L8.- Proceso de combustión en MEC Septiembre 2012personales.upv.es/carguaga/MCIA/L8.- Combustión en MEC.pdfL8.- Proceso de combustión en MEC Carlos Guardiola Septiembre 2012 INTRODUCCIÓN

L8.- Proceso de combustión en MEC Carlos GuardiolaSeptiembre 2012

MEP carga homogénea

MEP carga estratificada

Fr<<1

MEC convencional

DI IDI

Fr=1

Fr<1

Fr>1CAI

HSDIlento

MEC HCCI

LTC

homogénea ▲estratificada ▼

Fr=1

Fr<1

ence

ndid

o pr

ovoc

ado ▲

auto

ence

ndid

o ▼


CONTENIDO

Introducción y fenomenología del proceso

Fases de la combustión

Factores que afectan a la combustión

Cámara de combustión divididas y abiertas (ID/IDI)

Nuevos conceptos de combustión: HCCI/LTC

Resumen

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES

CÁMARAS DE COMB. ID/IDI

NUEVOS CONCEPTOS

R


INTRODUCCIÓN

A diferencia de en MEP, en los MEC el proceso de combustión se produce en un medio altamente heterogéneo

Se comprime aire y en las cercanías del PMS se inyecta el combustible

La combustión se produce por la autoinflamación del combustible

El control de la combustión se realiza actuando sobre:

Cantidad de combustible (dosado global)

Inicio de la inyección

Características de la inyección

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R


INTRODUCCIÓN

Existen dos conceptos de cámara de combustión MEC

CÁMARA DIVIDIDA (IDI) CÁMARA ABIERTA (DI)

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R


FENOMENOLOGÍA DEL PROCESO

Gran interrelación entre combustión e inyección

Condicionado por:

La ley de inyección

Calidad de los chorros

Condiciones de p y T

El movimiento del aire

Inyección

Atom ización

M ezcla

Evaporación

C om bustión

Autoencendido (prem ezclada)

Por d ifusión

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R


INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R




Combustión en mezcla heterogénea

Autoencendido de la mezcla: Elevada relación de compresión Combustible autoinflamable (alto NC)

Dosado global < estequiométrico Proceso relativamente lento: régimen máximo limitado

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R


FASES DE LA COMBUSTIÓN

Se definen tres fases diferenciadas:

III II

I

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R

-20 0 20 40 60Ang. Cig. [º]

0

20

40

60

80

Pre

sió

n [

ba

r]

0

0.1

0.2

0.3

0.4

DF

QL

[-/

º]

0

10

20

30

40

Tas

a [g

/s]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

FQ

L [

-]


INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R




Tiempo de retraso (ángulo de retraso) (I):

Tiempo entre el inicio de la inyección y el comienzo de la combustión Retraso físico (10 %). Vaporización y homogeneización del combustible. Depende de las características del chorro

Retraso químico (90%). Prerreacciones para el inicio de la combustión. Depende del NC, T y p

I

II III

I

II III

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



El tiempo de retraso depende de:

Composición del combustible (NC)

Temperatura (mucho) y presión (poco) del aire en el cilindro

tr

NC50 60

gasóleos actuales

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



Combustión premezclada (II)

Autoencendido del combustible vaporizado y mezclado con aire en la fase anterior

Gradiente brusco de presión (ruido) y temperatura

Marcha dura: cantidad importante de combustible quemado en esta fase

I

II III

I

II III

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



El aumento de presión durante la combustión premezclada depende de:

PMS-10 10

20 30 Angulo-20

p

-30

Cantidad de combustible inyectado durante el tiempo de retraso

Gasificación de este combustible y mezcla con aire

Tipo de cámara de combustión

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



Combustión por difusión (III)

Combustión progresiva controlada por: Tasa de inyección

Evaporación del combustible

Mezcla con el aire

Es la fase más importante en los grandes motores diesel (2T lentos)

I

II III

I

II III

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R


FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN

Régimen de giro

Al aumentar sube T disminuye tr Sin embargo αr=n·tr aumenta (o aproximadamente constante en motores de cámara dividida)

nmax en MEC limitado (menor que en MEP)n

α

pms

-20ºAvance inyección

Comienzo combustión

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



Punto de inyección

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



Punto de inyección Si la primera fase tiene lugar en las cercanías del PMS, el tr se reduce

Grandes avances aumentan el tr y además hacen mayor los gradientes de p y pmax

Afecta al rendimiento

En la actualidad, por problemas en la formación de NOx, es normal utilizar inyecciones muy retrasadas

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R

0 180 360 540 720Angle (ºCRK)

0

20

40

60

Cyl

ind

er

pre

ssu

re (

ba

r)



Dosado

Disminuir F global aumenta el tr por disminuir T

Límite mínimo de dosado (Fr~0.04) toda la combustión es premezclada

Límite máximo de dosado formación de humo negro (partículas)

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R

0.10.1

0 10.2

0.20.3 0.3

0.3 0.3

0.4

0.4 0.4

0.4 0.4

0.5 0.5

0.5 0.5

0.60.

