COMBUSTIÓN
Y
COMBUSTIBLES
COMBUSTIÓN Y COMBUSTIBLES

COMBUSTIÓN
¿Qué es la combustión?
Proceso Químico
Quema de la Mezcla
Fases de la Combustión

COMBUSTIBLES




Motor Otto

Combustión y Frente de Llama
Cámaras de Combustión
Rendimiento
Motor Diesel
Petróleo
Obtención
Destilación o Refino
Gasolinas




Combustión y Frente de Llama
Cámaras de Combustión
Gasoil




Índice de Octano
95
98
Super 97
Indice de Cetano
Diesel e+
Diesel e+ 10
Legislación
COMBUSTIÓN

Reacción química exotérmica, de oxidación – reducción entre dos o más
sustancias, combustible y comburente, que se realiza a gran velocidad.

Comburente: es la sustancia oxidante de la combustión. En el motor de
combustión interna es el oxígeno del aire que se encuentra en una
proporción del 21% frente al 79% de nitrógeno.

Combustible: es la sustancia reductora de la combustión. Los empleados en
los motores de combustión interna son hidrocarburos derivados del petróleo

Los hidrocarburos están formados por carbono, hidrógeno, oxígeno,
nitrógeno y azufre.
COMBUSTIÓN

La reacción de combustión de una molécula de combustible requiere de varias
moléculas de oxígeno, en función del número de carbonos e hidrógenos de
que esté compuesta. Tomemos como ejemplo la molécula de octeno:
C8H16 + 12O2 → 8CO2 + 8H2O


Cada dos hidrógenos que haya en el combustible, requieren un átomo de
oxígeno, para formar una molécula de agua; y cada carbono requiere dos
átomos de oxígeno, para formar una molécula de dióxido de carbono.
Esta es la configuración de una combustión completa o estequiométrica, en la
que todo el O2 se utiliza para oxidar todo el combustible.
COMBUSTIÓN


λ define la relación entre la masa de aire y la masa de combustible de una
mezcla
λR representa la relación entre la λ de la mezcla y la λ estequiométrica.


λR > 1 indica que la mezcla es pobre, con exceso de aire
λR < 1 indica que la mezcla es rica
FASES DE LA COMBUSTIÓN

La reacción no siempre se cumple en su totalidad, y tampoco es instantánea,
sino que consta de varias reacciones intermedias que ayudan a completar el
proceso.
FASES DE LA COMBUSTIÓN
C8H16 + 4O2 → 8CO + 8H2
8H2 + 4O2 → 8H2O
8CO + 4O2 → 8CO2
FASES DE LA COMBUSTIÓN

Aunque las dos últimas reacciones se produzcan en paralelo, la de oxidación
del H2 es más rápida que la del CO por lo que con mezclas ricas aumenta la
emisión de CO ya que no queda oxígeno con el que reaccionar.
INICIO DE LA COMBUSTIÓN

Las reacciones normalmente se van a provocar por el choque de dos
moléculas.

La descomposición de la molécula de hidrocarburo es algo gradual, y el
proceso está controlado por la presencia de unas moléculas y átomos que
tienen una actividad mucho más alta que las moléculas de oxígeno, y que a la
postre van a ser los que realmente ataquen al hidrocarburo. Éstos son los
radicales libres, que son iones de oxígeno (O), iones de hidrógeno (H) y
radicales hidroxilo (OH).
INICIO DE LA COMBUSTIÓN

La reacción de combustión está controlada principalmente por la cantidad de
radicales que haya en la mezcla. Éstos radiacles se empiezan a formar por
choques de combustible y oxígeno. Al principio, se generan pocos radicales,
pero al aumentar mucho su concentración (por alta presión y/o temperatura)
comienzan las reacciones de ramificación, y con ello una reacción en cadena
que acabqa descomponiendo todo el combustible, y liberando la energía

Realmente, las reacciones en las que intervienen los radicales, bien como
productos o como reactantes, y que al final son las que provocan la ignición
de la mezcla
MOTOR OTTO

