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ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE Y COMBUSTION EN

MECH

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INTRODUCCION El sistema de alimentación de combustible tiene como función succionar el combustible del deposito mezclarlo con el aire en proporción definida en función de las condiciones operativas e introducirlo en el conducto de admisión, para que sea introducido al interior de motor cuando abre la válvula de admisión. En los motores de encendido por chispa (MECH) se utilizan diversos sistemas de alimentación de combustibles.

a) Carburadores b) Inyección de gasolina

Fig. 1 Diferentes sistemas de alimentación de combustibles en MECH

El sistema de carburación en desuso en el sector automotriz, pero todavía se utiliza en aplicaciones industriales. El sistema de inyección indirecta es el más utilizado en la actualidad, pero esta siendo sustituido por la inyección directa, que requiere mayor complejidad para la inyección del combustible dentro del cilindro, pero tiene mejores beneficios. Todos los sistemas tienen como función aportar una mezcla de combustible dentro de un rango muy bien definido, que depende de las condiciones operativas del motor. En la figura 2 se muestra como influye la mezcla aire-combustible sobre el consumo específico y la potencia del motor. Se puede observar que la mezcla estequimétrica se encentra entre los valores de máxima potencia y mínimo consumo especifico de combustible.

Fig. 2 Efecto de la relación aire-combustible sobre la potencia y el consumo.

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SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN MEDIANTE CARBURADORES Los carburadores son el sistema de alimentación de combustible más antiguo de los motores de encendido por chispa, y su funcionamiento se basa en mezclar el aire con el combustible utilizando el principio del vénturi, en proporción definida, que depende de la carga y rpm del motor. Estos sistemas están en desuso debido a su incapacidad para lograr los actuales estándares de exigencia de consumo y emisiones de contaminantes. En la figura 3 se muestran un sistema de alimentación de gasolina mediante carburador. La gasolina es bombeada desde el tanque hasta el carburador por una bomba. Esta bomba puede ser de accionamiento mecánico o eléctrico. Carburador de gas natural de un motor industrial y un carburador de un motor de automoción.

Fig. 3 Sistema de alimentación de gasolina por carburador Funcionamiento del carburador. La carburación es el proceso de suministrar la cantidad de mezcla correcta de aire-combustible en forma atomizada a los cilindros del motor en las siguientes condiciones operativas: Arranque en frió Baja velocidad y aceleración progresiva Máxima carga, tanto a baja velocidad, como a alta velocidad. Carga parcial y funcionamiento a velocidad económica Aceleraciones y deceleraciones. El carburador elemental de un solo orificio de alimentación no puede satisfacer todos estos requerimientos, por lo que se le han añadido una variedad de mecanismos y sistemas. En la

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figura 4 se muestra un esquema de un carburador de doble ventura, en lado derecho de la figura 4 se representa las características de la depresión originada en cada vénturi. El Propósito de los múltiples venturas es incrementar la velocidad del aire y por la tanto la depresión en la región en el punto de descarga de combustible, a baja velocidad del motor sin afectar seriamente la capacidad del flujo de aire del carburador a alta velocidad. En la figura 5 se muestra un esquema de carburador con sistema economizador y válvula de arranque en frío. En la figura 6 se muestra una curva característica del comportamiento del carburador.

Fig. 4 Carburador de doble vénturi

Fig. 5 Carburador con válvula de enriquecimiento para arranque en frió

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Fig. 6 Curva de comportamiento carburador

INYECCIÓN DE GASOLINA Los sistemas de inyección de gasolina resuelven con mayores garantías los problemas de dosificación, consumo, etc., dosificando exactamente la cantidad de combustible que es necesaria en cada momento, de lo que resulta un menor nivel de emisiones contaminantes y un rendimiento mayor. En estos sistemas, el combustible es inyectado en el colector de admisión, justamente delante de las válvulas de admisión, por medio de un sistema de inyección autónoma, gobernado hidromecanicamente o mediante un dispositivo electrónico. De acuerdo con las características específicas de funcionamiento, los sistemas de inyección de gasolina pueden clasificarse en tres grandes grupos: Sistemas de inyección mecánica: Los cuales introducen el combustible por medio de

inyectores que permanecen abiertos continuamente a los que se hace llegar el combustible a una presión constante.

