LTC. MEP carga homogénea Fr>1 Fr=1 Fr<1 (MEP) CAI MEC HCCI. Fr=1 Fr<1. MEP carga estratificada. MEC convencional. L6.- Combustión en MEP

(1)

MEP carga homogénea

MEP carga estratificada

Fr<<1 MEC convencional DI IDI Fr=1 Fr<1 Fr>1 (MEP) CAI HSDI lento MEC HCCI LTC homogénea ▲ estratificada ▼ Fr=1 Fr<1 encendido provocado ▲ autoencendido ▼

L6.- Combustión en MEP Carlos Guardiola Septiembre 2012

(2)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Gasoline PFI stoich DI SI Gas stratified lean Gasoline CAI stoich Gasoline CAI lean Diesel HCCI lean Diesel DI lean Relative Fuel Consumption (%) 10₀

20 30 40 50 60 70 80 90 100 Gasoline PFI stoich DI SI Gas stratified lean Gasoline CAI stoich Gasoline CAI lean Diesel HCCI lean Diesel DI lean Gasoline PFI stoich DI SI Gas stratified lean Gasoline CAI stoich Gasoline CAI lean Diesel HCCI lean Diesel DI lean

Relative Fuel Consumption (%)

MEP carga homogénea

MEP carga estratificada

Fr<<1 MEC convencional DI IDI Fr=1 Fr<1 Fr>1 CAI HSDI lento MEC HCCI LTC homogénea ▲ estratificada ▼ Fr=1 Fr<1 encendido provocado ▲ autoencendido ▼

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CONTENIDO

 Introducción. Generalidades de la combustión

 Proceso de combustión en MEP. Fases

 Factores que afectan a la combustión

 Combustión anormal en MEP. Detonación

 Combustión con cargas estratificadas y CAI

 Resumen

INTRODUCCIÓN COMBUSTIÓN

MEP HOMOG. FACTORES

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

MEP ESTRAT. y CAI

INTRODUCCIÓN

 La combustión de la mezcla en el cilindro es uno de los fenómenos que controlan la potencia, rendimiento y las emisiones del motor

 En el caso de los motores MEP convencionales, la

combustión comienza tras el aporte de energía externa (e.g. chispa) a una mezcla homogénea

 Motor de explosión

 terminología incorrecta

Tipos de combustión:

Generalizada (autoencendido o explosión)

Localizada (frente de llama)

Detonación (∆p,∆T)

Deflagración: (∆T) – Premezclada MEP – Difusión MEC

(4)

INTRODUCCIÓN

 Importancia de la combustión sobre el funcionamiento de los MCIA:  Rendimiento de la combustión  η_i  Velocidad de la combustión  η_i  Formación de contaminantes  Combustión anormal INTRODUCCIÓN COMBUSTIÓN

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

INTRODUCCIÓN

 Estudio del proceso de combustión (I):

 Visualización  Evolución de la p_cil

( )

p



V( ), m ma, res,mf

( ),

( )

T



FQL



(5)

PROCESO DE COMBUSTIÓN EN MEP

 Fenomenología del proceso:

Mezcla homogénea

Encendido provocado

Propagación del frente de llama

Velocidad de combustión

Tiempo de combustión

 Combustible MEP:

Elevada volatilidad: debe permitir la formación de una mezcla

homogénea

Resistencia a la autoinflamación: elevado número de octano (NO)

Gasolina, GLP, GN, etanol, metanol

COMBUSTIÓN ANORMAL R MEP ESTRAT. y CAI Combustión subsónica – deflagración Combustión turbulenta Dispersión cíclica

VELOCIDAD FRENTE DE LLAMA

(6)

VELOCIDAD FRENTE DE LLAMA

 Frente de llama:

 Velocidad de combustión laminar Hipótesis

•V_CL= 80 cm/s

•Duración comb. 120º cig. •Radio cámara: 40 mm.

n_máx= 400 r.p.m.

