Aspectos Clave en Motores de Combustión Interna

Si aumenta el régimen n de un motor, ¿cómo varían, razonadamente, los siguientes aspectos?

Riesgo de Detonación en un Motor de Encendido por Chispa (MEP)

Si el régimen (n) aumenta, se incrementa la turbulencia y disminuyen tanto el tiempo de combustión como el tiempo de retraso. Dado que la reducción del tiempo de combustión es más significativa, el riesgo de detonación se reduce.

Velocidad de Combustión Laminar (CCL) y Turbulenta (CCT)

La velocidad de combustión laminar (CCL) se debe a la difusión térmica y molecular que ocurre en la cámara de combustión como resultado de la quema de una mezcla de aire, combustible y gases residuales. Por lo tanto, su velocidad depende de los gradientes térmicos y moleculares generados entre los distintos puntos de la cámara, influenciados, por ejemplo, por la presencia de inertes (residuales, humedad) y el dosado.

La velocidad de combustión turbulenta (CCT), en cambio, depende del grado de turbulencia de la mezcla y afecta tanto a la estructura del frente de llama como a su velocidad de propagación.

Soluciones para Reducir la Emisión de NOx en Motores de Encendido por Compresión (MEC)

Las soluciones para reducir las emisiones de NOx en motores de encendido por compresión (MEC) se clasifican en:

• Soluciones activas (prevención de la formación):
  • Recirculación de gases de escape (EGR).
• Soluciones pasivas (eliminación de la sustancia):
  • Sistemas de retención de vapores en cárter y depósito de combustible.
  • Catalizador de reducción.
  • SCR (Reducción Catalítica Selectiva).

Fenómenos Anómalos de Combustión

Detonación

La detonación ocurre cuando la mezcla fresca se autoenciende debido a las altas presiones (P) y temperaturas (T) generadas por la compresión. Es una combustión rápida, brusca y descontrolada, que se propaga sin un frente de llama definido.

Marcha Dura

La marcha dura se manifiesta como un ruido sordo, diferente al de la detonación, posiblemente causado por múltiples frentes de llama. Se produce cuando un tiempo de retraso prolongado resulta en la inyección de una gran cantidad de combustible que se quema de forma súbita y brusca, generando un gradiente de presión (dP/dα) muy elevado. Esto conlleva un aumento significativo del ruido, vibraciones y altas emisiones de NOx. Es un fenómeno común en los MEC, especialmente en condiciones de ralentí (sin carga) y con el motor frío. Un incremento en la fase de combustión premezclada exacerba el ruido y las emisiones de NOx.

Encendido Superficial

El encendido superficial es provocado por la aparición de puntos calientes que actúan como fuentes de ignición, generando frentes de llama en cualquier momento del ciclo. Estos puntos calientes suelen ser:

• Electrodo de la bujía.
• Depósitos de combustión (residuos).
• Zonas con refrigeración deficiente.

Se distinguen dos grupos:

• Pre-encendido: Ocurre antes del encendido normal, lo que equivale a un avance excesivo del encendido. Esto incrementa la tendencia a la detonación y puede tener consecuencias destructivas.
• Post-encendido: Sucede después del encendido normal, generando mayores gradientes de presión.

Variación y Corrección del Ángulo de Combustión (αc)

a) Aumento del Régimen de Giro

Si el régimen de giro (N) aumenta, la velocidad media del pistón (Cm) también lo hace. La velocidad de combustión laminar (V_laminar) permanece prácticamente constante. Inicialmente, esto puede llevar a un aumento del ángulo de combustión (αc). Para corregirlo, se requiere un adelanto del encendido (adelanto centrífugo) para asegurar que la combustión se complete en el momento óptimo. A regímenes muy altos, la turbulencia aumenta significativamente, lo que puede influir en la velocidad de combustión y, por ende, en la necesidad de ajuste del avance.

b) Descenso de la Carga

Un descenso de la carga implica un aumento del porcentaje de gases residuales en el cilindro, lo que reduce la velocidad de combustión laminar y, consecuentemente, incrementa el ángulo de combustión de la primera fase (αc1). Por otro lado, el ángulo de combustión de la segunda fase (αc2) disminuye debido a un aumento de la velocidad de combustión turbulenta, provocado por una mayor turbulencia. Como resultado neto de ambos efectos, el ángulo de combustión tiende a aumentar, lo que exige un avance neumático adecuado para su corrección.

