Cátedra: MAQUINAS ALTERNATIVAS Y TURBOMAQUINAS
Curso: 5° 1a
Tema: COMBUSTION
Docente: Ing. Jorge Scigliano
JTP: Ing. Emerson Madariaga
Ayudante de cátedra: Carlos Péndola
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Ing. Jorge A. Scigliano
Combustión
Temario
» Combustión normal
» Velocidad de propagación de la llama
» Factores que influyen en la velocidad de la llama
» Variación de la presión durante la combustión
» Detonación y Autoencendido
» Variables que influyen en la detonación
» Ignición por compresión de carga homogénea
» Índice Octano: RON y MON
» Índice Cetano
Presentación que tiene como base los apuntes realizados por el Ing. Pablo A. Bianchi
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FACULTAD REGIONAL GENERAL PACHECO
Máquinas Alternativas y Turbomáquinas
Objetivos de Desarrollo Sustentable
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Máquinas Alternativas
Combustión normal
El proceso de combustión comprende dos fases principales: una de preparación y otra de
combustión propia y verdadera.
Durante la primera fase, la chispa producida por la bujía genera una reacción local que después da
lugar a ciertas reacciones intermedias y éstas a su vez, determinan las condiciones para el
comienzo y el desarrollo de la combustión propia y verdadera.
Cuando salta la chispa el combustible ya está vaporizado e íntimamente mezclado con el aire
indispensable para la combustión.
Alrededor de la chispa se forma un foco inicial y desde éste, se propaga la combustión
gradualmente a toda la carga según un frente de llama que separa la porción de mezcla ya
encendida y la que todavía no lo está.
A medida que progresa la combustión y se completa, la presión en el cilindro aumenta rápidamente
de manera regular. Un proceso que se desarrolle en la forma descrita se define como combustión
normal.
El encendido sobreviene en el instante deseado como consecuencia inmediata y única de la
chispa, y las partículas empiezan a quemarse cuando son alcanzadas por el frente de llama y no
antes.
No hay otros focos de encendido alimentados por depósitos carbonosos o partes excesivamente
calientes en la bujía o cámara de combustión.
En consecuencia, el desarrollo de energía por parte de la mezcla que se quema es progresivo y
regular. Para el estudio de este fenómeno tan complejo, los combustibles más usados son: la nafta
C8 H18 y el diesel C10 H22.
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Combustión
En la nafta se busca una buena evaporabilidad (para que la mezcla con el aire sea más eficiente), las
características de los hidrocarburos que las componen son tales, que su tendencia a la autoinflamación se
produce a temperaturas y presiones elevadas. Esta autoinflamación se origina por los procesos de
formación de hidroperóxidos y peróxidos por reacciones en cadena. Los hidrocarburos ramificados y los
hidrocarburos aromáticos tienen una mayor resistencia a que ocurran estas reacciones. Los procesos de
autoinflamación espontánea dan lugar a focos secundarios de ignición y a que se originen ondas de
choque asociadas a los frentes de llama que se encuentran, digamos que no están previstas en el diseño.
Esto da lugar al surgimiento de golpeteos en el motor en un proceso (debido a variaciones de la presión
con respecto a la nominal para un ángulo  de giro del cigüeñal), que se denomina combustión detonante,
como se ilustra a continuación:
a)
b)
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Si la velocidad de la combustión es
inferior a la del sonido se la denomina
deflagración
Si la velocidad de la combustión es
superior a la del sonido se la denomina
detonación
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Autoencendido
En un motor a nafta, la combustión normal es una deflagración. Hay un frente de llama que se inicia en la
bujía y se propaga por la cámara y el cilindro a una velocidad menor que la del sonido y aumenta la presión
delante de él a medida que se desplaza.
Existen dos causas principales que causan daños severos en los motores a explosión: el autoencendido y
la detonación.
El autoencendido se produce en el proceso de compresión. Supongamos un pistón en el proceso de
compresión, si debido a residuos incombustos o fallas en el sistema de refrigeración se produjera el
autoencendido de la mezcla en el momento incorrecto, la combustión que se produce generaría una
presión, y por lo tanto una fuerza, que empujaría al pistón en sentido contrario provocando daños
importantes en el mismo, por exceso de presión y temperatura.
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Detonación
La detonación en un motor de combustión interna es una explosión descontrolada y prematura de la
mezcla aire-combustible, en lugar de una quema progresiva, causada por altas presiones y temperaturas
que exceden el punto de autoignición, generando ondas de choque que producen el "picado" (golpeteo
metálico) y pueden dañar seriamente componentes como pistones y bielas.
