67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza156Unidad IX: Combustin en Motores de Combustin Interna9.1. Motores Ciclo Otto9.1.1 Ignicin9.1.1.1 GeneralEnelmotorcicloOttosequemaunamezcladeaireycombustibledentrodelacmaradecombustin. El quemado de la mezcla se inicia por medio de una chispa elctrica antes de que el pistn llegueal punto muerto superior (PMS). El control del instante en que se inicia la combustin es vital para obtener lamejor prestacin del motor. La Figura 9.1 muestra el efecto del avance de chispa sobre el ciclo indicado. Senotacmocaenlapresinmediaindicada(IMEP)yelrendimientocuandolachispaseproduceantesodespus del momento ptimo.Fig 9.1: Efecto del avance de encendido sobre el ciclo indicadoLaFigura9.2muestracmovaraelconsumodeunmotoradistintasvelocidadesdelvehculo,alvariarelmomento de encendido, medido en grados de giro del cigeal antes del PMS: Fig 9.2: Efecto del avance de encendido sobre la potencia67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza157Enlafiguraprecedenteseindicancurvasdeavancecentrfugoyporvaco.Elmomentodeencendidodebevariarsedeacuerdoalavelocidadderotacinyalapotenciadesarrolladaporelmotor.Luego,elavancedelachispaescontrolado,dentrodeldistribuidorolacomputadoradeencendido,porlavelocidad de rotacin (avance centrfugo) y por la presin (o mejor dicho vaco)existenteenelmltipledeadmisin (a menos vaco ms potencia).9.1.1.2 Mezcla inflamableLamezclasepuedeprepararenuncarburadoro,enmotoresmodernos,inyectandocombustiblefinamente pulverizado, ya sea en el mltiple de admisin (inyeccin mono o multipunto) o bien dentro de lacmara de combustin (inyeccin directa).La cantidad de combustible que se aade al aire se regula por medios mecnicos (en el carburador) oelectrnicos(inyeccinelectrnica).Elobjetivoeslograrunamezclainflamableaproximadamenteestequiomtrica, aunque en ciertas condiciones de operacin se requieren desviaciones en ms o en menos.El sistema de generacin de mezcla inflamable debe estar diseado para producir ciertos efectos quese consideran indispensables, tales como:-Completa evaporacin del combustible-Homogenizacin de la mezcla-Uniformidad en la provisin a todos los cilindros-Uniformidad en la provisin ciclo a ciclo.La mezcla inflamable as preparada ingresa al cilindro por va de la/s vlvula/s de admisin, aspiradapor el movimiento del pistn en la carrera de admisin, y en ciertos casos, impulsada por medios mecnicos(turboalimentacin).Lamezclaesluegocomprimidaalascenderelpistnenlacarreradecompresin.Entodosloscasos,cercadelPMS,serequiereque,alproducirselaignicin,lamezclaestenunestadodemovimiento turbulento.Alproducirselachispasegeneraunfrentedellamaaproximadamenteesfrico,quecomienzaapropagarse en la mezcla, consumiendo mezcla fresca y dejando detrs los productos de combustin (gases deescape) (Figura 9.3).Fig 9.3: Avance del frente de llamaLavelocidaddepropagacindelfrentedellamaesfuncindeunnmerodefactores,siendolaturbulencia de la mezcla fresca uno de los ms importantes.La combustin en el Ciclo Otto es premezclada, turbulenta.Laproporcindecombustibledefinelariquezadelamezcla:rica(encombustible)opobre.Lacombustinpodriniciarseypropagarsedentrodeciertosvaloresderiquezaquepuedenestimarse67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza158considerando los lmites de inflamabilidad del combustible (Figura 9.4)Fig 9.4: Lmites de inflamabilidad de algunos combustibles9.1.1.3 Ignicin, tipos, energa mnimaElencendidodelamezclaseproducecuandoenunvolumendadoseelevalatemperaturaenungrado tal que las reacciones qumicas (cuya velocidad es funcin exponencial de la temperatura) se acelerantanto que la generacin de calor por unidad de tiempo es suficiente para calentar la mezcla adyacente a igualomayortemperaturayaspropagarlareaccindecombustin.Noexisteunatemperaturadeignicinsinoquelaaceleracinexponencialdelavelocidaddereaccinhaceparecerqueelencendidoseproduceaunacierta temperatura.El calentamiento local (ignicin) puede producirse de varias maneras, como ser:-Poruncuerpocaliente(porejemplo,lapartculaincandescentequeenciendeelencendedordecigarrillos).En el motor de CI puede suceder por la presencia de escoria mineral que, al ser mala conductora del calor, semantenga incandescente entre explosiones. Esto d origen a dos modos anormales de ignicin, la pre-igniciny la post-ignicin o encendido mltiple, que se consideran ms adelante.-Por chispa elctrica: ste es el modo normal de ignicin del Ciclo Otto.Considerando el modo normal, el sistema de encendido del motor produce una chispa elctrica entredoselectrodosmetlicoscolocadosdentrodelacmaradecombustin.Paraquelaignicintengaxitoesnecesario que la chispa posea cierta Energa Mnima. Esta es la energa necesaria para elevar la temperaturade la mezcla, en un volumen alrededor de la chispa, lo suficiente para iniciar la combustin. El volumen asencendidodebeserdetamaosuficientecomoparaqueelcalorproducidopuedacalentarlascapasadyacentesypropagarlacombustinancuandociertacantidaddecalorsepierdaporconduccinyradiacin,especialmentesihayparedesmetlicascercanas.Comolasparedesmetlicasmscercanassonprecisamenteloselectrodosqueproducenlachispa,estodefinelaluzmnimadeelectrodosenlabujadeencendido.Estaluzestambinladistanciadeapagado,yaqueidentificaregiones(hendiduras)haciacuyointerior el frente de llama no se podr propagar pues se pierde demasiado