6

0.60.60.

6

0.7

0.7

0.7

0.70.7

0.8

8

0.80.8

0.9

.9

n [rpm]

mf [

mg/

cil·c

iclo

]

Fr [-]

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000

10

20

30

40

50

60

70

80



Sobrealimentación

Reducción de tr por aumento de p y T

Sin embargo, se debe inyectar mayor cantidad de combustible gradientes de p y pmax inadmisibles

Soluciones: Modificar la ley de combustión para que la mayoría del combustible se entregue al final de ésta

Disminuir avance de inyección (hasta las proximidades del PMS)

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



Otros factores

Características del combustible: número de cetano

Temperatura del refrigerante

Condiciones en el colector de admisión

Recirculación de gases de escape

Técnicas de inyección avanzadas: inyección piloto, post-inyección, etc.

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



Mapas de inyección: avance principal y presión de inyección

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R

-2

-2-2

0

0

0

0

22

2

2

2

2

4

4

4

4

6

6

6

8

8

810

10

12

n [rpm]

mf [

mg/

cil·c

iclo

]

avance principal [º]

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000

10

20

30

40

50

60

70

300

300 30040

0

400

400

400400

500

500

500

500500

600

600

600600

700

700

700700

800

800

800800

900

900

900

1000

1000

1000

1100

1100

1100

1200

1200

1200

1300

1300

n [rpm]

mf [

mg/

cil·c

iclo

]

presión inyección [bar]

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000

10

20

30

40

50

60

70



Mapas de inyección: avance y gasto piloto

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R

0.5

0.5

0.5

0.50.50.5

1

1

1

11

2

2

2

2

3

3

3

3.5

3.5

3.5

5

n [rpm]

mf [

mg/

cil·c

iclo

]

gasto piloto [mg/cil·ciclo]

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000

10

20

30

40

50

60

70

30

3030

35

35

353535

40

40

40 40

40

4545

45

n [rpm]

mf [

mg/

cil·c

iclo

]

avance piloto [º]

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000

10

20

30

40

50

60

70




INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R

-20 -10 0 10 20 30 40cranck angle [º]

0

20

40

60

80

In-C

yli

nd

er

Pre

ss

ure

[b

ar] 40% EGR

24% EGR10% EGR0% EGR

5

5

5

5

10

10

10

10

15

15

15

15

20

20

20

20

25

25

25

25 30

30

30 35

35

35 40

40

4045

4550 50 5055

n [rpm]

mf [

mg/

cil·c

iclo

]

EGR [%]

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000

10

20

30

40

50

60

70

80




INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R

-20 -10 0 10 20 30 40cranck angle [º]

0

20

40

60

80

In-C

yli

nd

er

Pre

ss

ure

[b

ar] 40% EGR

24% EGR10% EGR0% EGR

-20 -10 0 10 20 30 40cranck angle [º]

0

100

200

300

400

500

FQ

L [

J]

0

20

40

60

80

dF

QL

[ J

/º]

40% EGR24% EGR10% EGR0% EGR

0 10 20 30 40

EGR [%]

14

15

16

17

18

19

MF

B5

0%

[º]




INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R


CÁMARAS DE COMBUSTIÓN

Objetivos:

Favorecer la mezcla aire-combustible

Minimizar la superficie para limitar la transferencia de calor disminuye el tiempo de retraso y favorece el arranque en frío

Mezcla por turbulencia

Inyección Indirecta

Mezcla asegurada por los chorros

Inyección Directa

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



CÁMARA DIVIDIDA

(IDI)

CÁMARA ABIERTA

(DI)

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



Cámara dividida Inyección indirecta (IDI)

Alta turbulencia.

