Fases de la combustión

2.2.2.1. Primera fase

La primera fase de la combustión se inicia con el encendido de la mez- cla y en ella tienen lugar el encendido, la formación del frente de llama y la combustión de una pequeña parte de la mezcla. Se corresponde con el crecimiento débil de la fracción de masa quemada (entre un 5 % y un 10 %), tal y como se indica en la figura 2.5 y, por tanto, el calor liberado en dicha fase es prácticamente inapreciable.

La ignición es el aporte externo de la energía de activación de la reacción de combustión. Dicha energía se debe aportar a una cierta cantidad de masa. Ésta debe ser pequeña para que la energía necesaria para la activación no sea muy elevada, pero debe superar una magnitud mínima para que el calor que libere al quemarse sea capaz de desarrollar un frente de llama que se pueda transmitir al resto de la cámara. A volumen mínimo de masa encendida en la ignición se le denomina volumen mínimo o crítico. Otro parámetro importante en el encendido es el tiempo en el que se libera la energía de activación. Si éste fuera demasiado largo, la energía de activación se podría perder por trans- misión de calor hacia el entorno y el frente de llama no se desarrollaría. Por tanto, la ignición debe consistir en el aporte de una cantidad de energía a un cierto volumen de masa en un tiempo suficientemente corto. Habitualmente se utiliza una bujía que libera un arco eléctrico con unos 20 kV entre sus elec- trodos, entre los que existe una separación de 1 mm aproximadamente.

Durante el aporte de energía, la temperatura del volumen encendido se eleva bruscamente y se inician las reacciones exotérmicas de combustión. Como ya se ha dicho, si el volumen es el adecuado, la cantidad de calor que se libera es capaz de encender la masa que se encuentra a su alrededor. En ese caso se habrá desarrollado un frente de llama capaz de automantenerse y de avanzar por la cámara de combustión.

2.2.2.2. Segunda fase

En la segunda fase de la combustión tiene lugar la propagación del fren- te de llama a través de la cámara de combustión. En esta fase es donde se quema la mayor parte de la mezcla aire-combustible, tal y como se observa en la figura 2.5.

El frente de llama es una frontera física (del orden de centésimas de milímetro) entre los gases quemados y la masa fresca. Dentro de él se pro- ducen las reacciones químicas de combustión. La figura 2.6 muestra, de nuevo, un esquema del frente de llama supuesta la combustión laminar y se representa la variación de la temperatura y las concentraciones de aire y de CO₂. Aunque el espesor del frente de llama se puede definir de diversas formas, se puede afirmar que, como se ilustra en la misma figura, dentro del frente de llama se distinguen dos zonas, una de calentamiento de la masa fresca y otra de reacciones químicas.

Aire + combustible Reacciones químicas

{

{

Figura 2.6. Esquema del frente de llama.

Por otro lado, en la figura 2.2 se mostraron dos parámetros muy rela- cionados con esta fase de la combustión y referentes al frente de llama; la longitud de combustión (L_C) y la velocidad del frente de llama (C_F). Éstos están relacionados con el ángulo de combustión a través del tiempo de combustión (t_C) según la ecuación [2.2].

αC π C π C

F

n t n L

C

=2 ⋅ ⋅ =2 ⋅ ⋅ [2.2]

La longitud de combustión es la distancia que tiene que recorrer el frente de llama hasta concluir el proceso de combustión, y no es constante debido al movimiento del pistón, por lo que se suele definir en el PMS ya que el tiempo de combustión es, por lo general, breve en comparación con el ciclo completo. La longitud de la combustión depende fundamentalmen- te de la geometría de la cámara de combustión y de la posición de la bujía (o las bujías) dentro de ella. Esta longitud debe ser lo más pequeña posible para que el tiempo de combustión sea corto, por lo que habitualmente la bujía se ubica en la parte central de la cámara de combustión, posición que es, además, necesaria en los motores multiválvulas.

