La tercera etapa de la combustión consiste en la combustión por difu- sión del resto de combustible que queda por quemar; es decir, el combusti- ble no evaporado y mezclado en la primera fase y el que queda por entrar. Esta etapa no tiene un final localizado, ya que depende de la cantidad de combustible que se inyecte, que será mayor o menor en función de la ley de inyección y del grado de carga del motor8.
8 El grado de carga en un MEC se modifica acortando o alargando el tiempo de inyección, para
La combustión por difusión de un combustible líquido tiene lugar en el punto donde la relación en masa de combustible vaporizado-aire es la estequiométrica (con independencia de que el dosado global del proceso de combustión sea pobre), ya que se quema el combustible en el punto donde encuentra la cantidad de oxígeno que necesita. Como la mezcla global es pobre, el aire que no encuentra combustible no se quema y no interviene directamente en las reacciones químicas.
Un fenómeno importante que tiene lugar en esta fase de la combustión es la pirólisis o craqueo. Éste ocurre en las gotas de combustible no vapo- rizadas, que se encuentran a alta temperatura y sin presencia de oxígeno, y consiste en la deshidrogenación del combustible para formar núcleos de carbono puro que serán, junto con otros elementos, los precursores de la formación de partículas que dan el color negro al gas de escape. Este fenómeno ocurre generalmente en los MEC que no presenten una buena macromezcla y micromezcla.
Dependiendo de cómo sea la ley de inyección durante la tercera fase de la combustión se puede controlar la tasa de suministro de combustible o velocidad con la que se libera el calor y, por tanto, controlar en mayor o menor medida la evolución del diagrama p-a. En los grandes motores diesel de dos tiempos, muy lentos, se puede tener un control más preciso sobre la ley de inyección. De ese modo, la tercera fase de la combustión puede llegar a realizarse casi a presión constante. Este comportamiento, muy cercano al ideal estudiado en el capítulo 1, unido a lo altamente adiabáticos que son dichos motores grandes, hace que alcancen rendimientos muy elevados. 2.3.4. Factores que influyen en el diagrama p-a
La combustión en los MEC, como se ha visto, no es un proceso instan- táneo, sino que tiene una duración determinada. Por ese motivo y, al igual que en los MEP, es preciso optimizar el punto del inicio de la combustión y la duración del proceso de forma que se obtenga un trabajo específico máxi- mo sin que se influya negativamente sobre otras características, como pue- den ser deterioros mecánicos debidos a muy altas presiones, marcha dura o una producción excesiva de contaminantes (principalmente partículas). La figura 2.19 muestra el diagrama p-a durante el proceso de combustión de un MEC. En él se muestran el ángulo de avance de la inyección (ai) y el ángulo de combustión (aC).
Los sistemas de control del motor leen en los mapas de inyección programados cuál es el avance y la duración óptimos para cada punto de funcionamiento del mismo en función de los requerimientos que se desean del motor en cada situación. A continuación se muestran los principales parámetros a tener en cuenta a la hora de optimizar la inyección en cada punto de funcionamiento. 300 330 360 390 420 αi αC α p
Figura 2.19. Ángulos de avance de la inyección y de combustión.
Punto de la inyección: La elección del avance de la inyección afecta a la
forma del diagrama p-a modificando la presión máxima que se alcan- za en el ciclo y el gradiente de presiones con respecto al tiempo. En la figura 2.20 se muestran tres curvas con distintos avances de inyección. En ella se observa que, cuando se inyecta con grandes avances, la pre- sión máxima y el gradiente de presiones son muy altos. Esto es debido a que el combustible se inyecta cuando la temperatura en la cámara no es todavía lo suficientemente alta y, por tanto, el tiempo de retraso es mayor. Consecuentemente, la cantidad de combustible que se evapora y se mezcla con aire en la primera fase de la combustión y que poste- riormente se autoinflama en la segunda es muy elevada. Este comporta- miento, además de provocar marcha dura y fuerte tensiones mecánicas,
puede mermar el trabajo específico del ciclo, ya que las presiones altas se alcanzan con bastante anterioridad al PMS y es, por tanto, un trabajo que el pistón debe vencer.
