La propulsión del vehículo generalmente se obtiene por medio de motores, también conocidos como motores primarios, es decir, dispositivos mecánicos capaces de convertir la energía química de un combustible en energía mecánica. Por cierto, el término inglés «engine», es probable que tenga un origen francés en la antigua palabra francesa «engin», que a su vez se cree que proviene del latín «ingenium» (que comparte la misma raíz de «ingénieur» o «ingeniero»).
La energía química del combustible se convierte primero en calor a través de la combustión, y luego el calor se convierte en trabajo mecánico por medio de un medio de trabajo. Este medio de trabajo puede ser un líquido o un gas. De hecho, el calor producido por la combustión aumenta su presión o su volumen específico, y gracias a su expansión, se obtiene trabajo mecánico.
En los motores de combustión interna (ICE), los productos de combustión (p. ej. aire y combustible) se utilizan como medio de trabajo, mientras que en los motores de combustión externa, los productos de combustión transfieren calor a un medio de trabajo diferente por medio de un intercambiador de calor. Además, mientras que en el HIELO la combustión tiene lugar dentro del cilindro, en los motores de combustión externa, la combustión se obtiene en una cámara separada, generalmente llamada quemador.
Dado que el proceso de combustión de un HIELO cambia las características del medio de trabajo, el funcionamiento cíclico solo puede obtenerse mediante una sustitución periódica del propio medio de trabajo, es decir, mediante un ciclo abierto. Por lo tanto, el término» ciclo » para el HIELO se refiere al ciclo de trabajo del motor que debe reemplazarse periódicamente, y no a un ciclo termodinámico del fluido de trabajo. Los combustibles deben tener características compatibles con el funcionamiento con HIELO, lo que significa que sus productos de combustión deben permitir ser utilizados como medios de trabajo (por ejemplo, la combustión no debe formar cenizas como en su chimenea, lo que causaría que el mecanismo del motor se pegue).
Motor de combustión interna
Los motores de combustión interna alternativos generalmente se seleccionan para la propulsión de vehículos terrestres, con algunas excepciones (motores eléctricos para tranvías, trolebuses o automóviles eléctricos), debido a su densidad de potencia favorable y sus costos de fabricación y servicio relativamente bajos (en comparación con las turbinas de gas, por ejemplo).
En el HIELO alternativo, el movimiento de un pistón hacia un cilindro, cerrado en el extremo opuesto por la culata del cilindro, produce una variación cíclica del volumen del cilindro. El pistón está conectado a una varilla y una manivela al eje, cuya rotación constante provoca un movimiento cíclico del pistón entre dos posiciones extremas, el Centro Muerto Superior (TDC, más cercano a la culata) y el Centro muerto Inferior (BDC, la mayor distancia desde la culata). Estas dos posiciones corresponden respectivamente al volumen mínimo del cilindro (volumen libre, Vc) y al volumen máximo del cilindro (volumen total, Vt). La diferencia entre el volumen máximo y el mínimo se denomina volumen barrido o desplazamiento del cilindro y se denomina Vd. Y finalmente, la relación entre el volumen máximo y el mínimo se llama relación de compresión (rc).
Clasificación de hielo
Los motores de combustión pueden clasificarse en diferentes categorías. Los dos más importantes se basan en el proceso de combustión (encendido por chispa vs.encendido por compresión) y en el ciclo de trabajo (2 tiempos vs. 4 tiempos). La clasificación adicional se puede basar en la toma de aire (aspirado naturalmente o turboalimentado), la alimentación de combustible (inyección indirecta o directa) y el sistema de refrigeración (refrigerado por aire o refrigerado por agua). En este artículo, solo se presentarán las diferencias entre los procesos de combustión.
Encendido por chispa y encendido por compresión
Encendido por chispa
En motores de encendido por chispa, se utilizan combustibles con reactividad relativamente baja, como gasolina, Gas Natural comprimido (GNC) o Gas licuado de Petróleo (GPL). Dichos combustibles se mezclan con aire para formar la mezcla combustible y homogénea aire/combustible, y luego se comprimen en el motor para alcanzar temperaturas de aproximadamente 700 K (400 °C) y presiones de aproximadamente 20 bar, sin ignición espontánea.
Este comportamiento puede explicarse sobre la base de las características de la molécula de combustible: los combustibles de hidrocarburos utilizados en motores de encendido por chispa (SI) están hechos de moléculas de cadena corta, rígidas y de estructura compacta (como CH4 para GNC o iso-octano C8H18 para gasolina) para los que, incluso a altas temperaturas y presiones, el tiempo necesario para iniciar el proceso de combustión es bastante largo. Sin embargo, este concepto no debe confundirse con la capacidad de un combustible líquido para evaporarse a temperatura ambiente y formar una mezcla combustible en el aire ambiente. Esta capacidad es alta con la gasolina y determina el peligro de explosión si se proporciona una fuente de ignición.
En los motores SI, el proceso de combustión solo se puede iniciar (al menos para una combustión clásica) con una fuente de energía externa, como una chispa eléctrica. La energía añadida a la mezcla por la descarga eléctrica es pequeña (alrededor de 10 mJ de magnitud), pero de todos modos es esencial para iniciar el proceso de combustión.
