La combustión: El descubrimiento del fuego

17.07.2013 | 14:22
La combustión: El descubrimiento del fuego

La electrónica parece la actual protagonista de nuestras motos. Pero la energía que hace funcionar los motores nace de una reacción tan antigua como el mundo: la combustión, un 'incendio' de potencia explosivo generado por una chispa.

Hoy día, apenas sale un nuevo modelo, enseguida vamos directos a leer sus especificaciones técnicas. Las prestaciones ya casi las dejamos de lado, porque ahora ya no son un problema: ¡hay siempre de sobra! Sin embargo, nos dirigimos a la sección de la electrónica para ver si hay –al menos– control de tracción, acelerador electrónico «ride by wire», ABS integral, mapas que modifican la entrega de la potencia... Y no hablamos sólo de deportivas, porque todas estas indefectibles funciones también las encontramos en una tranquila moto de media cilindrada e incluso en algún scooter. En fin, ahora casi nos hemos olvidado de que el corazón de nuestras motos es aquel anticuado ingenio hecho de órganos metálicos en movimiento que se llama motor y que todavía funciona como hace más de cien años gracias a la antiquísima reacción química llamada combustión.

Desencadenar esta violenta reacción es bastante sencillo. Basta tener un combustible, en nuestro caso la gasolina, el comburente, que es el aire, y un detonador, por ejemplo una chispa ¿Sólo esto? Sí ¿Entonces, cuál es el interés? Pues que sin negar la importancia de la electrónica, debe recordarse que en los últimos años, los desarrollos más grandes en el tema de prestaciones  y de eficiencia se deben precisamente al estudio de la combustión, cómo optimizarla, cómo acelerarla y cómo obtener el máximo rendimiento. Esto vale tanto para el proyecto de un motor de competición como para un tranquilo propulsor para una moto de turismo.

Para explicarlo nos fijamos tres objetivos: el primero es tratar el argumento principal de nuestros motores –la combustión– partiendo de los conceptos básicos, para pasar progresivamente a los más complejos y actuales; el segundo es explicar de modo simple los fenómenos físicos básicos de un motor de cuatro tiempos para motocicleta; y, finalmente, utilizar palabras claras para este tratado.

Corremos gracias al calor

Por definición, los motores térmicos tienen que ver con el calor. Consideración obvia, pero miremos cómo determinar algunos conceptos que pueden servir para profundizar los argumentos y ordenar las ideas.

Ciclo de trabajo: Describe qué le sucede a la masa de fluido que produce el trabajo. Los motores que conocemos, tradicionalmente utilizados en nuestras motos, pertenecen a la familia de los «motores alternativos de combustión interna», subespecie del «ciclo Otto» de encendido controlado. Se llama motor alternativo a causa del movimiento de ida y vuelta del pistón: la fuerza que lo desplaza es la presión de la masa de gas atrapada en el cilindro. A su vez, la presión está creada por el gran calor generado por la combustión interna en el propio cilindro. Las fases de admisión y escape sirven para sustituir la carga quemada por una fresca. Todo este complejo ciclo se representa habitualmente con un diagrama donde, en la horizontal, se especifican las variaciones de volumen y en la vertical las de la presión.

 













Ciclo ideal y ciclo real: El ciclo de un motor se puede representar con un diagrama: en horizontal se hallan las variaciones de volumen, en vertical las de presión. El ciclo ideal es el de la izquierda, pero en realidad la masa gaseosa tiene una inercia y el diagrama real está redondeado (a la derecha).

En el gráfico adjunto se muestra el ciclo teórico, es decir, dibujado sin considerar la inercia de la masa gaseosa y considerando la combustión instantánea a volumen constante. Desde el punto A al punto B, el pistón comprime la mezcla aire/gasolina hasta el máximo permitido por la geometría del motor; en el instante en el que el motor está detenido en el Punto Muerto Superior (PMS) se produce la combustión, que hace subir la presión al máximo (punto C). Ésta empuja el pistón hacia abajo (tramo C-D) y cuando se abre la válvula de escape la presión dentro de la cámara desciende a la atmosférica. El área comprendida en el tramo recorrido de izquierda a derecha (arriba) es el trabajo positivo; la comprendida en la curva que va de derecha a izquierda es el trabajo negativo; la diferencia entre las dos superficies representa el trabajo útil del ciclo.