Mezcla asegurada por la turbulencia

Calidad del chorro poco crítica: Inyector de 1 orificio (1 mm)

P. de inyección ‘baja’

(200 a 400 bar)

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



Cámara abierta Inyección directa (DI)

Baja turbulencia

Mezcla asegurada por los chorros

Calidad de los chorros crítica: Varios orificios (5 a 8)

Orificios muy pequeños (0.15 a 0.25 mm)

P. de inyección muy altas

(> 1500 bar)

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



Cámara abierta

Diseños sin turbulencia (motores lentos) y con turbulencia

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



Cámara abierta

En motores pequeños se le da al aire un movimiento de torbellino (swirl): Para reducir el riesgo de impacto en la pared

Para poder mezclar el combustible que haya impactado

El swirl debe ser el justo para repartir los chorros de inyección sin que se solapen (sistemas con muchos agujeros y alta piny requieren menos swirl)

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



Comparación IDI/DI

Sistema de inyección más sencillo

Mejor proceso de mezcla:Dosado máximo admisible mayor -con la misma calidad de chorro- (0.85)

Mejor proceso de combustión:

Más rápido

Menos emisiones contaminantes

Gran superficie de pared

Perdidas de calor importantes

Arranque en frío difícil

Menor rendimiento

Sistema en desuso

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R



Diferencias en prestaciones

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R

4,5

5

5,5

6

6,5

7

1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997

1999

2001

Año modelo

Co

nsu

mo

de

com

bu

stib

le [

l/100

km]

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Pes

o [

kg]

1/3-MIX MVEG (total) peso

Vehiculo: Golf I Golf II Golf III Golf IV

Tipo de motor: 1,5 l precamara 1,6 l precamara 1,9 l precamara1,9 l iny. directa

Regulacion deemisiones: 70/220/EWG ECE 15/04 Encl. 25 EU 1 EU 2 EU 3

Referencia: VW

2005

EU 4

TDI-PD

Golf V

CR

4,5

5

5,5

6

6,5

7

1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997

1999

2001

Año modelo

Co

nsu

mo

de

com

bu

stib

le [

l/100

km]

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Pes

o [

kg]





4,5

5

5,5

6

6,5

7

1975 1977 1979 1981 1983 1985

4,5

5

5,5

6

6,5

7

1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997

1999

2001

Año modelo

Co

nsu

mo

de

com

bu

stib

le [

l/100

km]

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Pes

o [

kg]





Referencia: VW

2005

EU 4

TDI-PD

Golf V

CRCR



Evolución de la producción de motores MEC de turismo en la UE

0

25

50

75

100

1996 1999 2002 2005año

po

rcen

taje

IDI

DI

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R


COMBUSTIÓN HCCI/LTC

Combustión MEC convencional:

Zonas con dosado rico y muy altas temperaturas de combustión generación de partículas y NOx

Combustión con mezcla homogénea:

Mezcla (más) homogénea con dosado global pobre

Gran porcentaje de gases recirculados

Combustión a baja temperatura sin un frente de llama definido

Control del encendido puede asistirse mediante una pequeña inyección en las cercanías del PMS

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R


COMBUSTIÓN HCCI/LTC

Existen numerosos sistemas en desarrollo:

Con inyección en el colector

Con inyección durante la admisión o el principio de la compresión

Con inyección muy retrasada

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R


RESUMEN

La combustión MEC está condicionada por los procesos de atomización, evaporación y mezcla del combustible (combustión por difusión)

El combustible debe ser fácilmente autoinflamable

Existen tres fases diferenciadas: tiempo de retraso, combustión premezclada y combustión por difusión

El avance de la inyección y el control de las características de ésta (ley de inyección) permiten controlar la combustión

Existen dos tipos de diseños de cámaras de combustión: ID e IDI

Están en desarrollo sistemas MEC con mezcla homogénea

INTRODUCCIÓNFASES

COMBUSTIÓNFACTORES


NUEVOS CONCEPTOS

R


BIBLIOGRAFÍA

F. Payri y J.M. Desantes"Motores de Combustión Interna Alternativos" (Cap. 19 y 20)

J.B. Heywood "Internal Combustion Engine Fundamentals" (Cap. 10)

R. Stone "Introduction to Internal Combustion Engines" (Cap. 3 y 5)

Documents

L8.- Proceso de combustión en MEC Septiembre 2012personales.upv.es/carguaga/MCIA/L8.- Combustión en MEC.pdfL8.- Proceso de combustión en MEC Carlos Guardiola Septiembre 2012 INTRODUCCIÓN