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CAPÍTULO 4
TERMOQUÍMICA DE LAS MEZCLAS AIRE – COMBUSTIBLE
Y PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS DE TRABAJO
CARACTERIZACIÓN DE LLAMAS [1]
La combustión de la mezcla aire – combustible dentro del cilindro del motor, es uno de los
procesos que controla la potencia, eficiencia y emisiones del mismo. Algunos conocimientos
previos en lo pertinente a los fenómenos de la combustión son, sin embargo, una necesidad
preliminar para entender el funcionamiento del motor. Estos fenómenos de combustión son
diferentes para los dos tipos principales de motores – MEP y MEC . En los MEP normalmente el
aire se mezcla con el combustible en el sistema de admisión del motor. Continuando la
compresión de ésta mezcla de aire – combustible, en la cual se inicia el proceso de combustión
mediante una descarga eléctrica; se desarrolla un frente de llama que se propaga a través del
cilindro hacia las paredes de la cámara de combustión. En las paredes la llama se enfría o se
extingue por razones de transferencia de calor convirtiéndose en proceso dominante la
destrucción de especies activas en las cercanías de las paredes. Puede también ocurrir un
fenómeno de combustión indeseable conocido como el encendido “espontáneo” e incontrolado de
una masa considerable de la mezcla aire - combustible que se encuentra por delante del frente de
llama antes de que éste se pueda propagar a través de la mezcla (el cual es llamado el “gas
final”). Este fenómeno de la combustión por autoexplosión es la causa del golpeteo (pistoneo,
cascabeleo, knock o cliqueteo son otros nombres que se le suelen dar) de los MEP el cual, debido
a las altas presiones generadas (ondas de choque locales), puede conducir a la avería del motor.
En los MEC, el combustible es inyectado dentro del cilindro en el aire, ya a alta presión y
temperatura, cerca del fin de la carrera de compresión. El autoencendido o autoinflamación, de
partes de la mezcla del aire caliente con el combustible ya inyectado y vaporizado da inicio al
proceso de combustión, el cual se expande rápidamente. El quemado procede entonces a medida
que el aire y el combustible se mezclan hasta la composición apropiada para que la combustión
tenga lugar, en este momento prevalece el tiempo de mezclado sobre el tiempo de reacción
química. Así, el mezclado del combustible con el aire juega un papel de control en el proceso de
combustión de los diesel, y por esta razón se dice que la llama de un MEC es de difusión.
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Capítulo 4. Termoquímica de las mezclas aire – combustible y propiedades de los fluidos de trabajo
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La diferencia entre el poder calorífico a volumen constante y a presión constante es pequeña.
En la Tabla 4.3 se muestran algunos valores del poder calorífico para algunos combustibles.
A continuación se muestra como calcular el poder calorífico a una temperatura diferente de la
standard.
pBpApDpCPRp
T
PRpT
T
PRp
T
PR
PRp
p
PR
TBADCPR
bCaCdCcCCdonde
dTCHH
TCH
C
T
H
bHaHdHcHH
dDcCbBaA
:
298298
298298
(4.32)
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS DE TRABAJO [1]
El estudio del funcionamiento de los motores mediante el análisis de los procesos que ocurren a
su interior ha tenido una larga y productiva historia. Las primeras aproximaciones consistieron
en simular el proceso real mediante ciclos ideales a volumen constante y a presión constante.
Con el desarrollo de los computadores, los procesos de simulación se han vuelto más sofisticados
y precisos. Todas esas simulaciones (desde la más simple hasta la más compleja) requieren
modelos para la composición y las propiedades de los fluidos de trabajo del motor, así como
modelos para los procesos individuales – admisión, compresión, combustión, expansión y escape.
En la Tabla 4.4 se resumen los fluidos de trabajo según los procesos y el tipo de motor.
