Tiempo de retraso </li></ul><ul><ul><li>No hay combustión </li></ul></ul><ul><li>2ª Fase : Combustión rápida </li></ul><ul><ul><li>Combustión premezclada </li></ul></ul><ul><li>3ª Fase : Combustión lenta </li></ul><ul><li>Combustión por difusión </li></ul><ul><li>4ª Fase : Combustión final (tras finalizar la inyección) muy lenta </li></ul><ul><ul><li>Combustión por difusión </li></ul></ul>Inicio inyección
  17. 17. <ul><li>1ª fase: tiempo de retraso t r </li></ul><ul><ul><li>Tiempo que transcurre entre el comienzo de la inyección y el comienzo de la combustión. </li></ul></ul><ul><ul><li>Es debido a dos retrasos simultáneos: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Retraso físico ( ~ 10 %) Es el tiempo necesario para la atomización, vaporización y mezcla del combustible con el aire. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Retraso químico ( ~ 90%). Es el tiempo en el que se realizan las prerreacciones necesarias para el inicio de la combustión. </li></ul></ul></ul>5. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) /30
  18. 18. <ul><li>Retraso físico </li></ul><ul><ul><li>Características del chorro (presión de inyección, tobera) </li></ul></ul><ul><ul><li>Propiedades del combustible (viscosidad) </li></ul></ul><ul><ul><li>Densidad del aire en la cámara </li></ul></ul><ul><ul><li>Movimiento del aire </li></ul></ul><ul><li>Retraso químico </li></ul><ul><ul><li>Propiedades del combustible (índice de cetano) </li></ul></ul><ul><ul><li>Temperatura del aire en cámara </li></ul></ul><ul><ul><li>Presión del aire (poca influencia) </li></ul></ul><ul><ul><li>Choque del chorro con las paredes </li></ul></ul>5. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) /30
  19. 19. 5. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) /30 <ul><li>2ª fase: combustión premezclada </li></ul><ul><ul><li>Autoencendido de todo el combustible mezclado en el tiempo de retraso </li></ul></ul><ul><ul><li>La masa que se quema en ese período depende de: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>La cantidad de combustible inyectado en el tiempo de retraso </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>La cantidad de combustible que está en condiciones de autoencenderse </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Elevada velocidad de combustión: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Incremento brusco de la presión </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Producción de ruido y vibraciones </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Al ralentí todo el combustible se inyecta </li></ul></ul><ul><ul><li>durante el tiempo de retraso y se quema </li></ul></ul><ul><ul><li>en esta fase </li></ul></ul>
  20. 20. 5. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) /30 <ul><li>3ª fase: combustión por difusión </li></ul><ul><ul><li>Combustión controlada por la mezcla entre combustible y aire </li></ul></ul><ul><ul><li>La combustión ocurre conforme el dosado alcanza condiciones estequiométricas </li></ul></ul><ul><ul><li>Velocidad de combustión moderada </li></ul></ul><ul><ul><li>Se quema el combustible que no lo había hecho en la 2ª fase y todo el que se inyecta después del tiempo de retraso (habitualmente más del 90% en motores de tamaño medio/grande operando a plena carga) </li></ul></ul><ul><li>Depende básicamente de: </li></ul><ul><ul><li>Tasa de inyección (si t i > t r ) </li></ul></ul><ul><ul><li>Movimiento del aire </li></ul></ul><ul><li>Se ralentiza a medida que avanza: </li></ul><ul><ul><li>Menos oxígeno disponible </li></ul></ul><ul><ul><li>Etapa final muy lenta a partir del final de la inyección (4ª fase) </li></ul></ul>
  21. 21. 6. Factores que afectan a la combustión <ul><li>Régimen: </li></ul><ul><ul><li>El tiempo de retraso es independiente del régimen </li></ul></ul><ul><ul><li>El ángulo de inyección </li></ul></ul><ul><ul><li>crece con el régimen </li></ul></ul><ul><ul><li>Consecuentemente hay </li></ul></ul><ul><ul><li>que aumentar el avance </li></ul></ul><ul><ul><li>al aumentar el régimen </li></ul></ul><ul><ul><li>de giro </li></ul></ul>/30
  22. 22. <ul><li>T y p al final de la compresión: </li></ul><ul><ul><li>El aumento de ambas disminuye el tiempo de retraso </li></ul></ul><ul><ul><li>T afecta más que p (mapas de autoencendido) </li></ul></ul><ul><li>Dosado: </li></ul><ul><ul><li>Si F R   T   retraso  </li></ul></ul><ul><ul><li>Es preciso aumentar el avance a medida que aumenta la carga para que el final de la combustión no se retrase demasiado, ya que la duración de la inyección crece y la fase 3 y 4 se hacen más largas </li></ul></ul>6. Factores que afectan a la combustión (cont.) /30
  23. 23. <ul><li>Recirculación de gases de escape (EGR): </li></ul><ul><ul><li>Definición: Introducción de gases de escape en el cilindro </li></ul></ul><ul><ul><li>Constatación: Importante reducción de los óxidos de nitrógeno </li></ul></ul>6. Factores que afectan a la combustión (cont.) /30