La velocidad de avance del frente de llama no se justifica por un proceso de combustión laminar

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

VELOCIDAD FRENTE DE LLAMA

 Frente de llama:

(7)

VELOCIDAD FRENTE DE LLAMA

 Combustión turbulenta:

 Turbulencias en el campo de velocidad (micro y macro)

 Plegamiento en el frente de llama  gran superficie  Velocidad de combustión turbulenta: T 20

L u u   La turbulencia aumenta con n INTRODUCCIÓN COMBUSTIÓN

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

VELOCIDAD FRENTE DE LLAMA

 Avance del frente de llama:

 Expansión de los gases quemados (u_a)  Velocidad de la combustión (u_C)

 Laminar o turbulenta

f C a

(8)

EVOLUCIÓN DE LA PRESIÓN EN CÁMARA

 Si consideramos el proceso de combustión en un MEP:

 V=V()

 Avance del frente de llama  liberación de calor  La variación de la presión en cámara es consecuencia de ambos efectos

p=p(



)

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

EVOLUCIÓN DE LA PRESIÓN EN CÁMARA

 Fases de la combustión –Encendido: chispa eléctrica.

–Fase inicial (₁): desde el salto de la chispa hasta que la presión supera la correspondiente a la compresión. Combustión laminar.

–Fase principal (₂): finaliza cuando se alcanza la presión máxima. Es turbulenta, en ella se quema la mayor parte de la mezcla.

–Fase final o residual (₃): Es laminar y es difícil precisar dónde termina. En ella se quema la mezcla cercana a las paredes.

(9)

EVOLUCIÓN DE LA PRESIÓN EN CÁMARA

 Fases de la combustión

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

EVOLUCIÓN DE LA PRESIÓN EN CÁMARA

 Parámetros significativos

 Ángulo/tiempo de combustión α_C,t_C  Ángulo/tiempo de retraso α₁,t₁  Velocidad media de combustión u_C

 Gradiente de presión dp/dα,dp/dt

 Presión máxima p_max

2

60

m C C C

c

n L

L

u

S u







 



  



_C C

L

t

u



(10)

FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN

 Factores de diseño:

 Cámara de combustión

 Posición de las bujías

 Factores de funcionamiento:

 Régimen de giro del motor

 Grado de admisión

 Dosado

 EGR

 Punto de encendido

 Existen variaciones locales en los niveles de turbulencia, dosado, EGR, etc.  dispersión cíclica

presión en cámara en varios ciclos consecutivos en un MEP-2T de competición

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

 Cámara de combustión

 Debe favorecer la turbulencia y ser de pequeñas dimensiones para que _c sea pequeño

– De cuña: concentra la mayor parte de la mezcla cerca de la bujía. “End-gas” pequeño.

– Hemiesférica: el recorrido de frente de llama es pequeño y simétrico. Muy compacta.

– Labrada en pistón: es compacta y de alta turbulencia.

– Labrada en la culata: es compacta, pero concentra mayor masa en “end gas”.

(11)

 Generación de turbulencia en pipas y cámara

FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN

Tumble

Squish

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

 Posición de las bujías

 Centrada para minimizar el recorrido del frente de llama

 Situada en zona de alta turbulencia para disminuir la primera fase de la combustión

 Situada en la zona más caliente

 Posibilidad de utilizar varias bujías, o varias chispas por bujía

(12)

 Posición de las bujías

FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

 Régimen de giro del motor

 Al aumentar el régimen de giro aumenta ligeramente el

ángulo de combustión

 Según lo visto anteriormente el aumento debería ser lineal:

 La velocidad de combustión u_C aumenta de una forma casi lineal con n debido a un aumento en la turbulencia  Esto permite el alto régimen de giro de los MEP

2

60

m C C C

c

n L

L

u

S u







 



  



(13)

 Grado de admisión/rendimiento volumétrico

 Grado de carga  afecta al rendimiento volumétrico  Al bajar la carga  aumentan residuales y

disminuye la densidad en cámara disminuye la velocidad de la combustión

 Además, al bajar la carga, disminuyen intensidad y escala de la turbulencia

FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

 Efecto del dosado

El uso de mezclas pobres (Fr<1) permite aumentar el rendimiento al

9 10 11 12 p.m.e. [bar] 280 300 320 340 gef [g /k W h ] FR lim FR  F_R = 1 FR N

(14)

