Relación de aire y combustible

relación de masa

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Relación de aire-combustible ( AFR ) es la relación de masa de aire a un sólido, líquido, o gaseoso combustible presente en una combustión proceso. La combustión puede tener lugar de manera controlada, como en un motor de combustión interna o un horno industrial, o puede resultar en una explosión (por ejemplo, una explosión de polvo , explosión de gas o vapor o en un arma termobárica ).

La relación aire-combustible determina si una mezcla es combustible, cuánta energía se libera y cuántos contaminantes no deseados se producen en la reacción. Por lo general, existe una gama de relaciones de combustible a aire, fuera de la cual no se producirá la ignición. Estos se conocen como límites explosivos inferior y superior.

En un motor de combustión interna o un horno industrial, la relación aire-combustible es una medida importante por razones de anticontaminación y ajuste del rendimiento. Si se proporciona exactamente suficiente aire para quemar por completo todo el combustible, la relación se conoce como mezcla estequiométrica , a menudo abreviada como estoich . Las proporciones inferiores a la estequiométrica se consideran "ricas". Las mezclas ricas son menos eficientes, pero pueden producir más energía y quemarse más frías. Las proporciones superiores a la estequiométrica se consideran "magras". Las mezclas magras son más eficientes pero pueden causar temperaturas más altas, lo que puede conducir a la formación de óxidos de nitrógeno . Algunos motores están diseñados con características que permiten una combustión pobre . Para cálculos precisos de la relación aire-combustible, elEl contenido de oxígeno del aire de combustión debe especificarse debido a la diferente densidad del aire debido a la diferente altitud o temperatura del aire de admisión, posible dilución por vapor de agua ambiental o enriquecimiento por adición de oxígeno.

Motores de combustión interna

En teoría, una mezcla estequiométrica tiene suficiente aire para quemar completamente el combustible disponible. En la práctica, esto nunca se consigue del todo, principalmente debido al muy poco tiempo disponible en un motor de combustión interna para cada ciclo de combustión. La mayor parte del proceso de combustión se completa en aproximadamente 2 milisegundos a una velocidad del motor de6.000  revoluciones por minuto . (100 revoluciones por segundo; 10 milisegundos por revolución del cigüeñal, lo que para un motor de cuatro tiempos significaría típicamente 5 milisegundos por cada carrera del pistón). Este es el tiempo que transcurre desde que se enciende la bujía hasta que se quema el 90% de la mezcla de aire y combustible, normalmente unos 80 grados de rotación del cigüeñal más tarde. Los convertidores catalíticos están diseñados para funcionar mejor cuando los gases de escape que los atraviesan son el resultado de una combustión casi perfecta.

Lamentablemente, una mezcla estequiométrica se quema muy caliente y puede dañar los componentes del motor si el motor se coloca bajo una carga alta en esta mezcla de aire y combustible. Debido a las altas temperaturas en esta mezcla, la detonación de la mezcla de aire y combustible mientras se acerca o poco después de la presión máxima del cilindro es posible bajo una carga alta (lo que se conoce como detonacióno ping), específicamente un evento de "pre-detonación" en el contexto de un modelo de motor de encendido por chispa. Tal detonación puede causar serios daños al motor ya que la combustión incontrolada de la mezcla de aire y combustible puede crear presiones muy altas en el cilindro. Como consecuencia, las mezclas estequiométricas solo se utilizan en condiciones de carga ligera a baja a moderada. Para condiciones de aceleración y alta carga, se usa una mezcla más rica (menor relación aire-combustible) para producir productos de combustión más fríos y así evitar el sobrecalentamiento de la culata y evitar la detonación.

Sistemas de gestión del motor

La mezcla estequiométrica para un motor de gasolina es la proporción ideal de aire a combustible que quema todo el combustible sin exceso de aire. Para el combustible de gasolina , la mezcla estequiométrica de aire y combustible es de aproximadamente 14,7: 1 ^[1], es decir, por cada gramo de combustible, se requieren 14,7 gramos de aire. Para combustible de octano puro , la reacción de oxidación es:

25 O ₂ + 2 C ₈ H ₁₈ → 16 CO ₂ + 18 H ₂ O + energía

Cualquier mezcla superior a 14,7: 1 se considera una mezcla magra ; menos de 14,7: 1 es una mezcla rica - dado un combustible de "prueba" perfecto (ideal) (gasolina que consta únicamente de n - heptano e iso-octano ). En realidad, la mayoría de los combustibles consisten en una combinación de heptano, octano, un puñado de otros alcanos , además de aditivos que incluyen detergentes y posiblemente oxigenadores como MTBE ( metil terc- butil éter ) o etanol / metanol.. Todos estos compuestos alteran la relación estequiométrica, y la mayoría de los aditivos empujan la relación hacia abajo (los oxigenadores aportan oxígeno adicional al evento de combustión en forma líquida que se libera en el momento de la combustión; para el combustible cargado con MTBE , una relación estequiométrica puede ser tan baja como 14,1: 1). Los vehículos que utilizan un sensor de oxígeno u otro circuito de retroalimentación para controlar la relación aire / combustible (control lambda), compensan automáticamente este cambio en la tasa estequiométrica del combustible midiendo la composición de los gases de escape y controlando el volumen de combustible. Los vehículos sin dichos controles (como la mayoría de las motocicletas hasta hace poco y los automóviles anteriores a mediados de la década de 1980) pueden tener dificultades para hacer funcionar ciertas mezclas de combustible (especialmente los combustibles de invierno que se usan en algunas áreas) y pueden requerir un carburador diferente.jets (o alterar las proporciones de combustible) para compensar. Los vehículos que usan sensores de oxígeno pueden monitorear la relación aire-combustible con un medidor de relación aire-combustible .

Otros tipos de motores

En el quemador típico de combustión de aire a gas natural, se emplea una estrategia de doble límite cruzado para garantizar el control de la relación. (Este método se utilizó en la Segunda Guerra Mundial). ^{[ cita requerida ]} La estrategia implica agregar la retroalimentación de flujo opuesto en el control de limitación del gas respectivo (aire o combustible). Esto asegura el control de la relación dentro de un margen aceptable.

Otros términos utilizados

Hay otros términos que se usan comúnmente cuando se habla de la mezcla de aire y combustible en los motores de combustión interna.

Mezcla

Mezcla es la palabra predominante que aparece en los textos de capacitación, manuales de operación y manuales de mantenimiento en el mundo de la aviación.

La relación aire-combustible es la relación entre la masa de aire y la masa de combustible en la mezcla de aire y combustible en un momento dado. La masa es la masa de todos los componentes que componen el combustible y el aire, sean combustibles o no. Por ejemplo, un cálculo de la masa de gas natural, que a menudo contiene dióxido de carbono ( CO
₂), nitrógeno ( N
₂) y varios alcanos: incluye la masa del dióxido de carbono, el nitrógeno y todos los alcanos para determinar el valor de m _combustible . ^[2]

Para el octano puro, la mezcla estequiométrica es aproximadamente 15,1: 1, o λ de 1,00 exactamente.

En los motores de aspiración natural propulsados ​​por octanaje, la potencia máxima se alcanza con frecuencia en AFR que oscilan entre 12,5 y 13,3: 1 o λ de 0,850 a 0,901. ^{[ cita requerida ]}

La relación aire-combustible de 12: 1 se considera como relación máxima de salida, mientras que la relación aire-combustible de 16: 1 se considera como relación máxima de ahorro de combustible. ^{[ cita requerida ]}

Relación aire-combustible (FAR)

La relación aire-combustible se utiliza comúnmente en la industria de las turbinas de gas , así como en los estudios gubernamentales de motores de combustión interna , y se refiere a la relación entre combustible y aire. ^{[ cita requerida ]}

${\displaystyle \mathrm {FAR} ={\frac {1}{\mathrm {AFR} }}}$

Relación de equivalencia aire-combustible ( λ )

La relación de equivalencia aire-combustible, λ (lambda), es la relación entre el AFR real y la estequiometría para una mezcla dada. λ  = 1.0 está en estequiometría, mezclas ricas λ  <1.0 y mezclas magras λ  > 1.0.

Existe una relación directa entre λ y AFR. Para calcular AFR a partir de un λ dado , multiplique el λ medido por el AFR estequiométrico para ese combustible. Alternativamente, para recuperar λ de un AFR, divida AFR por el AFR estequiométrico para ese combustible. Esta última ecuación se usa a menudo como la definición de λ :

${\displaystyle \lambda ={\frac {\mathrm {AFR} }{\mathrm {AFR} _{\text{stoich}}}}}$

Debido a que la composición de los combustibles comunes varía estacionalmente, y debido a que muchos vehículos modernos pueden manejar diferentes combustibles, cuando se sintonizan, tiene más sentido hablar de valores de λ en lugar de AFR.