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Capítulo 4. Termoquímica de las mezclas aire – combustible y propiedades de los fluidos de trabajo
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cilciclo
reactanteOmoles
reactanteOmoles 22 010828,0
2. Ahora podemos conocer el número de moles de cada especie en el cilindro (quemados)
multiplicando el resultado anterior por la tercera columna de la tabla anterior:
Especie 1RF i moles de la especie
CO2 010828,024426,0 0,002645
H2O 010828,021147,0 0,0022898
O2 010828,065,0 0,0070382
N2 10828,0773,3 0,040854
bnmoles 10828,0878735,4 0,0528269
3. Obtenemos ahora la fracción de moles de la especie con respecto a las moles totales:
Especie 1RF Fracción (%)
CO2 0,002645 / 0,052827 5
H2O 0,0022898 / 0,05827 4,33
O2 0,0070382 / 0,052827 13,32
N2 0,040854 / 0,052827 77,35
4. En el momento de cerrarse la válvula de admisión, no todo es aire puro, se considera que
alrededor de un 4% en masa del contenido del cilindro son gases que quedaron de la
combustión. Por lo tanto, para este caso, la fracción de residuos (Xres) es:
cilciclo
g
cilciclo
g
mX resares 066,004,065,1%4
5. Obtengamos la masa de la mezcla de gases de combustión:
mezclaRP
RP
mezcla
RRP
gm
m
reactanteOdemol
g
Fm
530813,1
010828,037542,141
.
37542,1411,2821432
2
También se puede calcular de la siguiente manera:
mezclaRP
RP
NNOOOHOHCOCORP
gm
m
MnMnMnMnm
526731,1
28040854,0320070382,0180022898,044002645,0
22222222
6. Peso molecular de la mezcla de quemados:
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mezcla
mezcla
RP
RP
RP moles
g
n
m
M 9,28
0528,0
53,1
Para 1RF y T < 1700 ºK AireRP MM
7. Suponiendo que la fracción de residuales Xr conserva la misma composición que los
porcentajes quemados, es decir:
5% de CO2 ; 4,33% de H2O , 13,32% de O2 ; 77,35% de N2 entonces:
Especie 1RF gespecie / ciclo . cil
CO2 0,066 · 0,05 0,0033
H2O 0,066 · 0,0433 0,002857
O2 0,066 · 0,1332 0,00879
N2 0,066 · 0,7735 0,05105
8. Calculemos el número de moles de cada especie
Especie mi Mi
i
i
i M
m
CO2 0,0033 44 0,000075
H2O 0,002857 18 1,5872 x 10 -4
O2 0,00879 32 2,7468 x 10 -4
N2 0,05105 28 1,8232 x 10 -3
REFERENCIAS
[1] Heywood, J.B. (1988), “Internal Combustion Engine Fundamentals”. McGraw Hill, New York.
[2] Spalding, D. Brian. (1979), “Combustión y transferencia de masa”. CECSA, Mexico.
[3] Glassman I. (1977), “Combustion”. Academic Press, New York
[4] Mölenkamp, H. (1976), “Zur Genarigkeit Der Brenngezetzrechnung eines Dieselmotors mit
Nichtunterteiltem Brennraum” (“Sobre la exactitud del cálculo de la ley de combustión de un motor de
diesel con cámara de combustión no dividida”), MTZ Vol. 37 7/8
[5] Hottel, H.C., Williams, G.C., and Satterfield, C.N. (1949), “Thermodinamic charts for combustion
processes”, John Wiley
[6] Newhall, H.K., and Starkman, E.S. (1964), “Thermodinamic properties of octane and air for engine
performance calculations” in Digital calculations of engine cycles, Progress in technology, vol. TP-7, pp.
38-48, SAE.
[7] Olikara, C and Borman, G. L. (1975), “A Computer Program for Calculating Propperties of
Equilibrium Combustion Products with some applications to IC Engines”. SAE paper No. 750468
[8] Krieger, R. B., and Borman, G. L. (1966), “The Computation of Apparent Heat Release for
Internal Combustion Engines” in Proc. Diesel Gas Power, ASME paper 66-WA/DGP-4.