300 330 360 390 420
p
αi
α
Figura 2.20. Influencia del ángulo de inyección sobre el diagrama p-a.
En el caso contrario, en el que el punto de inyección está muy retrasado, el comportamiento es el inverso. La temperatura del aire en el inicio de la inyección es muy elevada, por lo que el tiempo de retraso disminuye y las presiones que se alcanzan son lo suficientemente bajas como para no obtener el máximo trabajo posible. Además, la tercera fase de la combustión se hace más larga, lo que disminuye la eficiencia de la com- bustión y favorece la formación de partículas.
El punto óptimo será aquel que produzca una combustión suficiente- mente rápida, ubicada de forma que se alcance el máximo trabajo posi- ble y que evite elevados gradientes de presión.
Ley de inyección: Como se ha puesto de manifiesto a lo largo del capítu-
lo, la ley de inyección es muy importante en la combustión de los MEC, ya que no sólo tiene influencia la cantidad de combustible inyectado sino también la forma o velocidad con la que se inyecta. En la figura
2.17 se mostró la forma del diagrama p-a empleando dos leyes distintas de inyección que inyectan la misma cantidad de combustible pero a distinta velocidad.
Cuando la inyección se realiza en un periodo de tiempo muy breve, la cantidad de combustible que se autoinflama en la segunda fase de la combustión es alta, lo que conduce, de nuevo, a muy altas presiones de combustión y fuertes gradientes de presión que provocan la marcha dura y pueden dañar al motor. Por el contrario, leyes de inyección muy planas o largas disminuyen el trabajo del ciclo ya que proporcionan menores presiones de combustión.
Grado de carga: La regulación de la carga en un MEC consiste en la el
alargamiento o acortamiento de la inyección de combustible, de forma que se introduzca mayor o menor cantidad de éste. Por tanto, el grado de carga afecta al diagrama p-a principalmente en la tercera fase de la combustión. La presión máxima alcanzada y el gradiente de presión prácticamente no se ven alterados (figura 2.21). Como consecuencia de actuar sobre la tercera fase de la combustión, al aumentar el grado de carga existen mayores probabilidades de que las gotas de combustible se craqueen produciendo partículas sólidas de carbono.
300 330 360 390 420
α
p
m
.
Régimen de giro: Por lo general, al aumentar el régimen de giro de un
MEC la temperatura del aire fresco, sin quemar, es mayor como con- secuencia de la mayor temperatura a la que se encuentran las paredes del cilindro. Esta mayor temperatura se traduce en menores tiempos de retraso que han de tenerse en cuenta a la hora de optimizar el ciclo. Por otro lado, un mayor régimen de giro fuerza a que la totalidad del combustible inyectado se deba introducir en un tiempo menor, por lo que la ley de inyección deberá ser más rápida. En lo referente al ángulo avance de la inyección, en algunas ocasiones, la reducción del tiempo de retraso se compensa con el aumento de la velocidad del motor, por lo que el avance de la inyección puede ser constante.
Por último, ha de tenerse también en cuenta el nivel de turbulencia den- tro del cilindro, que crece conforme el régimen de giro se hace mayor y que favorece la macromezcla.
Sobrealimentación: El efecto de la sobrealimentación sobre la forma
del diagrama p-a viene marcada por el aumento de la temperatura de la masa fresca. El aire se introduce en el cilindro a mayor temperatura que en un motor de aspiración natural debido al proceso de compresión que sufre en la sobrealimentación. Este incremento de temperatura, ya en la admisión, se mantiene e incluso se incrementa en el punto de inyección, por lo que el tiempo de retraso se reduce. Se debe tener en cuenta, además, que la masa de aire introducida es considerablemente mayor que en un motor de aspiración natural, por lo que la cantidad de combustible que se debe introducir es también mayor.
Por último, cabe recordar que, además de estos factores, el diseño de la cámara de combustión, el sistema de admisión (con la turbulencia que provoque) y el diseño de los inyectores juegan un papel muy importante en la combustión y, por tanto, los parámetros idóneos para cada motor pueden diferir en gran medida de unos a otros motores.