Como se mencionó es una combustión no controlada, que comienza el proceso de expansión cuanto más
octano tiene el combustible, menos posibilidad de que aparezca detonación habrá. Se produce por los
siguientes factores:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
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Diseño de la cámara de combustión
Relación de compresión elevada
Encendido mal sincronizado
Excesivo grado de avance
Bajo octanaje
Residuos incandescentes
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Detonación
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Velocidad de propagación de la llama
El frente de llama se extiende y progresa en la cámara de combustión con una rapidez que depende
de la velocidad de combustión y de otra velocidad que llamaremos de traslación.
La velocidad de combustión se refiere al avance de las reacciones químicas de oxidación del
combustible.
La velocidad de traslación se refiere al movimiento físico del frente de llama con relación a las
paredes de la cámara, causado por la diferencia de presiones entre la porción de gas quemado y la
que está sin quemar.
La llama se propaga en la cámara de combustión, definiendo un volumen de gases quemados
(productos de dicha combustión) y un volumen de gases comprimidos (reactantes) separados por el
frente de llama deflagrante y por lo tanto a igual presión.
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Velocidad de propagación de la llama
Si se divide la cámara de combustión en tres
partes A, B, C, y si la masa de mezcla A está
completamente quemada, se expansiona y
comprime las partes de mezcla B y C a
volúmenes más pequeños y de mayor densidad.
El frente de llama progresa en la zona A con la
velocidad de combustión, pero posteriormente es
desplazado como consecuencia de la traslación.
Cuando el frente de llama progresa por la zona B,
esta se expande, comprimiendo el gas de la zona
C en un espacio todavía menor y también
comprimiendo el gas de la zona A.
Traslación del frente de llama debido a la
expansión del gas
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Factores que influyen en la velocidad de la llama
Turbulencia: se ha comprobado en forma experimental que, si la mezcla no está en
movimiento, la llama se propaga a una velocidad inesperadamente baja.
El efecto de la turbulencia tiene por causa la mezcla que se produce entre las partículas que
se queman y las que han de quemarse en el frente de llama, de modo que las reacciones se
activan al hacerse más intenso el contacto.
Al aumentar la velocidad del motor, en general se acrecienta la turbulencia, a consecuencia de
esto, se incrementa igualmente la velocidad de la llama.
Relación de mezcla: la velocidad de llama más elevada se verifica con una relación aire –
combustible algo más rica que la relación estequiométrica.
Temperatura: existe para una relación dada de mezcla, un limitado intervalo de temperatura
durante el cual la reacción de oxidación es rapidísima. Para temperaturas más elevadas o más
bajas, la velocidad de combustión disminuye notablemente.
Presión: cuanto mayor es la presión en el momento en que salta la chispa, mayor dificultad
experimenta la combustión en su comienzo, pero queda compensada después con un mayor
incremento de la velocidad de propagación.
Humedad: la velocidad de llama disminuye al aumentar la humedad.
Cantidad de gases residuales: la presencia de gases residuales modera y retarda la
combustión.
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Variación de la presión durante la combustión
El gradiente de presión, dado como valor del
aumento de la presión para cada grado de
rotación del cigüeñal influye sobre el área del
ciclo indicado, por lo tanto, sobre la potencia
del motor.
Al principio es pequeña la cantidad de
mezcla que se quema en la unidad de
tiempo y como la combustión progresa con
velocidad baja, el gradiente de presión es
poco intenso.
Cuando interviene una mayor cantidad de
mezcla y aumentan el área y la velocidad de
propagación del frente de llama, el gradiente
de presión crece con rapidez.
Después tiende a disminuir cuando el frente
de llama se restringe de nuevo, poniéndose
en cualquier dirección en contacto con las
paredes de la cámara hasta que termina el
proceso de combustión.
El movimiento del pistón, haciendo variar el
volumen de la cámara durante la
combustión, influye evidentemente, sobre las
alteraciones de la presión.
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Variación de la presión durante la combustión
Las siguientes curvas representan tres
distintos gradientes de presión: alto,
medio y bajo.
Para un gradiente bajo es necesario
encender la mezcla antes que, en los
otros casos, porque la combustión
requiere un tiempo más largo.
Con gradientes de presión más elevados
consecuencia de una alta velocidad de
combustión, las puntas de presión
máxima están más próximas al PMS,
hacen aumentar el área del ciclo indicado
y por lo tanto la potencia.
Por razones funcionales ponen un límite
al gradiente de presión; si este es
demasiado alto, las fuerzas que actúan
sobre el pistón no son progresivas y el
funcionamiento del motor rudo y violento,
pudiendo provocar detonancia.
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Detonación
Una mezcla de combustible y aire, en ciertas condiciones de temperatura, presión y densidad
espontáneamente se enciende sin necesidad de iniciar la llama con un medio externo.
Desde el momento en que se alcanzan estas condiciones críticas hasta el instante en que se
produce el autoencendido transcurre un corto período de tiempo que se llama retraso al encendido.
