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TEMA 5TEMA 5

COMBUSTIN POR DIFUSIN

Ejemplo en MEC

TEMA 5: COMBUSTIN POR DIFUSINCombustin 1/30

Objetivos

Entender cules son los fenmenos que intervienen en la combustin en los MEC

Resaltar y analizar la importancia del comportamiento del chorro en estos motoreschorro en estos motores

Describir las fases en las que se divide la combustin C l f t f t l d b ti Conocer los factores que afectan al proceso de combustin


Contenido

1. Caractersticas bsicas del proceso2. Comportamiento del sistema de inyeccin 3 C t i t d l h3. Comportamiento del chorro4. Descripcin fenomenolgica del chorro en combustin5 Desarrollo de la presin con el giro del cigeal5. Desarrollo de la presin con el giro del cigeal6. Factores que afectan a la combustin7 Combustin con inyecciones partidas7. Combustin con inyecciones partidas8. Motores Diesel de cmara dividida


1. Caractersticas bsicas del proceso Introduccin

Inyeccin Combustin

Introduccin Estrecha relacin entre inyeccin y combustin

Tasa de inyeccin Atomizacin Mezcla

Tiempo de retraso Autoencendido Difusin

Evaporacin

Combustin de mezcla heterognea de combustible-aire Duracin de la combustin mayor que en los MEP Duracin de la combustin mayor que en los MEP Dosado global pobre Actores condicionantes

Tasa de inyeccin Tasa de inyeccin Caractersticas del chorro Movimiento del aire

p y T en el cilindro p y T en el cilindro Autoencendido de la mezcla (a diferencia del MEP):

Elevada relacin de compresinP i d d d l b tibl


Propiedades del combustible

Vi li i d l d b i1. Caractersticas bsicas del proceso (cont.)Visualizacin del proceso de combustin:

Motor maqueta


1. Caractersticas bsicas del proceso (cont.)Vi li i d l d b i ( ) Visualizacin del proceso de combustin (cont.)

Motor transparente


2. Comportamiento del sistema de inyeccin

Sistema de inyeccin El sistema de inyeccin es vital en motores de inyeccin directa (DI) La variacin en la ley de inyeccin repercute directamente en la ley de

combustin (por ejemplo: inyeccin piloto)

Se tiende a utilizar sistemas electrnicos, los cuales permiten una gran flexibilidad

Ti Tipos: Sistema tradicional: bomba + inyector

Inyector bomba

Sistema Common-Rail


2. Comportamiento del sistema de inyeccin (cont.)

Tasa de inyeccin Masa inyectada por ciclo en funcin del tiempo ()

ti tiempo de inyeccini ngulo de inyeccin 6080

100

g

/

s

]

-1 0 1 2Tiempo [ms]

-20 0 20 400

204060

T

a

s

a

[

g

2i i it n t = = Inyecciones partidas

Actualmente existe la posibilidad de hacer varias inyecciones en un ciclo

-20 0 20 40Ang. [cig]

Ti [ ]

1 inyeccin piloto2 inyeccin principal 60

80100

[

g

/

s

]

-2 0 2Tiempo [ms]

1 32 inyeccin principal3 postinyeccin

-40 0 400

204060

T

a

s

a

[

2


Ang. [cig]

2. Comportamiento del sistema de inyeccin (cont.) Permeabilidad del inyector Permeabilidad del inyector

La masa de combustible inyectada por cilindro y ciclo vale:22 i TOB ip dA 2

4 2cci TOB i

f f i TOB i f TOBf

p dm U A t Nn

= =

2 fm nP b l d d d N

Por otra parte la masa de combustible por cilindro y ciclo en funcin de

2 ccfTOB TOB

f i i

Permeabilidad d Np =

Por otra parte la masa de combustible por cilindro y ciclo en funcin de parmetros del motor vale:

cc ccf a D a vm m F V F = =

sustituyendo resulta: 2 D a vTOB TOBf i i

V F nPermeabilidad d Np

=

fordenando y simplificando resulta:2 p a v mTOB TOB

A F cPermeabilidad d N

p =


f i ip

3. Comportamiento del chorro Estructura general de un chorro gaseoso no reactivo

30

40

ngulo del chorro

0

10

20

R

[

m

m

]

Contorno del chorro2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120X [mm]

Perfil radial : 1

Perfil axial : 1

Perfiles de velocidad y concentracin

0.6

0.8

C

/

C

_

a

x

e

0.6

0.8

C

o

n

c

.