Cuando termina la
compresión, en el motor
Otto se dispone de una
mezcla de aire y combustible
comprimida a una presión de,
más o menos, 15 veces la de
admisión (a plena carga, eso
son unos 15 bares), y una
temperatura, suponiendo un
ambiente de 25ºC, de unos
375ºC
MOTOR OTTO

Combustión en los motores de encendido por chispa.
La mezcla se enciende por la chispa eléctrica y se quema en el proceso
de propagación de la llama turbulenta.
 Fase Inicial:
Desde que salta la chispa en la bujía hasta el punto donde
empieza el incremento brusco de la presión. En las zonas de altas
temperaturas entre los electrodos de la bujía surge unpequeño
foco de combustión que se convierte en un frente de llama
turbulenta,siendo el porcentaje de la mezcla que se quema muy
bajo. La velocidad de llama es relativamente baja y solo depende
de las propiedadesfísico – químicas de la mezcla.
MOTOR OTTO

Fase Principal:
La llama turbulenta se propaga por toda la
cámara de combustión, cuyo volumen casi es constante y el
pistón se encuentra cerca del PMS.
La velocidad de propagación depende de la intensidad de la
turbulencia lo que es a su vez directamente proporcional a la
frecuencia de rotación del cigüeñal.
Cuando el frente de la llama llega a las paredes, como hay
menos turbulencia, la velocidad disminuye.
MOTOR OTTO

Fase de combustión residual:
Se quema la mezcla detrás del frente de llama. La
presión ya no crece por que ya se produce la carrera
de expansión y hay transmisión de calor a las
paredes.
La velocidad de la combustión en las paredes y
detrás del frente de la llama es lenta y depende de las
propiedades físico–quimicas de la mezcla. Para
aumentar esta velocidad hay que crear turbulencia
en las zonas de combustión residual.
MOTOR OTTO

Para que comience la reaccción será necesaría energía que eleve la
temperatura. Esta se produce por medio del salto de una chispa eléctrica en
un lugar de la cámara de combustión.

La chispa se produce antes que el pistón alcance el punto muerto superior de
la carrera de compresión.
MOTOR OTTO

La nube de gases, en rojo, compuesta por los productos de la combustión del
hidrocarburo y aire (dióxido de carbono, agua, nitrógeno, oxígeno, monóxido
de carbono, etc.) a una temperatura muy alta (será del orden de 2700 K). Esa
nube está rodeada de gases más fríos, gases iguales a los originales.

Se transfiere de calor desde los gases calientes a los fríos, esta transferencia se
puede producir por una cierta convección dada la turbulencia de la
combustión
MOTOR OTTO

La velocidad del frente de llama dependerá:
 Cómo se transfiere el calor desde los gases calientes a los fríos debido
en mayor medida por la turbulencia de los gases
 La riqueza de la mezcla a través de la tasa de producción de radicales
libres, de manera que con mezclas ligeramente ricas, factores lambda
de 0.85 aproximadamente, que es donde la producción es mayor, la
velocidad del frente es máxima

Finalmente, la llama se termina apagando cuando llega a las proximidades de
las paredes. Los gases que están allí reciben el calor proveniente de los gases
calientes, pero en vez de aumentar su temperatura, al estar pegados a la pared
lo conducen hacia ella, así que no se calientan y por tanto no se queman.
MOTOR OTTO
MOTOR OTTO


Observando el fenómeno desde
fuera, lo que se ve es un frente de
llama que va avanzando por la
cámara, haciendo que reaccione la
mezcla.
Si la temperatura de los gases aún
sin reaccionar llega a ser muy alta,
es posible que ellos solos entren en
ignición, sin necesidad de que
llegue el frente de llama. En ese
caso se produce lo que llamamos
detonación o que también se
conoce como picado de biela.
MOTOR OTTO

la combustión viene a
durar un ángulo variable
para cada tipo de motor
MOTOR OTTO