calor hacia las paredes. Lo mismosucede en regiones muy cercanas a paredes metlicas (pared del cilindro, etc.)La energa mnima de encendido es aproximadamente proporcional a la superficie del frente esfricode llama, es decir, al cuadrado del radio o de la distancia entre electrodos para la esferita primaria, siendo delorden de 10 mJ para 1 cm. para un gran nmero de hidrocarburos en aire.Laenergamnimadeencendidoestambinaproximadamenteinversamenteproporcionalalcuadrado de la presin (Figura 9.5). Esto explica porqu al operar un motor a grandes alturas (aviones, zonas67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza159de montaa) el encendido puede fallar, pues se requiere mayor energa de chispa.Fig 9.5: Efecto de la presin sobre la energa mnima de chispaLaenergamnimaestambinfuncindelariquezadelamezcla,siendoengeneralmnimaparamezclaligeramentericas.Esporestoqueelencendidosuelefallarcuandoelmotorfuncionaenvaco(mezclapobre)yaquelaenergadelachispaesinsuficiente,ylamarchaseregularizaalenriquecerligeramente la mezcla.La Figura 9.6 muestra el efecto de la riqueza de la mezcla sobre la energa mnima de ignicin paravarioshidrocarburos.Sedebenotarquelaescaladeenergaeslogartmica:laenergamnimarequeridaesmucho mayor apenas se aparta la mezcla de la estequiometra.67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza160Fig 9.6: Efecto de la estequiometra sobre la energa de encendido9.1.1.4 Ignicin anormalElpre-encendidoyelpost-encendidoporcuerposcalientessonsituacionesquenormalmentesecontrolan con buen mantenimiento (limpieza).Existeotromecanismodeignicinanormalmsimportante:ladetonacin.Aunquelascausasyexplicacionesdeestefenmenosonvariasynototalmenteconocidas,sepuedeconsiderarlasiguienteprogresin de eventos: al avanzar el frente de llama no slo avanza por consumir mezcla adyacente sino quees impulsado hacia adelante por los gases producto de la combustin que estn mucho ms calientes y buscanexpandirse, empujando al frente de llama y comprimiendo la mezcla fresca delante del frente de llama.Lamezclafrescaascomprimidaaumentasutemperaturaypresin,ypudesucederque,obiensealcancenlascondicionesparaquetodalamezclafrescacombustioneinstantneamente(detonacinpropiamente dicha) o bien se origine uno o ms nuevos frentes de llama en zonascalientesdelacmaradecombustin, que avancen los unos hacia los otros. En este ltimo caso, los mltiples frentes de llama, o biencausanladetonacinfinaldelamezclaatrapadaentreellos,obiencontinanavanzandohastacolisionar,produciendo ondas de presin en la colisin.Encualquiercasoelresultadoglobaleslaaparicindepicosdepresin(evidenciadosporuncaracterstico martilleo metlico) de gran amplitud, que pueden causar serios daos mecnicos a las partes delmotor.Esta ignicin anormal se controla por medio de las cualidades antidetonantes del combustible, que sediscuten ms adelante.9.1.2 Cmaras de combustin9.1.2.1 Requisitos generalesLa cmara de combustin del motor ciclo Otto debe cumplir un gran nmero de requisitos, muchosde ellos mutuamente incompatibles. Podemos citar:-Obtener altas potencias, para lo cual es necesario:Alta compresin (llama corta, veloz, cmara fra (1), buja cerca del escape)Alto rendimiento gravimtrico (vlvulas grandes(2), fras)Operar bien con mezclas ricas (turbulencia)67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza161-Obtener altas velocidades, para lo cual se requiere:Mecanismo liviano (vlvulas chicas (2))Combustin rpida (turbulencia)-Obtener altos rendimientos, lo que requiere:Alta compresinOperar bien con mezcla pobre (compacta (3), turbulenta)Mnima prdida de calor (cmara caliente (1))Separar las vlvulas para evitar prdidas de mezcla fresca (3)-Buena regulabilidad del motor, o sea:Insensible a la velocidad (turbulencia por apriete)Insensible a la riqueza (cmara refrigerada (1))Insensible a la temperatura-Marcha suave, regular, que requiere:Velocidad de llama proporcional a las rpm (turbulencia por apriete)Evitar detonacin (rea del frente de llama decreciente)Lasllamadas(1)-(3)indicanrequisitosincompatibles,ylosdiseosdecmarasdecombustinsonsoluciones de compromiso para optimizar algunos de estos requisitos a expensas de otros.9.1.2.2 Diseos tpicosConsideramosprimerocmarasdecombustinparamotoresdecuatrotiempos.LaFigura9.7muestra algunos diseos antiguos, con vlvulas laterales, a saber:a)Poca turbulencia, muy propenso a detonacin, bajas velocidades de rotacin.b) Diseo mejorado, con las dos vlvulas del mismo lado, pero posible prdida de mezcla.c)AlllegarelpistnalPMSexpulsaviolentamentelamezclaenlazonadeapriete,causandointensaturbulenciacasiindependientedelavelocidaddelmotor,loquepermitemsaltasvelocidades.Labujadeencendido y la vlvula de escape caliente pueden dar lugar a encendido mltiple.d) La buja sobre la vlvula de escape y la mayor separacin fsica entre vlvulas mejoran el diseo.Fig 9.7: Cmaras con vlvulas laterales67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza162En la Figura 9.8 se muestran diseos ms modernos con vlvulas a la cabeza.a) Diseo ptimo, pero poco lugar para la buja.b) Mejor, pero difcil refrigeracin del block del motor.c) El rea de vlvulas sobresale, causando prdidas de calorc variante)Buen diseo, muy frecuente.c1 y c2) Diseos para motores de aviacin, restringiendo la turbulencia por apriete para motores de aviacinde velocidad casi constante.Fig 