Tabla de contenidos
- Definición de relación de combustible de aire
- Fórmula de relación de combustible de aire
- Relación de combustible de aire para diferentes combustibles
- Cómo se calcula la relación estequiométrica de combustible de aire
- Relación de combustible de aire Lambda
- Relación de combustible de aire y rendimiento del motor
- Calculadora de relación de combustible de aire
- Impacto de la relación de combustible de aire en las emisiones del motor
- Control de combustión de circuito cerrado Lambda
Definición de relación de combustible de aire
combustión. Para garantizar el proceso de combustión, es necesario suministrar ciertas cantidades de combustible y aire en la cámara de combustión. Una combustión completa tiene lugar cuando se quema todo el combustible, en el gas de escape no habrá cantidades de combustible sin quemar.
La relación de combustible de aire se define como la relación de aire y combustible de una mezcla preparada para la combustión. Por ejemplo, si tenemos una mezcla de metano y aire que tiene la relación aire-combustible de 17.5, esto significa que en la mezcla que hemos 17,5 kg de aire y 1 kg de metano.
La relación de combustible de aire ideal (teórica), para una combustión completa, se llama relación estequiométrica de combustible de aire. Para un motor de gasolina, la relación estequiométrica de combustible de aire es de alrededor de 14,7:1. Esto significa que, para quemar completamente 1 kg de combustible, necesitamos 14,7 kg de aire. La combustión es posible incluso si la AFR es diferente de la estequiométrica. Para que el proceso de combustión tenga lugar en un motor de gasolina, el AFR mínimo es de alrededor de 6:1 y el máximo puede subir a 20:1.
Cuando la relación de combustible de aire es mayor que la relación estequiométrica, la mezcla de combustible de aire se llama magra. Cuando la relación de combustible de aire es menor que la relación estequiométrica, la mezcla de combustible de aire se llama rica. Por ejemplo, para un motor de gasolina, un AFR de 16.5:1 es magro y 13.7: 1 es rico.
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Fórmula de relación de combustible de aire
En el contexto de los motores de combustión interna, la relación de combustible de aire (AF o AFR) se define como la relación entre la masa de aire ma y la masa de combustible mf, utilizada por el motor cuando está en funcionamiento:
\{AFR = \frac{m_a}{m_f}} \tag{1}\]
La relación inversa se llama relación combustible-aire (FA o FAR) y se calcula como:
\
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Relación combustible aire para diferentes combustibles
En la siguiente tabla podemos ver la relación estequiométrica de combustible aire para varios combustibles fósiles.
| de Combustible | fórmula Química | AFR |
| el Metanol | CH3OH | 6.47:1 |
| el Etanol | C2H5OH | 9:1 |
| Butanol | C4H9OH | 11.2:1 |
| Diesel | C12H23 | 14.5:1 |
| Gasolina | C8H18 | 14.7:1 |
| Propano | C3H8 | 15.67:1 |
| El metano | CH4 | 17.19:1 |
| de Hidrógeno | H2 | 34.3:1 |
Fuente: wikipedia.org
Por ejemplo, para quemar completamente 1 kg de etanol, necesitamos 9 kg de aire y para quemar 1 kg de combustible diesel, necesitamos 14.5 kg de aire.
Los motores de encendido por chispa (SI) generalmente funcionan con gasolina. El AFR de los motores SI varía dentro del rango de 12:1 (rico) a 20:1 (magro), dependiendo de las condiciones de funcionamiento del motor (temperatura, velocidad, carga, etc.). Los motores de combustión interna modernos funcionan tanto como sea posible alrededor de la AFR estequiométrica (principalmente por razones de postratamiento de gas). En la siguiente tabla puede ver un ejemplo de un AFR de motor SI, función de la velocidad y el par del motor.
Imagen: Ejemplo de la función de relación de combustible de aire (AFR) del régimen y el par del motor
Los motores de encendido por compresión (CI) generalmente funcionan con combustible diesel. Debido a la naturaleza del proceso de combustión, los motores de encendido por compresión siempre funcionan con mezclas magras, con AFR entre 18:1 y 70:1. La principal diferencia, en comparación con los motores SI, es que los motores CI funcionan con mezclas de combustible de aire estratificadas (no homogéneas), mientras que el SI funciona con mezclas homogéneas (en el caso de los motores de inyección de puertos).
La tabla anterior se introduce en un script de Scilab y se genera un gráfico de contorno.