La mayoría de los dispositivos AFR prácticos miden realmente la cantidad de oxígeno residual (para mezclas pobres) o hidrocarburos no quemados (para mezclas ricas) en el gas de escape.

Relación de equivalencia combustible-aire ( ϕ )

La relación de equivalencia aire-combustible , ϕ (phi), de un sistema se define como la relación entre la relación combustible-oxidante y la relación estequiométrica combustible-oxidante. Matemáticamente,

${\displaystyle \phi ={\frac {\mbox{fuel-to-oxidizer ratio}}{({\mbox{fuel-to-oxidizer ratio}})_{\text{st}}}}={\frac {m_{\text{fuel}}/m_{\text{ox}}}{\left(m_{\text{fuel}}/m_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {n_{\text{fuel}}/n_{\text{ox}}}{\left(n_{\text{fuel}}/n_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}}$

donde, m representa la masa, n representa el número de moles, el subíndice st representa las condiciones estequiométricas.

La ventaja de utilizar la relación de equivalencia sobre la relación combustible-oxidante es que tiene en cuenta (y, por lo tanto, es independiente de) los valores de masa y molar para el combustible y el oxidante. Considere, por ejemplo, una mezcla de un mol de etano ( C
₂H
₆) y un mol de oxígeno ( O
₂). La relación combustible-oxidante de esta mezcla basada en la masa de combustible y aire es

${\displaystyle {\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{1\times (2\times 16)}}={\frac {30}{32}}=0.9375}$

y la relación combustible-oxidante de esta mezcla basada en el número de moles de combustible y aire es

${\displaystyle {\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1}{1}}=1}$

Claramente, los dos valores no son iguales. Para compararlo con la relación de equivalencia, necesitamos determinar la relación combustible-oxidante de la mezcla de etano y oxígeno. Para ello debemos considerar la reacción estequiométrica del etano y el oxígeno,

C ₂ H ₆ + ⁷ / ₂  O ₂ → 2 CO ₂ + 3 H ₂ O

Esto da

${\displaystyle ({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on mass}})_{\text{st}}=\left({\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{3.5\times (2\times 16)}}={\frac {30}{112}}=0.268}$

${\displaystyle ({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on number of moles}})_{\text{st}}=\left({\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1}{3.5}}=0.286}$

Por lo tanto, podemos determinar la relación de equivalencia de la mezcla dada como

${\displaystyle \phi ={\frac {m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}}{\left(m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {0.938}{0.268}}=3.5}$

o, de manera equivalente, como

${\displaystyle \phi ={\frac {n_{{\ce {C2H6}}}/n_{{\ce {O2}}}}{\left(n_{{\ce {C2H6}}}/n_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {1}{0.286}}=3.5}$

Otra ventaja de utilizar la relación de equivalencia es que las relaciones superiores a uno siempre significan que hay más combustible en la mezcla combustible-oxidante del necesario para la combustión completa (reacción estequiométrica), independientemente del combustible y el oxidante que se utilicen, mientras que las relaciones inferiores a uno representan una deficiencia de combustible o un exceso de oxidante equivalente en la mezcla. Este no es el caso si se usa la relación combustible-oxidante, que toma diferentes valores para diferentes mezclas.

La relación de equivalencia de combustible-aire está relacionada con la relación de equivalencia de aire-combustible (definida anteriormente) de la siguiente manera:

${\displaystyle \phi ={\frac {1}{\lambda }}}$

Fracción de mezcla

Más información: fracción de la mezcla

Las cantidades relativas de enriquecimiento de oxígeno y dilución de combustible se pueden cuantificar mediante la fracción de mezcla , Z, definida como

${\displaystyle Z=\left[{\frac {sY_{\mathrm {F} }-Y_{\mathrm {O} }+Y_{\mathrm {O,0} }}{sY_{\mathrm {F,0} }+Y_{\mathrm {O,0} }}}\right]}$,

dónde

${\displaystyle s=\mathrm {AFR} _{\mathrm {stoich} }={\frac {W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}}$,

Y _{F, 0} y Y _{O, 0} representan las fracciones de masa de combustible y oxidante en la entrada, W _F y W _O son los pesos moleculares de las especies, y v _F y v _O son los coeficientes estequiométricos de combustible y oxígeno, respectivamente. La fracción de mezcla estequiométrica es