9.8: Cmaras con vlvulas a la cabezaLa Figura 9.9 muestra la disposicin general de una cmara de combustin de muy alta performance:67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza163el motor de Frmula 1 Coventry Climax; se trata de un tipo c) desarrollado al mximo.Fig 9.9: Motor Coventry ClimaxParalosmotoresCicloOttodedostiemposexistentambinmltiplesvariantes,algunasdelascuales se muestran en la Figura 9.10, como ser :a) Cmara simple, baja velocidad. Notar el deflector para asistir en el barrido.b) Con turbulencia por apriete para mayor velocidad.c) Similar pero ms compacta.d) Con mayor aprieteFig 9.10: Cmaras para motores de dos tiempos67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza1649.1.3 Combustibles para motores de CI9.1.3.1 TiposLos motores de CI utilizan combustibles gaseosos (gas natural comprimido o GNC, gas de gasgeno,gaslicuadooGLP,hidrgeno),lquido(naftas,gasoils,alcoholes,hidrocarburospurosomezclados)eincluso slidos (polvo de carbon).9.1.3.2 DescripcinEl GLP est compuesto de propano (aprox. 40%) y butano (aprox. 50%), ms CO2, metano, etc. Sudensidadesdelordende2.2,ysupodercalorficoinferiorrondalas11000Kcal/Kg(45MJ/Kg).ElGNCconsiste principalmente en metano, con una densidad de 0.72 y 12000 Kcal/Kg.Loscombustibleslquidossonhidrocarburosdestiladosdelpetrleo,productosdelaindustriapetroqumica, alcoholes y productos de otras industrias (destilado de hulla).Loshidrocarburossonlosparafnicos(frmulagenricaCnH2n+2),losiso-parafnicos(ismerosdelosanteriores)deloscualessedestacaelisooctanoC8H18o2-2-4-trimetil-pentano,lascicloparafinasonaftnicoscomoelciclohexanodefrmulagenricaCnH2n,losaromticosCnH2n-6comoelbencenoyeltolueno (o metil-benceno), las olefinas CnH2n y CnH2n-2, los alcoholes etlico CH3OH, metlico C2H5OH, etc.9.1.3.3 Obtencin de combustiblesLos combustibles gaseosos se obtienen de pozos petrolferos o gasferos, de gasgenos, de plantas decokizacin, de refineras y de la industria petroqumica.Los lquidos se obtienen del petrleo mediante variadas operaciones tales como-Destilacin fraccionada-Cracking trmico o cataltico (ruptura de cadenas largas)-Polimerizacin (creacin de ramas)-Hidrogenado (rupture de enlaces dobles)-Isomerizacin-Alkilacin (generacin de alkilos)-Ciclizacin y aromatizacin (aumento de aromticos)-Mezclado (de tipos diversos)-Aditivacin con productos mejoradores de ciertas propiedades, etc.9.1.3.4 Combustin completa, parmetrosLa reaccin de combustin completa no estequiomtrica es de un compuesto de carbono e hidrgenoen aire es:o bienLos principales parmetros que definen la combustin son:Porciento de carbono en el combustible: 100 12x/(12x+y)Relacin aire-combustible estequiomtrica, en peso: ( )( )y xx y xPC A++ +=1228 76 . 3 32 4 //y en volumen ( )( )176 . 3 1 4 //+ +=y xVC A( )( )( )( ) 1 si2114 /276 . 34 /222 276 . 324 / + +++ + +++ O y x Ny xO HyxCO N Oy xyHxC( )( )( )1 si11276 . 34 /222 276 . 324 / +++ + +++ yHxC Ny xO HyCOxN Oy xyHxC67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza165Fraccin de aire: esteqC AC A// 1= =Exceso de aire:) 1 ( 100 = eParmetro Gamma:1 0 ;/ 11/ 1 11 +=+= estqA A9.1.4 Combustibles para motores Ciclo Otto9.1.4.1 GeneralLos combustibles ms usuales son las naftas, y para los motores de aviacin las aeronaftas. La Figura9.11muestralasespecificacionesfsicasyqumicasdeunnmerodenaftasyaeronaftasdelpasado,indicando las normas ASTM que rigen los ensayos.Fig 9.11: Especificaciones de naftasEn nuestro pas, para las naftas (motonaftas) existen las normas IRAM, que son muy similares o simplementerefieren a las normas ASTM. La Figura 9.12 muestra las especificaciones tpicas de motonaftas argentinas.Fig 9.12: Motonaftas argentinas67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza166Las razones de algunas de estas especificaciones se dan en lo siguiente.9.1.4.2 Requisitos de las naftas para motores ciclo OttoLos requisitos generales son:-Combustin normal (no detonante)-Fcil arranque (volatilidad, presin de vapor)-Aceptableparausoentransporte(densidad,presindevapor,solubilidaddeagua,puntodecongelacin,toxicidad)-Facilidad de distribucin (estabilidad qumica con el tiempo, evaporacin, corrosin)9.1.4.3 AntidetonanciaLa determinacin de las cualidades del combustible respecto a la detonancia se dificulta por ser estefenmenofuncindemuchosparmetrostalescomoelcombustiblemismo,elclima,elusodelmotor,eldiseo de la cmara, su estado de mantenimiento, el sistema de encendido, etc.Luego,paradefinirlacalidadantidetonantesefijantodaslasvariablesmenosuna:elcombustible.Losensayosserealizanbajocondicionesespecificadasenunsolotipodemotor.Setratadeunmotormonocilndricodeusouniversal,diseadoporelCooperativeFuelResearchCommitteeyfabricado,entreotros, por la firma Waukesha, por lo que se lo conoce como el motor CFR o Waukesha (Figura 9.13).Fig 9.13: Motor CFR WaukeshaFijadaslascondicionesdeensayo,sedefineunaescaladeceroaunmximo,enbaseadoscombustiblesdepropiedadesperfectamenteconocidas,ylascualidadesdelcombustibleaensayarsemidenpor comparacin con mezclas de los dos combustibles patrones.La escala consta de un combustible con propiedad antidetonante cero (muy fcil detonacin), que esel heptano normal C7H16, parafnico de cadena recta, y otro muy antidetonante, valor de escala 100, que es elisooctano anteriormente citado. La proporcin de isooctano en una