Cuando en la cámara de combustión avanza el frente de llama, la parte de carga todavía sin
quemar es sometida a un aumento de presión y de temperatura.
Dicha porción de carga puede alcanzar las condiciones críticas de presión, temperatura y densidad,
y consecuentemente encenderse, arder y quemarse casi instantáneamente, es decir, detonar.
En este caso, la producción de energía es extremadamente rápida a causa del gradiente de presión
que se forma, genera vibraciones en la masa de gas y por consiguiente en las paredes.
Estas vibraciones se manifiestan acústicamente con el característico picado (ruido metálico).
La detonación puede verificarse bien a raíz de un encendido superficial, o bien tras un encendido
regular por la chispa, siendo este último el más frecuente.
La diferencia principal entre encendido superficial y detonación radica en que en el primero la llama
avanza con velocidad más o menos normal, y el segundo la velocidad de la llama es enormemente
mayor.
El funcionamiento continuado y mantenido en estado de detonación puede también conducir al
encendido superficial.
El estado de detonación produce una combustión irregular, capaz de causar el calentamiento
excesivo de puntos determinados y de implicar las mismas consecuencias de una
refrigeración insuficiente.
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Detonación
La detonación produce una reducción del
rendimiento, así como otros efectos nocivos,
tales
como
presiones
irregulares
y
recalentamiento de algunas partes que pueden
causar la destrucción de estas.
Ejemplos:

Fusión de la cabeza del pistón: esto ocurre

por sobrecalentamiento extremo debido a
una mala combustión (mezcla pobre,
combustible incorrecto, autoencendido por
bujías o depósitos incandescentes) o fallas
en la refrigeración y/o lubricación.
Quemado de las válvulas de escape: esto
ocurre cuando dichas válvulas, no sellan
bien, se sobrecalientan y se erosionan por
los gases calientes causando pérdida de
potencia, ralenti inestable y fallas en el
encendido.

Endurecimiento de los aros por coquización del
aceite lubricante: este fenómeno forma
depósitos sólidos de carbono (coque) que
obstruyen conductos y filtros, afectando el
rendimiento y pudiendo causar fallas.
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Detonación
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Variables que influyen en la detonación
En general, toda medida encaminada a aminorar la temperatura de la parte de carga sin
quemar contribuye a prevenir la detonación, porque reduce la probabilidad de alcanzar la
temperatura crítica de autoencendido. Se restringe la posibilidad de detonación con las
siguientes prevenciones:
1. Reduciendo la relación de compresión, porque desciende la presión y la temperatura.
2. Reduciendo la cantidad de carga introducida, o la temperatura del carburante o el grado
de sobrealimentación.
3. Disminuyendo la temperatura de la mezcla a su entrada.
4. Manteniendo las paredes de la cámara de combustión a la temperatura más baja posible.
5. Retrasando el encendido para que el pico de presión sea alcanzado en la carrera de
expansión.
6. Empleando mezclas pobres para disminuir la temperatura de llama.
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Variables que influyen en la detonación
Por otra parte, se reduce el peligro de detonación si se aumenta la velocidad de llama,
porque de esa forma se tiende a completar la combustión en un tiempo inferior al retraso al
encendido. Para ello es útil:
1. Aumentar la turbulencia.
2. Aumentar la velocidad de rotación del motor, porque resulta más intensa la turbulencia.
3. Reducir la longitud del recorrido que tiene que realizar la llama en la cámara de
combustión.
4. Emplear una relación de mezcla rica, para obtener la máxima velocidad de la llama.
La mezcla estequiométrica es la relación ideal entre aire y combustible en la que cada unidad
de combustible tiene el aire, más concretamente el oxígeno, exacto con el que reaccionar de
forma completa. Cuando la relación entre aire y combustible es la ideal, se dice que λ=1.
Es una relación fija establecida en 15 gramos de aire por cada gramo de nafta y 14,5 gramos
de aire por cada gramo de diesel.
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Ignición por compresión de carga homogénea
Mejorar la eficiencia, reducir el consumo de combustible y, por consiguiente, disminuir las
emisiones, es también el objetivo principal de los motores que utilizan el proceso de
combustión conocido como HCCI (Ignición por Compresión de Carga Homogénea), es decir,
motores que encienden la carga homogénea mediante compresión.
Estos motores utilizan una carga bien mezclada, al igual que los motores de encendido por
chispa; no sufren pérdidas por carga parcial (pérdidas por bombeo), lo que resulta en una
mayor eficiencia orgánica, y pueden operar con altas relaciones de compresión, aumentando
la eficiencia termodinámica, como en los motores diésel.