Sistema de inyección mixta: Estos son una variante del primero y funcionan de manera

similar, pero en este caso, se incluye un sistema electrónico de control, capaz de modificar el caudal de combustible enviado a los inyectores, adaptándolos a las diferentes condiciones de funcionamiento.

Sistemas totalmente electrónicos: Aquí el combustible es introducido en el motor por

medio de inyectores electromagnéticos, cuyas aperturas son gobernadas por un sistema electrónico de control, que adapta los tiempos de inyección a las distintas fases de funcionamiento, en función de las informaciones recibidas de una serie de sensores acoplados al motor.

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También según el número de inyectores utilizados, los sistemas de inyección se clasifican en dos grupos: Inyecciones Monopuntos: En estos sistemas se dispone de un solo inyector o electro-

válvula, generalmente acoplado en el lugar del carburador, que introduce el combustible en el colector de admisión.

Inyecciones Multipunto: Estos sistemas disponen de un inyector por cilindro, generalmente emplazados en las proximidades de la válvula de admisión (Indirecta) o en el cilindro (directa). Ver figura 7.

También pueden clasificarse los sistemas de inyección atendiendo al número y las formas de las inyecciones. En este apartado se establecen dos grandes grupos:

La inyección continúa La inyección intermitente.

En el primer grupo, los inyectores introducen el combustible de forma continua en el colector de admisión, previamente dosificado y a presión. En el segundo grupo, los inyectores introducen el combustible de manera intermitente, es decir, cada inyector se abre y cierra continuamente. Cuando las inyecciones se producen sucesivamente en cada inyector, una tras otra, el sistema se denomina Inyección Secuencial; por el contrario si el combustible es inyectado por todos los inyectores a la vez, el sistema recibe el nombre de Inyección Simultanea.

Fig. 7 Inyección de gasolina

Los sistemas de inyección de combustible aportan el combustible de acuerdo con el caudal de aire que penetre por el tubo de admisión, como la inyección se hace junto a la válvula de admisión y orientado hacia el punto más conveniente para mandar el combustible cuando la

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válvula de admisión, por lo que no afectan la longitud o forma de los conductos de admisión. La presencia de un inyector en cada cilindro elimina el defecto de la irregularidad de alimentación en los cilindros, frecuente en los motores alimentados por carburador. La aplicación de la electrónica a los sistemas de inyección, ha elevado a cotas altísimas el grado de eficacia a la hora de introducir en un cilindro la cantidad exacta de combustible que necesite. Las grandes posibilidades de la electrónica aplicada a la alimentación, permite medir todos los parámetros indispensables para conseguir una dosificación perfecta en función de múltiples parámetros que influyen directamente en este proceso. En la figura 8 se muestra un esquema de la variedad de parámetros que se pueden tomar en consideración para el cálculo de la cantidad de combustible a inyectar.

Fig. 8 Esquema de un sistema de inyección de combustible Bosch KE Jetronic

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Inyector de combustible El inyector es una válvula que tiene como función introducir combustible en cada rama individual de los cilindro. Los inyectores son válvulas operadas por solenoides, las cuales abren y cierran por medio de pulsos eléctricos enviados desde una unidad de control. En la figura 9 se muestran esquemas de inyectores en condición de abierto y cerrado, así como las características de los pulsos para condiciones de ralentí y máxima potencia.

Fig. 9 Válvulas inyectoras abiertas y cerradas

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SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE MOTORES DE GAS DE ENCENDIDO POR CHISPA.

El gas natural ocupa un lugar prominente como principal fuente energética, debido a su disponibilidad, costo, eficiencia térmica e impacto ambiental, por lo cual cada día tiene mayor aceptación como combustible alterno o sustituto de la gasolina y el diesel en vehículos automotores.