Métodos de Reducción de Emisiones

Principales Métodos y Aquellos No Empleados en Gases de Escape

Los principales métodos de reducción de emisiones incluyen:

• Recirculación de gases de escape (EGR).
• Reactor térmico.
• Reactor catalítico (SCR – Reducción Catalítica Selectiva).
• Sonda Lambda.
• Trampas de partículas.

Entre los métodos que no se emplean directamente en los gases de escape del motor, se destaca:

• Control de la evaporación del combustible: La evaporación del combustible almacenado en el depósito es una fuente significativa de hidrocarburos (HC). Se controla mediante un filtro de carbón activo ubicado en el sistema de ventilación del depósito de combustible, que adsorbe los vapores antes de que escapen a la atmósfera.

Contaminantes del Escape en MEC y Estrategias de Minimización

Principales Contaminantes y su Formación

NOx (Óxidos de Nitrógeno)

Los NOx se forman por el exceso de oxígeno en presencia de nitrógeno a altas temperaturas. La temperatura máxima alcanzada durante el ciclo de combustión es el factor determinante para el nivel de NOx. Para su reducción, la estrategia principal es disminuir la temperatura del frente de llama, a menudo mediante el uso de elementos inertes en la reacción (ej., EGR).

Humos y Partículas

Los humos y partículas (hollín) se forman cuando no se logra quemar completamente el combustible inyectado, especialmente a altas temperaturas y presiones.

CO (Monóxido de Carbono)

El CO se forma por la oxidación incompleta del combustible y como producto intermedio en la formación de CO2. Para minimizarlo, se puede recurrir a la adición de compuestos hidrogenados como H2 y H2O, que aceleran la velocidad de reacción de la oxidación secundaria, o a la implementación de reactores catalíticos (de reducción y oxidación).

HC (Hidrocarburos)

Los HC se originan por combustión incompleta (extinción de la llama), por el efecto de ‘hueco’ entre el cilindro y el pistón, por el cortocircuito de mezcla fresca en motores de dos tiempos (2T), o por la descomposición de los hidrocarburos originales en subproductos intermedios. Las soluciones para minimizarlos incluyen el control de la evaporación del combustible almacenado mediante un filtro de carbón activo y la recirculación de los gases del cárter para quemar los HC residuales.

Sobrealimentación en Motores de Combustión Interna Alternativos (MCIA)

Ventajas e Inconvenientes

Ventajas

Las principales ventajas de la sobrealimentación en MCIA son:

• Menor coste por unidad de potencia.
• Mayor potencia específica.
• Mayor rendimiento, al aprovechar la energía de los gases de escape.
• Incremento del rendimiento con una turbina de gas de escape bien acoplada, lo que no aumenta el trabajo de bombeo (Wb) y permite aumentar el régimen (N) sin incrementar las pérdidas mecánicas.
• Mejora del rendimiento térmico, ya que el motor se aproxima a un comportamiento más adiabático (menor disipación de calor).

Desventajas

Por otro lado, presenta las siguientes desventajas:

• Mayores tensiones mecánicas: El aumento de la presión final en el cilindro incrementa las cargas mecánicas. A menudo, esto requiere reducir la relación de compresión (r), lo que puede disminuir el rendimiento.
• Mayores tensiones térmicas: Al comportarse el motor de forma más adiabática que un motor atmosférico de igual potencia, la temperatura de trabajo se eleva, aumentando la solicitación térmica de los componentes.

