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 Trabajo de Investigación: Combustibles, Combustión y Toxicidad en Motores de Combustión Interna

1. INTR!"CCI#N

Cual$uier material $ue %uede $uemarse %ara liberar energ&a recibeel nombre de combustible. 'a mayor&a de los combustiblesconocidos se com%onen %rinci%almente de (idrógeno y carbono.Reciben el nombre de combustibles (idrocarburos y se denotan %orla )órmula general Cn*m. 'os combustibles (idrocarburos existen entodas las )ases, y algunos son el carbón, la gasolina y el gasnatural.

+l %rinci%al constituyente del carbón mineral es el carbonotambi-n contiene cantidades variables de ox&geno, (idrógeno,nitrógeno, au)re, (umedad y cenia. +s di)&cil indicar un an/lisism/sico exacto del carbón mineral, %uesto $ue su com%osiciónvar&a de un /rea geogr/0ca a otra en incluso dentro de la mismaregión. 'a mayor %arte de los combustibles (idrocarburos l&$uidosson una mecla de numerosos (idrocarburos y se obtienen del%etróleo crudo mediante destilación. 'os (idrocarburos m/svol/tiles se va%orian %rimero, )ormando lo $ue se conoce como

gasolina. 'os combustibles menos vol/tiles $ue se obtienendurante la destilación son el erosene, el diesel y el combustóleo.'a com%osición de un combustible %articular de%ende de la )uentede %etróleo crudo, as& como de la re0ner&a.

"na reacción $u&mica durante la cual se oxida un combustible y selibera una gran cantidad de energ&a recibe el nombre decombustión. +l oxidante em%leado con mayor )recuencia en los%rocesos de combustión es el aire, %or obvias raones 2es gratuitoy se consigue )/cilmente3. +l ox&geno %uro, 4, se em%lea comooxidante sólo en algunas a%licaciones es%ecialiadas, como elcorte y la soldadura, donde no se %uede utiliar aire. +nconsecuencia, son %ertinentes unas cuantas %alabras acerca de lacom%osición del aire.

+n una base molar o volum-trica, el aire seco est/ com%uesto %or45.6 %or ciento de ox&geno, 78.1 %or ciento de nitrógeno, 5.6 %orciento de argón y %e$ue9as cantidades de dióxido de carbono,(elio, neón e (idrógeno. +n el an/lisis de los %rocesos de

combustión, el argón en el aire se trata como nitrógeno, en tanto$ue los gases $ue existen en cantidades muy %e$ue9as se

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descartan. !e modo $ue el aire seco %uede considerarsea%roximadamente como 41 %or ciento de ox&geno y 76 %or cientode nitrógeno en nmeros molares. ;or consiguiente, cada mol deox&geno $ue entra a una c/mara de combustión ser/ acom%a9ado

%or 5.76<5.41=>.7? mol de nitrógeno. +s decir:1kmolO

2+3.76kmolN 

2=4.76 kmolaire

!urante la combustión, el nitrógeno se com%orta como un gasinerte y no reacciona con otros elementos $u&micos m/s $ue %ara)ormar una %e$ue9a cantidad de óxidos n&tricos. @ %esar de esto,la %resencia de nitrógeno inAuye de manera considerable en elresultado de un %roceso de combustión, %ues el nitrógeno sueleentrar a una c/mara de combustión en grandes cantidades a

tem%eraturas bajas, y salir a tem%eraturas considerablementealtas, absorbiendo una gran %ro%orción de la energ&a $u&micaliberada durante la combustión.