Para operar con GNV se requiere de la conversión de los motores de combustión interna y esta se puede efectuar de las siguientes maneras:

1.- En forma dual (GNV/ Gasolina), la conversión de un motor a gasolina para operar a GNV no involucra ninguna modificación del motor o remoción de alguno de sus componentes, sino solo la incorporación de algunos elementos adicionales (figura 10).

2.- En forma dual (GNV / diesel), modificando los motores diesel bajo las modalidades de mezcla de combustible (operación piloto).

3.- En forma total (solo GNV), modificando el motor de encendido por chispa para operar solo a GNV.

Filtro colador

Regulador secundario

Filtro de aire

CarburadorTanque de GNV

Mezclador

Regulador primario

Tanque de gasolina

Bomba de gasolina

Fig. 10 Esquema sistema de alimentación dual (Gasolina- Gas natural)

Motores duales de gas estequiométricos.

Los elementos del equipo de conversión dual, son los siguientes (figura 11):

Cilindros de almacenamiento.

Son recipientes diseñados especialmente para el almacenamiento del gas natural para

vehículos; son hechos de acero, de forma cilíndrica, generalmente con extremos redondeados,

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y son instalados simplemente o en grupos según la necesidad de trabajo en los equipos de

conversión.

Los cilindros de almacenamiento deberán ser construidos de acuerdo a lo establecido en

otras normas internacionales, con previa autorización del Ministerio de Energía y Minas.

Estas especificaciones se refieren al material, diseño, fabricación, prueba e inspección de

cilindros para gas natural.

Figura. 11. Componentes del sistema dual Gasolina / GNV.

Válvulas de llenado.

La válvula de llenado es un dispositivo del sistema de llenado y debe ser compatible con el

pico de llenado del surtidor para su inserción; esta conexión deberá ser de acople rápido

(roscado o a presión), a fin de garantizar mayor seguridad en el llenado del vehículo.

Filtro colador y válvula eléctrica de gas.

Por lo general forman un mismo cuerpo. El filtro colador sirve para limpiar las impurezas del

gas y debe ser aprobado para las condiciones de servicio a que es sometido.

La válvula solenoide del gas es accionada por el tablero de control montado en el vehículo.

Se encuentran ubicados entre el regulador primario y secundario, generalmente a la entrada de

este ultimo; y la válvula de gas va conectada al control de las electro- válvulas.

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Electro-válvula de gasolina.

Es una válvula que permite trabajar en gasolina o en GNV, según sea el caso. Se encuentra

ubicada entre la bomba de gasolina y el carburador, lo más cerca de este.

Regulador de presión.

Tiene por finalidad reducir la presión de envase del GNV en el tanque de combustible hasta la

presión atmosférica. Consta de 2 etapas de reducción:

Un regulador primario o cámara primaria, que reduce la presión del gas desde 3000 hasta

100 PSI.

Un regulador secundario o cámara secundaria, en donde el GNV vaporizado y seco

experimenta una reducción sustancial de su presión hasta la presión atmosférica.

El regulador deberá ubicarse por debajo del nivel del agua de enfriamiento, dentro del

compartimiento del motor, en un lugar accesible y protegido de choques, volcamientos, etc.

Deberá instalarse firmemente a la carrocería, en un lugar donde no este sujeto a vibraciones

excesivas, alejado de cualquier fuente de calor y colocado en posición vertical; el peso del

regulador no deberá soportarse sobre las conexiones.

Mezclador adaptador para el carburador de gasolina.

Mezcla el gas combustible con aire en las proporciones adecuadas y exigidas por el motor. En

los sistemas duales GNV/Gasolina este aparato viene acoplado sobre el carburador de

gasolina.

Deberá ser conectado en la línea de baja presión, después del regulador secundario de presión

y estar ubicado después del filtro de aire (entre este y el carburador).

Componentes electrónicos.

- Switch de control de electro-válvulas, que en los sistemas duales GNV/Gasolina comunica

el circuito de encendido con las electro-válvulas en las líneas de combustible de GNV y

gasolina.

- Selector de combustible, ubicado en el tablero, que empleado en los sistemas duales GNV/

gasolina, permite seleccionar el combustible a usar.