Efecto del Aumento de Carga en un MEP

a) Ángulo de Combustión (αc)

Al aumentar el grado de carga de un motor, la turbulencia tiende a decrecer, lo que reduce la velocidad de combustión turbulenta y, por ende, incrementa el ángulo de combustión de la fase 2. Sin embargo, el ángulo de combustión de la fase 1 disminuirá debido al aumento de la velocidad de combustión laminar, provocado por un menor porcentaje de gases residuales en el cilindro.

c) Riesgo de Detonación en un MEP

Ángulo de Avance al Encendido en Motores de Encendido por Chispa (MEP)

i. Definición

El ángulo de avance al encendido es el ángulo del cigüeñal entre el momento en que salta la chispa y el Punto Muerto Superior (PMS) del pistón en la carrera de compresión.

ii. Factores que Influyen

Tipo de Combustible

Los combustibles con mayor octanaje (ej., 98 octanos) presentan una menor tendencia a la autoignición. Esto significa que, durante la compresión de la mezcla, son menos propensos a detonar, permitiendo aplicar un mayor avance al encendido sin riesgo de explosión incontrolada.

Régimen de Giro

En un motor, al incrementar el régimen de revoluciones (n), el tiempo disponible para la combustión disminuye. Para asegurar que el punto de máxima presión (Pmáx) se alcance en el momento óptimo (ligeramente después del PMS), es necesario adelantar el encendido. Por lo tanto, a mayor número de revoluciones, se requiere un mayor ángulo de avance al encendido.

Grado de Admisión (Apertura de la Válvula de Mariposa)

Una depresión elevada en el colector de admisión indica un alto estrangulamiento de la mariposa (baja carga). Cuanto mayor sea el vacío en el colector de admisión, menor cantidad de aire aspirará el motor por embolada, resultando en una menor presión de compresión. En estas condiciones, se requiere un encendido más adelantado debido a la menor velocidad de propagación de la llama y a la menor velocidad de la reacción de combustión.

Sistema de Inyección Common Rail en Motores de Encendido por Compresión (MEC)

a) Descripción

El sistema Common Rail es un sistema electrónico de inyección de combustible diseñado para optimizar el proceso de autoignición de la mezcla al comprimirse, mediante una elevada pulverización o atomización del combustible.

b) Aplicación

Se aplica principalmente en motores diésel de inyección directa.

c) Características Principales

• La generación de presión y la inyección están separadas.
• La presión de inyección es independiente del régimen de giro del motor y del caudal de inyección.
• El combustible a alta presión se almacena en un acumulador común (el ‘rail’), que alimenta a todos los cilindros del motor.
• El conductor selecciona el caudal deseado, y la Unidad de Control Electrónica (UCE) calcula el momento y la presión de inyección óptimos.
• Ofrece una elevada flexibilidad en la gestión de la inyección.

d) Componentes Principales

• Inyectores: Dispositivos que conducen el gasóleo a la cámara de combustión. Incluyen una cámara de control conectada por un estrangulador de salida a la cámara de la electroválvula.
• Rail (Acumulador de Alta Presión): Almacena el gasóleo a una presión elevada y casi constante, regulada por sensores de presión, válvulas limitadoras de presión y limitadores de flujo.
• Bomba de Generación de Presión: Suministra el combustible comprimido necesario en todas las condiciones de funcionamiento. Es accionada por el motor (generalmente con una desmultiplicación de 1/2) y su potencia de accionamiento aumenta con la presión del rail y la velocidad de rotación del eje del motor.
• Regulación Electrónica: Compuesta por tres bloques principales:
  • Sensores: Transforman magnitudes físicas (temperatura, presión, régimen, etc.) en señales eléctricas.
  • ECU (Unidad de Control Electrónica): Procesa las señales de entrada y genera las señales de salida para los actuadores.
  • Actuadores: Convierten las señales eléctricas de la ECU en acciones mecánicas (ej., apertura/cierre de inyectores).

Esquema del Sistema Common Rail

1. Depósito de combustible
2. Filtro previo
3. Bomba previa
4. Filtro de combustible
5. Tuberías de combustible de baja presión
6. Bomba de alta presión
7. Tuberías de combustible de alta presión
8. Rail
9. Inyector
10. Tubería de retorno de combustible
11. Unidad de control

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