Proceso de Combustión en Los Motores de Combustión Interna

1 PROCESO PROCESO DE COMBUST COMBUSTIÓN IÓN EN LOS MOTORE MOTORES S DE COMBUST COMBUSTIÓN IÓN INTERNA 1.1 ASPECTOS GENERALES DE LA COMBUSTIÓN 1.1.1 Proceso físico-quíico.-  Es un proceso en el cual se consume una cant cantida idad d de mezc mezcla la fres fresca ca de comb combus usti tibl ble e y aire aire que que se trans transfo form rma a en productos produciéndose elevadas presiones y temperaturas. El surgimiento y desarro desarrollo llo de este este proces proceso o depen depende de de las siguie siguiente ntes s caract caracterí erísti sticas cas para para mantener su supervivencia: velocidad de la reacción química, transferencia de calor y masa en la zona de llama y pérdidas de calor hacia las paredes.

1.1.! "#se $#seos#.- Para una mezcla mezcla combustible combustible aire se refiere refiere a que si el combustible est en fase gaseosa, esto permite el desarrollo del proceso de combustión en forma ms rpida ya que se aumenta la velocidad de reacción y hay may mayor homog mogenei neidad dad. !as mezc mezcla las s no homog mogénea neas depend penden en mayormente de la difusión combustible a aire.

1.1.% Re#ccio&e Re#ccio&ess 'e o(i'#ci)&. o(i'#ci)&.-- "on reaccion reacciones es de combu combusti stión ón que se realizan en varias etapas y con formación de productos intermedios. Para la mayoría de las reacciones esta secuencia de etapas no es bien conocida, y son altamente dependientes de p, # y la concentración.

1.1.* Au+o-i&f,##ci)&.- $enómeno que se presenta cuando la velocidad de desprendimiento de calor superara su velocidad de e%tracción.

1.1. Líi+es 'e i&f,##ci)&.-  "on la mínima y m%ima concentración de comb combus ustib tible le en aire aire para para que que la mezc mezcla la se auto auto&in &infl flam ame, e, por por enci encima ma del del superior no hay propagación de llama y por deba'o del inferior hay e%tinción.

1.1. Pro/#$#ci)& 'e ,# ,,##.- En el estudio de la combustión, la reacción química tiene lugar en una zona muy delgada denominada frente de llama, la cual presenta dos zonas: de precalentamiento y de reacción.

. Propagación de llama y características del frente de llama.

En la zona de precalentamiento se prepara la mezcla para poder iniciar el proceso de combustión una vez alcanzada la temperatura de encendido, las reacciones químicas son lentas y la peque(a cantidad de mezcla quemada hace que las temperaturas alcanzadas no sean muy elevadas. !a e%istencia del frente de llama depende de los procesos de transmisión de calor y de difusión y para su estudio, el mismo puede considerarse fi'o o móvil.

1.1.0 e,oci'#' 'e co2us+i)& ,#i&#r.- En procesos controlados empleando varias mezclas de combustibles con aire, se ha determinado que el frente de llama se mueve a velocidades predecibles dependiendo de la riqueza de la mezcla, presión y temperatura.

1.1.3 e,oci'#' 'e co2us+i)& +ur2u,e&+#.- En )*+ para que los procesos de combustión ocurran a alta velocidad y permitan la e'ecución del ciclo lo ms rpido posible, se necesitan dise(os de cmaras de combustión y sistemas de admisión que generen alta turbulencia en la mezcla. Esto permite un mezclado ms eficiente en tiempos ms cortos y distorsiona el frente de llama aumentando su espesor y por lo tanto su rea de quemado. El aumento del grado de turbulencia físicamente rompe el frente de llama en varios puntos de inflamación acelerando la velocidad del proceso.

