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COMBUSTIÓN

 

Proceso de Combustión

Una vez que se ha terminado la compresión, cerca del PMS, se va a provocar, de una u otra forma, el inicio de la combustión, para lo cual se ha de disponer de una mezcla de aire y combustible vaporizados. Pese a que la combustión se realiza siempre siguiendo los patrones que se detallan en la página de quemar mezclas, ésta se realiza de manera muy diferente en motores diesel u Otto, por lo que el análisis siguiente se va dividir, en principio, en el estudio de la combustión en esos dos motores.

En poco tiempo (esperamos) se presentará un análisis parecido a éste dedicado a dos tipos de motores, uno de los cuales, el de los gasolina de inyección directa con mezcla estratificada, está en pleno auge a expensas de que haya en el mercado gasolina sin azufre que permita extraer todo el potencial de ellos. El otro tipo de motor "especial" es el motor HCCI (homogeneous charge compression ignition), que es un motor de gasolina pero que sigue un ciclo de trabajo más parecido al Diesel, en el cual explota por compresión una mezcla homogénea de aire y gasolina.

Dentro del análisis de la combustión del motor Otto, se incluye también un apartado para estudiar la detonación, también llamada picado de bielas. Es un fenómeno muy dañino para el motor que limita de cierta forma el desarrollo e incremento de rendimiento de los motores Otto.

Finalmente, se presentarán una serie de conclusiones relativas a las diferencias entre motores Otto y Diesel por culpa del tipo de combustión que se produce en cada uno de ellos.

Combustión en motores Otto

Cuando termina la compresión, en el motor Otto se dispone de una mezcla de aire y combustible comprimida a una presión de, más o menos, 15 veces la de admisión (a plena carga, eso son unos 15 bares), y una temperatura, suponiendo un ambiente de 25ºC, de unos 375ºC (ver explicación aquí). Se puede observar una imagen de la situación en la figura 1. En esas condiciones, la mezcla en el cilindro no debería explotar, sino que se debería mantener a raya la concentración de radicales libres.

Para que comience la reacción de combustión, hace falta que se aporte algo de energía a la mezcla, para elevar la temperatura y así aumentar la tasa de producción de radicales libres. Ese aporte de energía se realiza en motores Otto mediante el salto de una chispa eléctrica en algún punto de la cámara, como se observa en la figura 2. En ese momento, los gases que están cerca de la bujía reciben la descarga, aumentando su temperatura y reactividad. De esa forma se aumenta la producción de radicales libres, para que poco tiempo después se haya completado la reacción y se tenga una situación como la de la figura 3.

Se observa en dicha figura que se dispone de una nube de gases, en rojo, compuesta por los productos de la combustión del hidrocarburo y aire (dióxido de carbono, agua, nitrógeno, oxígeno, monóxido de carbono, etc.) a una temperatura muy alta (será del orden de 2700 K). Esa nube está rodeada de gases más fríos, gases iguales a los originales (combustible y aire).

En esa situación se va a producir una transferencia de calor desde los gases calientes a los fríos, de manera que un nuevo estrato de mezcla fresca recibe calor de los gases calientes, aumentando su temperatura, y llegando a una situación como la de la figura 4, donde el color naranja representa gases frescos calentados.

La transferencia de calor se puede producir también por una cierta convección y mezcla, ya que la combustión genera mucha turbulencia en los gases.

Una vez que los gases coloreados en naranja de la figura 4 han aumentado su temperatura suficientemente.. ¿qué ocurre?.. pues que vuelve a aumentar la generación de radicales libres, y aumenta su concentración, y ese estrato de gases se termina quemando de la misma forma que los gases anteriores, llegando a una situación como la de la figura 5.

Ahora el proceso ya se repite, en 5 tenemos la misma fotografía que en 3, unos gases muy calientes, rodeados de gases fríos... transferencia de calor, calentamiento de un nuevo estrato (llegamos a la figura 6), producción de radicales y quemado del estrato (figura 7).

Si se observa el fenómeno desde fuera, lo que se ve es un frente de llama que va avanzando por la cámara, haciendo que reaccione la mezcla.

En la figura 7 se tiene de nuevo la misma situación que en 5 y en 3, pero con más mezcla ya quemada. A medida que se va efectuando el proceso, los gases que aún no se han quemado, coloreados en azul, están aumentando su temperatura, sometidos a la presión creciente que está habiendo en la cámara. Como se describe aquí, si la temperatura de esos gases llega a ser muy alta, es posible que ellos solos entren en ignición, sin necesidad de que llegue el frente de llama. En ese caso se produce lo que llamamos detonación o que también se conoce como picado de bielas.

Otra cosa que puede pasar durante el proceso es que se apague la llama. Puede ser al principio del proceso, porque la chispa no haya sido demasiado potente, y aunque se queme una pequeña cantidad de mezcla, no haya energía para calentar suficientemente a lo que tiene alrededor.