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- Indicador eléctrico de nivel, que indica la cantidad de GNV que hay en el tanque de

combustible mediante señales eléctricas.

- Modulo de control de encendido, que adapta la curva de encendido del vehículo a las

características del gas natural (sistema dual).

Tuberías, Abrazaderas y Conexiones apropiadas.

Son canalizaciones y dispositivos empleados en los equipos de conversión, aptos para la

circulación y uso del GNV y para fijar los elementos del sistema firmemente a la estructura de

la carrocería.

Tanto las tuberías como las abrazaderas deben cumplir con los requisitos establecidos en

normas internacionales reconocidas, con previa autorización del Ministerio de Energía y

Minas.

Motores monocombustibles a gas natural

En motores industriales a gas natural, normalmente el gas proviene del sistema de gas

combustible a baja presión, como ocurre en motores a gas utilizados en la industrial petrolera,

donde se utilizan motores a gas para mover los balancines, comprimir gas y generar eléctrica.

En la figura 12 se muestra un sistema regulador – carburador utilizado en un motor industrial

a gas natural.

Fig. 12 Alimentación de motores a Gas natural

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COMBUSTIÓN EN MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA Nociones del proceso La combustión en los motores consiste en el proceso de oxidación del combustible con aire, dando lugar a la aparición de la llama (reacción acompañada de luz y calor).

La combustión se inicia en la bujía del motor, cuando las moléculas de la mezcla aire-combustible alrededor de la chispa y en el seno de ella son energizadas, hasta un nivel en el que la reacción se mantenga por sí misma. Durante este período, la elevación de presión es mínima porque la cantidad de mezcla quemada es extremadamente pequeña.

Una vez que comienza la reacción, desde la bujía avanza una llama de frente esférica

(figura 13) que va consumiendo la mezcla. La etapa final de la combustión se logra cuando la llama se extingue al alcanzar las paredes más lejanas de la cámara.

Fig. 13 Frente de llama

El proceso de combustión en un motor ECH se desvía en parte de lo que se entiende por

reacción ideal (supone que las sustancias reaccionantes están en fase gaseosa formando una mezcla homogénea). Las causas principales son: La presencia de una mezcla rica: Las reacciones con menos oxígeno del necesario para

completar la combustión producen además de los productos de combustión completa otras especies intermedias de la oxidación, como: CO, H2, hidrocarburos sin quemar, etc.

La mala homogeneización de la mezcla: Conduce a dosados (relación aire-combustible) ricos, con las mismas consecuencias mencionadas anteriormente.

La disociación de los productos de combustión

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Combustión normal El proceso de combustión se inicia en la bujía y se desplaza hasta las paredes incrementando suavemente la presión. En el proceso de combustión normal se puede distinguir tres etapas principales: iniciación, la propagación propiamente dicha y la etapa de extinción (figura 14)

Fig. 14 Fases de la combustión en MECH en los diagramas P-ángulo y Fracción de masa

quemada-ángulo.

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La etapa de iniciación es la que ocurre desde la aparición de la chispa hasta el instante de incremento de presión recibe el efecto de la combustión. Se caracteriza por una velocidad de combustión lenta y laminar, temperatura es baja, para fines prácticos se puede suponer que abarca 10% del ángulo de combustión o el 5% de la masa quemada.

La etapa de propagación abarca desde el instante que aparece el efecto del incremento de la presión por la combustión hasta el punto de máxima presión dentro del cilindro. Se caracteriza por una velocidad de combustión turbulenta y temperatura elevada. Para fines prácticos se puede suponer que finaliza al 85% del ángulo de combustión o al quemarse el 90% de la masa de combustible.