TABLA DE SECUENCIA DE EXPLOSIÓN PARA
UN MOTOR DE 4 CILINDROS
CILINDRO 1
CILINDRO 2
CILINDRO 3
CILINDRO 4
1½
EXPLOSIÓN
ESCAPE
COMPRESIÓN
ADMISIÓN
2½
ESCAPE
ADMISIÓN
EXPLOSIÓN
COMPRESIÓN
3½
ADMISIÓN
COMPRESIÓN
ESCAPE
EXPLOSIÓN
4½
COMPRESIÓN
EXPLOSIÓN
ADMISIÓN
ESCAPE
Orden de
explosión
1–3–4–2
CÁMARAS DE COMBUSTIÓN

La combustión se produce dentro del cilindro en la cámara de combustión
que es el espacio donde quedan reducidos los gases después de la compresión.

La cámara de combustión esta diseñada para concentrar completamente la
fuerza explosiva del combustible que se quema en la cabeza del pistón.
 Aumentar la intensidad de la chispa que salte de la bujía.
 Crear turbulencia de la mezcla o carga en la admisión, que reduce la
duración de la combustión y la uniformidad de los ciclos
consecutivos.
 Estratificar la mezcla, lo que consiste en que la mezcla cerca de la
bujía sea la mas rica y se empobrezca a medida que se aleja de la bujía.
CÁMARAS DE COMBUSTIÓN
RENDIMIENTO

Potencia Útil
Resistencia
Mecánica
Energía en forma
de calor en los
gases de escape
Agua de
Refrigeración
0
10
20
30
40
MOTOR DIESEL

Su combustión se basa en la inflamación espontánea del combustible.

El combustible que utilizan es el gasoil.

Al final de la compresión (recuérdese que en un motor Diesel sólo se
comprime aire), estando el aire a una presión, que en motores fuertemente
sobrealimentados puede ser de unos 80 bares, y temperaturas de 1000 K, se
empieza a inyectar el combustible

El combustible, una vez en el interior de la cámara de combustión, comienza
a vaporizarse y se empieza a formar una nube de aire y combustible
vaporizado.
MOTOR DIESEL

Empiezan a producirse choques entre moléculas, y a generarse radicales.
Pasado un cierto tiempo, esa nube entra en ignición, e instantáneamente se
quema una cierta cantidad de combustible

Una combustión que se llama de premezcla, en la que se libera bastante
energía en poco tiempo. La temperatura de esa zona sube mucho, y hay una
subida de presión bastante brusca, que es la responsable del ruido del motor
Diesel.

Tras la combustión de Premezcla hay ahora en la cámara gotas líquidas de
combustible, y otras que aún se pueden seguir inyectando, rodeadas de aire y
gas residual de la combustión de premezcla a alta temperatura.
MOTOR DIESEL

De modo que aumenta la tasa de
vaporización de las gotas
combustible, y el vapor que sale de
la gota se difunde por la cámara.
En cuanto encuentra oxígeno,
reacciona y se quema, se denomina
combustión por difusión.

Es la segunda fase de la
combustión e el motor Diesel. Es
una combustión mucho más lenta,
y está gobernada por la tasa de
inyección que se tiene, la tasa de
vaporización de las gotas y la
facilidad con que el vapor
encuentre oxígeno
MOTOR DIESEL

La combustión por premezcla y después por difusión, marcan un límite al
régimen de giro del motor Diesel. Ésto es debido a que hay procesos cuya
duración no depende del régimen de giro, y a medida que éste aumenta, la
combustión va ocupando un ángulo cada vez mayor .

Para un alto régimen de giro del motor la combustión ocupa mucho ángulo de
giro del cigüeñal, disminuyendo el rendimiento del motor.

En el Diesel, debido a que al final de la combustión al combustible le cuesta
encontrar oxígeno, no se pueden quemar mezclas con tanto combustible.
MOTOR DIESEL

La lambda mínima para un Diesel ronda el valor 1.2, lo que equivale a que hay
que tener sobre un 20% de exceso de aire para que todo el combustible
encuentre oxígeno. Por debajo de eso, aumenta mucho la emisión de
partículas de hollín.

