MEP, MEC y HCCI
Tres motores con la misma cilindrada (2,0 L) y tres formas de quemar el combustible. Cambia la carga y el régimen y compara presión, rendimiento y NOx. En el HCCI no hay chispa ni inyección que marquen el encendido: lo decide la química de la mezcla, y aquí puedes ver lo estrecha que es la ventana para controlarlo.
Relaciones de compresión y pérdidas
Resultados en este punto
NOx: índice cinético relativo al MEP a plena carga y al mismo régimen; compara tendencias, no da ppm. Las filas destacadas son las que mejor resumen cada concepto.
Barrido de carga
Ventana de control del HCCI
Cómo funciona
Cada motor se simula con un modelo cero-dimensional de una zona: entre el cierre de admisión y la apertura de escape el cilindro es un sistema cerrado de gas ideal y la presión sale del primer principio:
dp/dθ = (γ−1)/V · (dQc/dθ − dQw/dθ) − γ · p/V · dV/dθ, γ = γ(T)
La liberación de calor dQc sigue una ley de Wiebe, xb = 1 − exp[−a((θ−θ0)/Δθ)m+1]. El diésel usa dos (Watson): una fase premezclada corta y una fase de difusión larga. Las pérdidas a pared dQw usan la correlación de Woschni.
Qué distingue a cada motor
- MEP (gasolina). Mezcla estequiométrica siempre. La carga se regula cerrando la mariposa, y el pistón paga ese vacío como trabajo de bombeo. Por eso su rendimiento cae a carga parcial.
- MEC (diésel). Sin mariposa: la carga se regula con la cantidad de combustible (λ variable). Relación de compresión alta y sin bombeo, así que es el más eficiente. Pero la llama de difusión arde a λ local ≈ 1, así que produce NOx aunque la mezcla global sea muy pobre.
- HCCI. Mezcla homogénea y pobre que se autoinflama por compresión en todo el volumen a la vez. Quema rápido y frío, con rendimiento cercano al diésel y muy poco NOx. Solo funciona entre dos límites: con la mezcla demasiado pobre o fría no se enciende, y con demasiada carga quema tan rápido que el gradiente de presión (ringing) daña el motor. Fuera de su ventana, este motor pasa a modo chispa.
El encendido del HCCI
El inicio de la combustión se calcula con la integral de Livengood-Wu: la mezcla se autoinflama cuando el tiempo acumulado, ponderado por el retraso de autoignición τ(p, T), llega a uno.
∫ dt / τ = 1, τ = 1,3·10⁻⁴ · p−1,05 · φ−0,77 · χO₂−1,41 · exp(33 700 / RuT) [ms]
La correlación de τ es la de He et al. (2005) para iso-octano. En modo CA50 objetivo, el simulador busca la temperatura de cierre de admisión que coloca el 50 % del combustible quemado en el ángulo pedido. Un motor real lo consigue reteniendo gases calientes del ciclo anterior o recirculando EGR. En modo T de admisión fija eliges tú esa temperatura y ves qué hace la combustión: unos 20 a 30 K separan el fallo de encendido de una combustión tan adelantada que empieza antes del PMS y frena al pistón.
El ringing depende sobre todo de la energía liberada por ciclo. Por eso fija el λ mínimo, es decir, la carga máxima del modo HCCI. Prueba a bajar el λ mínimo a 1,6 y subir la carga al 60 %: el gradiente de presión supera los 5 bar/°.
Hipótesis
- Ciclo cerrado ideal; no se modela el intercambio de gases. El bombeo se estima como pescape − padmisión.
- El rendimiento volumétrico es una curva supuesta, no calculada.
- La correlación de τ está validada entre ~943 y 1027 K y entre 9 y 23 atm; por encima de esa presión es una extrapolación.
- No se modela el picado en modo chispa.
- La temperatura de quemados ignora la disociación, así que se sobreestima.
- La fricción usa la correlación de Chen-Flynn con coeficientes orientativos.
- El límite de ringing se toma en dp/dθ = 5 bar/°.
- La duración de la combustión del HCCI es fija (12°). En un motor real, adelantar la fase también acelera la combustión, así que el ringing aparece antes que aquí.
El mismo modelo está escrito en Python y en MATLAB. Esta página usa un port en JavaScript (modelo.js) que da los mismos resultados con cuatro cifras significativas.
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