En la figura 2.7 se muestra la evolución de la fracción de masa que- mada en función de la longitud de combustión, que resulta una curva que depende de la geometría de la cámara de combustión. Como se observa, la mayoría de la masa se quema cuando el frente de llama está llegando al final de su recorrido. Esto es debido a dos razones: la primera es la propia geometría del frente de llama que, al ser prácticamente esférico (exceptuan- do las paredes de la cámara de combustión), conforme avanza va encen- diendo un volumen de masa fresca cada vez mayor. La segunda es debida a la dilatación de los gases quemados. Éstos, al ir aumentado la temperatura, tienen un volumen específico cada vez mayor y confinan una gran cantidad de masa fresca en un volumen reducido en la zona de la cámara de com- bustión más alejada del punto de encendido.

La velocidad del frente de llama es la velocidad con la que éste avanza al recorrer la longitud de la combustión. Tiene dos componentes: la velocidad propia de combustión (C_C) y la velocidad de arrastre (C_a):

C_F = C_C + C_a [2.3]

La velocidad propia de combustión es la velocidad con la que se mueve el frente de llama respecto de la masa sin quemar. La velocidad de arrastre, por otro lado, es la velocidad que tiene localmente el fluido en la zona de la llama

1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 L_C q f

y está precisamente provocada por la dilatación de los gases quemados, que empujan a la masa fresca hacia las paredes de la cámara de combustión.

La velocidad propia de combustión, supuesta una combustión laminar, depende principalmente de la composición de la mezcla, de sus propieda- des físicas (entre las que destaca la difusividad térmica, a) y de la tempe- ratura de la masa fresca en cada instante del proceso (C_C,lam = f(F,a_term, T_sq). Sin embargo, en la mayoría de los motores tanto el flujo como el frente de llama están en condiciones de régimen turbulento. En ese caso, la velocidad de combustión se rige principalmente por la fluidodinámica del proceso, más concretamente, por la intensidad de la turbulencia, tanto a escala (o tamaño) microscópica como macroscópica, alcanzándose velocidades muy superiores a la velocidad laminar de combustión. Esta dependencia de la velocidad del fluido en el interior del cilindro permite que la velocidad de combustión aumente con el régimen de giro del motor, por lo que el frente de llama puede recorrer la totalidad de la longitud de combustión incluso a muy altos regímenes de giro.

La velocidad del frente de llama laminar es función del dosado, de la difusivi- dad térmica y de la temperatura de la mezcla sin quemar (C_C,lam = f(F,a_term, T_sq). La velocidad de la llama en condiciones turbulentas es mucho mayor y se rige por los efectos fluidodinámicos del gas en el interior del cilindro.

La turbulencia, a su vez, modifica la geometría del frente de llama. Éste, debido a los torbellinos, se deforma y deja de ser esférico, como se muestra en la figura 2.8a. Como consecuencia de esto, la superficie del frente de llama se multiplica y el volumen que es capaz de quemar en cada instante es mayor.

Si la turbulencia es muy intensa, como sucede habitualmente, el frente de llama avanza a la velocidad del fluido en el torbellino, dejando zonas sin quemar en su interior (ver figura 2.8b). Estas bolsas de masa fresca se que- man posteriormente cuando el frente de llama avanza hacia su interior. De ese modo la superficie del frente de llama se hace mucho mayor, el frente avanza muy rápidamente y, a su vez, se quema simultáneamente una gran cantidad de masa fresca en múltiples zonas de la cámara de combustión.

Figura 2.8. Frente de llama turbulento.

2.2.2.3. Tercera fase

Cuando el frente de llama ha recorrido completamente la longitud de combustión la segunda fase del proceso de combustión finaliza y comien- za la tercera. Esta fase, difícil de delimitar temporalmente, consiste en la combustión de la masa que permanece aún fresca dentro de la cámara de combustión debido a las bolsas creadas durante la propagación del frente de llama turbulento. Esta combustión se produce ya que el frente de llama avanza hacia el interior de las bolsas, como se explicó anteriormente. El calor o la fracción de masa que se quema en esta fase es, como se observa en la figura 2.5, muy pequeño.

2.2.3. Factores que influyen en la determinación del avance