Las dos razones principales por las cuales el motor Diesel consume menos
que el Otto son la mayor relación de compresión del Diesel y la capacidad
para quemar mezclas pobres
CÁMARAS DE COMBUSTIÓN

El inyector introduce en ella el combustible pulverizado, el cual se mezcla con
el aire; de ahí que la forma de la cámara de combustión deba facilitar esta
mezcla del combustible con el aire.

Tanto la mezcla como la combustión deben realizarse en un tiempo mínimo
lo más cercano posible al punto muerto superior.

Las cámaras de combustión pueden clasificarse en:
 Inyección Directa
 Inyección Indirecta
 Precombustión
 Con Cámara de Turbulencia
CÁMARAS DE COMBUSTIÓN

INYECCIÓN DIRECTA:
El combustible se inyecta
directamente en la cámara de
combustión a una presión entre
130 y 300 bares, generalmente
sobre la cabeza del pistón que
está mecanizada para producir la
turbulencia necesaria.
Tiene menor consumo de gasoil
y mejor arranque en frío para
relaciones de compresión
superiores a 15 sin necesidad de
precalentador
CÁMARAS DE COMBUSTIÓN

INYECCIÓN INDIRECTA:

PRECOMBUSTIÓN
El pistón encierra en la carrera de
compresión el aire en la
antecámara, donde se inyeccta el
gasoil que se quema parcialmente,
para durante la expansión
producida se expulsa el resto del
combustible sin inflamar por el
atomizador para finalizar su
combustión en el interior del
cilindro.
CÁMARAS DE COMBUSTIÓN

CÁMARA DE
TURBULENCIA
Es una evolución de la anterior en
la que casí todo el aire pasa a una
antecámara para generar la
turbulencia.
COMBUSTIBLES

PETRÓLEO

El petróleo es un líquido aceitoso, viscoso e
inflamable, constituido por una mezcla de
hidrocarburos, que, de forma natural, se encuentra
en determinadas formaciones geológicas.

La teoría más aceptada sobre su formación afirma
que es el producto de la degradación, a través de
grandes presiones y temperaturas, de materia
orgánica procedente de restos de animales y plantas.
COMBUSTIBLES

El petróleo es una mezcla de hidrocarburos líquido en los que están disueltos
otros hidrocarburos se encuentran alcanos, lineales y ramificados, de hasta
C40, acompañados de cierta cantidad de cicloalcanos e hidrocarburos
aromáticos.

Los hidrocarburos están formados por carbono, hidrógeno, oxígeno,
nitrógeno y azufre. La composición media del petróleo sería 85%C, 12%H y
3% S+O+N, además de varios elementos metálicos. La composición de los
crudos varía dependiendo del lugar donde se han formado. Las diferencias
entre unos y otros se deben, a las distintas proporciones de las diferentes
fracciones de hidrocarburos, y a la variación en la concentración de azufre,
nitrógeno y metales.
COMBUSTIBLES

OBTENCIÓN


Las reservas petrolíferas se
encuentran bajo la superficie
terrestre a cientos o miles de
metros de profundidad
Los mayores depósitos de
petróleo y los principales
productores se encuentran en
el Medio Oriente, América
Latina (México y Venezuela),
Africa, Europa Oriental, Rusia,
Norteamérica y el Lejano
Oriente
COMBUSTIBLES
COMBUSTIBLES

REFINERÍA
Una refinería es un enorme
complejo donde ese petróleo
crudo se somete en primer
lugar a un proceso de
destilación o separación física
y luego a procesos químicos
que permiten extraerle buena
parte de la gran variedad de
componentes que contiene,
una gran variedad de
compuestos que llegan
fácilmente a los 2.000
subproductos
DESTILACIÓN

Los productos que se sacan del proceso de refinación se llaman derivados y
los hay de dos tipos: los combustibles, como la gasolina, diesel, etc. ; y los
petroquímicos, tales como el etileno, propileno

El primer paso de la refinación del petróleo crudo se cumple en las torres
de "destilación primaria" o "destilación atmosférica". En su interior, estas
torres operan a una presión cercana a la atmosférica y están divididas en
numerosos compartimentos a los que se denomina "bandejas" o "platos".
Cada bandeja tiene una temperatura diferente y cumple la función de
fraccionar los componentes del petróleo.