mezcla es el nmero de octano.Por razones de costo es comn que en lugar del los productos qumicamente puros normal-heptano eisooctanoseutilicenmezclasdehidrocarburosconnmerosdeoctanocertificado,demenorcosto;estossedenominan patrones secundarios.Seensayaelcombustibleamedirenelmtorestndarysegnelmtodoespecificado,yluegoseensayanmezclascondistintasproporcionesdeloscombustiblespatrones.Cuandoseencuentraunamezclaquesecomportacomoelcombustibleamedir,seleasignaaesteelnumerodeoctanodelamezcladepatrones.67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza167Los ensayos normalizados son:F1(tambinllamadoensayoResearch):eselNmerodeOctanocomnmentecitadoenelcomercio.SeensayaenelmotorCFRa600rpm,conmezclapobre.SepruebanlasmotonaftasconocidascomoComn,Super, Sin Plomo, etc.F2 (tambin llamado ensayo Motor): se ensaya a 900 rpm, con mezcla pobre. Da un NO menor que el F1, yesunmejorindicadordelcomportamientodelmotorenusodinmico(enruta).LaFigura14muestralasdiferencias en alcance del frente de llama en el motor CFR para riqueza variable, medido en grados de girodel cigeal, entre la chispa y el quemado del 60% de la mezcla, o el 95% del recorrido total de la llama. Seaprecia que con mezcla pobre (relacin aire combustible relativa a la estequiomtrica superior a 1) la llama esms veloz, maximizando la posibilidad de detonacin.Fig 9.14: Velocidad de llama F3(Aviacin):seensayaa1200rpm,ajustandolamezclapobreparamximatemperaturadecabezadecilindro.Esunindicadordelaperformancedelmotordeaviacinenrgimendecrucero,amximaeconoma.LosnmerosdeoctanosuelenexcedereltopedelaescaladeNO=100,porloquesereportaenunidades de isooctano ms agregados de antidetonante (tetraetilo de plomo) convertidos a falsos nmeros deoctano (superiores a 100) segn tablas experimentales. F4(Aviacinsupercargado):seensayaa1800rpm,conmezclarica,alimentadoconunsupercargadormecnico, para mxima potencia. Es un indicador de la performance del combustible a mxima potencia (enel despegue del avin). Se reportan Nmeros de Performance, que no se corresponden con a escala de NO.Existe tambin un ensayo F5 para motores Diesel, que se discute ms adelante.La Figura 9.15 muestra las principales condiciones de ensayo.MetodoResearchF1MetodoMotorF2Metodo F3MezclaPobreMetodoF4MezclaRicaRegimen (rev/min)Calidad del aceite SAETemp del aceite ( C)Temp del refrig ( C)6006305881002900930588100212001250665190518004550742190567.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza168Humedad del aire (g/kg)Temp de la mezcla ( C)Relac de compresionRiqueza de la mezclaAvance de encendido3.5 a 71492VariableAjustar p/max.martilleo13 grados3.5 a 7--VariableAjustar p/maxmartilleoAjustar p/maxpotencia3.5 a 71042VariableAjustar p/maxTemperatura--9.9 max--7Variable--Fig 9.15: Condiciones de ensayo normalizadasLas cualidades antidetonantes de las naftas pueden mejorarse mediante aditivos. Para las aeronaftas,yhastapocasrecientesparalasmotonaftas,seutilizeltetraetilodeplomo(C2H5)4Pb,quemejoranotablementelaresistenciaaladetonacin.Tambinseusanousaronotrosorganometlicoscomoeltetraetilo de estao, el carbonilo de hierro y de nquel, y otros hidrocarburos como el benzol y el toluol.Elmspopularsiemprehasidoeltetraetilodeplomo(TEP),quesecomercializaenlaformadeFludo Etlico, unamezcladeTEP,dicloroetileno,dibromoetilenoycolorantes.Loscompuestoshalgenos(dibromo, dicloro) se aaden para formar con el plomo sales de bajo punto de volatilidad a fin de evitar que,luego de la combustin, se formen depsitos de xidos de plomo que conduciran a la ignicin anormal. Loscompuestos halogenados de plomo son expulsados con los gases de escape.La cantidad de antidetonante que es necesario aadir depende de la naturaleza del combustible y desuNOactual.LaFigura16muestraelaumentodeNOquepuedeesperarsecondistintoshidrocarburosalaadir TEP. Se aprecia que el efecto es mucho mayor en los parafnicos simples, y menor en los aromticos eismeros.Fig 9.16: Susceptibilidad al plomo67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza169Consideraciones de salud pblica han llevado en los ltimos tiempos a descartar en la mayor medidaposibleelusodelTEPparalasmotonaftas.Losotrosantidetonantes,enparticularloscompuestosaromticos,sonanmsobjetablesdesdeestepuntodevista,siendocancergenos.Estohacausadolabsquedayafortunadamentehallazgodeunaditivoantidetonantemsaceptable,elMetil-Ter-ButilEter(MTBE), que se utiliza corrientemente en las llamadas Naftas Sin Plomo o Ecolgicas. Sin embargo, se debenotar que la toxicidad del MTBE no est suficientemente estudiada.Finalmente,tambinexisteunensayoderesistenciaalapre-ignicin,utilizandocomopatroneselcumeno y el isooctano, pero est prcticamente en desuso.9.1.4.4 Otros requisitosVolatilidad:Lasnaftassonmezclasdeungrannmerodehidrocarburos,ylacomposicindeunanaftaenparticular depende del origen del petrleo, el o los procesos de elaboracin, almacenamiento y transporte, etc.Entreloscomponentesdelasnaftashayhidrocarburosmsymenosvoltilesdenominadosfraccioneslivianas y pesadas. La proporcin de estas fracciones se determina con un ensayo normalizado de destilacin,donde se reporta la cantidad destilada al aumentar la temperatura.Estascurvasdedestilacintienenlmitesdadosporlasnormasdecomercializacindelasnaftas,pero estos lmites son relativamente amplios ya que existe un conflicto entre ajustar los lmites para