4. NCIN+B BR+ '@ +BTR"CT"R@ D CM;BICI#N !+CM"BTI'+B

4.1. +structura del combustible: +n los motores de combustióninterna se utilian combustibles 2carburantes3 l&$uidos ygaseosos. 'a )uente %rinci%al %ara obtener el combustible

l&$uido es el %etróleo natural. Como resultado de su destilacióndirecta y de la destilación secundaria se obtienen gasolina,ligro&na, erosene, aceite diesel, gas E oil, aceite solar, maut,etc. @dem/s, el combustible l&$uido se %uede obtener tambi-na%licando un tratamiento es%ecial de la (ulla y el lignito, as& como de los es$uistos. +n los motores de automóviles ytractores se em%lean gasolina, el aceite diesel y tambi-n elgas. +n los motores !iesel de mlti%les carburantes di)undidosen la actualidad, la com%osición de combustibles utiliados se

(a am%liado. +n ellos se %uede utiliar (asta el 71F de las)racciones del %etróleo.

+l combustible l&$uido consiste )undamentalmente en unamecla de (idrocarburos $ue di0eren segn su estructuramolecular $ue es la $ue muestra la estructura $u&mica delcombustible y segn su com%osición $u&mica $ue indica elcontenido de determinados elementos. 'a estructura molecularindica el contenido de di)erentes series (omológicas de(idrocarburos existentes en el combustible y determina las%rinci%ales %ro%iedades )&sico E $u&micas del combustible e

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inAuye en los %rocesos de eva%oración, inAamación ycombustión del mismo.

'os %rinci%ales com%onentes del %etróleo son los (idrocarburosde las series: %ara)&nicas 2alcanos3, del ti%o Cn*4nG4 na)t-nicas,

del ti%o Cn*4n y arom/ticas, de los ti%os Cn*4nH? y Cn*4nH14. 'os(idrocarburos de las series ole)&nica, diole)&nica y acetil-nica secontienen en cantidades insigni0cantes en el %etróleo. +l%etróleo contiene, en %romedio, 8 E 8JF de carbono y 14 E1F de (idrógeno, lo dem/s est/ con)ormado %or nitrógeno,ox&geno y au)re. 'os (idrocarburos $ue integran lacom%osición de los combustibles l&$uidos, contienen en unamol-cula de J a >5 /tomos de carbono 2en la gasolina J E 14,en el erosene y en el aceite diesel (asta >53.

'os (idrocarburos saturados %ertenecen a los com%uestosorg/nicos en cadena. ;ueden tener cadenas de /tomos decarbono lineales o rami0cadas 2alcanos e isoalcanos3 y cadenascerradas en )orma de anillo 2c&clicos3. 'as cadenas de /tomosde carbono de estos (idrocarburos se unen mediante sim%lesenlaces y est/n com%letamente saturadas de /tomos de(idrógeno. 'os (idrocarburos alcanos normales 2nHalcanos3tienen las cadenas de /tomos de carbono no rami0cadas. +n el%etróleo se encuentran conjuntamente con los nHalcanos sus(idrocarburos isómeros, $ue tienen una estructura cuyos/tomos de carbono en las mol-culas )orman cadenasrami0cadas.

+n calidad de ejem%lo de un nHalcano y su isómero iHalcano seex%one a continuación la )órmula estructural del butano eisobutano.

Kigura 1: +jem%lo nHalcano y su isómero iHalcano

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Cuanto m/s com%acta sea la mol-cula del (idrocarburo, tantomayor ser/ su resistencia antidetonante, caracteriada %or sunmero de octano.

+n las gasolinas em%leadas en los motores de encendido %or

c(is%a es m/s conveniente tener dentro de sus com%onenteslos iHalcanos, ya $ue ellos %oseen menor tendencia a ladetonación. +l isooctano se utilia %ara evaluar la calidaddetonante del combustible. +n los combustibles !iesel loscom%onentes m/s valiosos son los nHalcanos, $ue %oseen unatem%eratura de auto inAamación m/s baja, en com%aracióncon los isómeros, adem/s -sta disminuye con el aumento delas dimensiones de la mol-cula. ;or eso, en calidad decombustible !iesel se em%lean )racciones m/s %esadas de

%etróleo.