0

0.2

0.4

0

0.2

0.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1r/R

0

Perfil gausiano:

==

2

64Rrcu .exp

0 20 40 60 80 100X [mm]

0

Perfil hiperblico :

x

cu ejeeje1,


Rcu ejeejex

3. Comportamiento del chorro (cont.)P t i d l h Penetracin del chorro:A partir de la teora de chorros gaseosos y mediante el anlisis dimensional, la penetracin de un chorro gaseoso se puede expresar como:p g p p

( )0.5i eqPenetracion x U d t= siendo eq TOB f ad d = Velocidad del chorro:Velocidad del chorro:

0.5i eq

x

U ddxUdt t

= dt t sustituyendo el tiempo por la penetracin, resulta:

i eqx

U dU

x o lo que es lo mismo eqx

i

dUU x


3. Comportamiento del chorro (cont.)E l b i t d i ( t i d b tibl ) Englobamiento de aire (concentracin de combustible)Aplicando la conservacin de la cantidad de movimiento y siendo ma la masa de aire englobada podemos escribir:g p

( )f i f a xm U m m U = + L t i d b tibl l ( h i f )La concentracin de combustible vale (chorros isomorfos)

f eqxeje

m dUcU

= = Efectos destacables:

ejef a im m U x+

Disminuir el dimetro de la tobera mejora la mezcla aire-combustible Aumentar la densidad en la cmara mejora la mezcla aire-combustible A t l i d i i i t l l id d d t i Aumentar la presin de inyeccin incrementa la velocidad de penetracin,

y por tanto el combustible llega antes al dosado estequiomtrico (el necesario para la combustin por difusin)


3. Comportamiento del chorro (cont.) Ejemplo de simulacin de un chorro no reactivo gaseoso


Atomizacin3. Comportamiento del chorro (cont.)Atomizacin Fenmeno complejo en el que intervienen dos efectos contrapuestos:

disgregacin y coalescencia En las condiciones de inyeccin de los motores actuales se tiene En las condiciones de inyeccin de los motores actuales se tiene

rgimen de atomizacin completa es decir la atomizacin se inicia prcticamente en la tobera

Evaporacin Evaporacin Controlada por el proceso de mezcla aire-combustible El combustible se evapora a medida que el aire caliente englobado por el

chorro aporta la entalpa necesaria para el cambio de estadoTEMA 5: COMBUSTIN POR DIFUSINCombustin 14/30

chorro aporta la entalpa necesaria para el cambio de estado

E t t l d l h t bili d b ti4. Descripcin fenomenolgica del chorro en combustinEstructura general del chorro estabilizado en combustin

Lnea de lmite del chorroRegin de combustinpremezclada rica

Combustible lquido

Punta del inyector

Lnea de dosadoestequiomtrico

Punta del inyector

estequiomtrico

Llama de difusin

Precursores de humosLift-off

LLL La longitud de llama o longitud de mezcla es aquella en que se alcanza el dosado estequiomtrico

Precursores de humos


se alcanza el dosado estequiomtrico

5. Desarrollo de la presin con el giro del cigeal

Fases de la combustin0.6

0.8

1

[

-

]

1 Fase 2 Fase 3 Fase

1 Fase: Tiempo de retraso No hay combustin 40

0

0.2

0.4

F

Q

L

No hay combustin 2 Fase: Combustin rpida

Combustin premezclada 1020

30

T

a

s

a

[

g

/

s

]