asegurarlaspropiedadesfsicasdelanafta(ypoderpredecirmejorsuperformance)ydarlmitesmsampliosparaaumentar la produccin de nafta por litro de petrleo.LaFigura9.17muestralacurvadedestilacinsegnelmtodoASTMD-86paralasnaftasproducidas en nuestro paisFig 9.17: Rango de destilacin de motonaftasNormalmentesecitatambinlatemperaturadedestilacindelprimerevaporadoydel90%,citndose en total primera gota, 10, 50 y 90%, punto final y residuo.Veremos en los prrafos siguientes el significado de la curva de destilacin.Arranque en fro:El contenido de fracciones livianas es el factor determinante de un buen arranque con el motor fro,porloqueserequierebajastemperaturasdeprimeragotay10%.Paralograrestosesuelenadicionarhidrocarburoslivianos(butano)alasnaftasenpocasdeinvierno,porloquehaynaftasdeinviernoydeverano.Al estar el aire y el mltiple de admisin fro, por ms que la nafta de invierno tenga ms fraccionesvoltiles,slounapartedelanaftaseevaporarcompletamente,porloquelarelacinA/Cserpobreeinsuficiente para el arranque. Luego, es necesario enriquecer abundantemente la mezcla, lo que obliga al usodel cebador.Esto requisito es conflictivo con el siguiente.67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza170Presin de vaporLa Figura 9.18 muestra la presin de vapor de algunos hidrocarburos, medida en libras por pulgadacuadrada,absoluta.Enlosensayosdelaboratoriodenaftaslapresindevaporsemidesegnensayosnormalizados,reportndoselaPresindeVaporREID,quesibienestnormalizadaylimitada,nosecorresponde directamente con la anterior.Fig 9.18: Presin de vaporLapresindevaporesimportantepuessilatemperaturadeloscomponentesdelsistemadecombustibleessuficientementealta,sepuedealcanzarlacondicinenqueelcombustibleevapore,porejemplo,alapresindesuccindelabombadecombustible(0.5a0.7atmsferasabsolutas),formandoburbujas de gas que interrumpen el flujo de lquido (en ingls, vapour lock). Para evitar esto es deseable unaalta temperatura de destilacin de las fracciones livianas.Distribucin:Lasgotitasdenaftadelcarburadorodelinyectordecombustibleseevaporanamedidaqueviajanpor el mltiple de admisin hacia la vlvula de admisin. El camino es curvo, y las fracciones pesadas, queevaporan ms lentamente o no evaporan, pueden ser centrifugadas hacia las paredes metlicas del mltiple ynollegaralcilindro.Luego,loscilindrosrecibendistintasrelacionesdeA/C,dependiendodeldiseodelmltiple, lo que causa marcha irregular, vibracin, produccin de contaminantes, etc.Paraminimizaresteefectoesdeseablereducirlasfraccionespesadas,loqueconflictaconloanterior. El punto de 90% de la curva de destilacin es el relacionado con estos efectos.Dilucin del aceite:67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza171El90%yelpuntofinaldelacurvadedestilacinestnrelacionadosconelcontenidodelasfraccionesmspesadas,quepuedennoevaporaryterminarcomolquidoenlasparedesdelcilindro,escurriendohaciaelcrterydiluyendoelaceitelubricante.Apartedeafectarlaspropiedadesdelaceite,alcalentarelmotorloshidrocarburosdiludosevaporanporlasventilacionesdelcrter,contaminandoelambiente.Hielo:Problema ms que nada referido a las aeronaftas. Al evaporar las fracciones livianas toman el calorde vaporizacin del aire, enfrindolo hasta el punto en que la humedad del aire congele, depositndose sobrelas partes metlicas como hielo. Las fracciones por debajo del 50% controlan este problema.PCI, peso especfico:Aunque el contenido de energa por unidad de masa es importante para las aeronaftas (pues con undeterminado volumen de tanque se puede operar por ms tiempo), la variacin es pequea y no es reportadaen motonaftas.Punto de congelacin:Lasnaftastienenpuntosdecongelacintanbajosqueraravezsonproblema,aunquepuedeseralterado por aditivos y por el contenido de agua en disolucin.Solubilidad del agua:Las naftas en general estarn en equilibrio con la humedad realtiva del aire en el tanque, por lo quesiempre habr algo de agua disuelta. Al descender la temperatura (ej., en aviones, o al operar en climas muyfros), el agua puede salir de solucin y formar hielo, particularmente en filtros de combustible.Estabilidad:Ciertoscomponentesdelasnaftas,enparticularloshidrocarburosno-saturadosdedobleytripleligadura,sonpropensosapolimerizar(formarcadenaslargas)queseevidenciancomogomas,barnicesylacas.Estoscompuestospuedenobturarpequeasaberturascomogicleursdecarburadoroinyectores,ydepositarseenranurasdearosyguasdevlvulas.Estosecontrolaconaditivos,aunquelosaditivos,alincorporar compuestos metlicos y de halgenos, interfieren con otras propiedades tales como la dilucin deagua.Corrosin:Los hidrocarburos en general no son corrosivos, pero los aditivos que se utilizan para mejorar ciertascaractersticas como el octanaje y la estabilidad pueden dar origen a compuestos corrosivos de azufre, bromo,etc. Por esto es que se reporta el resultado del ensayo de corrosin ASTM D-130.9.1.4.5 Otros combustiblesAparte de las motonaftas los nicos combustibles con algn grado de difusin en el pas son el GNCy las alconaftas.GNCEs una mezcla de gases no licuable a temperatura ambiente, con una composicin tpica de 90% demetano (CH4), 5% de Etano (C2H6), 1% de Propano (C3H8) y el resto otros hidrocarburos, agua, Nitrgeno yCO2.Sudensidadesdelordende0.7,pesomolecular17.7,relacinaire-combustibleestequiomtricade16.1, poder calorfico inferior 47.6 MJ/kg.El Nmero de octano del GNC se estima