 Efecto del dosado

F_r [-]

grado de admisión [%]

FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

 En los motores modernos existen varias opciones en el diseño del mapa de dosado:

 Fr = 1  catalizador 3v

 Fr>1 a alta carga

 prestaciones

 Fr < 1 a baja carga

 consumo

FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN

la decisión afecta al sistema de post-tratamiento aplicable  Ejemplo:

(15)

 Efecto del EGR:

Diluye la mezcla 

menor estrangulamiento necesario

Puede aplicarse a mezclas pobres, pero también a Fr=1

FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

 Punto de encendido:

 Es el parámetro de control que permite centrar la combustión

Al adelantar el encendido se quema más mezcla en la carrera de compresión, con lo que aumenta la presión máxima

Al aumentar el avance se

incrementa el riesgo de combustión detonante

El punto de encendido se adapta al punto de operación (régimen y carga)

(16)

 Efecto del avance de encendido: 0 100 200 300 400 500 600 Volumen [cm3_] 0 40 80 120 P re sió n [ b a r] -60 -40 -20 0 20 40 Avance [ºcig] 8 10 12 14 16 18 p. m .i . [ b a r] 0 100 200 300 400 500 600 Volumen [cm3_] 0 40 80 120 P re sió n [ b a r] -60 -40 -20 0 20 40 Avance [ºcig] 8 10 12 14 16 18 p. m .i . [ b a r] 0 100 200 300 400 500 600 Volumen [cm3_] 0 40 80 120 P re sió n [ b a r] -60 -40 -20 0 20 40 Avance [ºcig] 8 10 12 14 16 18 p. m .i . [ b a r] 0 100 200 300 400 500 600 Volumen [cm3_] 0 40 80 120 P re sió n [ b a r] -60 -40 -20 0 20 40 Avance [ºcig] 8 10 12 14 16 18 p. m .i . [ b a r] 0 100 200 300 400 500 600 Volumen [cm3_] 0 40 80 120 P re sió n [ b a r] -60 -40 -20 0 20 40 Avance [ºcig] 8 10 12 14 16 18 p. m .i . [ b a r] 0 100 200 300 400 500 600 Volumen [cm3_] 0 40 80 120 P re sió n [ b a r] -60 -40 -20 0 20 40 Avance [ºcig] 8 10 12 14 16 18 p. m .i . [ b a r] 0 100 200 300 400 500 600 Volumen [cm3_] 0 40 80 120 P re sió n [ b a r] -60 -40 -20 0 20 40 Avance [ºcig] 8 10 12 14 16 18 p. m .i . [ b a r] 0 100 200 300 400 500 600 Volumen [cm3_] 0 40 80 120 P re sió n [ b a r] -60 -40 -20 0 20 40 Avance [ºcig] 8 10 12 14 16 18 p. m .i . [ b a r] 0 100 200 300 400 500 600 Volumen [cm3_] 0 40 80 120 P re sió n [ b a r] -60 -40 -20 0 20 40 Avance [ºcig] 8 10 12 14 16 18 p. m .i . [ b a r] 0 100 200 300 400 500 600 Volumen [cm3_] 0 40 80 120 P re sió n [ b a r] -60 -40 -20 0 20 40 Avance [ºcig] 8 10 12 14 16 18 p. m .i . [ b a r]

FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

 Mapa de avance de encendido:

(17)

COMBUSTIÓN ANORMAL EN MEP

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 Picado intenso (WILD PING) Detonación como consecuencia del encendido superficial

Marcha dura (rumble)

Ruido sordo distinto a la detonación provocado por frentes de llama múltiples

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

DETONACIÓN

Detonación: bajo ciertas circunstancias puede darse el autoencendido de la mezcla:

combustión detonante

Aparece en puntos a elevada presión y temperatura, tras un tiempo de retraso () Genera ondas de presión que rebotan en la cámara de combustión hasta ser disipadas por rozamiento