En la realidad, a causa de la velocidad de la reacción de la combustión y de la necesidad de «convencer» a las masas de fluido a introducirse y salir en breve tiempo en el cilindro, el típico funcionamiento del diagrama –que se obtiene experimentalmente con un indicador de presión– está más redondeado, como muestra el gráfico de la derecha. En este caso también «aparece» otra área, la de abajo, relativa al ciclo de escape-admisión (antes era una recta de presión constante). El trabajo útil del ciclo, correspondiente al área de la figura –positivo el del recorrido en sentido horario, negativo el de sentido anti-horario– viene también representado por la PMI (Presión Media Indicada), que evidencia la presión media equivalente multiplicada por el volumen (área equivalente).

Un elefante y un niño

En la tabla de mediciones en el banco de pruebas se indica siempre el PME –Presión Media Efectiva–, que está tomada directamente de las medidas de par motor y de la potencia. Indica el trabajo útil por unidad de cilindrada y, por ello, es un parámetro útil para comparar las prestaciones de dos motores de distinta arquitectura.

Hablando de potencia y par máximos, puede ser útil hacer un ejemplo práctico para aclarar estas dos medidas físicas que todos conocemos, al menos viendo los datos técnicos de las curvas, pero con frecuencia no las representamos mentalmente.

Imaginemos un elefante y un niño: podemos asociar la fuerza  que tiene cada uno. El primero se carga tranquilamente a la grupa una caja de doscientas botellas de agua, el niño sólo logra llevar una botella de agua. Por consiguiente, no puede ser que el elefante y el niño tengan la misma fuerza. ¿Estamos seguros de ello? Imaginemos tener que transportar 200 litros de agua desde el garaje en un sótano a la calle por una rampa: este desnivel lo definimos desplazamiento. Llevar las botellas al final de la rampa constituye el trabajo (fuerza x desplazamiento) que también se define como energía y tiene la misma unidad de medida del par. Volviendo a nuestro ejemplo, es evidente la diferencia que hay entre el trabajo (o par, o energía) desarrollados por el niño y el elefante. Pero, atención, éste es el trabajo desarrollado en un solo ciclo ¿qué sucede si también consideramos el tiempo, o sea la velocidad con la que se realiza el trabajo? Así pues, por un absurdo, si el elefante con su paso lento sale del garaje a la calle en quince minutos, mientras que el niño, corriendo arriba y abajo como un misil, llevase las 200 botellas (una cada vez) en el mismo tiempo, el trabajo total efectuado será el mismo para ambos en el mismo espacio de tiempo. Dado que la potencia y la relación entre el trabajo (o el par) con el tiempo empleado en realizarlo, el niño y el elefante han demostrado tener la misma potencia. La gran diferencia está en la velocidad. Llegados a este punto, sustituyamos mentalmente el elefante por un motor de tractor y el niño por el de una moto deportiva y valoramos intuitivamente el centenar de CV de uno y del otro así como las diferencias de utilización y comportamiento?

Sin complicar demasiado la disertación, puede resultar interesante notar que en los motores tradicionales que conocemos, la potencia es proporcional (sin considerar rendimientos mecánicos, sino sólo a la parte térmica) a la relación de compresión, a la superficie total de los pistones y al número de revoluciones (indirectamente también al número de cilindros). Esto es porque la presión media del ciclo es la parte activa del trabajo.

 

No apretar demasiado el acelerador: ANOMALÍAS DE COMBUSTIÓN

Se habla de combustión anómala cuando la propagación del frente de llama no se produce por el encendido de la chispa. Los fenómenos más notorios y frecuentes son tres.