3 Fase: Combustin lenta Combustin por difusin

4 F C b ti fi l (t0.2

0.3

0.4

D

F

Q

L

[

-

/

]

0

4 Fase: Combustin final (tras finalizar la inyeccin) muy lenta

Combustin por difusin 6080

[

b

a

r

]

0

0.1

D

p

Inicio inyeccin20 0 20 40 60

0

20

40

P

r

e

s

i

n


-20 0 20 40 60Ang. Cig. []

5. Desarrollo de la presin con el giro del cigeal (cont.)

1 fase: tiempo de retraso tr Tiempo que transcurre entre el comienzo de la inyeccin y el comienzo de p q y y

la combustin.

Es debido a dos retrasos simultneos: Es debido a dos retrasos simultneos: Retraso fsico (~10 %) Es el tiempo necesario para la atomizacin,

vaporizacin y mezcla del combustible con el aire.

Retraso qumico (~ 90%). Es el tiempo en el que se realizan las prerreacciones necesarias para el inicio de la combustin.



Retraso fsico Caractersticas del chorro (presin de inyeccin, tobera) P i d d d l b tibl ( i id d) Propiedades del combustible (viscosidad) Densidad del aire en la cmara Movimiento del aire Movimiento del aire

Retraso qumico Propiedades del combustible (ndice de cetano) Propiedades del combustible (ndice de cetano) Temperatura del aire en cmara Presin del aire (poca influencia) Choque del chorro con las paredes

1 EA expNA p RT =



2 fase: combustin premezclada Autoencendido de todo el combustible mezclado en el tiempo de retraso La masa que se quema en ese perodo depende de:

La cantidad de combustible inyectado en el tiempo de retrasoLa cantidad de combustible que est en condiciones de La cantidad de combustible que est en condiciones de autoencenderse

Elevada velocidad de combustin: Incremento brusco de la presin Produccin de ruido y vibraciones

Al l t t d l b tibl i t

p

Al ralent todo el combustible se inyectadurante el tiempo de retraso y se quemaen esta fase 1en esta fase

PMS-10 10

2

20 30 Angulo-20-30



3 fase: combustin por difusinCombustin controlada por la mezcla entre combustible y aireLa combustin ocurre conforme el dosado alcanza condiciones

estequiomtricasVelocidad de combustin moderadaVelocidad de combustin moderadaSe quema el combustible que no lo haba hecho en la 2 fase y todo el

que se inyecta despus del tiempo de retraso (habitualmente ms del 90% t d t di / d d l )90% en motores de tamao medio/grande operando a plena carga)

Depende bsicamente de:Tasa de inyeccin (si t > t )Tasa de inyeccin (si ti > tr)Movimiento del aire

Se ralentiza a medida que avanza:Se ralentiza a medida que avanza:Menos oxgeno disponibleEtapa final muy lenta a partir del final de la inyeccin (4 fase)


p y p y ( )

6. Factores que afectan a la combustin Rgimen: El tiempo de retraso es independiente del rgimen

El ngulo de inyeccin crece con el rgimeng

Consecuentemente hayque aumentar el avanceal aumentar el rgimende girode giro


6. Factores que afectan a la combustin (cont.)

T y p al final de la compresin: El aumento de ambas disminuye el tiempo de retrasoy p TT afecta ms que pp (mapas de autoencendido)

D dDosado: Si FR T retraso Es preciso aumentar el avance a medida que aumenta la carga para

que el final de la combustin no se retrase demasiado, ya que la duracin de la inyeccin crece y la fase 3 y 4 se hacen ms largas


6. Factores que afectan a la combustin (cont.)

Recirculacin de gases de escape (EGR): Definicin: Introduccin de gases de escape en el cilindro Constatacin: Importante reduccin de los xidos de nitrgeno

1600

2000 rpm. Masa de carga: 700 mg/cc.Masa combustible: 13 mg/cc.