También se puede apagar la llama en medio de la combustión, normalmente porque se encuentren zonas de baja concentración de combustible, y la producción de radicales no sea suficiente. Ésto se llama "misfire", y es típico de motores que funcionan con mezcla pobre. En esas condiciones, la baja concentración de combustible ralentiza la producción de radicales y es la razón principal por la que un motor Otto no funciona bien con mezcla muy pobre.

Finalmente, la llama se termina apagando cuando llega a las proximidades de las paredes. Los gases que están allí reciben el calor proveniente de los gases calientes, pero en vez de aumentar su temperatura, al estar pegados a la pared lo conducen hacia ella, así que no se calientan y por tanto no se queman. El gas que está en medio de la cámara no puede conducir el calor hacia "detrás", por eso sí que se calienta.

De esta forma, siempre hay una película de gas, pegada a la pared, que no se quema. Es la principal fuente de emisión de hidrocarburos inquemados del motor (que después se queman en el catalizador.. bueno, mejor que quemarse, se oxidan).

Realmente, el proceso es aproximadamente como se ha descrito en estas líneas, sin embargo, es preciso hacer una apreciación. En las figuras 3, 5 y 7 se ha representado la zona de gases quemados, la roja, como hemiesférica, o sea, que la propagación de la llama se hace a la misma velocidad en todas las direcciones. Eso no es formalmente cierto. durante el proceso de admisión, cuando el gas pasa por la válvula, se generan hilos de torbellino, de diámetro relativamente pequeño (microturbulencia), que son repartidos por toda la cámara. Así podemos entender que en la cámara hay una maraña de torbellinos, que encierra también zonas de bajo movimiento del fluido. La llama progresa a gran velocidad por esos torbellinos, y algo más lenta en los valles entre los mismos, de manera que a la forma de la llama, que en las figuras 3, 5 y 7 se ha intentado representar como perfectamente esférica, se le pueden añadir ramificaciones.

Algo también muy curioso, y de gran importancia para el motor, es lo que le pasa a la velocidad del frente de llama. Como se ha visto en lo expuesto anteriormente, ésta dependerá de cómo se transfiera el calor desde los gases calientes hacia los fríos, y del tiempo que se tarde en éstos en generar los radicales suficientes para quemarse. La transferencia de calor va a depender sobre todo del nivel de turbulencia generado en la admisión, y este nivel de turbulencia será tanto mayor cuanto mayor sea la velocidad de paso de los gases. De esta forma, la velocidad del frente de llama se puede suponer proporcional al régimen de giro del motor, y se llega a que el ángulo de giro de cigüeñal ocupado por la combustión, casi no depende del régimen. Este hecho hace que el límite de régimen de giro del motor de gasolina venga dado por el llenado y la resistencia de los materiales, pero no por la combustión.

Una manera de reducir esa duración angular de la combustión es la utilización de dos bujías por cilindro, como se hace en los motores Twin Spark de Alfa Romeo. En ese caso se generan dos frentes de llama, que se acabarán juntando en algún punto de la cámara.

Siguiendo con la velocidad del frente de llama, se puede comentar también que la riqueza de la mezcla influye de manera decisiva en la misma. Lo hace a través de la tasa de producción de radicales libres, de manera que con mezclas ligeramente ricas, factores lambda de 0.85 aproximadamente, que es donde la producción es mayor, la velocidad del frente es máxima. A medida que se empobrece la mezcla, va disminuyendo la producción, haciéndose tan lenta con lambdas de 1.15 que el ciclo llega a perder rendimiento, porque la combustión se prolonga mucho durante la expansión. Y para mezclas más pobres, puede llegar el caso de que aún haya llama en el cilindro al terminar el escape, y cuando se abre la válvula de admisión puede propagarse hacia el colector, provocando explosiones en la admisión muy peligrosas para el motor.

Ya sólo se me ocurre seguir con una cosa, y es precisamente el inicio del proceso, lo que ocurre entre las figuras 2 y 3. Desde que salta la chispa hasta que se genera el frente de llama y comienza la combustión "de verdad" pasa un cierto tiempo, que se llama "tiempo de retardo". Ese tiempo de retardo depende de la presión y temperatura, y durante ese tiempo el cigüeñal gira cierto ángulo, que obviamente vamos a llamar "ángulo de retardo".

El tiempo de retardo no depende de la velocidad de giro del motor, pero el ángulo sí, así que como normalmente se pretende que el comienzo de la combustión sea siempre en el mismo sitio, el adelanto al encendido deberá variar con la presión y el régimen. De aquí provienen los antiguos sistemas de avance centrífugo y avance por depresión, que actualmente han sido sustituidos por controles electrónicos con una cartografía que da el avance óptimo en función de esos valores, presión y régimen de giro.

 

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