en 130.Las ventajas del GNC son su bajo costo, la facilidad de arranque en fro y la limpieza del sistema decombustible y del motor.Sus desventajas son que, al expenderse en forma gaseosa en tanques de alta presin, la cantidad quepuede llevarse es limitada, limitando el alcance del vehculo (baja densidad de energa). Adems, el metanotieneunaaltatemperaturadellama,loquecausaproblemasaloselementosencontactoconlallamaolosgases de escape, a menos que estn diseados especficamente para su uso con GNC.Su uso es muy popular para el transporte y cada vez ms en la generacin de electricidad.Desde el punto de vista ecolgico, es un combustible en principio renovable y no utiliza aditivos. Esdiscutible si es ms o menos contaminante que las naftas lquidas; la Figura 9.19 muestra algunos resultadosdeensayoscomparativos.Sinembargo,sedebetenerpresentequeraravezestetipodecomparacionesserealiza en condiciones equivalentes; por ejemplo, el mismo motor alimentado con GNC produce entre un 10 yun20%menospotenciaporelmayorvolumenocupadoporelgas(yconsiguientemenormasadecombustibleenelcilindro),porloqueesdeesperarmenorproduccindegasesdeescape,contaminantesincludos.67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza172Fig 9.19: Contaminantes en motores a chispa EnidnticascondicionesdeensayoelmotoraGNCprobablementeproducemsxidosde67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza173nitrgenoquelasmotonaftasdebidoalasmsaltastemperaturasdellama.Tambindebenotarsequelosensayosdehidrocarburosno-quemadosnormalmentenoincluyenelMetanopornoserconsideradocontribuyentealefectoinvernadero(aunqueestoestsiendodiscutido),yelmotoraGNCemiteconsiderablescantidadesdegassinquemar,comoesfcildeadvertirporelolordelosgasesdeescape.AdicionalmenteelMetanoesnotoriamentedifcildequemarenreactorescatalticos,porloqueelusodecatalizadores de escape no soluciona los problemas de NOx ni de inquemados.AlconaftaSon mezclas, tpicamente 90% gasolina y 10% de alcohol, ya sea metanol o etanol.Susventajassonmenorcosto,llamamsfra(menosNOx),mejorrendimientovolumtrico(elalcoholenfraelaire,llenandoelcilindroconmsmasademezcla),menoremisindeCO(yaquenormalmenteoperanenmezclapobre),mayornmerodeoctanoamenorcosto,y,alrevsqueelGNC,mayorpotencia(msmolesdeproductospormoldecombustible,mayorpresindegasesluegodelacombustin).La Figura 9.20 muestra algunos ensayos comparativos, a los que se deben agregar las precaucionesmencionadas ms arriba.Fig 9.20: Contaminantes de la AlconaftaSus principales desventajas son: el olor de los gases de escape (formacin de aldehdos, formol), elataque a gomas y plsticos (que se soluciona con un adecuado diseo), la mayor tendencia a solubilizar aguay la consecuente separacin del alcohol y la nafta, y el hecho de que la llama de alcohol es casi incolora(problema de seguridad)Adicionalmente, si se utiliza metanol, existe un serio problema de toxicidad (ataca el nervio ptico),y el uso de etanol es desaconsejable por sus problemas sociales (embriaguez)67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza1749.2. Motores Ciclo Diesel9.2.1 IgnicinEl encendido del motor Diesel es por ignicin espontnea del combustible finamente pulverizado,inyectado dentro de la cmara de combustin en la que hay aire comprimido a alta presin y temperatura.La combustin en el motor Diesel es una llama de difusin turbulentaLa Figura 9.21 muestra un diagrama tpico de presin versus posicin angular del cigeal, vale decir, versustiempo. Se aprecia que entre el momento en que se inyecta el combustible y comienza el autoencendido, y elmomentoenquesecomienzaanotarunsensibleaumentodepresinenlacmaradecombustinpasauncierto tiempo.Fig 9.21: Presin en el motor DieselAestetiemposelodenominaretardodeignicin,yessumamenteimportanteparaeldiseoylaoperacin del motor que este retardo sea conocido y confiable.9.2.2 Retardo de ignicinLos factores que controlan el retardo de ignicin son, entre otros:-Lainyeccin,incluyendoelbuenmantenimientodelosinyectores,lapresindealimentacin,elusodeaditivos para limpieza y para control de la viscosidad el combustible.-Laevaporacinydifusindelagota,influenciadaporlanaturalezadelcombustibleylascondicionesdelaire (turbulencia, temperatura)-Lapenetracindelroco,valedecir,cuntorecorreantesdeevaporarsecompletamenteycmosemezclacon aire fresco.-La cintica y la fsica de la reaccin-El balance de calor, entre prdidas por calor latente de evaporacin, conveccin forzada, etc, y la gananciapor radiacin de la llama, conduccin, etc.-El efecto de la presin sobre la velocidad de evaporacin (se evapora ms rpido al aumentar la presin porla combustin)Salvandolosfactoresdemantenimientoylanaturalezadelcombustible,elretardodeignicinsepuedecontrolaryestabilizarasegurandounaaltaturbulenciadelaireporeldiseodelacmaradecombustin.9.2.3 Cmaras de combustin DieselLascmarasdecombustinDieselpuedenclasificarseenintegralesydivididas.LaFigura9.2267.