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 una manera controlada tal 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, la cantidad de energía que se libera y la cantidad de contaminantes no deseados que se producen en la reacción. Por lo general, existe un rango de relaciones de combustible a aire, fuera del cual no se producirá ignición. Estos se conocen como los límites explosivos inferior y superior.
En un motor de combustión interna o en un horno industrial, la relación aire-combustible es una medida importante por razones de anticontaminación y ajuste de rendimiento. Si se proporciona exactamente suficiente aire para quemar completamente todo el combustible, la proporción se conoce como la mezcla estequiométrica , a menudo abreviada como stoich . Las proporciones inferiores a la estequiométrica se consideran "ricas". Las mezclas ricas son menos eficientes, pero pueden producir más energía y quemar más frío. Las proporciones superiores a la estequiométrica se consideran "esbeltas". 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 para permitir la combustión magra . 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 adiciones de oxígeno.
Motores de combustión interna [ editar ]
En teoría, una mezcla estequiométrica tiene suficiente aire para quemar completamente el combustible disponible. En la práctica, esto nunca se logra, debido principalmente al 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 de6000 revoluciones por minuto . (100 revoluciones por segundo; 10 milisegundos por revolución) Este es el tiempo que transcurre desde el encendido de la bujía hasta que se quema el 90% de la mezcla de combustible y aire, típicamente 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.
Desafortunadamente, una mezcla estequiométrica arde muy caliente y puede dañar los componentes del motor si el motor se coloca bajo una carga alta en esta mezcla de combustible y aire. Debido a las altas temperaturas en esta mezcla, la detonación de la mezcla de combustible y aire mientras se acerca o poco después de la presión máxima del cilindro es posible bajo una carga alta (lo que se conoce como golpeteoo ping), específicamente un evento de "pre-detonación" en el contexto de un modelo de motor de encendido por chispa. Dicha detonación puede causar daños graves 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 usan en condiciones de carga ligera a baja a moderada. Para condiciones de aceleración y alta carga, se usa una mezcla más rica (relación aire-combustible más baja) para producir productos de combustión más fríos y, por lo tanto, evitar la detonación y el sobrecalentamiento de la culata.
Sistemas de gestión del motor [ editar ]
La mezcla estequiométrica para un motor de gasolina es la relación ideal de aire a combustible que quema todo el combustible sin exceso de aire. Para el combustible de gasolina , la mezcla aire-combustible estequiométrica es de aproximadamente 14.7: 1 [1], es decir, por cada gramo de combustible, se requieren 14.7 gramos de aire. La reacción de oxidación del combustible es:
- 25 O 2 + 2 C 8 H 18 → 16 CO 2 + 18 H 2 O + energía
Cualquier mezcla mayor que 14.7: 1 se considera una mezcla pobre ; menos de 14.7: 1 es una mezcla rica - se le da combustible perfecto (ideal) de "prueba" (gasolina que consiste únicamente en n - heptano e isooctano ). 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 las combustiones; para el combustible cargado con MTBE , una relación estequiométrica puede ser tan baja como 14.1: 1). Vehículos que usan un sensor de oxígenou otro circuito de retroalimentación para controlar la relación combustible / aire (control lambda), compense 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 tales controles (como la mayoría de las motocicletas hasta hace poco, y los autos anteriores a mediados de la década de 1980) pueden tener dificultades para ejecutar ciertas mezclas de combustible (especialmente los combustibles de invierno utilizados en algunas áreas) y pueden requerir diferentes chorros (o alterar las tasas 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 [ editar ]
En el típico quemador 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 usó en la Segunda Guerra Mundial). [ cita requerida ] La estrategia implica agregar la retroalimentación de flujo opuesta al control limitante del gas respectivo (aire o combustible). Esto asegura el control de la relación dentro de un margen aceptable.
Otros términos utilizados [ editar ]
Hay otros términos que se usan comúnmente cuando se discute la mezcla de aire y combustible en los motores de combustión interna.
Mezcla [ editar ]
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.
Relación aire-combustible (AFR) [ editar ]
La relación aire-combustible es el término de referencia más común utilizado para mezclas en motores de combustión interna. El término también se utiliza para definir mezclas utilizadas para hornos industriales calentados por combustión. El AFR en unidades de masa se emplea en hornos de gasóleo , mientras que las unidades de volumen (o mol ) se utilizan para hornos de gas natural .
La relación aire-combustible es la relación entre la masa de aire y la masa de combustible en la mezcla de combustible y aire 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 variosalcanos:incluye la masa de dióxido de carbono, nitrógeno y todos los alcanos para determinar el valor demcombustible. [2]
2 ),nitrógeno(N
2 ), y variosalcanos:incluye la masa de dióxido de carbono, nitrógeno y todos los alcanos para determinar el valor demcombustible. [2]
En los motores de aspiración natural propulsados por octano, la potencia máxima se alcanza con frecuencia en los AFR que van de 13.2 a 13.96: 1 o λ de 0.90 a 0.95. [3]
La relación aire-combustible de 12: 1 se considera como relación de salida máxima, mientras que la relación aire-combustible de 16: 1 se considera como relación máxima de ahorro de combustible.