1.! PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES   El tipo de motor plantea una serie de requisitos con referencia al tipo de combustible que debe utilizarse en cada caso. En )E*- el proceso de formación de mezcla requiere de combustibles con facilidad de evaporación con la finalidad de formar mezclas homogéneas, sin embargo para el caso de )E* la e%igencia al combustible es que asegure un atomizado muy fino pero que al mismo tiempo prolongue la vida til de los componentes del sistema de inyección. En forma general el combustible empleado debe cumplir con los siguientes requerimientos: garantizar un arranque rpido y seguro independientemente de la temperatura e%terior, permitir el desarrollo del proceso de combustión con una formación peque(ísima de carbonilla, contribuir a la disminución del desgaste y corrosión del espe'o del cilindro procurar el desarrollo de un proceso de combustión lo ms completo posible y con la mínima e%pulsión de gases tó%icos. Entre las propiedades ms importantes de los combustibles usados en )*+ tenemos:

1.!.1 o,#+i,i'#'.- Es la capacidad que tiene el combustible para vaporizarse, depende de la composición fraccionada, del calor de vaporización y de la tensión superficial. )ientras mayor es la temperatura ambiente mayor ser la capacidad de evaporación del combustible.

1.2.2 Resistencia a la detonación.-  Para el caso de )E*- mide la capacidad que tiene una gasolina para evitar condiciones de auto&inflamación que ocasionan problemas de golpeteo en el motor. /sualmente este fenómeno de detonación se presenta en las zonas ms ale'adas de la bu'ía debido a que los gases quemados comprimen la mezcla fresca delante de ellos ocasionando en la misma incrementos de temperatura que superan los valores de autoencendido del combustible, y de esta manera se forma otro foco de inflamación que avanza quemando rpidamente la mezcla fresca en esta zona. 1.2.3 Retardo a la inflamación.-   Para el caso de )E* lo ms importante es asegurar que una vez que el combustible es atomizado en el interior de la cmara de combustión, ocurra su autoencendido con gran facilidad. Esta capacidad del combustible diesel se mide como el intervalo de tiempo mínimo

comprendido entre el instante de comienzo de la inyección del combustible y el instante en el que se produce la inflamación. Este corto período de tiempo depende de las condiciones de funcionamiento del motor y de las propiedades físico&químicas del combustible.

1.% RELACIÓN COMBUSTIBLE AIRE   "e representa como $0 y se define como la relación entre el consumo de combustible y aire en un proceso de combustión.

1.* RELACIÓN COMBUSTIBLE-AIRE TEÓRICA. "e refiere a la proporción de combustible y aire químicamente perfecta que permite un proceso de combustión completa. 1e esta manera la cantidad de o%ígeno suministrada al proceso de combustión es suficiente para que la cantidad de carbono e hidrógeno contenidos en el combustible sean o%idados completamente, o sea transformados en *23 y -32. 1os casos particulares se tienen cuando se traba'a con mezclas combustible aire: mezclas con e%ceso de aire 4mezclas pobres5 y con e%ceso de combustible 4mezclas ricas5.

1. RELACIÓN COMBUSTIBLE-AIRE E4UIALENTE #ambién llamada estequiométrica o riqueza de la mezcla, se utiliza como parmetro de comparación de la riqueza o pobreza de la mezcla en los procesos de combustión debido a que es independiente de la composición de los productos, se define como:

1. ESTE4UIOMETRIA DE LA COMBUSTIÓN )uestra la relación entre la composición de los reactantes y productos en base a la conservación de masa partiendo de una reacción química global de combustión.

*onsiderando el proceso de combustión teórico, en la #abla 6 se presenta la información sobre los productos esperados en función de la riqueza de la mezcla para el caso de combustión de un hidrocarburo. El modelo en estudio es llamado sistema *-27 y para este caso est constituido por seis especies químicas.

! COMBUSTIÓN EN MEC5  En la cmara de combustión de )E*- desde el momento en que ocurre el salto de la chispa, se forma un frente de llama, que divide el volumen de la cmara en dos zonas bien definidas: una zona de mezcla quemada donde la presión y temperatura son muy elevadas y otra zona donde se encuentra la mezcla fresca, que desde el inicio de la combustión es continuamente comprimida por los productos de combustión. $i'ar límites para el proceso de combustión en )E*- es difícil debido a la velocidad con la que cambian las características del proceso y a que no se pueden fi'ar límites físicos permanentes, sin embargo con la finalidad de identificar y 'ustificar los cambios de presión en el cilindro con combustión normal, ver el diagrama p&8 mostrado en la $ig. el proceso de combustión en )E*- se ha dividido en tres fases: inicial 4+5, secundaria 4++5 y final 4+++5.