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza175muestra algunas cmaras del tipo integral, y variantes de inyeccin.Fig 9.22: Cmaras Diesel integralesSenotaqueseempleanmecanismossimilaresalosvistosparaelcicloOttoparaproducirturbulenciaglobalyporapriete,einclusosellegaautilizarunmboloextrusorparaproduciranmsturbulencia.En grandes motores Diesel se suelen utilizar cmaras divididas, como muestra la Figura 9.23.Fig 9.23: Cmaras divididas67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza176En a) la cmara est casi totalmente separada del cilindro, y se produce alta turbulencia por extrusinal bombear el aire desde el cilindro a la cmara. En b), la combustin inicial en la cmaralateralgeneraunchorro rico en combustible y de muy alta temperatura, que produce una mezcla muy enrgica en el resto de lacmara.9.2.4 Requisitos para combustibles Ciclo Diesel9.2.4.1 GeneralLoscombustiblesparaelcicloDieselsonlosdieseloilsylosgasoils,parafnicosconbuenascaractersticas de autoencendido; los dieseloils para automotores autoencienden entre los 180 y 350C, y losgasoils para motores marinos entre 220 y 370C.9.2.4.2 RequisitosLos requisitos generales son:-Buen arranque en fro (volatilizacin)-Atomizacin (idem, viscosidad)-Suavidad de marcha (retardo, constancia del retardo)-Residuos (fracciones pesadas, aditivos)-PCI (eficiencia)-Limpieza del sistema (inyectores, aditivos)-Viscosidad y volatilidad (bomba, filtros)9.2.4.3 Propiedades fsicasLa Fig 9.24 muestra algunas propiedades de gasoils:Fig 9.24: Propiedades de gasoilsPara combustibles nacionales citamos la Figura 9.25:67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza177Fig 9.25: Diesel argentinoLa relacin entre las propiedades fsicas y la performance del combustible se sintetiza en lossiguiente:-Viscosidad: controla el tamao de gota, la penetracin, dando mala combustin si el roco es muy fino, ylavado del aceite si es muy grueso. Afecta al desgaste de la bomba inyectora.La Figura 9.26 ilustra la viscosidad tpica de los gasoils:Fig 9.26: Viscosidad de combustibles-Punto de escurrimiento, enturbiamiento: importante para motores marinos y militares que pueden operar amuy bajas temperaturas. Importan la relacin viscosidad/temperatura y el contenido de parafina.-Estabilidad: relacionado con la formacin de gomas y barnices. Limpieza.-Peso especfico: relacionado con la facilidad de encendido y la densidad de energa.-Punto de inflamacin: peligro de incendio si es muy bajo: el combustible Diesel autoenciende.-Impurezas: importante para la vida de bombas e inyectores.9.2.4.4 Propiedades relativas a la combustinAlgunas consideraciones son:-PCI: tiene poca variacin (Figura 9.27); importante para motores marinos (densidad de energa, alcance)Fig 9.27: PCI, densidad en grados API para combustibles67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza178-Residuos:seutilizaelensayodecarbnConradson.Relacionadoconlacokizacindelcombustibleenlacmara.-Azufre: ensayo relacionado con la corrosin.-Volatilidad: se reporta la curva de destilacin similarmente a las motonaftas. La Figura 9.28 muestra curvastpicas de destilacin de gasoils livianos y pesados:Fig 9.28: Curvas de destilacinLas curvas de destilacin se relacionan con la facilidad de arranque en fro, la penetracin y ellavado de aceite. Tienen poca relacin con el retardo y la autoinflamacin.-Calidad de ignicin: se requiere que el combustible autoencienda al comenzar el roco. Sin embargo, hay unprimer retardo fsico (alrededor del 5-10% del retardo total) debido a los procesos deevaporacinymezclainicial del roco; luego sucede el retardo qumico, es decir, el tiempo que lleva quemar suficiente combustiblecomo para que se alcance alta presin.LacalidaddeignicinsemideenelmotorCFRenelensayoF5,demanerasimilaralnmerodeoctano,utilizandocombustiblespatronesqueformanunaescalade0a100.Lospatronessonelalfa-metil-naftalenoC11H10,yelcetanoC16H34.ElporcentajedecetanosereportacomoNmerodeCetanodelcombustible. El dieseloil para automotores tiene NC de 45 a 60, y los gasoils ms pesados NC menores.EnelcicloDieselunavanceenlainyeccintieneunefectosimilaralavancedelencendidoenelciclo Otto. Luego, hay dos maneras de ensayar la calidad de ignicin:-Conunarelacindecompresinfija,semideeltiempoderetardo(engradosdecigeal)yseconsultantablas tiempo-NC confeccionadas con mezclas de combustibles patrones.-Se encuentra la relacin de compresin crtica a la que se produce la autoignicin. En el motor esto nos darala posicin del cigeal a la que comienza la combustin. Se consultan tablas de relacin de compresincrtica versus NC.Existetambinelensayodepuntodeanilina,quemidelacantidaddelcompuestoqumicopuroAnilina(AminobencenooFenilamina)quesedisuelveenelcombustible.Esindicadordelcontenidodeparafnicos y por lo tanto de una combustin suave.Existenaditivos(nitratodeamilo,deetiloydebutilo)quemejoranelNC.Tambinsesuelenincorporar disolventes y detergentes para controlar las gomas y barnices.9.3. Contaminacin por los motores de CI9.3.1 GeneralLacombustinenlosmotoresdeCIesturbulenta,premezclada(Otto)odedifusin(Diesel).Lavelocidad de llama no es fcil de predecir: en una llama premezclada, laminar, puede ser del orden de los 30-40m/s,peroenunallamapremezcladaturbulentapuedeser10ohasta50vecesmsalta,Enunallamaturbulenta de difusin hay otros factores controlantes tales como evaporacin, mezcla, transmisin de calor,etc.Aestosedebeaadirelefectodelaexpansindelosgasesquemados,quealterafuertementelavelocidad de llama, y su temperatura (Figura 9.29)67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza179Fig 9.29: Velocidad de llama, qumica y de transporteLa temperatura de llama afecta a la composicin de los productos de combustin, y la velocidad dequemado y posterior enfriamiento determinan la composicin