EngSpd_rpm_X = ;EngTq_Nm_Y = ;EngAFR_rat_Z = ;contour(EngSpd_rpm_X,EngTq_Nm_Y,EngAFR_rat_Z',30)xgrid()xlabel('Engine speed ')ylabel('Engine torque ')title('x-engineer.org')
Ejecutar las instrucciones de Scilab anteriores generará la siguiente gráfica de contorno:
Imagen: Gráfico de contorno de combustible de aire con Scilab
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Cómo se calcula la relación estequiométrica de combustible de aire
Para comprender cómo se calcula la relación estequiométrica de combustible de aire, necesitamos observar el proceso de combustión del combustible. La combustión es básicamente una reacción química (llamada oxidación) en la que un combustible se mezcla con oxígeno y produce dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y energía (calor). Tenga en cuenta que, para que se produzca la reacción de oxidación, necesitamos una energía de activación (chispa o alta temperatura). Además, la reacción neta es altamente exotérmica (con liberación de calor).
\ {spark \ text {(SI)}} \ text{Dióxido de carbono} + \text {Agua} + \ text{Energía}\]
Ejemplo 1. Para una mejor comprensión, veamos la reacción de oxidación del metano. Esta es una reacción química bastante común, ya que el metano es el componente primario del gas natural (en proporción de alrededor del 94 %).
Paso 1. Escriba la reacción química (oxidación)
\
Paso 2. Equilibre la ecuación
\
Paso 3. Anote el peso atómico estándar para cada átomo
\
Paso 4. Calcule la masa de combustible, que es 1 mol de metano, compuesta por 1 átomo de carbono y 4 átomos de hidrógeno.
\
Paso 5. Calcule la masa de oxígeno, que consta de 2 moles, cada mol compuesto de 2 átomos de oxígeno.
\
Paso 6. Calcular la masa de aire necesaria que contiene la masa calculada de oxígeno, teniendo en cuenta que el aire contiene aproximadamente un 21% de oxígeno.
\
Paso 7. Calcular la relación de combustible de aire usando la ecuación (1)
\
El AFR calculado para el metano no es exactamente como se especifica en la bibliografía. La diferencia podría provenir del hecho de que, en nuestro ejemplo, hicimos varias suposiciones (el aire contiene solo 21% de oxígeno, los productos de la combustión son solo dióxido de carbono y agua).
Ejemplo 2. El mismo método se puede aplicar para la combustión de gasolina. Teniendo en cuenta que la gasolina se compone de iso-octano (C8H18), calcule la relación estequiométrica de combustible de aire para la gasolina.
Paso 1. Escriba la reacción química (oxidación)
\
Paso 2. Equilibre la ecuación
\
Paso 3. Anote el peso atómico estándar para cada átomo
\
Paso 4. Calcule la masa de combustible, que es 1 mol de iso-octano, compuesta de 8 átomos de carbono y 18 átomos de hidrógeno.
\
Paso 5. Calcule la masa de oxígeno, que consta de 12,5 moles, cada mol compuesto de 2 átomos de oxígeno.
\
Paso 6. Calcular la masa de aire necesaria que contiene la masa calculada de oxígeno, teniendo en cuenta que el aire contiene aproximadamente un 21% de oxígeno.
\
Paso 7. Calcular la relación de combustible de aire usando la ecuación (1)
\
Una vez más, la relación estequiométrica de combustible de aire calculada para la gasolina es ligeramente diferente de la proporcionada en la literatura. Por lo tanto, el resultado es aceptable ya que hicimos muchas suposiciones (la gasolina contiene solo iso-octano, el aire contiene solo oxígeno en proporción de 21%, los únicos productos de combustión son dióxido de carbono y agua, la combustión es ideal).
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Relación de combustible de aire Lambda
Hemos visto qué es y cómo calcular la relación de combustible de aire estequiométrica (ideal). En realidad, los motores de combustión interna no funcionan exactamente con AFR ideal, sino con valores cercanos a él. Por lo tanto, tendremos una relación AFR de combustible de aire ideal y real. La relación entre la relación de combustible de aire real (AFRactual) y la relación de combustible de aire ideal/estequiométrica (AFRideal) se denomina relación de combustible de aire de equivalencia o lambda (λ).
\{\lambda = \frac{AFR_ {actual}}{AFR_ {ideal}}} \ tag {3}\]
Por ejemplo, la relación de combustible de aire ideal para un motor de gasolina es de 14,7:1. Si el AFR real/real es 13,5, el factor de equivalencia lambda será:
\
Dependiendo del valor de lambda, se le dice al motor que trabaje con mezcla de combustible de aire pobre, estequiométrico o rico.
| factor de Equivalencia | mezcla de Aire y combustible de tipo | Descripción |
| λ < 1.00 | Rico | no Hay suficiente aire para quemar completamente la cantidad de combustible; después de la combustión hay combustible sin quemar en los gases de escape |
| λ = 1.00 | Estequiométrico (ideal) | La masa de aire es exacta para una combustión completa del combustible; después de la combustión no hay exceso de oxígeno en el escape ni combustible sin quemar |
| λ > 1.00 | Lean | Hay más oxígeno del necesario para quemar completamente la cantidad de combustible; después de la combustión hay exceso de oxígeno en los gases de escape |
Dependiendo del tipo de combustible (gasolina o diesel) y el tipo de inyección (directa o indirecta), un motor de combustión interna puede funcionar con mezclas de combustible de aire magro, estequiométrico o rico.