Diagrama p- φ para un ME! indicando los límites teóricos de las fases del proceso de com"ustión.

!.1 "ASES DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN MEC5 !.1.1 "ASE INICIAL I.& *omienza prcticamente con el salto de la chispa y la duración de este período depende de las características químicas del combustible ya que traba'os de investigación muestran que dependiendo del tipo de combustible empleado, pueden presentarse demoras en el crecimiento de la presión que se(alan un proceso de combustión con una velocidad de propagación muy lenta que se atribuye a la comple'idad de la r eacción química. Por otro lado, e%iste otra demora relacionada con la preparación física de la mezcla. dicionalmente la cantidad de masa que se quema en la cercanía de los electrodos es muy peque(a y se considera que el peque(o incremento de presión observado es ocasionado mayormente por el propio proceso de compresión. *omo momento en que esta fase finaliza se considera el punto donde se observa claramente la separación entre los diagramas sin y con combustión. En función de la cantidad de masa quemada en esta fase se estima que se libera un 9 de la energía total contenida en el combustible.

!.1.! "ASE PRINCIPAL II.& barca desde el denominado punto de separación hasta el instante en que se alcanza la presión m%ima. "e denomina a esta fase como la fase principal de la combustión en vista de que dependiendo de su adecuado desarrollo alrededor del P)" el motor ser capaz de aprovechar  me'or o peor la energía del combustible. Es deseable por lo tanto que los puntos de inicio y fin de esta fase sean lo ms simétricos que sea posible respecto a la posición del P)", lo que requiere la determinación e%acta del ngulo de salto de chispa o ngulo de avance del encendido. Este ngulo debe ser mayor mientras mayor sea la duración de la fase inicial y mientras ms lento sea el desarrollo de la combustión. *uando el aumento de presión durante esta fase es muy elevado se considera que el funcionamiento del motor es muy rígido, lo que ocasiona problemas mecnicos relacionados con la resistencia del mecanismo cilindro&pistón. Para el instante en que se alcanza la

m%ima presión se estima que se ha liberado un ;< es mucho menor que en los casos de mezcla ms pobre o ms rica. Este comportamiento revela el m%imo desarrollo de potencia en el motor cuando éste emplea mezcla teórica.

!.%.! Re,#ci)& 'e co/resi)&.-  /n aumento en la relación de compresión me'ora las condiciones de presión y temperatura para el momento del encendido, de esta manera se reduce la duración de la fase inicial de la combustión. "in embargo un incremento elevado de la relación de compresión puede alargar la duración de la fase residual ya que aumenta la cantidad de mezcla que se quema en las cercanías de las paredes, disminuyendo el coeficiente de desprendimiento de calor en los puntos de m%ima presión y temperatura.

!.%.% Re8o,ucio&es 'e, o+or.-  l aumentar la velocidad del e'e del motor  disminuye el tiempo para completar la combustión sin que varíe el nmero de grados correspondiente, aumenta la turbulencia de la mezcla de traba'o y esto contribuye a aumentar la velocidad de propagación de la llama en la fase principal de la combustión.

#nfluencias del incremento de rpm so"re la com"ustión.

*omo consecuencia de lo anterior al incrementar las rpm del motor para una composición de mezcla constante y un ngulo de avance constante el desarrollo del proceso de combustión se alargar ocasionando un mayor  desplazamiento de la presión m%ima durante la carrera de e%pansión. Para corregir este inconveniente el motor requiere de un mecanismo que modifique el ngulo de salto de chispa en función del incremento de las rpm.

!.%.* C#r$# 'e, o+or.-  /na disminución en el porcenta'e de apertura de mariposa, como consecuencia de una reducción de carga, ocasiona pérdidas de potencia debido al deterioro del proceso de combustión ocasionado por la mayor dilución de la mezcla fresca con gases residuales y el desarrollo de menores presiones de traba'o. El funcionamiento con cargas parciales aumenta la duración de la fase inicial y hace menos estable el proceso de combustión, lo que trae como consecuencia un aumento en el consumo de combustible. Para reducir en parte los inconvenientes producidos el motor debe tener un mecanismo que modifique el ngulo de salto de chispa a cargas parciales.