CAPÍTULO 4
TERMOQUÍMICA DE LAS MEZCLAS AIRE – COMBUSTIBLE
Y PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS DE TRABAJO
CARACTERIZACIÓN DE LLAMAS [1]
La combustión de la mezcla aire – combustible dentro del cilindro del motor, es uno de los
procesos que controla la potencia, eficiencia y emisiones del mismo. Algunos conocimientos
previos en lo pertinente a los fenómenos de la combustión son, sin embargo, una necesidad
preliminar para entender el funcionamiento del motor. Estos fenómenos de combustión son
diferentes para los dos tipos principales de motores – MEP y MEC . En los MEP normalmente el
aire se mezcla con el combustible en el sistema de admisión del motor. Continuando la
compresión de ésta mezcla de aire – combustible, en la cual se inicia el proceso de combustión
mediante una descarga eléctrica; se desarrolla un frente de llama que se propaga a través del
cilindro hacia las paredes de la cámara de combustión. En las paredes la llama se enfría o se
extingue por razones de transferencia de calor convirtiéndose en proceso dominante la
destrucción de especies activas en las cercanías de las paredes. Puede también ocurrir un
fenómeno de combustión indeseable conocido como el encendido “espontáneo” e incontrolado de
una masa considerable de la mezcla aire - combustible que se encuentra por delante del frente de
llama antes de que éste se pueda propagar a través de la mezcla (el cual es llamado el “gas
final”). Este fenómeno de la combustión por autoexplosión es la causa del golpeteo (pistoneo,
cascabeleo, knock o cliqueteo son otros nombres que se le suelen dar) de los MEP el cual, debido
a las altas presiones generadas (ondas de choque locales), puede conducir a la avería del motor.
En los MEC, el combustible es inyectado dentro del cilindro en el aire, ya a alta presión y
temperatura, cerca del fin de la carrera de compresión. El autoencendido o autoinflamación, de
partes de la mezcla del aire caliente con el combustible ya inyectado y vaporizado da inicio al
proceso de combustión, el cual se expande rápidamente. El quemado procede entonces a medida
que el aire y el combustible se mezclan hasta la composición apropiada para que la combustión
tenga lugar, en este momento prevalece el tiempo de mezclado sobre el tiempo de reacción
química. Así, el mezclado del combustible con el aire juega un papel de control en el proceso de
combustión de los diesel, y por esta razón se dice que la llama de un MEC es de difusión.
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La diferencia entre el poder calorífico a volumen constante y a presión constante es pequeña.
En la Tabla 4.3 se muestran algunos valores del poder calorífico para algunos combustibles.
A continuación se muestra como calcular el poder calorífico a una temperatura diferente de la
standard.
pBpApDpCPRp
T
PRpT
T
PRp
T
PR
PRp
p
PR
TBADCPR
bCaCdCcCCdonde
dTCHH
TCH
C
T
H
bHaHdHcHH
dDcCbBaA
:
298298
298298
(4.32)
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS DE TRABAJO [1]
El estudio del funcionamiento de los motores mediante el análisis de los procesos que ocurren a
su interior ha tenido una larga y productiva historia. Las primeras aproximaciones consistieron
en simular el proceso real mediante ciclos ideales a volumen constante y a presión constante.
Con el desarrollo de los computadores, los procesos de simulación se han vuelto más sofisticados
y precisos. Todas esas simulaciones (desde la más simple hasta la más compleja) requieren
modelos para la composición y las propiedades de los fluidos de trabajo del motor, así como
modelos para los procesos individuales – admisión, compresión, combustión, expansión y escape.
En la Tabla 4.4 se resumen los fluidos de trabajo según los procesos y el tipo de motor.