Detonación. Está provocada por el encendido espontáneo de la mezcla antes de alcanzar la zona del frente de llama y causa ondas de presión destructivas que pueden dañar irreparablemente el motor, especialmente el pistón y los cojinetes de bancada y de biela. Generan los «golpeteos en culata», llamado así por el típico ruido debido a las vibraciones del metal del motor. Las causas son diversas, vinculadas a una excesiva relación de compresión, al uso de gasolina con insuficiente número de octanos o a una excesiva solicitud de par a bajo régimen.

Preencendido. Es la combustión encendida fuera de tiempo y anticipadamente respecto a la chispa, por puntos calientes en la cámara de combustión (como se aprecia en el dibujo): pueden ser incrustaciones en el pistón, en el techo de la cámara o incluso la misma bujía de grado demasiado caliente. El fenómeno en sí es notable y más allá de una drástica bajada de prestaciones es peligroso para el motor porque se puede agujerear el pistón.

Autoencendido. Es la combustión instantánea (detonante) de la carga entera, debida a excesiva relación de compresión y paredes demasiado calientes. Es de carácter peligroso, pero difícilmente se produce en un motor «normal» donde generalmente no tiene un carácter cíclico completo.


FASE 1. Una incrustación se sobrecalienta.

FASE 2. La bujía lanza la chispa.

FASE 3. Dos frentes de llama se encuentran.


 

Por qué, cuándo, cómo, dónde

La fase útil en los motores térmicos (o sea, los que producen trabajo), es en la que una masa de gas descarga su presión sobre el pistón. La presión nace del fuerte calentamiento del gas debido al calor producido por la combustión de la carga de combustible introducida en el cilindro. Todo el proceso, o al menos su parte más importante, sucede precisamente en esta fase y es el objetivo desde hace más de un siglo del trabajo de los técnicos motoristas. Para nosotros los motociclistas, el motor es de encendido ordenado, o sea, que la combustión está detonada por la chispa generada por la bujía. Pero esto no es suficiente para que se produzca la reacción, porque es necesario combinar de forma correcta tres ingredientes: el combustible (la gasolina), el comburente (el oxígeno del aire) y la temperatura. Ésta se alcanza en parte por el efecto de la compresión y localmente con la chispa de la bujía. Es de fundamental importancia que alrededor de la bujía haya en el momento preciso la correcta proporción de aire y combustible. De hecho, si las partículas de gasolina están demasiado diluidas, la llama no se propaga; si, por el contrario, hay demasiadas, la sofocan. Es la tristemente famosa «relación estequiométrica» que indica la proporción por la que, introducida una parte de gasolina, son necesarias un número exacto de partes de aire para consumar una combustión completa sin residuos. La proporción exacta es de 14,6 kg de aire por 1 kg de gasolina: si hay aire en exceso se dice que la mezcla es pobre; en el caso contrario se denomina rica. Para evitar problemas de derroche es necesario trabajar cerca de la relación óptima.

¿El carburador? Anticuado   

Las oscilaciones de la composición de la mezcla responden a diferentes exigencias durante el funcionamiento. Más allá del encendido, para el que existe un procedimiento específico, la mezcla es proporcionalmente más rica hacia el mínimo (cuando es necesario garantizar que, por lo menos alrededor de la bujía, haya suficiente gasolina) y a plena carga (para tener la máxima velocidad de combustión). Además, en las fases de aceleración violenta es necesaria una cantidad suplementaria de gasolina.

En las motocicletas, el intervalo de los regímenes de funcionamiento es muy amplio y el viejo carburador tiene grandes limitaciones: sólo se puede regular de forma óptima para un determinado tipo de utilización y, además, acusa las variaciones ambientales. En cambio, los actuales sistemas de inyección indirecta trabajan de forma muy refinada, tanto gestionando el grado de mezcla con gran precisión como jugando con la optimización de la posición e inclinación del chorro y en su fragmentación, ya sea aprovechando la turbulencia que se crea bajo la mariposa para obtener la mejor mezcla de la gasolina inyectada. Para determinar el grado de la mezcla de inyección recoge informaciones relativas al número de rpm, a la marcha engranada, a la rapidez con que se abre el acelerador y posee mapas correspondientes a cada una de estas combinaciones. El control del resultado de la combustión se efectúa a través de la «sonda lambda» para detectar la concentración de oxígeno en los gases de escape, que envía a la centralita la necesidad de corregir en más o en menos la carburación,  algo indispensable también para el funcionamiento del catalizador.