Imagen: Motor de gasolina de inyección directa de 3 cilindros Ecoboost (mapa lambda)
Crédito: Ford
Por ejemplo, el motor Ford Ecoboost de 3 cilindros funciona con una relación estequiométrica de combustible de aire para una velocidad de ralentí a media y un rango de carga completo, y con una mezcla rica de combustible de aire a alta velocidad y carga. La razón por la que funciona con una mezcla rica a alta velocidad y carga del motor es la refrigeración del motor. El combustible adicional (que permanecerá sin quemar) se inyecta para absorber el calor (a través de la evaporación), reduciendo así la temperatura en la cámara de combustión.
Imagen: Motor diesel (mapa lambda)
Crédito: wtz.de
Un motor de encendido por compresión (diésel) funciona todo el tiempo con una mezcla de combustible de aire magro, el valor del factor de equivalencia (λ) depende del punto de funcionamiento del motor (velocidad y par). La razón de esto es el principio de funcionamiento de un motor diesel: controlar la carga no a través de la masa de aire (que siempre es excesiva), sino a través de la masa de combustible (tiempo de inyección).
Recuerde que un factor de equivalencia estequiométrica (λ = 1,00) significa una relación de combustible de aire de 14,7:1 para motores de gasolina y de 14,5:1 para motores diesel.
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relación Aire-combustible y el rendimiento del motor
El rendimiento del motor en términos de potencia y consumo de combustible es altamente dependiente de la relación aire-combustible. Para un motor de gasolina, el consumo de combustible más bajo se obtiene en AFR magra. La razón principal es que hay suficiente oxígeno disponible para quemar completamente todo el combustible, lo que se traduce en trabajo mecánico. Por otro lado, la potencia máxima se obtiene con mezclas de combustible de aire rico. Como se explicó anteriormente, poner más combustible en el cilindro a alta carga y velocidad del motor, enfría la cámara de combustión (a través de la evaporación del combustible y la absorción de calor), lo que permite que el motor produzca el par motor máximo, por lo tanto, la máxima potencia.
Imagen: Potencia del motor y consumo de combustible función de la relación de combustible del aire (lambda)
En la figura anterior podemos ver que no podemos obtener la máxima potencia del motor y el menor consumo de combustible con la misma relación de combustible de aire. El consumo de combustible más bajo (mejor economía de combustible) se obtiene con mezclas de combustible de aire magro, con un AFR de 15,4:1 y un factor de equivalencia (λ) de 1,05. La potencia máxima del motor se produce con mezclas de combustible de aire rico, con un AFR de 12,6:1 y un factor de equivalencia (λ) de 0,86. Con una mezcla estequiométrica de combustible de aire ( λ = 1), existe un compromiso entre la potencia máxima del motor y el consumo mínimo de combustible.
Los motores de encendido por compresión (diésel) funcionan siempre con mezclas de combustible de aire magro (λ > 1,00). La mayoría de los motores diesel modernos funcionan con λ entre 1,65 y 1,10. La eficiencia máxima (menor consumo de combustible) se obtiene alrededor de λ = 1,65. Aumentar la cantidad de combustible por encima de este valor (hacia 1.10) producirá más hollín (partículas de combustible no quemadas).
Hay un estudio interesante realizado por R. Douglas en motores de ciclo de 2 tiempos. En su tesis doctoral «Estudios de Ciclo Cerrado de un Motor de Ciclo de Dos Tiempos», R. Douglas viene con una expresión matemática de la función de eficiencia de combustión (ηλ) del factor de equivalencia (λ).
Para encendido por chispa (motor de gasolina) con un factor de equivalencia entre 0,80 y 1.20, la eficiencia de combustión es:
\
Para encendido por compresión (motor diesel) con un factor de equivalencia entre 1.00 y 2.00, la eficiencia de combustión es:
\
Para motores diesel, si el factor de equivalencia supera 2.00, la eficiencia de combustión es máxima (1.00 o 100 %).
