Motores de encendido por compresin MEC Comisin 2

Motores de encendido por compresión (MEC) Comisión 2

MEC Mezcla aire-combustible a elevada temperatura ↓ Inestabilidad química ↓ Autoencendido en corto tiempo

MEC Tipos: • Inyección directa (↑ Rendimiento, ↓ Pérdidas de calor) • Inyección indirecta

Condiciones del proceso • Presión de inyección: [500 – 2000] bar • Densidad del aire en cámara: [10 – 50] bar • Temperatura del aire en cámara: [900 - 1000] °K

Proceso de combustión Fases Tasa de inyección de combustible I. RETRASO AL AUTOENCENDIDO II. COMBUSTIÓN PREMEZCLADA Tasa de liberación de calor Tasa de presión en cámara III. COMBUSTIÓN POR DIFUSIÓN 3. 1) Principal 3. 2) Tardía

Análisis de chorro de combustible

Proceso de combustión Fases Tasa de inyección de combustible I. RETRASO AL AUTOENCENDIDO II. COMBUSTIÓN PREMEZCLADA Tasa de liberación de calor Tasa de presión en cámara III. COMBUSTIÓN POR DIFUSIÓN 3. 1) Principal 3. 2) Tardía

Combustión por difusión Estructura de llama • Longitud Lift-off: Atomización – Englobamiento del aire – Evaporación. Determinará formación de hollín. • Zona de combustión premezclada: Consume oxígeno. • Zona de combustión por difusión: [Combustible sin quemar + Productos parciales de combustión] + Superficie de reacción (dosado estequiométrico) Combustión de oxígeno y hollín.

Combustión por difusión Formación de contaminantes • • Formación de HOLLÍN: Dosados ricos y medias-altas temperaturas Formación de NOx: Dosados estequiométricos-pobres y altas temperaturas FORMACIÓN DE CONTAMINANTES EN CADA ETAPA: • Longitud Lift-off: No hay formación de contaminantes (mezcla inerte) • Zona de combustión: 1) Dosado rico: Formación de hollín 2) Dosado pobre-estequiométrico: Formación de Nox

Parámetros cuantitativos LONGITUDES CARACTERÍSTICAS: • Penetración del chorro • Longitud líquida máxima • Longitud de llama • Longitud de Lift-off TIEMPOS CARACTERÍSTICOS: • Tiempo de evaporación • Tiempo de combustión

Control del proceso de combustión convencional en MEC • Control mediante el Proceso de inyección. • Control mediante el proceso de renovación de carga. • Diseño de la cámara de combustión.

Control mediante el proceso de inyección • Parámetros de diseño • Parámetros de funcionamiento Numero de orificio Diámetro Geometría interna Disposición de los mismos Presión de inyección Estrategia de inyección

Inyección de un solo punto Se puede actuar sobre el proceso de combustión modificando la presión de inyección, la masa inyectada y el inicio de inyección. Los dos primeros están relacionados a través de la relación de inyección.

1. La masa inyectada • Para inyecciones cortas, mayor parte de la masa se quema en premezcla. • Al ir aumentando la masa, la combustión es mas larga, pero las condiciones en el cilindro crecen en temperatura y el tiempo de retraso puede reducirse, con lo que la masa quemada en premezcla también se reduce. En definitiva, conviene adelantar la inyección para que la liberación de calor siga centrada y el rendimiento termodinámico del ciclo se mantenga lo más elevado posible.

2. La presión de inyección Al aumentar la presión de inyección: • No se modifica el tiempo de retraso • Aumenta el máximo de liberación de calor durante la fase premezclada, debido a que durante el tiempo de retraso se ha preparado mas mezcla como consecuencia del aumento en la presión de inyección. • Aumenta la tasa de liberación de calor durante la fase de combustión por difusión, debido también a la mayor tasa temporal de mezcla.