Efectos destructivos sobre el motor (pistón y culata de aluminio)

Factor limitante de potencia y rendimiento en MEP

Ruido característico

Requerimientos sobre el combustible

(18)

 Factores de funcionamiento

FACTORES QUE AFECTAN LA DETONACIÓN

FACTORES p T  t_C TENDENCIA A _DETONACIÓN

Régimen   Grado de carga      Presión atmosférica     Temperatura atmosférica     Depósitos en cámara    C C u L t  INTRODUCCIÓN COMBUSTIÓN

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

 Reglajes

FACTORES QUE AFECTAN LA DETONACIÓN

Avance de encendido     

Dosado

(=estequiométrico)     

Temperatura

(19)

 Factores de diseño

FACTORES QUE AFECTAN LA DETONACIÓN

Relación de

compresión     

Turbulencia  

Temp. fracción final //

tamaño cilindro   () 

Inhibidores de reacción

(aditivos NO,residuales, EGR)   

Recorrido de llama  

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

IMPLICACIONES DE LA DETONACIÓN

(20)

IMPLICACIONES DE LA DETONACIÓN

 Punto de encendido (avance):  Centrado de la combustión  Limitado por la

combustión detonante

en los motores actuales,

generalmente se alcanza antes el límite por detonación que el punto de máxima pme

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

 Funcionamiento con mezcla estratificada

(21)

COMBUSTIÓN MEP CARGA ESTRATIFICADA

 Combustión con mezclas estratificadas/inyección directa gasolina:

 Objetivo: reducir el trabajo de bombeo por eliminación (parcial) de la mariposa

 Dosados globalmente pobres (por debajo del límite de inflamabilidad) a baja carga

 Estratificación de la mezcla

 Requiere un control muy preciso del sistema de inyección

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

COMBUSTIÓN MEP CARGA ESTRATIFICADA

 Efecto del empleo de MEP de carga estratificada a baja carga: 0 2 4 6 8 10 12 14 16 SI DISI e n e rgy dis tr ibut ion [ k Wh] radiation & convection exhaust gas enthalpy flow chemical losses (HC+CO) coolant water heating charge cycle friction effective power

(22)

COMBUSTIÓN MEP CARGA ESTRATIFICADA

 Adaptación del modo de funcionamiento homogeneous λ=1 homogeneous λ>1 stratified λ>>1 EGR REGEN. INTRODUCCIÓN COMBUSTIÓN

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

 Autoignición controlada:

Autoencendido en condiciones controladas de una mezcla homogénea

No hay frente de llama aparente

CAI

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Gasoline PFI stoich DI SI Gas stratified lean Gasoline CAI stoich Gasoline CAI lean Diesel HCCI lean Diesel DI lean Relativ e Fuel Consumption (%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Gasoline PFI stoich DI SI Gas stratified lean Gasoline CAI stoich Gasoline CAI lean Diesel HCCI lean Diesel DI lean Gasoline PFI stoich DI SI Gas stratified lean Gasoline CAI stoich Gasoline CAI lean Diesel HCCI lean Diesel DI lean Relativ e Fuel Consumption (%) MEP convencional CAI

(23)

RESUMEN

 La combustión en MEP se produce por el avance de un frente de llama en una mezcla homogénea

 La expansión de los gases quemados y los fenómenos de turbulencia permiten altas velocidades del frente de llama  son posibles altos regímenes de giro

 El dosado afecta a la potencia y al rendimiento

 El punto de encendido es un parámetro de control clave

 La combustión con mezclas estratificadas permite mantener un dosado global bajo evitando el uso de la mariposa

COMBUSTIÓN

ANORMAL R

BIBLIOGRAFÍA

 M. Muñoz y F. Payri

"Motores de Combustión Interna Alternativos" (Cap. 13-18)

 J.B. Heywood

"Internal Combustion Engine Fundamentals" (Cap. 9)

 R. van Basshuysen y F. Schäfer

"Internal Combustion Engine Handbook: Basics, Components, Systems

and Perspectives" (Cap. 15)

 R. Stone