La tercera etapa corresponde al instante cuando la velocidad de la llama se reduce, aunque puede seguir siendo turbulenta, la temperatura en esta fase también es baja. La etapa finaliza cuando se apaga la llama

Factores que influyen en la combustión normal El proceso de combustión en los motores de encendido por chispa es complicado, ya que el inició, propagación, finalización, energía liberada, eficacia depende de varios parámetros y variables, como son: Parámetros de funcionamiento Régimen de giro La carga del motor El dosado Las condiciones ambientales, de presión, temperatura y humedad El punto de encendido Parámetros de diseño Geometría de la cámara de combustión Posición y número de bujías Relación de compresión Rendimiento Otros factores Tipo de combustible Movimiento del fluido Combustión anormal Se llama combustión anormal cualquier proceso de combustión no deseado dentro del motor. Estas combustiones reducen las prestaciones del motor y puede producirle daños, llegando en el caso extremo a destruirlo. Los tipos de combustión anormal que se presentan en los MECH son: Combustión detonante y encendido superficial

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Detonación. La detonación se produce cuando la combustión se inicia en la bujía y avanza hacia las paredes, pero antes de alcanzar el extremo la mezcla que aun esta sin quemas se auto enciende generando un frente de llama en sentido contrario al principal (figura 15). El choque de estas dos ondas de presión produce incremento de la temperatura en la pared del cilindro y en los extremos del pistón, vibración y ruido característico en el motor.

Fig. 15 Detonación

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Como la condiciones de detonación siempre se produce en la ultima porción de la mezcla en quemarse, el fenómeno aparece cuando el tiempo de retraso de la mezcla es menor que el tiempo de combustión de dicha porción de mezcla. El tiempo de retraso es el que trascurre desde que se presentan las condiciones físico-químicas para que se produzca la combustión y la aparición de la llama o aumento de presión. El tiempo de retraso depende de la presión y temperatura de compresión, el tipo de combustible y el dosado. Los aditivos antidetonantes que se añaden a las gasolinas lo que producen es un aumento del tiempo de retraso y con eso eliminan la posibilidad de dotación, en condiciones normales de funcionamiento del motor. Los efectos de la detonación son: Se produce la destrucción de la capa límite que existe en la superficie de la cámara de combustión aumentando la transferencia de calor a las paredes de la cámara y por consiguiente la posibilidad de pre-encendido. Se produce la destrucción de la capa de lubricación que protege y lubrica los cilindros, causando fricción seca entre las paredes y los anillos, con el correspondiente aumento del desgaste. Se produce aumento de temperatura en la zona donde se produce la detonación, originando desgaste y en caso extremo fusión del material del pistón. Genera cargas de vibración que se transmiten al pasador del pistón, bocinas del pistón y bocina de cabeza de biela, pudiendo destruir la película lubricante, causando desgaste excesivo en estos componentes. En la figura 16 se muestra como la presión dentro del cilindro fluctúa en presencia de detonación.

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Fig. 16 Fluctuación de presión debida a la detonación

Encendido superficial Consiste en la combustión que se produce por otra fuente de ignición diferente a la chispa, como puntos calientes de carbón, electrodo de bujía incandescente, válvula de escapa caliente, etc. Cuando la ignición se produce entes de que se produzca la chispa se llama Pre-encendido y cuando se produce después de la chispa se llama Post-encendido. En la figura 17 se muestra la variación de la presión dentro del cilindro por efecto del pre-encendido

Fig. 17 Variación presión dentro del cilindro cuando ocurre el pre-encendido

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Octanaje El octanaje es la propiedad del combustible que mide la tendencia a oponerse a la detonación. Con este fin se añaden aditivos como el MTBE, Tetraetilo de plomo y otros compuestos. Los motores requieren combustibles con mayor número de octano, a medida que tienen mayor relación de compresión, ver figura 18. Igualmente existe una relación entre la velocidad del motor y los requerimiento de octanaje (ver figura 19 4.29)

Fig. 18 Relación entre número de octano y la mayor relación de compresión a usar

Fig. 19 Efecto de la velocidad del motor sobre los requerimientos del número de octano y el

límite de detonación de la presión media indicada Detalles de las propiedades antidetonantes de los combustibles se puede leer en el capitulo de combustibles.

Ahogado del motor

El ahogado del motor es un fenómeno en el cual no se produce combustión, la causa se origina por el enriquecimiento excesivo de la mezcla dentro de la cámara de combustión.