!.* COMBUSTIÓN ANORMAL EN MEC5   continuación se presenta un resumen de algunas de las principales anomalías que se presentan durante el desarrollo real del proceso de combustión en )E*-.

!.*.1 De+o&#ci)&.-  Es ocasionada por el encendido rpido y brusco de la mezcla que se encuentra en las zonas ms ale'adas de la cmara de combustión, a las cuales la llama llega en ltima instancia. 1urante el proceso de combustión los productos comprimen la mezcla fresca calentndola localmente y causando que en ella se alcancen temperaturas mayores que las de auto&inflamación. El funcionamiento del motor ba'o estas condiciones puede causar serios da(os debido a que las altas temperaturas características del fenómeno pueden llegar a fundir porciones de la cara del pistón.

aracterísticas de la detonación en ME!$ a% d&"il' "% intensa.

!.*.! Au+oe&ce&'i'o #&+ici/#'o.- Es un fenómeno que se presenta antes de que ocurra el salto de chispa, y sus causas principales son los puntos calientes como: electrodos de la bu'ía, cabezales de la vlvula de escape y partículas de carbonilla. *omo consecuencia de lo anterior se presenta el recalentamiento del motor ocasionado por la compresión de estos gases calientes.

aracterística del autoencendido anticipado en ME!.

!.*.% Au+oe&ce&'i'o re+r#s#'o.-  Este problema, ocurre después del salto de chispa en la bu'ía y su origen se debe a la presencia de partículas de carbonilla incandescentes en )E*- con altas relaciones de compresión. El frente de llama adicional acelera bruscamente el quemado durante la fase principal de la combustión ocasionando funcionamientos muy severos del motor debido a los aumentos de presión.

om"ustión en ME!$ (1% Proceso normal. (2% Proceso con autoencendido retrasado.

!.*.* Au+oe&ce&'i'o /or co/resi)&.- Este fenómeno ocurre después de un funcionamiento continuo en motores que poseen altas relaciones de

compresión. Ceneralmente se presenta cuando al desconectar el sistema de encendido el motor por inercia al continuar girando a ba'a velocidad succiona combustible y las piezas recalentadas pueden ser puntos de ignición que no permiten que el motor se apague.

!. TIPOS DE C9MARA DE COMBUSTIÓN Para que un motor cumpla y entregue ciertos estndares de rendimiento, se requieren ciertas características de dise(o en sus componentes? tal es el caso de la forma de la cmara de combustión en el interior de cada uno de los cilindros en el motor. El dise(o de la cmara de combustión puede favorecer  las condiciones para que se produzca la combustión? y así, podemos encontrar  diferentes tipos de cmaras.

!..1 C:#r# 'e co2us+i)& 5eisf;ric#.-   Posee suficiente espacio para que los orificios de admisión y de escape sean de gran tama(o, esto es, para que el motor tenga un m%imo de entrada y salida de gases en cada cilindro? esto produce gran potencia, cuando el motor est muy revolucionado. !a bu'ía colocada en el centro, inflama toda la mezcla combustible en el menor tiempo posible.

!..! C:#r# e& for# 'e +i&#.- #iene la forma de una tina invertida, con las vlvulas en su parte inferior. *omo las vlvulas pueden colocarse en una sola hilera, el mecanismo que las hace funcionar es muy sencillo. !a forma alargada y ovalada de la tina, controla la turbulencia e%cesiva? y las paredes lisas por  donde sube el pistón hasta el tope, hacen que se produzcan los chorros necesarios para que la mezcla forme turbulencias. !os cilindros de gran dimetro y cortas carreras del pistón, permiten utilizar las vlvulas grandes? y así, se logra el paso adecuado de los gases.