Desde el primer núcleo encendido por la chispa, la combustión se propaga a través de la mezcla: capa tras capa, el frente de llama viaja a través de la cámara, principalmente gracias a un intercambio de calor convectivo entre los gases quemados y la mezcla fresca, hasta que se alcanzan las últimas zonas (llamadas «gases finales») lejos de la chispa.
La velocidad frontal de la llama es de aproximadamente 20-40 m / s, y aumenta considerablemente con la turbulencia dentro de la mezcla (la turbulencia aumenta la superficie entre el gas fresco y el quemado, por lo que el intercambio de calor aumenta y, por lo tanto, la velocidad de propagación de la llama). Dado que la intensidad de la turbulencia aumenta con la velocidad del motor y la velocidad delantera de la llama es proporcional a la intensidad de la turbulencia, la velocidad delantera de la llama aumentará con la velocidad del motor, compensando así la reducción del tiempo disponible para la combustión. Gracias a ello, casi no hay limitación en términos de velocidad del motor para los motores SI desde el punto de vista de la combustión (el motor de Fórmula 1 puede funcionar hasta 20 000 revoluciones por minuto).
Sin embargo, la mezcla de aire/combustible, cuando se mantiene a altas temperaturas y presiones durante un tiempo prolongado, puede finalmente someterse a auto ignición. Por esta razón, pueden producirse inflamaciones anormales cuando el gas final se enciende espontáneamente antes de la llegada del frente de llama. Esta combustión anormal causa un aumento repentino de la presión del cilindro seguido de ondas de presión dentro de la cámara de combustión que se transmiten a través de la estructura del motor al entorno circundante. Esto se denomina «Golpe» y puede causar daños al pistón y al cilindro debido a tensiones de fatiga térmica. Para evitar que se produzcan golpes, el motor SI debe cumplir varias limitaciones relativas a la longitud máxima de la trayectoria de la llama (que limita el diámetro máximo del cilindro denominado agujero a unos 100 mm) y la temperatura y presión máximas admisibles del gas final (fresco) (que limitan tanto la relación de compresión como la presión de refuerzo).
Además, solo se pueden alcanzar valores altos de velocidad de la llama si la relación aire / combustible está bastante cerca de la relación estequiométrica:por lo tanto, cuando un motor SI tiene que funcionar con carga parcial, es imposible reducir solo el combustible mientras se mantiene sin cambios la masa de aire en el cilindro. Luego, se necesita el uso de un dispositivo para reducir el flujo másico de aire para el control de la carga (a menudo se elige un acelerador de admisión) incluso si está causando penalizaciones de eficiencia a carga parcial.
La estequiometría se define como el punto en el que, en la mezcla, se consume todo el oxígeno y se quema todo el combustible. Para la gasolina, la proporción dada por masa es de 14,7: 1 (14,7 gramos de aire por 1 gramo de combustible).
Encendido por compresión
Cuando se utilizan combustibles con mayor reactividad, como el diesel, no se pueden mezclar con aire y luego comprimirse en el cilindro porque de lo contrario el proceso de combustión comenzaría espontáneamente durante la carrera de compresión. De hecho, el combustible diésel es una mezcla de hidrocarburos que puede estar representada por el cetano, C16H34, con una molécula de cadena larga y recta en la que las reacciones preliminares del proceso de oxidación se producen con bastante rapidez a altas temperaturas y presiones.
Por lo tanto, el combustible diesel se inyecta como un aerosol líquido de alta presión en el aire comprimido, inmediatamente antes del inicio deseado de la combustión (en el caso de la combustión diesel clásica). Las pequeñas gotas de combustible (alrededor de 10 µm de diámetro), rodeadas de aire comprimido caliente (alrededor de 900 K), se evaporan rápidamente y el proceso de combustión comienza espontáneamente con un retardo de ignición extremadamente corto.
A diferencia de los motores SI, el proceso de combustión en el motor diesel no puede ajustar sus características al tiempo disponible para realizar la combustión relacionado con el aumento de la velocidad del motor (es decir, el tiempo solicitado para la evaporación del combustible, la mezcla y el retraso de encendido no disminuirá al aumentar la velocidad del motor). Por lo tanto, estos motores no pueden funcionar a velocidades superiores a 5000 rpm.
Finalmente, a diferencia de los motores SI, no hay requisitos estrictos en términos de relación aire/combustible para este tipo de combustión. Con carga parcial, la cantidad de combustible inyectado se reduce mientras se mantiene la misma cantidad de aire inducido, sin necesidad de dispositivo de estrangulamiento y luego sin pérdida adicional.
Fuente: Prof. Federico Millo, Politecnico di Torino
Romain Nicolas opinión:
Los dos tipos más comunes de combustión (encendido por chispa y encendido por compresión) son conocidos desde hace mucho tiempo y están bien dominados. Sin embargo, estamos llegando a los límites de esos procesos a medida que los límites de consumo de contaminantes y combustible establecidos por las normas son cada vez más bajos. Alcanzar esos estándares resulta cada vez más costoso, y se están probando algunos procesos de combustión alternativos y arquitecturas de motores en laboratorios y centros de investigación. ¿Cree que los motores de encendido por chispa y de encendido por compresión, tal como los conocemos hoy en día, serán reemplazados por algunas soluciones alternativas como CAI, PCCI, combustión dual de combustible u otras?