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Cuando la relación combustible-aire esta por encima de los límites de inflamabilidad, la mezcla no se enciende cuando se produce la chispa. La causa del ahogo se produce por mal funcionamiento del carburador o los inyectores.

PREGUNTAS SISTEMA DE ALIMENTACIÓN MECH

1. Haga un esquema del sistema de alimentación de gasolina de un motor alimentado por carburador, donde indique: El deposito, la bomba de gasolina, las líneas de conexión, el filtro de gasolina y el carburador.

2. Describa la influencia de la relación aire-combustible sobre la potencia y el consumo específico de combustible.

3. Cuales son los sistemas que forman el carburador 4. Cual es la función del sistema de arranque en frió 5. Cual es la función del sistema de baja velocidad y aceleración progresiva 6. Cual es la función del sistema de máxima carga, tanto a baja velocidad, como a alta

velocidad. 7. Cual es la función del sistema de carga parcial y funcionamiento a velocidad

económica 8. Cual es la función del sistema de aaceleraciones y deceleraciones. 9. Dibuje las curvas de comportamiento del carburador: relación aire/combustible – rpm

del motor y señale las áreas de mínimo, consumo mínimo, línea de aceleración, punto máxima potencia, línea de máxima potencia a carga parcial.

10. Describa el sistema de inyección mecánica 11. Describa el sistema de inyección mixta 12. Describa el sistema de inyección totalmente electrónica 13. Cual es la diferencia entre un sistema de inyección monopunto y uno multipunto. 14. Cual es la función de los reguladores de los sistemas de alimentación a gas de

vehículos 15. Cuales son los componentes principales de un sistema de alimentación de GNV. 16. Como se inicia el proceso de combustión en MECH 17. Describa el procedo de inicio, propagación y apagado de la llama en MECH 18. Cuales son las causas de que la combustión en MECH se desvíe de la ideal 19. Cuales son las etapas de la combustión normal en MECH. Diga cuando se inicial y

cuando finalizan cada etapa. 20. ¿Porque un proceso de combustión no siempre es el mismo? 21. A que se llama combustión anormal 22. Cuales son las causas del encendido superficial 23. Entre la cámara de combustión hemisférica y de cuña, cual tiene mayor posibilidad de

detonación. Justifique la respuesta. Seleccionar la respuesta correcta

1. En mínimo la relación aire/combustible es: a. La estequimétrica b. Mayor que la estequimétrica c. Menor que la estequimétrica

2. Si el combustible es inyectado por todos los inyectores a la vez, el sistema recibe el nombre

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a. Inyección Secuencial b. Inyección Simultanea c. Inyección multipunto

3. Cuando las inyecciones se producen sucesivamente en cada inyector, una tras otra, el sistema se denomina

a. h Inyección Secuencial b. Inyección Simultanea c. Inyección multipunto

4. El proceso de combustión se inicia en la bujía y se desplaza hasta las paredes incrementando suavemente la presión se llama:

a. Combustión superficial b. Combustión anormal c. Combustión norma d. Ninguna de las anteriores

5. Cuando la combustión se inicia en la bujía y avanza hacia las paredes, pero antes de alcanzar el extremo, la mezcla que aun esta sin quemar se auto enciende generando un frente de llama en sentido contrario al principal, se llama:

a. Encendido superficial b. Detonación c. Combustión doble d. Ninguna de las anteriores

6. El fenómeno que aparece cuando el tiempo de retraso de la mezcla es menor que el tiempo de combustión de dicha porción de mezcla, se llama:

a. Encendido superficial b. Detonación c. Combustión doble d. Ninguna de las anteriores

7. Las causas de que el motor se ahogue son: a. Operación con mezclas pobres b. Falta de aire c. Enriquecimiento excesivo de la mezcla dentro de la cámara de combustión

8. El requerimiento de octanaje es mayor a: a. En ralenti b. A potencia de máxima revoluciones c. A revoluciones medias de máxima presión media

9. La necesidad de mayor número de octano ocurre: a. En motores de baja relación de compresión b. En motores de alta relación de compresión c. En motores de mediana relación de compresión