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| Llama de chorro estratificada turbulenta, con superficies de liberación de calor coloreadas según la fracción de mezcla (una medida de la relación aire-combustible). |
Física y modelización de la combustión estratificada
La combustión estratificada se produce cuando la mezcla de combustible y aire se mezcla parcialmente, pero no de forma perfecta, antes de la combustión. En sistemas avanzados de potencia y propulsión, la combustión estratificada se produce cuando los diseñadores utilizan una combustión premezclada muy pobre o a baja temperatura para lograr bajas emisiones de óxido nitroso, y luego añaden zonas locales de mezcla rica en combustible para lograr una estabilidad de llama y una inflamabilidad aceptables.
Se utilizan simulaciones numéricas directas de combustión turbulenta (con 300 millones de puntos de cuadrícula), empleando modelos realistas para la química de la combustión y el transporte molecular (27 escalares reactivos), para proporcionar datos de resolución completa en los que investigar el impacto fundamental y el modelado práctico de los efectos de la estratificación del combustible y el aire.
La mezcla estratificada en un motor GDI (Gasoline Direct Injection) es una estrategia avanzada de combustión en la que el combustible se inyecta de manera precisa y localizada dentro de la cámara de combustión, creando zonas con diferentes relaciones aire-combustible (λ). El objetivo es optimizar eficiencia térmica, reducción de emisiones y consumo de combustible, especialmente en condiciones de carga parcial y ralentí.
Aquí te doy una explicación de nivel ingeniería:
1. Definición técnica
En una mezcla estratificada, el combustible no se distribuye de forma homogénea en toda la cámara de combustión.
En lugar de eso, se forma una zona rica localizada alrededor de la bujía para asegurar la ignición estable, mientras que el resto de la cámara contiene mezcla pobre (alto contenido de aire).
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Zona cercana a la bujía (núcleo rico):
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→ mezcla ligeramente rica para encendido seguro.
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Zona periférica (cámara completa):
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→ mezcla muy pobre para reducir consumo.
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Resultado: Combustión estable con menor cantidad de combustible total, pero aún con buena propagación de llama.
2. Principio termodinámico
En un motor GDI estratificado, el proceso busca controlar la entalpía de combustión (cantidad total de energía calorífica liberada) y maximizar la eficiencia.
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El combustible se inyecta tarde en la carrera de compresión (inyección tardía).
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Esto reduce la pérdida por evaporación y mejora la atomización porque la presión dentro del cilindro es alta.
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La turbulencia generada por la geometría de la cámara y el diseño del pistón orienta la mezcla hacia la bujía.
Eficiencia térmica () mejora porque:
donde se reduce gracias a la menor cantidad de combustible sin comprometer la estabilidad de la combustión.
3. Etapas de formación de la mezcla estratificada
| Etapa | Descripción | Parámetros clave |
|---|---|---|
| 1. Inyección tardía | La inyección ocurre cerca del PMS (Punto Muerto Superior), durante compresión. | Tiempo de inyección preciso, presión de 500–2000 psi (35–140 bar). |
| 2. Estratificación | El diseño del pistón y flujo de aire dirigen el combustible hacia la bujía, creando una nube rica localizada. | Turbulencia tipo “tumble” y “swirl”. |
| 3. Encendido | La bujía enciende solo la zona rica, propagando la combustión hacia la mezcla pobre. | λ global alto (1.6 a 2.5). |
| 4. Combustión controlada | La llama se propaga de forma estable, maximizando eficiencia y minimizando NOx. | Control electrónico preciso del ángulo de encendido y duración de inyección. |
4. Beneficios de la mezcla estratificada
| Beneficio | Explicación |
|---|---|
| Reducción de consumo de combustible | Solo se enriquece la zona cercana a la bujía, no toda la cámara. |
| Mayor eficiencia térmica | Menor energía perdida como calor en gases de escape. |
| Menores emisiones de CO₂ | Por reducción en cantidad de combustible total. |
| Combustión más estable en carga parcial | Encendido confiable incluso con mezcla global pobre. |
5. Retos y desafíos técnicos
| Desafío | Impacto | Solución |
|---|---|---|
| Formación de NOx alta | Mezcla pobre + temperaturas altas favorecen NOx. | Uso de catalizadores de NOx y recirculación EGR. |
| Partículas (PM) por evaporación incompleta | Inyección tardía puede producir gotas grandes. | Aumentar presión de inyección (hasta 350 bar) y optimizar atomización. |
| Control extremadamente preciso | Si la inyección no es precisa, la combustión falla. | Inyectores piezoeléctricos y ECU de alta velocidad. |
6. Comparación: mezcla homogénea vs estratificada
| Característica | Mezcla homogénea | Mezcla estratificada |
|---|---|---|
| Relación aire-combustible global | (estequiométrica) | (pobre) |
| Tiempo de inyección | Durante admisión | Cerca del PMS en compresión |
| Eficiencia de combustible | Media | Alta |
| Emisiones de partículas | Bajas | Más altas |
| Control electrónico requerido | Medio | Muy alto |
7. Aplicaciones en la industria
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Motores europeos de alta eficiencia, como Volkswagen TSI, Audi FSI, BMW Valvetronic.
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Automóviles híbridos, donde se alterna entre mezcla estratificada (baja carga) y homogénea (alta carga).
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Normas Euro 6 y Tier 3, que exigen control estricto de emisiones.
8. Resumen de ingeniería
La mezcla estratificada es una técnica donde:
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Se controla la distribución espacial y temporal del combustible.
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Se mejora la eficiencia térmica usando menos combustible para mantener potencia parcial.
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Se requiere un sistema de inyección de ultra alta presión y ECU con control en tiempo real.
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Su reto principal está en las emisiones de NOx y partículas, que obligan a soluciones como EGR avanzada y filtros de partículas GPF.
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| El principio de carga estratificada se aplica a los motores de gasolina de inyección directa. |
- Se trata de concentrar la pulverización del combustible cerca de la bujía en lugar de a lo largo de toda la cámara de combustión.
- Este método de funcionamiento proporciona una reducción en el consumo de combustible que puede llegar al 40% cuando el motor funciona con muy baja carga.
