Combustión en los Motores de Encendido por Chispa (MECH)
Tipos de Combustión
Combustión Normal
Es una combustión que se produce una vez comprimida la mezcla aire-carburante en la cámara de combustión, iniciándose con el salto de la chispa. Alrededor de la chispa se forma un foco inicial de encendido, propagándose la combustión a toda la cámara en forma de un frente de llama que progresa a gran velocidad. Por este motivo, se la denomina explosión.
Autoencendido
Es una combustión que se inicia con la inflamación de la mezcla producto de algún punto caliente en la cámara de combustión (alguna saliente o depósito carbonoso incandescente). Posteriormente, salta la chispa y se produce un nuevo frente de llama.
Detonación
Es un fenómeno producido por la combustión instantánea de la mezcla encerrada en la cámara de combustión. El fenómeno se inicia normalmente con el salto de la chispa en la bujía, formándose un frente de llama que progresa adecuadamente dentro de la cámara. Sin embargo, llegado un momento determinado, una porción de la mezcla sin quemar explota violentamente debido a la presión que sobre ella ejercen los gases quemados. Esto produce un aumento de temperatura (temp.) que puede llegar a valores de inflamación espontánea para esas grandes presiones.
Esta explosión violenta comunica una presión percutora a la cabeza del pistón y la combustión se completa anticipadamente, lo que supone que el pistón y demás componentes del motor queden sometidos a esfuerzos anormales que pueden llegar a dañarlos, aumentando al mismo tiempo la temperatura de combustión, lo que puede llegar a producir autoencendido.
El Poder Antidetonante de los Carburantes: El Número de Octanos
Cuando un carburante tiene la capacidad de soportar elevadas compresiones sin detonar, se dice que está dotado de un elevado poder antidetonante. La calidad de un carburante depende esencialmente del valor de su poder antidetonante, cuya medida está dada por el llamado Número de Octanos.
Determinación del Número de Octanos
El valor del Número de Octanos se obtiene comparándolo con un combustible de referencia formado por una mezcla de dos hidrocarburos:
- Isooctano: Posee óptimas características antidetonantes. Se le asigna el Número de Octanos 100.
- Heptano: Posee bajas características antidetonantes. Se le asigna el Número 0.
Mezclados ambos en distintas proporciones, pueden obtenerse mezclas con todos los números de octanos disponibles entre 0 y 100.
La medición se realiza en motores especiales que permiten variar la relación de compresión en funcionamiento. Para realizar la prueba, se establecen parámetros de funcionamiento tales como número de revoluciones, temperatura de la mezcla, adelanto de encendido, etc. La intensidad de detonación se mide con un dispositivo eléctrico. En sucesivas pruebas, se determina la mezcla de isoctano y heptano que, para un mismo valor de la relación de compresión, tenga la misma intensidad de detonación que el combustible en ensayo. El tanto por ciento de isoctano en esta mezcla representa el Número de Octanos del combustible en ensayo.
Así, por ejemplo, un combustible que posea la misma intensidad de detonación que una mezcla compuesta por 80% de isoctano y 20% de heptano tendrá un Número de Octano de 80. Cuanto más elevado sea el número, mayor es su capacidad de resistir a la detonación y mayor puede ser la relación de compresión del motor.
Aditivos Antidetonantes y Procesos de Refinación
El poder antidetonante de un carburante puede elevarse con el agregado de aditivos, tal como el tetraetilo de plomo, pero debido a que son productos altamente contaminantes, en la actualidad no se utilizan.
Los procesos químicos utilizados para mejorar la calidad del combustible incluyen:
Reforming (Reformado)
Las naftas obtenidas de la destilación primaria suelen tener moléculas de cadenas lineales o no ramificadas, por lo que tienden a detonar cuando son sometidas a elevada presión. Este mecanismo se utiliza para reformar moléculas de cadena lineal en ramificadas o cíclicas. Al ser estas más compactas, no detonan por efecto de la presión. Cuando el proceso requiere de un catalizador para acelerar las reacciones, se denomina Reforming Catalítico.
Alquilación
Es otro proceso químico por el cual se une un hidrocarburo de cadena ramificada al enlace doble de un hidrocarburo de la serie [olefínica]. Puede usarse para el proceso ácido sulfúrico o ácido fluorhídrico.