  24. 24. <ul><li>Efecto del EGR sobre la combustión: </li></ul><ul><ul><li>Al introducir gases de escape se reduce la concentración de O 2 en el cilindro </li></ul></ul><ul><ul><li>Se reduce la temperatura adiabática de llama </li></ul></ul><ul><ul><li>Importancia del EGR frío </li></ul></ul><ul><ul><li>Proceso de combustión más lento </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Puede empeorar el rendimiento </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Aumenta la formación de humos </li></ul></ul>6. Factores que afectan a la combustión (cont.) /30
  25. 25. <ul><li>Diseño de la cámara </li></ul><ul><ul><li>Favorecer la mezcla aire-combustible </li></ul></ul><ul><ul><li>Minimizar la superficie para limitar la transferencia de calor  disminuye el tiempo de retraso, favorece el arranque en frío y mejora el η e </li></ul></ul><ul><li>Movimiento del aire en el cilindro </li></ul><ul><ul><li>Swirl (coeficiente de torbellino) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Sólido rígido generado en el proceso de admisión </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Squish </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Generación de turbulencia por el movimiento del pistón en las proximidades del PMS </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Importancia de la geometría de la cámara de combustión en el pistón </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Interacción swirl – squish </li></ul></ul><ul><ul><li>Modificación del coeficiente de torbellino </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Empleo de dos pipas una con alto y otra con bajo C T </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Obturación de la pipa con bajo C T a bajo régimen </li></ul></ul></ul>6. Factores que afectan a la combustión (cont.) /30
  26. 26. 7. Combustión con inyecciones partidas <ul><li>Inyecciones piloto </li></ul><ul><ul><li>Inyección adelantada de poca masa que, o bien aumenta la temperatura de la cámara o bien genera radicales libres.. Cuando tiene lugar la inyección principal ésta posee un tiempo de retraso mucho menor. Con esta estrategia se reduce significativamente el ruido de combustión. </li></ul></ul><ul><li>Inyecciones principales </li></ul><ul><ul><li>Distribuir la masa de inyección para evitar p y T elevadas y ayudar a la mezcla aire – combustible. Esta estrategia puede reducir los NOx y los humos. </li></ul></ul><ul><li>Postinyección </li></ul><ul><ul><li>Elevar la temperatura de los gases de escape para regenerar el filtro de partículas. También puede reducir las emisiones de humo. </li></ul></ul>/30
  27. 27. 8. Motores Diesel de cámara dividida <ul><li>Inyección indirecta </li></ul><ul><ul><li>Sistema cada vez menos empleado </li></ul></ul><ul><ul><li>Espacio muerto y precámara (60/40) </li></ul></ul><ul><ul><li>Se produce la mezcla durante la combustión </li></ul></ul><ul><ul><li>Pérdidas de calor por la elevada relación superficie / volumen </li></ul></ul><ul><ul><li>Pérdidas de energía en la garganta </li></ul></ul>/30
  28. 28. <ul><li>Diferencias entre inyección directa e indirecta </li></ul>8. Motores Diesel de cámara dividida (cont.) /30 Inyección indirecta (IDI) Inyección directa (DI) <ul><ul><li>Sistema de inyección más </li></ul></ul><ul><ul><li>sencillo </li></ul></ul><ul><ul><li>Permite trabajar con dosados </li></ul></ul><ul><ul><li>más elevados </li></ul></ul><ul><ul><li>Posibilidad de subir más el </li></ul></ul><ul><ul><li>régimen de giro </li></ul></ul><ul><ul><li>Empleo de combustibles de </li></ul></ul><ul><ul><li>peor calidad </li></ul></ul><ul><ul><li>Culata menos crítica </li></ul></ul><ul><ul><li>Más facilidad de arranque en </li></ul></ul><ul><ul><li>frío </li></ul></ul><ul><ul><li>Buen par a bajo régimen </li></ul></ul><ul><ul><li>Mejor rendimiento </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Turbulencia </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Transmisión de calor </li></ul></ul></ul>
  29. 29. Resumen /30 <ul><li>Los fenómenos de inyección y combustión están estrechamente ligados en un MEC. </li></ul><ul><li>La combustión MEC está muy afectada por los procesos de mezcla aire-combustible y por el tiempo de retraso. </li></ul><ul><li>El régimen de giro de un MEC está fuertemente limitado por el proceso inyección-combustión. </li></ul><ul><li>Existen numerosos factores que afectan de forma importante al proceso. </li></ul><ul><li>Los motores Diesel de inyección directa han desplazado a los de cámara dividida. </li></ul>
  30. 30. Bibliografía /30 <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><ul><ul><li>Internal combustion engines. </li></ul></ul><ul><ul><li>R.S. Benson, N.D. Whitehouse, Pergamon Press., 1979. </li></ul></ul><ul><ul><li>Motor Vehicle Engines. </li></ul></ul><ul><ul><li>M. Khovakh, Mir, 1976. </li></ul></ul>

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