Lo que los distingue de los motores de encendido por chispa (Otto) y de encendido por
compresión (Diésel) es que la combustión se produce simultáneamente en toda la carga, en
lugar de un frente de llama con el consiguiente aumento rápido de la presión interna, y sin
combustión difusiva como en los motores diésel.
Por lo tanto, para que se produzca este proceso de combustión, el combustible y el oxidante
deben estar bien mezclados y comprimidos para que la carga homogénea pueda auto
encenderse en todos los puntos de la cámara de combustión una vez alcanzadas las
condiciones de presión y temperatura requeridas.
Uno de los aspectos negativos de estos motores es que pueden utilizarse casi
exclusivamente a cargas parciales, donde pueden operar con mezclas muy pobres, ya que a
altas cargas el rápido aumento de presión puede provocar oscilaciones similares a la
detonación o picado.
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Ignición por compresión de carga homogénea
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Ignición por compresión de carga homogénea
Además de los problemas relacionados con el estrés, los motores HCCI se caracterizan por cierta dificultad
en el control de la combustión, un factor que dificulta la correcta gestión del motor. Para superar estos
aspectos negativos, la combustión HCCI se utiliza en una versión híbrida, es decir, utilizando un motor que
opera en HCCI a bajas cargas y es capaz de cambiar a encendido por chispa cuando se supera una
determinada carga. Para lograr este efecto, el motor está equipado con una relación de compresión
variable para adaptarse a diferentes necesidades.
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Ignición por compresión de carga homogénea
En los motores HCCI y diesel, la combustión se realiza mediante mezcla de combustible y aire, lo que evita
las emisiones de hollín de los motores diésel. Solo los motores HCCI cuentan con múltiples puntos de
ignición en la cámara de combustión. Esto, sumado a su combustión pobre, mantiene bajas las
temperaturas, previniendo la formación de óxidos de nitrógeno (NOx).
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Determinación del Índice Octano
El octanaje o índice de octano (RON), es una escala que mide la capacidad antidetonante del
combustible a detonar cuando se comprime dentro de la cámara de combustión de un motor.
Las dos referencias que definen la escala son el heptano lineal, que es el hidrocarburo que
más detona, al que se le asigna un valor de octanaje 0 y el 2,2,4–trimetilpentano isoctano,
que detona poco, al que se le asigna un valor de 100.
Su utilidad radica en que el rendimiento del motor aumenta con altos índices de compresión,
pero solamente mientras el combustible utilizado soporte ese nivel de compresión sin sufrir
combustión espontanea o detonación.
El índice de octano se obtiene por comparación del poder antidetonante del combustible con
el de una mezcla patrón compuesta por heptano e isoctano. Hay tres clases de octanajes:
1) Octanaje medido en el laboratorio (RON)
2) Octanaje probado en un motor estático (MON)
3) Octanaje probado en la carretera (Road ON)
𝑹 𝑴
𝟐
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(Anti Knock Index)
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Determinación del Índice Octano
RON: el valor el RON se determina comparando la capacidad antidetonante de una nafta
respecto de una mezcla formada por isoctano y n-heptano. Por ejemplo, una nafta que tiene
la misma capacidad antidetonante que una mezcla de un 87% de isoctano y un 13% de
heptano se dice que tiene un número octano de 87.
MON: indica de manera más exacta cómo se comporta el combustible cuando se carga. La
definición se basa en la mezcla isoctano y n-heptano.
La diferencia con el RON es que se sobrecarga más el motor en el ensayo, se utiliza una
mezcla precalentada, el motor a más revoluciones y tiempos de ignición variables.
El MON de una nafta puede estar 10 puntos por debajo del RON.
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Determinación del Índice Cetano
En los motores Diésel, debido a la elevadísima temperatura que alcanza el aire comprimido
por el pistón como consecuencia de su relación de compresión, al inyectarse el combustible
atomizado se inicia la combustión sin necesidad de chispa.
La combustión no comienza en forma instantánea, sino que; desde el momento en que se
inyecta el combustible y da comienzo la combustión existe un tiempo que tiene relación
directa con el número de Cetano. A mayor número de Cetano más rápidamente se inicia la
combustión.
Para determinar el número de Cetano de un combustible diesel, se compara la facilidad de
inflamación del combustible en cuestión, con la de un combustible de referencia formado por
una mezcla de Cetano puro con Alfametilnaftaleno en un motor de prueba.
El Cetano puro es un hidrocarburo con óptima facilidad de inflamación y se le asigna
convencionalmente el número 100, mientras que el Alfametilnaftaleno es todo lo contrario, es
otro hidrocarburo con muy escasa facilidad de inflamación y se le asigna el número 0.
Para ampliar la teoría de este tema, ver capitulo XVI del libro Motores Endotérmicos de Dante Giacosa.
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