La exigencia de reducir los consumos y las emisiones contaminantes lleva a trabajar con mezclas lo más pobres posibles, con el efecto de tener frecuentemente la imposibilidad de soportar bajos regímenes de carga parcializada sin incurrir en los fenómenos de combustión anómala. El sobrecalentamiento del motor está ligado a la baja velocidad de combustión de la mezcla pobre, que se prolonga durante la fase de expansión cambiando de esta forma mucho más calor con las paredes metálicas del cilindro y del pistón. Para tener bajo control esta situación crítica, que particularmente es apreciable con cilindradas unitarias bastante importantes, está cada vez más difundida la utilización de sensores de pulsación en la culata.

La optimización de la dosificación del carburante ha hecho necesario aumentar la recogida de información, para lo cual las actuales centralitas cuentan con sensores de fase (árbol de levas), temperatura del aire de entrada, presión atmosférica y presión interior en la caja de filtro, temperatura del agua del motor, temperatura y presión del aceite. Con los actuales aceleradores electrónicos RwB se pueden realizar los mapas de entrega de potencia e incluso algunos sensores de seguridad, por ejemplo el que interrumpe la alimentación a continuación de una caída.

Atentos a las explosiones

La combustión, en teoría, debe producirse instantáneamente cuando el pistón está en el punto muerto superior de forma que la elevación de temperatura de la carga gaseosa sea lo más eficaz posible y cree la máxima presión posible. El aire que ha entrado en el cilindro, generalmente ya mezclada con el combustible, está violentamente comprimido en el reducido y atormentado espacio de la cámara de combustión con el objetivo de mezclarse y calentarse al límite de la explosión espontánea. El combustible debe estar lo máximo posible en estado de vapor (en estado líquido no se quema) o, al menos, que no se malgaste bañando las paredes metálicas que lo rodean. Estas, a su vez, no deben estar incandescentes, porque cuando esto sucede, podrían ser «confundidas» con la bujía causando el autoencendido. La bujía debe encontrarse en el mejor punto para iniciar el proceso, o sea, lo más cerca posible del centro del volumen y debe saltar en el momento preciso. La energía de encendido es la de la chispa, que debe ser bastante extensa tanto en duración como en longitud, ya que la reacción química (la llama) sólo se produce en pequeño espacio entre los electrodos.



La evidente superioridad de la inyección electrónica
En este dibujo está representado el  bóxer de la «vieja» BMW R1200 GS. Se aprecian los recorridos de conexión de los diversos sensores, que mandan a la centralita digital un gran número de parámetros utilizados para optimizar el trabajo de la inyección. Es evidente que un sistema tan complejo (también para ponerlo a punto) es mucho más preciso y eficiente que el anticuado carburador.

 

Con todas estas premisas se entiende cuan complejo es obtener la combustión perfecta. Sobre todo ahora que las motos han de tener motores que no deben contaminar, han de consumir poco, garantizar una entrega llena y perfecta en un abanico de regímenes amplísimo y, además, ofrecer elevadas prestaciones.

Capturar el instante

La combustión completa requiere un cierto tiempo que se traduce en un ángulo de giro del cigüeñal a caballo del PMS. Este ángulo debe estar bien centrado: una combustión que se inicia con demasiado avance tiende a frenar el pistón en la subida, mientras que si se prolonga durante la fase de bajada debilita mucho la presión, o sea, el empuje sobre el pistón en la fase útil. Por eso, para un motor en una determinada condición existe sólo un instante óptimo para lanzar la chispa. Es el bien conocido «anticipo» de encendido que depende de la densidad de la mezcla de combustible, de la velocidad de rotación y de la constancia con que en cada ciclo se producen las características de la carga. Éstas son algunas de las razones por las que se recurre a dispositivos de variación y correcciones del avance, hoy gestionado por centralitas electrónicas.