4.4. Com%osición $u&mica del combustible: Be denominacom%osición $u&mica del combustible al contenido m/sico ovolum-trico de cada elemento del combustible. 'a com%osición$u&mica del combustible l&$uido se (a ado%tado ex%resar enunidades de masa. ;or ejem%lo, 1 g de isooctano 2C8*183contiene 5.84 g de carbono y 5.1J8 g de (idrógeno 2*3.;ara 1 g de combustible l&$uido com%uesto de carbono L,(idrógeno 2*3 y ox&geno 243, con ausencia de au)re, se %uedeescribir:

C + H +O2=1kg

+l combustible gaseoso, em%leado %ara los motores deautomóviles, est/ com%uesto de una mecla de di)erentesgases, unos carburantes y otros inertes. Be (a ado%tadoex%resar su com%osición en unidades volum-tricas o en moles.

;ara 1 m> ó 1 mol de combustible gaseoso, designando el%orcentaje volum-trico de cada gas $ue %artici%a en la meclasegn su )órmula $u&mica, se %uede escribir:

∑C n H 

mO

r+ N 

2=1

+n los motores de automóviles se em%lean gases com%rimidosy licuados. 'os gases com%rimidos generalmente est/ncom%uestos %or una mecla de metano, (idrógeno libre, óxidode carbono, as& como tambi-n %or cierta cantidad de gasesincombustibles 2inertes3: nitrógeno, gas carbónico, ox&geno y

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otros. !ic(os gases %ueden estar com%rimidos a tem%eraturanormal (asta una %resión elevada 245M;a3 y no %asan alestado l&$uido. 'os gases com%rimidos se dividen en gases $ue%oseen altos valores de calor de combustión 2*u=4>>7.J

M<m>3 y gases de mediano valor 2*u=1.J4> M<m>3. +ntrelos gases $ue %oseen alto calor de combustión 0guran el gasnatural, el gas derivado del %etróleo 2industrial3, el gas de lascanaliaciones, as& como tambi-n la )racción met/nica del gasde co$ue obtenida en las )/bricas de abonos nitrogenados alos gases $ue %oseen calor de combustión mediano se re0erenel gas de co$ue, el gas de alumbrado y algunos gasesindustriales.

'os gases licuado $ue son %roductos %etrol&)eros del gas de

entubación y del gas natural, est/n com%uestos %or %ro%ano,butano normal y su isómero, %or cierta cantidad de etano y una%e$ue9a cantidad de %entano. +n los gases licuados obtenidosal re0nar el %etróleo, los derivados del %etróleo y loscombustibles sólidos, conjuntamente con los gasesenumerados se encuentran el %ro%ileno, el butileno y suisómero, as& como tambi-n una %e$ue9a cantidad de etileno.'os gases licuados, en com%aración con los gasescom%rimidos, se caracterian %or tener mayor concentración

t-rmica de energ&a %or unidad de volumen y considerablemenor %resión, a la cual el gas en estado licuado se contieneen botellas 2a%roximadamente a t=1JOC, %b=1.? M;a3.

>. ;R;I+!@!+B !+' CM"BTI'+

>.1. Polatilidad del combustible: 'a volatilidad del combustible,$ue de%ende de su com%osición )raccionada, de la tensión delos va%ores, de la tensión su%er0cial y del calor deva%oriación, es una de las caracter&sticas %rinci%ales del

combustible. Be determina en un a%arato es%ecial calentandoel combustible y seleccionando sucesivamente las )racciones$ue se volatilian en determinados intervalos de tem%eraturas.

'a com%osición )raccionada de los combustibles se establecesegn el QBT 2Normas estatales sovi-ticas3. Bon %untoscaracter&sticos %ara cada combustible las tem%eraturas a lascuales se eva%ora el 15, J5 y 65F de su volumen, adem/s %aralas gasolinas se da la tem%eratura 0nal de ebullición.

+l gr/0co $ue relaciona la com%osición )raccionada delcombustible en )unción de la tem%eratura se denomina curva

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de destilación )raccionada. 'a com%osición )raccionada delcombustible sustancialmente inAuye sobre la %lenitud deva%oriación, la velocidad de la )ormación de la mecla aire Ecombustible y el %roceso de combustión. +n la siguiente 0gura

se muestran las curvas de destilación )raccionada de di)erentescombustibles. +l %roceso de destilación de la gasolina 2curva13, erosene 2curva 43 y del aceite diesel 2curva >3.