El crudo llega a estas torres después de pasar por un horno, donde "se
calienta" a temperaturas de hasta 400º centígrados que lo convierten en
vapor. Esos vapores entran por la parte inferior de la torre de destilación y
ascienden por entre las bandejas. A medida que suben pierden calor y se
enfrían.
DESTILACIÓN

Cuando cada componente vaporizado encuentra su propia temperatura, se
condensa y se deposita en su respectiva bandeja, a la cual están conectados
ductos por los que se recogen las distintas corrientes que se separaron en esta
etapa.
GASOLINAS

La gasolina es un hidrocarburo con 5 a 12 átomos de carbono
por molécula, su rango de destilación varía entre 40º y 200º C, y
se utiliza como combustible en motores de combustión interna
de dos o cuatro tiempos, principalmente automóviles,
motocicletas y vehículos livianos en general.

Es una sustancia líquida volátil, inflamable e incolora; el aspecto
verde, rojo o amarillento se logra mediante la incorporación de
un colorante artificial, que además de facilitar su diferenciación,
permite controlar su eventual adulteración.
GASOLINAS

ÍNDICE DE OCTANO

El índice de octano de una gasolina es una medidad de su capacidad
antidetonante. Las gasolinas que tienen un alto índice de octano producen
una combustión más suave y efectiva.

El índice de octano de una gasolina se obtiene por comparación del poder
detonante de la misma con el de una mezcla de isooctano y heptano. Al
isooctano se le asigna un poder antidetonante de 100 y al heptano de 0.
GASOLINAS

Una gasolina de 97 octanos se comporta, en cuanto a su capacidad
antidetonante, como una mezcla que contiene el 97% de isooctano y el 3% de
heptano.

Las gasolinas además incorporan unos aditivos específicos (metil t-butil eter
MTBE) para potenciar sus propiedades antidetonantes y otras características.

Hoy en día debido a la necesidad de controlar las emisiones, se instalan
conversores catalíticos en los automoviles. En ellos nace la necesidad de la
utilización de las gasolinas sin plomo.
GASOLINAS

La gasolina con plomo contiene como aditivo el Tetraetilato de plomo para
mejorar el octanaje , al arder , los residuos de plomo poco volátiles se van
depositando sobre los asientos de las válvulas de escape.

El plomo es un metal blando, Las zonas rojas sufren el desgaste lor residuos
metálicos poco volátiles que se van depositando , tienen un efecto beneficioso
sobre los asientos y guías, actuan como una "almohada" que se interpone
entre la válvula de escape y su asiento , con la ventaja de que se renuevan
continuamente .
GASOLINAS

SIN PLOMO 95 OCTANOS


SIN PLOMO 98 OCTANOS


Libre de azufre: menos de 50 ppm
Libre de azufre: menos de 10 ppm
SUPER 97
GASOIL

Es el combustible empleado en los motores diesel, se trata de un producto
más denso que la gasolina y tiene algo más de poder calorífico.

El grado de autoinflamación del gasoil se mide por el Número de de cetano
que conviene que se encuentre entre 40 y 70

Su curva de destilación se encuentra entre los 260 y 370°C

Bajo contenido en azufre

Debe permitir una correcta combustión, protegiendo el sistema de inyección
y de alimentación, además de evitar la corrosión de las diferentes partes del
motor
GASOIL

Número de cetano:
Representa un índice de la capacidad de inflamación del combustible. Se
define como el porcentaje en volumen de cetano (una parafina a la que se
asigna grado 100) en una mezcla con alfa-metilnaftalina que ofrece el
mismo retraso de encendido que el combustible en cuestión. Cuanto más
alto sea el número de cetano, más bajo es el retraso de encendido, lo que
beneficia el rendimiento del motor.
GASOIL


Diesel e+
Diesel e+ 10

Desactivador de metales para evitar la formación de insolubles metálicos
LEGISLACIÓN
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COMBUSTIÓN Y COMBUSTIBLES