Isomerización
En este caso, lo que se hace es convertir la cadena lineal de un hidrocarburo de la serie parafínica en otro de cadena ramificada, utilizando a tal fin un catalizador de platino.
Combustión en los Motores de Encendido por Compresión (MEC)
Facilidad de Ignición: El Número de Cetanos
En los motores de encendido por compresión, desde el momento en que el combustible se inyecta en la cámara de combustión hasta que se verifica el encendido, transcurre un cierto periodo de tiempo al que se le denomina retraso al encendido.
Cuanto mayor sea este retraso, mayor es la cantidad de combustible que se acumula en la cámara antes de que el encendido comience. Por este motivo, la combustión se desarrolla de un modo repentino y el gradiente de presión es tan alto que produce un golpe. Un combustible es tanto mejor cuanto menor es su retraso al encendido.
Medición del Retraso al Encendido
El retraso al encendido se mide con el llamado Número de Cetanos. Para conocer este valor, se realiza un ensayo similar al que se hace para determinar el Número de Octanos de un carburante. Los hidrocarburos que se utilizan de referencia son:
- Cetano: Tiene muy buenas características de ignición (poco retraso). Se le asigna el Número de Cetanos 100.
- Otro hidrocarburo: De bajas características de ignición (mucho retardo).
Mezclándolos en diferentes proporciones, se pueden obtener Números de Cetano entre 0 y 100. El Número de Cetanos de un combustible comercial es aproximadamente 60.
Sistemas de Control y Dosificación de Combustible
Funcionamiento del Catalizador en Ciclo Cerrado (Sonda Lambda)
La eficiencia del catalizador depende de que la relación aire-combustible sea lo más próxima posible a la relación estequiométrica. Por este motivo, la eficiencia del catalizador depende del correcto funcionamiento de la Sonda Lambda.
Al producirse la combustión en los cilindros, se generan gases que salen por el colector de escape. Estos gases están en contacto con la Sonda Lambda, la cual detecta el contenido de oxígeno residual, emitiendo una señal alta o baja según el factor lambda (λ) sea mayor o menor a uno.
Esta información es usada por el calculador del sistema de inyección de combustible para corregir el tiempo de inyección básico almacenado en la cartografía de gestión del motor. De este modo, el factor lambda se mantiene en valores cercanos a 1.
Principios de Carburación
Existe una relación de la mezcla aire-combustible para la cual la combustión se completa (relación estequiométrica), que corresponde a una proporción de 14,7 partes de aire por cada 1 de combustible. Esta relación se altera dentro de cierta medida de acuerdo al régimen de funcionamiento del motor.
El carburador debe ser capaz, además de pulverizar el combustible para una mezcla más íntima con el aire, de dosificar la mezcla para distintos regímenes de funcionamiento del motor.
El Carburador Elemental
El aire ingresa desde el exterior por la parte superior del colector de admisión, aspirado por el motor desde la parte inferior (cilindros). Cuando la válvula mariposa está totalmente cerrada, corta el paso de aire; a medida que se va abriendo, permite la libre circulación del aire por el estrechamiento llamado difusor o Venturi.
La corriente de aire experimenta un aumento de velocidad, creando en esta zona una fuerte depresión que permite la aspiración del combustible del surtidor (Efecto Venturi). El combustible se derrama, se pulveriza y posteriormente se evapora en la corriente de aire, logrando una mezcla homogénea.
Cuanto mayor es la cantidad de aire forzada a pasar por el difusor, mayor es la depresión creada y, por lo tanto, mayor es la cantidad de combustible que sale del surtidor. La cantidad de combustible aspirado depende de la cantidad de aire que atraviese el difusor, lo que a su vez depende del régimen de giro del motor y de la posición de la válvula mariposa.
El combustible llega al surtidor a través de un orificio calibrado que permite suministrar la cantidad adecuada de combustible en función de la cantidad de aire para conseguir una relación de mezcla adecuada.
Sistema de Suministro
El combustible llega al surtidor desde un depósito o cuba al que se le envía combustible por medio de una bomba de alimentación. En el interior de la cuba se dispone de un flotador provisto de una válvula aguja que permite mantener el nivel de combustible en la cuba y, por vaso comunicante, en el difusor. La válvula mariposa regula la cantidad de mezcla aspirada por el motor y está comandada por el pedal del acelerador.