Podemos usar un script Scilab para trazar la variación de la función de eficiencia de combustión del factor de equivalencia.
lmbd_g = ;lmbd_d = ;eff_lmbd_g = -1.6082+4.6509*lmbd_g-2.0746*lmbd_g.^2;eff_lmbd_d = -4.18+8.87*lmbd_d-5.14*lmbd_d.^2+lmbd_d.^3;plot(lmbd_g,eff_lmbd_g,'b','LineWidth',2)holdplot(lmbd_d,eff_lmbd_d,'r','LineWidth',2)xgrid()xlabel('$\lambda \text{ }$')ylabel('$\eta_{\lambda} \text{ }$')title('x-engineer.org')legend('gasoline','diesel',4)
Ejecutar las instrucciones de Scilab anteriores genera la siguiente ventana gráfica.
Imagen: Función de eficiencia de combustión del factor de equivalencia
Como puede ver, el motor de encendido por compresión (diesel), en relación estequiométrica de combustible de aire tiene una eficiencia de combustión muy baja. La mejor eficiencia de combustión se obtiene en λ = 2.00 para motores diésel y λ = 1.12 para motores de encendido por chispa (gasolina).
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Calculadora de relación de combustible de aire
| ma | Tipo de combustible Calcular |
λ |
| mf | ηλ |
Observación: La eficiencia de combustión solo se calcula para el combustible diésel y gasolina (gasolina), utilizando las ecuaciones (4) y (5). Para los demás combustibles, no se dispone del cálculo de la eficiencia de combustión (NA).
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Impacto de la relación de combustible del aire en las emisiones del motor
Las emisiones de gases de escape de los motores de combustión interna dependen en gran medida de la relación de combustible del aire (factor de equivalencia). En el cuadro que figura a continuación se resumen las principales emisiones de gases de escape en el HIELO.
| Emisión de gases de escape | Descripción |
| CO | monóxido de carbono |
| HC | hidrocarburos |
| NOx | óxidos de nitrógeno |
| Hollín | partículas de combustible no quemadas |
Para un motor de gasolina, las emisiones de gases de escape de CO, HC y NOx están muy influenciadas por la relación de combustible del aire. El CO y el HC se producen principalmente con una mezcla de combustible de aire rico, mientras que el NOx se produce con mezclas magras. Por lo tanto, no hay una mezcla fija de combustible de aire para la que podamos obtener el mínimo para todas las emisiones de escape.
Imagen: Función de eficiencia del catalizador del motor de gasolina de la relación de combustible de aire
Un catalizador de tres vías (TWC), utilizado para motores de gasolina, tiene la mayor eficiencia cuando el motor funciona en una banda estrecha alrededor de la relación estequiométrica de combustible de aire. El TWC convierte entre 50 9 90 % de hidrocarburos y 90 9 99 % de monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno, cuando el motor funciona con λ = 1.00.
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Control de combustión de circuito cerrado Lambda
Para cumplir con las regulaciones de emisiones de gases de escape, es fundamental que los motores de combustión interna (especialmente la gasolina) tengan un control preciso de la relación de combustible del aire. Por lo tanto, todos los motores de combustión interna modernos tienen control de circuito cerrado para la relación de combustible de aire (lambda).
Imagen: Control lambda de circuito cerrado del motor de combustión interna (motores de gasolina)
- sensor de flujo másico de aire
- catalizador primario
- catalizador secundario
- inyector de combustible
- sensor lambda (oxígeno) ascendente
- sensor lambda (oxígeno) descendente
- circuito de suministro de combustible
- colector de admisión
- colector de escape
El componente crítico para que el sistema funcione es el sensor lambda (oxígeno). Este sensor mide el nivel de moléculas de oxígeno en el gas de escape y envía la información a la unidad de control electrónico del motor (ECU). Basado en el valor de la lectura del sensor de oxígeno, la ECU del motor de gasolina ajustará el nivel de masa de combustible para mantener la relación de combustible de aire alrededor del nivel estequiométrico (λ = 1.00).
Por ejemplo (motores de gasolina), si el nivel de moléculas de oxígeno está por encima del umbral de nivel estequiométrico (por lo tanto, tenemos una mezcla magra), en el siguiente ciclo de inyección, la cantidad de combustible inyectado se incrementará para hacer uso del exceso de aire. Tenga en cuenta que el motor siempre pasará de una mezcla magra a una mezcla rica entre ciclos de inyección, lo que dará un «promedio» de mezclas estequiométricas de combustible de aire/relación.
Para motores diesel, ya que siempre funciona con una relación de combustible de aire magro, el control lambda se realiza de una manera diferente. El objetivo final sigue siendo el mismo, el control de las emisiones de gases de escape.