Relación combustible-aire (FAR) [ editar ]
La relación combustible-aire se usa comúnmente en la industria de las turbinas de gas , así como en estudios gubernamentales sobre motores de combustión interna , y se refiere a la relación de combustible al aire. [ cita requerida ]
Relación de equivalencia aire-combustible ( λ )[ editar ]
La relación de equivalencia aire-combustible, λ (lambda), es la relación de AFR real a estequiometría para una mezcla dada. λ = 1.0 está en estequiometría, mezclas ricas λ <1 .0="" font="" magras="" mezclas="" nbsp="" y="">λ > 1.0.
Existe una relación directa entre λ y AFR. Para calcular el 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 :
Debido a que la composición de los combustibles comunes varía según la temporada, y debido a que muchos vehículos modernos pueden manejar diferentes combustibles, al ajustar, tiene más sentido hablar sobre los valores de λ en lugar de AFR.
Los dispositivos AFR más prácticos en realidad miden la cantidad de oxígeno residual (para mezclas magras) o hidrocarburos no quemados (para mezclas ricas) en el gas de escape.
Relación de equivalencia combustible-aire ( ϕ )[ editar ]
La relación de equivalencia combustible-aire , ϕ (phi), de un sistema se define como la relación de la relación combustible-oxidante a la relación estequiométrica combustible-oxidante. Matemáticamente,
donde, m representa la masa, n representa el número de moles, el sufijo 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
2 H
6 ) y un mol deoxígeno(O
2 ) La relación combustible-oxidante de esta mezcla basada en la masa de combustible y aire es
2 H
6 ) y un mol deoxígeno(O
2 ) La relación combustible-oxidante de esta mezcla basada en la masa de combustible y aire es
y la relación combustible-oxidante de esta mezcla basada en el número de moles de combustible y aire es
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 esto necesitamos considerar la reacción estequiométrica de etano y oxígeno,
- C 2 H 6 + 7 / 2 O 2 → 2 CO 2 + 3 H 2 O
Esto da
Por lo tanto, podemos determinar la relación de equivalencia de la mezcla dada como
o, equivalentemente, como
Otra ventaja de usar la relación de equivalencia es que las proporciones mayores que una siempre significan que hay más combustible en la mezcla de combustible y oxidante que el requerido para la combustión completa (reacción estequiométrica), independientemente del combustible y el oxidante que se esté usando, mientras que las proporciones de menos de uno representan una deficiencia de combustible o un oxidante equivalente en exceso en la mezcla. Este no es el caso si uno usa la relación combustible-oxidante, que toma diferentes valores para diferentes mezclas.
La relación de equivalencia combustible-aire está relacionada con la relación de equivalencia aire-combustible (definida anteriormente) de la siguiente manera:
Fracción de mezcla [ editar ]
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]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9aa5444be1bff9d96d84bdc3cd8cd70ef5e30317)
dónde
- ,
Y F, 0 e 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]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/504eafbadd594c1c11ade4e7f37aab3e349702c7)
La fracción de mezcla estequiométrica está relacionada con λ (lambda) y ϕ (phi) por las ecuaciones
- ,
asumiendo
Porcentaje de exceso de aire de combustión [ editar ]
En industriales calentadores disparados , de plantas de energíageneradores de vapor, y grandes turbinas de gas , los términos más comunes son por ciento de exceso de aire de combustión y por ciento de aire estequiométrico. [6] [7] Por ejemplo, un exceso de aire de combustión del 15 por ciento significa que se está utilizando un 15 por ciento más que el aire estequiométrico requerido (o el 115 por ciento del aire estequiométrico).
Se puede definir un punto de control de la combustión especificando el porcentaje de exceso de aire (u oxígeno) en el oxidante , o especificando el porcentaje de oxígeno en el producto de combustión. [8] 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 exceso de oxígeno a partir de la estequiometría y un balance de masa para la combustión de combustible. Por ejemplo, para propano ( C
3 H
8 ) combustión entre estequiométrico y 30 por ciento de exceso de aire (masaAFRentre 15.58 y 20.3), la relación entre el porcentaje de exceso de aire y el porcentaje de oxígeno es:
3 H
8 ) combustión entre estequiométrico y 30 por ciento de exceso de aire (masaAFRentre 15.58 y 20.3), la relación entre el porcentaje de exceso de aire y el porcentaje de oxígeno es:
No hay comentarios:
Publicar un comentario