Relación aire-combustible

La relación aire-combustible ( AFR ) es la relación de masas entre el aire y un combustible sólido, líquido o gaseoso presente en un proceso de combustión . La combustión puede tener lugar de manera controlada, como en un motor de combustión interna o en un horno industrial, o puede dar lugar a una explosión (por ejemplo, una explosión de polvo ). La relación aire-combustible determina si una mezcla es combustible, cuánta energía se libera y cuántos contaminantes no deseados se producen en la reacción. Normalmente existe un rango de relaciones aire-combustible, fuera del cual no se producirá la ignición. Estos se conocen como 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 de ajuste del rendimiento. Si se proporciona exactamente la cantidad de aire suficiente para quemar por completo todo el combustible ( combustión estequiométrica ), la relación se conoce como mezcla estequiométrica , a menudo abreviada como estequio . Las relaciones inferiores a la estequiométrica (donde el combustible está en exceso) se consideran "ricas". Las mezclas ricas son menos eficientes, pero pueden producir más potencia y quemar más frío. Las relaciones superiores a la estequiométrica (donde el aire está en exceso) se consideran "pobres". Las mezclas pobremente mezcladas 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 la combustión pobre . Para cálculos precisos de la relación aire-combustible, se debe especificar el contenido de oxígeno del aire de combustión debido a la diferente densidad del aire debido a la diferente altitud o temperatura del aire de admisión, la posible dilución por vapor de agua ambiental o el enriquecimiento por adiciones de oxígeno.

Un medidor de relación aire-combustible monitorea la relación aire-combustible de un motor de combustión interna . También llamado medidor de relación aire-combustible , medidor aire-combustible o indicador aire-combustible , lee la salida de voltaje de un sensor de oxígeno , a veces también llamado sensor AFR o sensor lambda.

Los sensores de oxígeno de banda estrecha originales se instalaron de manera estándar en fábrica a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980. En los últimos años, se ha puesto a disposición un sensor de banda ancha más nuevo y mucho más preciso, aunque más costoso.

La mayoría de los medidores de banda estrecha independientes tienen 10 LED y algunos tienen más. También son comunes los medidores de banda estrecha en carcasas redondas con montaje estándar de 52 y 67 mm ( 2+1 ⁄ 16 y 2+Diámetros de 5 ⁄ 8  pulgadas, como otros tipos de "indicadores" para automóviles. Estos suelen tener 10 o 20 LED. También hay indicadores analógicos de tipo "aguja".

En teoría, una mezcla estequiométrica contiene la cantidad justa de aire para quemar por completo el combustible disponible. En la práctica, esto nunca se consigue del todo, debido principalmente al tiempo muy breve 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, o 10 milisegundos por revolución del cigüeñal. Para un motor de cuatro tiempos, esto significaría 5 milisegundos por cada carrera del pistón y 20 milisegundos para completar un ciclo Otto de 720 grados ). Este es el tiempo que transcurre desde que se enciende la bujía hasta que se quema el 90% de la mezcla de combustible y aire, normalmente unos 80 grados de rotación del cigüeñal más tarde. Los convertidores catalíticos están diseñados para funcionar mejor cuando los gases de escape que pasan a través de ellos son el resultado de una combustión casi perfecta.

Una mezcla perfectamente estequiométrica arde a temperaturas muy altas y puede dañar los componentes del motor si el motor se somete a una carga elevada con esta mezcla de combustible y aire. Debido a las altas temperaturas de 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 elevada (lo que se conoce como golpeteo o ping), específicamente un evento de "predetonación" en el contexto de un modelo de motor de encendido por chispa. Dicha detonación puede causar daños graves al motor, ya que la combustión descontrolada de la mezcla de combustible y aire puede crear presiones muy altas en el cilindro. Como consecuencia, las mezclas estequiométricas solo se utilizan en condiciones de carga ligera a baja-moderada. Para las condiciones de aceleración y carga elevada, se utiliza una mezcla más rica (menor relación aire-combustible) para producir productos de combustión más fríos (utilizando así el enfriamiento por evaporación ) y así evitar el sobrecalentamiento de la culata y, por lo tanto, prevenir la detonación.