1200

1600

p

p

m

]

400

800

N

O

x

[

p

0 20 40 60EGR [%]

0


EGR [%]

Ef t d l EGR b l b ti6. Factores que afectan a la combustin (cont.) Efecto del EGR sobre la combustin: Al introducir gases de escape se reduce la concentracin de O2 en el

cilindro Se reduce la temperatura adiabtica de llama Importancia del EGR fro Proceso de combustin ms lento

Puede empeorar el rendimiento Aumenta la formacin de humos


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Diseo de la cmara6. Factores que afectan a la combustin (cont.) Diseo de la cmara Favorecer la mezcla aire-combustible Minimizar la superficie para limitar la transferencia

de calor disminuye el tiempo de retraso,de calor disminuye el tiempo de retraso, favorece el arranque en fro y mejora el eMovimiento del aire en el cilindro

Swirl (coeficiente de torbellino) Swirl (coeficiente de torbellino) Slido rgido generado en el proceso de admisin

Squish Generacin de turbulencia por el movimiento del

i t l i id d d l PMSpistn en las proximidades del PMS Importancia de la geometra de la cmara de

combustin en el pistn Interaccin swirl squish Interaccin swirl squish Modificacin del coeficiente de torbellino

Empleo de dos pipas una con alto y otra con bajo CTObt i d l i b j C b j i Obturacin de la pipa con bajo CT a bajo rgimen


7. Combustin con inyecciones partidas

Inyecciones piloto Inyeccin adelantada de poca masa que, o bien aumenta la

temperatura de la cmara o bien genera radicales libres.. Cuando tiene lugar la inyeccin principal sta posee un tiempo de retraso mucho menor. Con esta estrategia se reduce significativamente el

id d b tiruido de combustin. Inyecciones principales Distribuir la masa de inyeccin para evitar p y T elevadas y ayudar a Distribuir la masa de inyeccin para evitar p y T elevadas y ayudar a

la mezcla aire combustible. Esta estrategia puede reducir los NOx y los humos.

P ti i Postinyeccin Elevar la temperatura de los gases de escape para regenerar el filtro

de partculas. Tambin puede reducir las emisiones de humo.


8. Motores Diesel de cmara dividida

Inyeccin indirecta Sistema cada vez menos empleado Espacio muerto y precmara (60/40) Se produce la mezcla durante la combustin Prdidas de calor por la elevada relacin superficie / volumen Prdidas de calor por la elevada relacin superficie / volumen Prdidas de energa en la garganta


8. Motores Diesel de cmara dividida (cont.)

Diferencias entre inyeccin directa e indirecta

Inyeccin indirecta (IDI) Inyeccin directa (DI)

Sistema de inyeccin ms Culata menos crticasencillo

Permite trabajar con dosados l d

Ms facilidad de arranque en fro

ms elevados Posibilidad de subir ms el

rgimen de giro

Buen par a bajo rgimen Mejor rendimientorgimen de giro

Empleo de combustibles de peor calidad

Turbulencia Transmisin de calor

peor calidad


Resumen

Los fenmenos de inyeccin y combustin estn estrechamente y yligados en un MEC.

La combustin MEC est muy afectada por los procesos de mezcla i b tibl l ti d taire-combustible y por el tiempo de retraso.

El rgimen de giro de un MEC est fuertemente limitado por el proceso inyeccin-combustinproceso inyeccin combustin.

Existen numerosos factores que afectan de forma importante al proceso.

Los motores Diesel de inyeccin directa han desplazado a los de cmara dividida.


Bibliografa

Motores de Combustin Interna Alternativos. M. Muoz, F. Payri, Servicio de Publicaciones E.T.S.I.I. de Madrid 1989Madrid, 1989.

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The Internal Combustion Engine in Theory and Practice.g yC.F. Taylor, MIT Press., 1985.

Internal combustion enginesInternal combustion engines.R.S. Benson, N.D. Whitehouse, Pergamon Press., 1979.

M t V hi l E i Motor Vehicle Engines. M. Khovakh, Mir, 1976.


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