final de los gases de escape.Tambinsedebenconsiderarlosinquemadosproducidosporapagadocercadelaparedes,laabsorcin de combustible por el aceite, el lavado por mala evaporacin o penetracin, etc.ElavancedeencendidoenelcicloOttotieneunainfluenciamuygrandeenlaproduccindecontaminantes. La Figura 9.30 muestra el efecto tpico:Fig 9.30: Contaminantes y punto de encendidoLa riqueza de la mezcla tambin es determinante de los contaminantes producidos, tanto en el cicloOtto como en el Diesel, como muestran las Figuras 9.31 y 9.32:Fig 9.31: Contaminantes del Ciclo Diesel versus riqueza67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza180Fig 9.32: Contaminantes del ciclo Otto versus riquezaLos principales contaminantes son el CO, los hidrocarburos no quemados y los xidos de Nitrgeno.De stos, aproximadamente 2/3, 2/3 y 1/3 de la contaminacin total del ambiente se deben al motor de CI enuso urbano (autos).Los orgenes del contaminantes son:-Inquemados: apagado en las paredes y hendijas, apagado al soltar el acelerador (evaporacin instantnea delmojado del mltiple al producirse vaco, que causa mezcla momentneamente muy rica), apagado en lamarcha en vaco (mezcla muy pobre)-CO: mezcla muy rica, mala puesta a punto del motor-NOx: Altas temperaturas de combustin, mezcla ligeramente pobre, mal diseo.Las cantidades de polucionantes producidas en un pas avanzado (Australia, aproximadamente lamitad de la poblacin argentina) son del orden de los 6 millones de toneladas anuales de CO, 1.5 millones dehidrocarburos y un milln de toneladas anuales de xidos de nitrgeno (Figura 9.33)67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza181Polucionantes en Australia (THOMPSON)Cantidades en toneladas / ao y (porcentaje)Fuente Particulas SO2CO HC NO2comb. estacion.carbon 304000(13) 443000(33) 115000(2) 27700(2) 316000(37)fuel 20200(1) 241000(18) 490(-) 2250(-) 50400(6)gas natural 685(-) 20(-) 450(-) 780(-) 5070(-)GLP 130(-) 10(-) 80(-) 150(-) 700(-)lea 39000(1) 2200(-) 2200(-) 2200(-) 12500(2)subtotal 364000(15) 686000(51) 118000(2) 33100(2) 385000(45)indus. leera:residuos 134000(6) 5200(-) 572000(10) 200000(14) 24000(3)recortes 4200(-) 20(-) 35900(-) 3020(-) 420(-)subtotal 138000(6) 5220(-) 608000(10) 203000(14) 24420(3)comb. movil:nafta 10500(1) 7800(-) 3710000(64) 696000(49) 231000(27)diesel 9500(-) 13800(2) 106000(2) 22300(2) 169000(20)aviones 2530(-) 420(-) 43600(-) 9160(-) 1620(-)barcos 520(-) 8350(-) 1130(-) 880(-) 2820(-)subtotal 22600(1) 30400(2) 3860000(66) 728000(51) 404000(47)Indus. quimica:negro de humo 390(-) 6800 *(-) 180000(3) 16000(-) ? (-)acidos ?(-) 47000(3) ? (-) ? (-) 1870(-)solventes evap ?(-) - (-) - (-) 186000(13) - (-)otros 2700(-) - (-) - (-) 26800(2) - (-)subtotal 3090(-) 47000(3) 180000(3) 229000(16) 1870(-)agricultura:granos 150000(6) - (-) - (-) - (-) - (-)fosfatos 55400(2) - (-) - (-) - (-) - (-)caa azucar 103000(4) ? (-) 335000(6) 71000(5) 7100(1)incendios 161000(7) ? (-) 442000(8) 40200(3) 16000(2)subtotal 469000(20) ? (-) 797000(14) 111000(8) 23100(3)metalurgica:aluminio 20200(1) - (-) - (-) - (-) - (-)coke 15900(-) 23800(2) 5600(-) 18700(1) 200(-)cobre 19200(1) 199000(15) - - (-) - (-)hierro 409000(17) ? (-) - - (-) - (-)acero 6900(-) ? (-) 30400(-) - (-) - (-)plomo 1850(-) 188000(14) - (-) - (-) - (-)zinc 2850(-) 86000(6) - (-) - (-) - (-)subtotal 476000(20) 497000(37) 36000(-) 18700(1) 200(-)minerales:ladrillo-arcilla 62500(3) - (-) - (-) - (-) - (-)cemento 30500(1) - (-) - (-) - (-) - (-)fosfatos 333000(14) - (-) - (-) - (-) - (-)roca-piedra 428000(18) - (-) - (-) - (-) - (-)lavado-carbon 51000(2) - (-) - (-) - (-) - (-)subtotal 905000(38) - (-) - (-) - (-) - (-)petroquimica:refinerias 3660(-) 91300 (7) 217000(4) 16000 (1) 14700(2)almacenaje - (-) - (-) - (-) 101000(7) -subtotal 3660(-) 91300(7) 217000(4) 117000(8) 14700(2)papel:subtotal 13400(-) 1340(-) 17400(-) - (-) -(-)TOTAL 2400000(100) 1360000(100) 5830000(100) 1430000(100) 858000(100)*:como SH2Fig 9.33: Contaminantes en AustraliaLa produccin de contaminantes por los motores de automviles se mide en bancos de ensayo bajocarga. La Figura 9.34 muestra el esquema de un banco de ensayos tpico:67.30 Combustin Unidad IXD. Ing. E. Brizuela Ing. J. C. Loza182Fig 9.34: Banco de ensayos de automotor9.3.2 Control de contaminantesLos mtodos de control en motores de CI son bsicamente de diseo de motor. Para el ciclo Ottopodemos citar:-Limitar el vaco en el mltiple-Limitar la pobreza de la mezcla-Usar carga estratificada (combustin en zonas) o cmaras divididas-Motores de carrera corta para limitar la superficie de apagado-Recircular los gases de crter-Disear para evitar hendijas-Usar convertidores catalticos para terminar de quemar el CO y los inquemados y reducir los xidos denitrgeno.Para motores Diesel se debe aadir el problema de partculas, es decir, humo. Hay dos clases dehumos: los humos blancos que son fundamentalmente combustible sin quemar, producto del fallo de laignicin por exceso de combustible o mal atomizado, y el humo negro, principalmente holln o carbn puro,producto de operar en mezcla excesivamente rica para obtener mxima potencia. An no existen tratamientosde los gases de escape para eliminar humos, por lo menos en automotores, por lo que el nico mtodo decontrol es el adecuado mantenimiento y correcta operacin del motor.