3. El inicio de inyección Al modificar el inicio de inyección se cambia el instante en el que comienza la combustión. • La inyección se realiza en la carrera descendente del pistón • Si se aleja del PMS, el chorro encuentra un ambiente con menor densidad y temperatura, con lo que el tiempo de retraso se alarga puesto que los procesos químicos se ralentizan.

Influencia en los contaminantes • Un aumento de la presión de inyección reduce el consumo especifico con lo que: Las temperaturas, Nox y hollin. • Alejar el inicio de inyección aumenta el consumo especifico, con lo que: las temperaturas, NOx y hollin

Inyecciones múltiples Las configuraciones más habituales son aquellas en las que se emplea un pulso de inyección que contiene la mayor cantidad de masa de combustible, junto a otros de menor tamaño. Según la posición de los pulsos se va a hablar de: • Una preinyección (reduce tiempo de retraso y ruidos) • Una post-inyección (alarga el proceso de combustión y reduce los humos)

Control mediante el proceso de renovación de carga • Presión de sobrealimentación • Tasa de EGR

Tasa de EGR Efecto inmediato del uso de EGR: • Aumenta los inertes y, por tanto, reduce el dosado estequiométrico • El gas resultante tiene un mayor calor específico Efecto en el proceso de combustión: • Aumenta tiempo de mezcla y reduce la liberación de calor • Disminuye las temperaturas máximas

Diseño de la cámara de combustión • En motores de tipo transporte pesado por carretera (del orden de 2 lt de cilindrada unitaria), • En los motores para automoción (del orden de 0. 4 -0. 5 lt de cilindrada unitaria)

Procesos alternativos de combustión en MEC Su desarrollo tiene como objeto reducir simultáneamente las emisiones de NOx y de hollín.

Diferencias y similitudes con el método tradicional • Los procesos de formación de la mezcla y liberación de calor se modifican en estos métodos alternativos. • El fenómeno de autoencendido por compresión se mantiene intacto.

Mediante estos métodos se busca: • Una rápida homogeneización de la mezcla con el fin de tener un dosado bajo al inicio de la combustión evitando la formación de hollín. • Combustión con baja temperatura de llama, para evitar la formación de NOx.

Métodos existentes: • Combustión de baja temperatura controlada por mezcla (similar a la combustión clásica). • Combustiones en fase de pre-mezcla (estrategias de inyección).

Combustión de baja temperatura controlada por mezcla • Condiciones: alta presión de alimentación, temperatura baja del aire de admisión y altos niveles de EGR. • Dosados pobres (máximos en el interior de la llama) y bajas temperaturas del aire en la cámara evitan la formación de hollín y NOx.

Combustión en fase premezclada • Se busca que el tiempo de inyección sea corto en comparación con la duración del tiempo de retraso del autoencendido. • Utiliza diferentes estrategias de inyección. • Requieren altas presiones de inyección, orificios de inyectores muy pequeños (orden de las 100 micras), y alta recirculación de gases.

Modos de combustión premezclada • Realizar la inyección muy pronto durante la carrera de compresión – Inyección Directa Adelantada • Inyección durante la carrera de admisión – Inyección Indirecta • Inyectar tarde en el ciclo, cerca del PMS o en el inicio de la carrera de expansión – Inyección Directa Retrasada • Inyección mixta.

Principales ventajas • Efectos sobre las emisiones: reducción significativa de las emisiones de NOx y partículas en comparación con las combustiones convencionales. • • Efectos sobre el rendimiento: Altas tasas de liberación de energía, lo que ayuda a conseguir un ciclo ideal con alto rendimiento teórico, . Las bajas temperaturas asociadas con estos métodos, reducen la transferencia de calor hacia las paredes, lo que favorece el rendimiento indicado del ciclo. •

Inconvenientes: • Difícil control de las variables de operación del motor, para evitar el inicio temprano de la combustión en la carrera de compresión • Tasa de liberación de calor muy rápida, con aumento del ruido de la combustión y de las presiones máximas en el cilindro. • Mayores emisiones de CO y HC. • Imposibilidad de operación a cargas altas.