Estudio sobre los programas MEPO Y MECIDI Departamento de Ingeniería Energética Araceli Navas Muñoz 2. PROCESO DE COMBUSTIÓN 2.1. La combustión de un MEP Los MEP se caracterizan, considerando el caso de combustión normal, en que la combustión de la mezcla de aire y combustible se efectúa íntegramente por un proceso de propagación, a partir de la bujía o punto de encendido, hasta el extremo de la cámara de combustión, sin que haya un cambio brusco de su velocidad. El aporte de calor en el motor real se realiza progresivamente. En el motor Otto es controlado por el desplazamiento de un frente de llama, que se origina en la bujía y que avanza hacia los puntos más alejados. El progreso de dicho frente se caracteriza por un aumento rápido inicial de su superficie, seguido de un crecimiento más lento a causa de la restricción impuesta por las superficies de confinamiento y finalmente una reducción hasta anularse al terminar la combustión. En el caso en que la mezcla fuese homogénea y que no hubiese movimiento de la carga, al no existir una dirección privilegiada en la propagación del frente de llama, éste se propagaría como frente esférico centrado en la bujía. Pero la existencia de un campo de velocidades y turbulencias, junto con eventuales gradientes de concentración, es la causa de que existan algunas direcciones que facilitan el progreso de dicho frente incrementándose su superficie. Además, debido a los cambios que pueden darse en la microestructura del frente de llama durante la combustión normal, en la superficie de dicho frente pueden producirse plegamientos por las variaciones de las componentes de la velocidad que modifican la dirección y el módulo de la misma, dando lugar a un frente arrugado o microturbulento. A partir de ahora deberá distinguirse, siempre que sea necesario, entre las velocidades laminar y turbulenta. - Velocidad de combustión: La velocidad de combustión juega un papel importante en la variación que experimenta la presión con el giro del cigüeñal durante el proceso de combustión. Esta variación está, por otra parte, ligado al rendimiento del motor. Podemos observar tres fases bien definidas en el proceso de combustión en función del ángulo de giro del cigüeñal, αc: 1ª Fase: Ángulo de desarrollo de la llama α1 o tiempo de retraso, tiene lugar desde el punto de salto de chispa entre los electrodos de la bujía y no se observa separación de la línea de presión de aquella que reflejaría la prolongación del proceso de compresión, a pesar de que la llama empieza a propagarse inmediatamente después de la descarga de la chispa. Esta fase cubre aproximadamente un 10% del ángulo de combustión y en ella predomina la combustión laminar. 1 Estudio sobre los programas MEPO Y MECIDI Departamento de Ingeniería Energética Araceli Navas Muñoz 2ª Fase: ángulo efectivo de combustión α2, está caracterizada por un gradiente progresivamente creciente de la presión hasta alcanzar la presión máxima. Es la fase fundamentalmente ocupada por la combustión. Se extiende durante el 85% del ángulo de combustión, y en ella predomina la combustión turbulenta. 3ª Fase, la combustión vuelve a ser laminar, ocupando un intervalo de un5% del ángulo de combustión. Evolución típica de la fracción de gases quemados dentro del cilindro 2.2. Modelos utilizados en la combustión de motores alternativos de combustión interna Como hemos visto, la combustión se produce durante el proceso de propagación de la llama, de forma que el estado y el movimiento de los gases quemados y no quemados son muy complejos. La expansión de los gases producida por la combustión comprime la mezcla no quemada delante del frente de llama y la desplaza hacia las paredes de la cámara de combustión. Al mismo tiempo también se comprime la parte de la carga que ya ha sido quemada y es desplazada hacia la bujía. Además, las distintas partes de la masa no quemada entran en combustión en momentos diferentes, de forma que tienen diferentes condiciones de presión y temperatura justo antes de su combustión con lo cual los productos terminarán en estados diferentes. Por tanto, el estado termodinámico y la composición del gas quemado no son uniformes, sin embargo haremos uso de modelos matemáticos que simplificarán los cálculos. A continuación presentamos dos clasificaciones de dichos modelos: 2 Estudio sobre los programas MEPO Y MECIDI Departamento de Ingeniería Energética Araceli Navas Muñoz Tanto los modelos termodinámicos como los fenomenológicos pueden operar en diagnóstico o en predicción. Sin embargo y especialmente en predicción su uso queda restringido al motor para el cual ha sido elaborado. Termodinámicos (de una zona o multizona) 2ª Clasificación Dimensionales (unidimensionales o multidimensionales) En nuestro caso haremos uso de un modelo Fenomenológico implícito o modelo termodinámico de una zona, que hará uso de la función de Wiebe como ley angular de combustión. Los modelos de una zona tienen la ventaja de incluir los fenómenos de transferencia de calor y flujo de masa de una forma muy simple. Sin embargo, tienen como inconveniente el no tener en cuenta la geometría de la cámara de combustión salvo de una manera global a través del volumen de la cámara de combustión V, e ignoran los fenómenos de propagación de la llama y la presencia de gases quemados y no quemados en el cilindro. Además los parámetros a, m, θo y ∆θ que aparecen en la función de Wiebe, dependen a su vez del régimen de giro del motor, el dosado y la geometría de la cámara de combustión. 3