!..%C:#r# e& for# 'e cuI?.- barca desde el punto de separación hasta el punto de presión m%ima y debido a la cantidad de combustible acumulado que se quema y a la participación del combustible que est siendo inyectado, en los diagramas se observa un crecimiento rpido de presión. En esta fase la plenitud del proceso de combustión se debe mayormente a las características de difusión entre los vapores de combustible y el aire fresco, el proceso de liberación de energía en esta fase crece rpidamente mostrando un pico bastante elevado. Para cuando se alcanza la presión m%ima si el motor  funciona a plena carga con un ciclo de traba'o bien organizado se estima un 99 de liberación de energía.

%.1.% Co2us+i)& ,e&+#= >II?.- l continuar la combustión se observa una reducción de presión no muy significativa con poca crecimiento del diagrama de liberación de calor hasta el punto donde se alcanza la temperatura m%ima. El desarrollo del proceso de combustión en esta fase est dominado por las condiciones de mezclado entre los vapores de combustible y el aire fresco. El continuo movimiento del aire es imprescindible para desalo'ar los gases quemados y permitir el mezclado de los reactantes. !a cantidad de energía liberada para el momento en el que se alcanza la temperatura m%ima est entre un ;> a => del total que posee el combustible.

%.1.* Co2us+i)& resi'u#,= >III?.- "egn se aprecia en el diagrama de liberación de energía la combustión contina an después de haberse alcanzado la temperatura m%ima desarrollndose en una parte considerable de la carrera de e%pansión. !o anterior sucede debido al quemado tardío de porciones de combustible localizadas en zonas de sobre&enriquecimiento local. El desarrollo de esta fase no es deseable pero por las características del proceso de combustión en )E* es inevitable, su duración puede alcanzar de ;> a => D de giro del cige(al y debido a la falta de o%ígeno y presencia de gran

cantidad de gases residuales el proceso de liberación de energía empeora bruscamente.

%.! "ACTORES 4UE A"ECTAN LA COMBUSTIÓN EN MEC  %.!.1 C#,i'#' 'e, co2us+i2,e.- Para que el proceso de combustión se inicie rpidamente y con un incremento de presión muy suave es necesario utilizar  combustibles de buena calidad o sea con nmero de cetano alto. !os combustibles diesel que cumplen con esta característica poseen un alto porcenta'e de hidrocarburos parafínicos. 1urante el proceso de vaporización influyen otras propiedades del combustible como la viscosidad, tensión superficial y la volatilidad, las cuales tienen influencia sobre la velocidad de formación de la mezcla.

 %.!.! Re,#ci)& 'e co/resi)&.-  El aumento de la relación de compresión me'ora las condiciones de p y # para el momento en el que se da la inyección del combustible, disminuyendo el retraso a la inflamación, aumentando la velocidad de combustión y logrando un funcionamiento ms suave del motor. "in embargo, las altas relaciones de compresión requieren tanto de mayor  resistencia mecnica como mayor robustez del motor.

%.!.% A&$u,o 'e #8#&ce 'e i&@ecci)&.-   /n ngulo de avance de inyección muy peque(o ocasiona funcionamientos ms suaves en el motor debido a que las altas p y # aseguran un rpido encendido con retrasos muy cortos, pero la potencia desarrollada disminuye y aumenta la cantidad de combustible que se quema durante la carrera de e%pansión. El valor óptimo depende de la relación de compresión, p y # iniciales del aire, características del sistema de inyección y rpm.

%.!.* C#,i'#' 'e /u,8eri7#ci)&.- Esta aumenta con la presión de inyección, reduciendo los retrasos a la inflamación, pero esto dificulta el grado de penetración del chorro de combustible, lo que puede empeorar el proceso de combustión.

%.!. Tie/o 'e i&@ecci)&.- Para mayor producción de potencia puede requerirse una disminución en la duración de la inyección pero manteniendo apro%imadamente invariable el suministro ciclo a ciclo, ya que con esto se consigue aumentar la velocidad de crecimiento de la presión.

%.!. Re8o,ucio&es 'e, o+or .& umentar las rpm me'ora las condiciones de pulverización del combustible y las condiciones de turbulencia del aire? sin embargo, el tiempo de retraso de inyección aumenta y como consecuencia es necesario adelantar el ngulo de avance de inyección para mantener el desarrollo de la presión m%ima en las cercanías del P)". 1e forma similar  que en )E*-, este motor requiere de un mecanismo de avance pero en esta caso, para la inyección del combustible.