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cilciclo
reactanteOmoles
reactanteOmoles 22 010828,0
2. Ahora podemos conocer el número de moles de cada especie en el cilindro (quemados)
multiplicando el resultado anterior por la tercera columna de la tabla anterior:
Especie 1RF i moles de la especie
CO2 010828,024426,0 0,002645
H2O 010828,021147,0 0,0022898
O2 010828,065,0 0,0070382
N2 10828,0773,3 0,040854
bnmoles 10828,0878735,4 0,0528269
3. Obtenemos ahora la fracción de moles de la especie con respecto a las moles totales:
Especie 1RF Fracción (%)
CO2 0,002645 / 0,052827 5
H2O 0,0022898 / 0,05827 4,33
O2 0,0070382 / 0,052827 13,32
N2 0,040854 / 0,052827 77,35
4. En el momento de cerrarse la válvula de admisión, no todo es aire puro, se considera que
alrededor de un 4% en masa del contenido del cilindro son gases que quedaron de la
combustión. Por lo tanto, para este caso, la fracción de residuos (Xres) es:
cilciclo
g
cilciclo
g
mX resares 066,004,065,1%4
5. Obtengamos la masa de la mezcla de gases de combustión:
mezclaRP
RP
mezcla
RRP
gm
m
reactanteOdemol
g
Fm
530813,1
010828,037542,141
.
37542,1411,2821432
2
También se puede calcular de la siguiente manera:
mezclaRP
RP
NNOOOHOHCOCORP
gm
m
MnMnMnMnm
526731,1
28040854,0320070382,0180022898,044002645,0
22222222
6. Peso molecular de la mezcla de quemados:
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mezcla
mezcla
RP
RP
RP moles
g
n
m
M 9,28
0528,0
53,1
Para 1RF y T < 1700 ºK AireRP MM
7. Suponiendo que la fracción de residuales Xr conserva la misma composición que los
porcentajes quemados, es decir:
5% de CO2 ; 4,33% de H2O , 13,32% de O2 ; 77,35% de N2 entonces:
Especie 1RF gespecie / ciclo . cil
CO2 0,066 · 0,05 0,0033
H2O 0,066 · 0,0433 0,002857
O2 0,066 · 0,1332 0,00879
N2 0,066 · 0,7735 0,05105
8. Calculemos el número de moles de cada especie
Especie mi Mi
i
i
i M
m
CO2 0,0033 44 0,000075
H2O 0,002857 18 1,5872 x 10 -4
O2 0,00879 32 2,7468 x 10 -4
N2 0,05105 28 1,8232 x 10 -3
REFERENCIAS
[1] Heywood, J.B. (1988), “Internal Combustion Engine Fundamentals”. McGraw Hill, New York.
[2] Spalding, D. Brian. (1979), “Combustión y transferencia de masa”. CECSA, Mexico.
[3] Glassman I. (1977), “Combustion”. Academic Press, New York
[4] Mölenkamp, H. (1976), “Zur Genarigkeit Der Brenngezetzrechnung eines Dieselmotors mit
Nichtunterteiltem Brennraum” (“Sobre la exactitud del cálculo de la ley de combustión de un motor de
diesel con cámara de combustión no dividida”), MTZ Vol. 37 7/8
[5] Hottel, H.C., Williams, G.C., and Satterfield, C.N. (1949), “Thermodinamic charts for combustion
processes”, John Wiley
[6] Newhall, H.K., and Starkman, E.S. (1964), “Thermodinamic properties of octane and air for engine
performance calculations” in Digital calculations of engine cycles, Progress in technology, vol. TP-7, pp.
38-48, SAE.
[7] Olikara, C and Borman, G. L. (1975), “A Computer Program for Calculating Propperties of
Equilibrium Combustion Products with some applications to IC Engines”. SAE paper No. 750468
[8] Krieger, R. B., and Borman, G. L. (1966), “The Computation of Apparent Heat Release for
Internal Combustion Engines” in Proc. Diesel Gas Power, ASME paper 66-WA/DGP-4.