Kigura 4: Curvas de destilación )raccionada de diversoscombustibles.

>.4. Resistencia a la detonación e inAamabilidad delcombustible: 'a gasolina se em%lea en los motores deencendido %or c(is%a. +n estos motores la velocidad decombustión de la mecla aire E combustible no deber/sobre%asar ciertos l&mites. +l %roceso transcurre anormalmente

2combustión detonante3 en caso de $ue la combustión en sultima )ase se e)ecte a excesiva velocidad, a%areciendo elgol%eteo, recalentamiento e incluso la destrucción de sus%rinci%ales %ieas. 'a a%arición de la detonación de%ende,adem/s de las condiciones de )uncionamiento, de la tendenciadel combustible a la combustión detonante, $ue es variable%ara las di)erentes gasolinas en )unción de su estructura. 'aresistencia a la detonación de las gasolinas se evala %or sunmero o &ndice de octano 2N..3 $ue num-ricamente es igual

al %orcentaje 2en volumen3 de isooctano 24, 4, 4, Etrimetil%entano3, $ue %osee la m/xima resistencia a la

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detonación, en una mecla con nH(e%tano, $ue es muy%ro%enso a la detonación y $ue sea e$uivalente, %or sus%ro%iedades detonantes, a una gasolina dad al (acer %ruebasen condiciones est/ndar en un motor mono cil&ndrico es%ecial.

. ;RC+B !+ CM"BTI#N T+#RIC@ D R+@'

Muc(as veces es muy til estudiar la combustión de uncombustible con la su%osición de $ue la combustión es com%leta."n %roceso de combustión est/ com%leto si todo el carbono en elcombustible se trans)orma en C4, todo el (idrógeno se trans)ormaen *4 y todo el au)re 2si lo (ay3 se trans)orma en B 4. +sto es,todos los com%onentes combustibles de un combustible se$ueman totalmente durante un %roceso de combustión com%leta.

;or el contrario, un %roceso de combustión es incom%leto si los%roductos de combustión contienen algo de combustible ocom%onentes no $uemados, como C, *4, C, o bien, *.

'a cantidad m&nima de aire necesaria %ara la combustión com%letade un combustible recibe el nombre de aire este$uiom-trico oteórico. !e manera $ue cuando un combustible se $uema %orcom%leto con aire teórico, no estar/ %resente el ox&geno sincombinar el %roducto de los gases. +l aire teórico tambi-n seconoce como cantidad de aire $u&micamente correcta o aire 155

%or ciento teórico. "n %roceso de combustión con cantidad de airemenor est/ condenado a ser incom%leto. +l %roceso de combustiónideal durante el cual un combustible se $uema %or com%leto conaire teórico se conoce como combustión este$uiom-trica o teóricade ese combustible. ;or ejem%lo, la combustión teórica del metanoser&a:

CH 4+2 (O2

+3.76 N 2 )→CO

2+2  H 

2O+7.52 N 

2

+n los %rocesos de combustión reales es una %r/ctica comnem%lear m/s aire $ue la cantidad este$uiom-trica, con 0n deaumentar las o%ortunidades de combustión com%leta o %aracontrolar la tem%eratura de la c/mara de combustión. 'a cantidadde aire en exceso de la cantidad este$uiom-trica se llama excesode aire. 'a cantidad de exceso de aire suele ex%resarse ent-rminos del aire este$uiom-trico como exceso de aire %orcentualo aire teórico %orcentual. Cantidades menores $ue la cantidadeste$uiom-trica reciben el nombre de de0ciencia de aire. 'acantidad de aire utiliado en %rocesos de combustión se ex%resatambi-n en t-rminos de la relación de e$uivalencia, la cual es la

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%ro%orción entre la relación real combustible E aire y la relacióneste$uiom-trica combustible E aire.