${\displaystyle Z_{\mathrm {st} }=\left[{\frac {1}{1+{\frac {Y_{\mathrm {F,0} }\times W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{Y_{\mathrm {O,0} }\times W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}}}\right]}$^[3]

La fracción de mezcla estequiométrica está relacionada con λ (lambda) y ϕ (phi) mediante las ecuaciones

${\displaystyle Z_{\text{st}}={\frac {\lambda }{1+\lambda }}={\frac {1}{1+\phi }}}$,

asumiendo

${\displaystyle \mathrm {AFR} ={\frac {Y_{\mathrm {O,0} }}{Y_{\mathrm {F,0} }}}}$^[4]

Porcentaje de exceso de aire de combustión

Estequiometría ideal

En calentadores industriales , generadores de vapor de plantas de energía y grandes turbinas de gas , los términos más comunes son porcentaje de exceso de aire de combustión y porcentaje de aire estequiométrico. ^{[5] [6]} Por ejemplo, un exceso de aire de combustión del 15 por ciento significa que se está utilizando un 15 por ciento más del aire estequiométrico requerido (o 115 por ciento del aire estequiométrico).

Se puede definir un punto de control de combustión especificando el porcentaje de exceso de aire (u oxígeno) en el oxidante , o especificando el porcentaje de oxígeno en el producto de combustión. ^[7] Se puede usar un medidor de relación aire-combustible para medir el porcentaje de oxígeno en el gas de combustión, a partir del cual se puede calcular el porcentaje de oxígeno en exceso a partir de la estequiometría y un balance de masa para la combustión del combustible. Por ejemplo, para propano ( C
₃H
₈) combustión entre estequiométrico y 30 por ciento de exceso de aire ( _masa AFR entre 15,58 y 20,3), la relación entre el porcentaje de exceso de aire y el porcentaje de oxígeno es:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Mass\%\ O_{2}\ in\ propane\ combustion\ gas} &\approx -0.1433(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )^{2}+0.214(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )\\\mathrm {Volume\%\ O_{2}\ in\ propane\ combustion\ gas} &\approx -0.1208(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )^{2}+0.186(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )\end{aligned}}}$

Ver también

• Temperatura de llama adiabática
• Sensor de AFR
• Medidor de relación aire-combustible
• Sensor de flujo másico
• Combustión
• Relación estequiométrica aire-combustible de combustibles comunes

Referencias

1. Hillier, VAW; Pittuck, FW (1966). "Subsección 3.2". Fundamentos de la tecnología de los vehículos de motor . Londres: Hutchinson Educational . ISBN 0 09 110711 3.
2. Véase el ejemplo 15.3 en Çengel, Yunus A .; Boles, Michael A. (2006). Termodinámica: un enfoque de ingeniería (5ª ed.). Boston: McGraw-Hill . ISBN 9780072884951.
3. Kumfer, B .; Skeen, S .; Axelbaum, R. (2008). "Límites de inicio de hollín en llamas de difusión laminar con aplicación a la combustión de oxicombustible" (PDF) . Combustión y llama . 154 : 546–556. doi : 10.1016 / j.combustflame.2008.03.008 .
4. Introducción al combustible y la energía: 1) TOPOS, MASA, CONCENTRACIÓN Y DEFINICIONES , consultado el 25 de mayo de 2011
5. "Consejos de energía - Proceso de calentamiento - Compruebe las proporciones de aire a combustible del quemador" (PDF) . Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable. Noviembre de 2007 . Consultado el 29 de julio de 2013 .
6. "Combustión estequiométrica y exceso de aire" . La caja de herramientas de ingeniería . Consultado el 29 de julio de 2013 .
7. Eckerlin, Herbert M. "La importancia del exceso de aire en el proceso de combustión" (PDF) . Ingeniería mecánica y aeroespacial 406 - Conservación de energía en la industria . Universidad Estatal de Carolina del Norte. Archivado desde el original (PDF) el 27 de marzo de 2014 . Consultado el 29 de julio de 2013 .

Enlaces externos

• HowStuffWorks: inyección de combustible , convertidor catalítico
• Universidad de Plymouth: imprimación de combustión del motor
• Kamm, Richard W. "¿Confundidos acerca de las mezclas de combustibles?" . Tecnología de mantenimiento de aeronaves (febrero de 2002). Archivado desde el original el 20 de noviembre de 2010 . Consultado el 18 de marzo de 2009 .