%.% PROBLEMAS DE COMBUSTIÓN EN MEC %.%.1 Go,/e+eo e+:,ico.- *uando se traba'a en )E* con combustibles diesel cuyo período de retraso a la inflamación es muy grande, se presenta acumulación de una gran cantidad de combustible para el instante en que debe ocurrir el fenómeno de autoencendido? lo anterior ocasiona que se me'oren las condiciones de homogeneidad de la mezcla para encendidos de tipo e%plosivo. Estos encendidos van acompa(ados de ondas de choque que originan vibraciones de presión que se observan en el diagrama, al principio del proceso de combustión. Esta condición de traba'o eleva la temperatura en el interior del cilindro y contribuye positivamente a eliminar las vibraciones de presión debido a que disminuye el período de retardo a la inflamación.

,ariación de la presión en el cilindro de un ME cuando se presentan características del  golpeteo metlico.

%.* TIPOS DE C9MARAS DE COMBUSTION !a cmara de combustión es fundamental en el funcionamiento del motor. El inyector introduce en ella el combustible pulverizado, el cual se mezcla con el aire? de ahí que la forma de la cmara de combustión deba facilitar esta mezcla del combustible con el aire. #anto la mezcla como la combustión deben realizarse en un tiempo mínimo lo ms cercano posible al punto muerto superior. %.*.1 Co& c:#r# 'e i&@ecci)& 'irec+#.- El combustible se inyecta directamente en el cilindro. !a culata cierra el cilindro con una superficie plana, mientras que el inyector est situado en el centro. El inconveniente principal de este tipo de motor radica en que el aire esta poco agitado, siendo el inyector el responsable e%clusivo de la mezcla, por lo que su fabricación ha de ser muy perfecta, y por lo tanto costosa. En estas condiciones, y para aprovechar al m%imo la combustión, es conveniente que la cmara adopte la forma del chorro de combustible, o a la inversa.

%.*.! Co& c:#r# #rreo,i&#'or#.- El motor 1iesel rpido con dimetro de cilindro peque(o platea el problema de obtener una mezcla rpida y homogénea de combustible y aire. Para lograrlo se lleva el aire al combustible, dotando a este de un movimiento de remolino, lo que provoca una fuerte turbulencia al llegar el embolo a su punto muerto superior. En una cmara de combustión con turbulencia, al ser aspirado el aire es enviado tangencialmente, por lo que la vlvula de aspiración lleva una especie de pantalla que guía adecuadamente la corriente de aire.  dems de este movimiento e%iste otro transversal que impulsa al embolo dentro de la cmara.

%.*.%Co& c:#r# 'e co2us+i)& co& 'e/)si+o 'e #ire.- Este tipo de cmaras se llaman también de acumulación. El depósito de aire est

constituido por una pieza postiza situada en el embolo, la cual comunica con la cmara de combustión a través de un orificio. 1urante la compresión el aire se introduce en el depósito. ntes de alcanzarse el punto muerto superior  comienza la inyección. l pasar del punto muerto superior el movimiento del embolo se invierte, aumenta el volumen de la cmara de combustión y disminuye la presión que había en ella. El aire sale a través del orificio alimentando la llama en la zona del embudo y originando la combustión completa del combustible inyectado.

%.*.* Co& #&+ec:#r# 'e co2us+i)&.- Estos motores se denominan también de combustión dividida o de pre–combustión. "e caracterizan por tener el espacio en que se desarrolla la combustión dividido en dos: por una parte la cmara comprendida entre la cabeza del embolo y la culata, y por otra la antecmara, situada generalmente en la culata. En este tipo de cmara el funcionamiento es como sigue: al final de la carrera de compresión se inyecta el combustible. Parte de este combustible arde en la antecmara, aumentando la presión? el combustible que queda sin arder es proyectado, a través de un orificio de la antecmara, a la cmara principal. En esta encuentra el aire que precisa para completar la combustión.