;ara analiar la com%osición de los gases de combustión seem%lea un dis%ositivo conocido como analiador de gases rsat.

+n este dis%ositivo se recoge una muestra de los gases decombustión y se en)r&a a tem%eratura y %resión ambiente, en cuyo%unto se mide su volumen. !es%u-s la muestra se %one encontacto con un com%uesto $u&mico $ue absorbe el C4. 'os gasesrestantes se vuelven a llevar a la tem%eratura y %resiónambientales, y se mide el nuevo volumen $ue ellos ocu%an. 'a%ro%orción entre la reducción de volumen y el volumen original esla )racción de volumen de C4, $ue e$uivale a la )racción molar sise su%one com%ortamiento de gas ideal. 'as )racciones de

volumen de los otros gases se determinan al re%etir este%rocedimiento.

J. ;!+R C@'RKIC !+' CM"BTI'+

'a calidad del combustible se determina %or el %oder calor&0co, esdecir, %or la cantidad de calor des%rendido al $uemar %or com%letouna unidad m/sica 2%ara el l&$uido3 o volum-trica 2%ara un gas3 decombustible.

+l %oder calor&0co del combustible %uede determinarse $uemandouna muestra en una bomba calorim-trica es%ecial. Como resultadode la combustión com%leta del combustible se )orman an(&dridocarbónico y va%or de agua. @l determinar la cantidad de calordes%rendida en el calor&metro, los %roductos de combustión $ue se(an )ormado en el %roceso de reacción se en)r&an (asta latem%eratura inicial. +n este caso, el va%or de agua se condensades%rendiendo res%ectivamente calor. !e esta manera sedetermina el %oder calor&0co su%erior *5, es decir, todo el calor$ue se (a des%rendido %or e)ecto de la reacción. +n el motor decombustión interna los gases de esca%e se ex%ulsan a altatem%eratura, cuando no se %roduce la condensación del va%or deagua. ;or eso, es m/s conveniente e)ectuar los c/lculos con el%oder calor&0co in)erior *u, el cual es menor $ue el su%erior, en lamagnitud del calor latente de va%oriación del agua.

?. TSICI!@! +N MTR+B !+ CM"BTI#N INT+RN@

@l (acer %ruebas de los motores %ara determinar el contenido delos elementos tóxicos en los gases $uemados se localia en %rimert-rmino la cantidad de C, Cx*y  y Nx. +n los motores diesel

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adem/s de estos %ar/metros, se e)ecta tambi-n el an/lisis de losgases %ara determinar la existencia de carbonilla 2emisión de(umo3.

'a m/s com%leta noción sobre el contenido de com%onentes

tóxicos individuales se %uede obtener al analiar las caracter&sticasmulti%aram-tricas, donde se construyen las )unciones de valoresconstantes de uno de los mencionados com%onentes con res%ectoa la carga y a la )recuencia de rotación.

+l an/lisis de las caracter&sticas (a demostrado $ue el contenidoes%ec&0co de C en los gases de esca%e de los motores !iesel encom%aración al de los motores de carburador es 15 veces menor, yde Cx*y, veces. 'os %roductos de combustión de los motores

!iesel contienen menor cantidad de óxidos de nitrógeno $ue los delos motores a gasolina. Cuando se utilia el encendido %or dardo,el contenido de C tiene los mismos niveles $ue en el motor!iesel. 'a cantidad de Nx y Cx*y en los motores de encendido %ordardo es la misma $ue tienen los motores corrientes decarburador.;ara %revenir la salida de los gases del c/rter a la atmós)era seem%lean di)erentes sistemas cerrados de ventilación, con loscuales dic(os gases ingresan al sistema de admisión del motor.

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Kigura >: Com%onentes tóxicos Nx, Cx*y y Co durante la %rueba deun motor de carburador en un ciclo o%erativo.

7. I'IQR@K@

• Motores de automóvilU E M. B. óvaj• Termodin/micaU E Dunus @ Cengel