2. PROCESO DE COMBUSTIÓN

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