Una vez que la bujía ha encendido el combustible, se transmite a las partículas vecinas creando el frente de llama. Con una forma casi esférica, se aleja  del punto de encendido en todas las direcciones a la máxima velocidad posible (no a más de 30 m/s), hasta consumir toda la carga fresca. El fenómeno se inicia más bien lentamente, luego la velocidad aumenta al crecer la temperatura y la presión, para después moderarse hasta extinguirse en las proximidades de las paredes metálicas. En los motores veloces y de alta potencia específica, el frente de llama debe propagarse del modo más rápido posible y para obtener este resultado el ingeniero tiene en sus manos tres instrumentos: trabajar con temperaturas y relaciones de compresión elevadas y optimizar la turbulencia de la carga gaseosa. Dado que la aparición de la combustión anómala limita tanto el incremento de la temperatura (máximo 320ºC al final de la compresión) como de la relación de compresión (normalmente en torno a 12:1), la mayor contribución se centra en la generación de la mezcla de la carga. Esto aumenta la velocidad de la combustión, ya que lleva carga fresca hacia la llama abreviando el trayecto que debe crear el frente de llama. Es un efecto importante, basta pensar que ya con diámetros de media dimensión, la ausencia de turbulencias hace la combustión tan larga como para resultar inaceptable.

La optimización de la calidad de la carga de combustible depende de la forma de los conductos de admisión y de escape, de la culata, de la cabeza del pistón, de las válvulas y del diagrama de distribución. En definitiva, cuando se proyecta un motor se deben considerar las velocidades con las que el gas fluyen en los conductos, las perturbaciones que nacen en la trayectorias impuestas por el mismo flujo y las ondas de depresión en los conductos y en la cámara, debidas por el movimiento rítmico del flujo o por las características elásticas de los propios gases.

Por tanto, para obtener el máximo rendimiento de combustión, es importante no sólo introducir el máximo volumen de carga fresca en el cilindro, sino también hacer que sea lo más densa posible y que no se escape por la válvula de escape y al mismo tiempo que no se mezcle con los gases quemados del ciclo precedente.

CONVIENE IR A TODO GAS

Un motor se diseña para el funcionamiento a máxima carga («a todo gas») y las mejores condiciones de dinámica de fluidos, los rendimientos de combustión están concentrados en una pequeña extensión del número de vueltas. La reducción de la potencia se realiza parcializando la apertura de la mariposa haciendo disminuir la densidad de la carga introducida. Por consiguiente, no es una situación de máximo rendimiento. Una cuadra llena de caballos requiere mucho pienso para mantenerlos vivos, independientemente de que todos galopen o estén allí apoltronados. Un motor optimizado para suministrar 100 CV trabaja muy mal cuando entrega sólo 10 CV. Pero esos míseros 10 CV son suficientes para empujar gran parte de las motos a una velocidad cercana a los 100 km/h. Sin adentrarse en el análisis profundo de la potencia necesaria para el movimiento –y buscar comprender mejor la diferencia, aparentemente inexplicable, de los consumos de coches y motos– concluyamos con una multiplicación. Al máximo rendimiento posible, una moto que recorra 100 km en una hora usando 10 CV (7,35 kW) consumiendo 245 gr/kWh quemará cerca de 1.800 gramos, lo que es cerca de 2,4 litros de gasolina, recorriendo 41,67 kilómetros por litro. Un motor de 100 CV que trabaje fuertemente parcializado obtendrá la misma prestación a un precio de cerca de 540 gr/kWh quemará 4.000 gramos, lo que supone 5,4 litros de gasolina, o lo que es lo mismo, 18,65 km/litro. Llegados a este punto, preguntémonos ¿cómo las simples y ligeras motos de los años setenta tenían fama de ser tan tranquilas?

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