La mezcla estequiométrica para un motor de gasolina es la proporción ideal de aire y 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 el 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 mayor a 14,7:1 se considera una mezcla pobre ; cualquier mezcla menor a 14,7:1 es una mezcla rica , dado un combustible de "prueba" perfecto (ideal) (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 , más 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 la reducen (los oxigenadores aportan oxígeno adicional al evento de combustión en forma líquida que se libera en el momento de las quemaduras; para el combustible cargado de MTBE , una relación estequiométrica puede ser tan baja como 14,1:1). Los vehículos que utilizan un sensor de oxígeno u otros circuitos 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 utilizar ciertas mezclas de combustible (especialmente los combustibles de invierno utilizados en algunas áreas) y pueden requerir diferentes inyectores de carburador (o modificar las relaciones de combustible) para compensar. Los vehículos que utilizan sensores de oxígeno pueden monitorear la relación aire-combustible con un medidor de relación aire-combustible .

En el quemador de combustión de aire a gas natural típico, se emplea una estrategia de límite de doble cruce 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 al control de limitación del gas respectivo (aire o combustible). Esto asegura el control de la relación dentro de un margen aceptable.

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

Mezcla es la palabra predominante que aparece en los textos de entrenamiento, 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 combustible y aire en un momento dado. La masa es la masa de todos los componentes que componen el combustible y el aire, ya sean combustibles o no. Por ejemplo, un cálculo de la masa del gas natural, que a menudo contiene dióxido de carbono ( CO
₂), nitrógeno ( N
₂), y varios alcanos —incluye la masa del dióxido de carbono, 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 alimentados por octano, la potencia máxima se alcanza con frecuencia en AFR que van de 12,5 a 13,3:1 o λ de 0,850 a 0,901. ^{[ cita requerida ]}

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

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

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

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 pobres λ  > 1,0.

Existe una relación directa entre λ y AFR. Para calcular el AFR a partir de un λ determinado , 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 utiliza a menudo como definición de λ :

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

Debido a que la composición de los combustibles comunes varía según la estación y debido a que muchos vehículos modernos pueden manejar diferentes combustibles al ajustarlos, tiene más sentido hablar de valores λ en lugar de AFR.

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

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

${\displaystyle \phi ={\frac {\mbox{relación combustible-oxidante}}{({\mbox{relación combustible-oxidante}})_{\text{st}}}}={\frac {m_{\text{combustible}}/m_{\text{ox}}}{\left(m_{\text{combustible}}/m_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {n_{\text{combustible}}/n_{\text{ox}}}{\left(n_{\text{combustible}}/n_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}}$

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

La ventaja de utilizar la relación de equivalencia en lugar de la relación combustible-oxidante es que tiene en cuenta (y, por lo tanto, es independiente de) tanto los valores de masa como los molares del combustible y del oxidante. Consideremos, por ejemplo, una mezcla de un mol de etano ( C
₂yo
₆) y un mol de oxígeno ( O
₂). La relación combustible-oxidante de esta mezcla basada en la masa de combustible y aire es

${\displaystyle {\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1\veces (2\veces 12+6\veces 1)}{1\veces (2\veces 16)}}={\frac {30}{32}}=0,9375}$

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

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

Es evidente que 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

${\displaystyle ({\text{relación combustible-oxidante basada en la masa}})_{\text{st}}=\left({\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{3.5\times (2\times 16)}}={\frac {30}{112}}=0.268}$

${\displaystyle ({\text{relación combustible-oxidante basada en el número de moles}})_{\text{st}}=\left({\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1}{3.5}}=0.286}$

Así 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, equivalentemente, 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 mayores que uno siempre significan que hay más combustible en la mezcla de combustible y oxidante del que se requiere para una combustión completa (reacción estequiométrica), independientemente del combustible y oxidante que se utilicen, mientras que las relaciones menores que uno representan una deficiencia de combustible o, equivalentemente, un exceso de oxidante en la mezcla. Este no es el caso si se utiliza la relación de combustible y oxidante, que toma valores diferentes para mezclas diferentes.

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

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

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 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

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

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

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

arrogante

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

En los calentadores industriales , generadores de vapor de plantas de energía y grandes turbinas a 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 que el 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 utilizar 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 del combustible. Por ejemplo, para el propano ( C
₃yo
₈) combustión entre aire estequiométrico y exceso de 30 por ciento ( _masa AFR entre 15,58 y 20,3), la relación entre el porcentaje de exceso de aire y el porcentaje de oxígeno es:

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

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

• HowStuffWorks: inyección de combustible, convertidor catalítico
• Universidad de Plymouth: Introducción a la combustión del motor
• Kamm, Richard W. "¿Está confundido con las mezclas de combustible?". Aircraft Maintenance Technology (febrero de 2002). Archivado desde el original el 20 de noviembre de 2010. Consultado el 18 de marzo de 2009 .