En el fascinante mundo de los motores de combustión interna, la relación aire/combustible juega un papel crucial en su desempeño y eficiencia. Conocer las mezclas ricas, pobres y estequiométricas es fundamental para entender cómo se logra la combustión ideal en estos motores. En este artículo, exploraremos en detalle qué es la relación aire/combustible, cómo afecta al funcionamiento del motor y por qué es tan importante para su óptimo rendimiento. ¡Prepárate para adentrarte en el apasionante universo de los motores de combustión interna!
¿Cuál es la relación aire/combustible (combustible/aire)? Mezcla rica, pobre y estequiométrica utilizada para motores de combustión interna.
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¿Qué es la Relación Aire/Combustible (Combustible/Aire)?
Los motores de combustión interna queman combustible para crear energía cinética. La quema de combustible es básicamente la reacción del combustible con el oxígeno en el aire. La cantidad de oxígeno presente en el cilindro es el factor limitante para la cantidad de combustible que se puede quemar. Si hay demasiado combustible presente, no se quemará todo el combustible y se expulsará combustible sin quemar a través de la válvula de escape.
El carburador controla la mezcla de combustible/aire en una motocicleta, y a menudo se utiliza «pobre» y «rico» para describir la mezcla de combustible/aire. Veamos qué efecto tiene esta relación en el motor.
Fórmula de la Relación Aire/Combustible
En primer lugar, hay una mezcla de combustible/aire óptima teóricamente. Esto se llama relación estequiométrica masa/volumen y le indica cuánto aire (es decir, oxígeno) necesita para quemar por completo una cantidad de combustible. Si tiene menos aire que esto, la mezcla es rica. Si tiene demasiado aire, la mezcla es pobre. También puede verlo en términos de combustible. Demasiado combustible da una mezcla rica, demasiado poco da una mezcla pobre.
Por ejemplo:
- 15.0:1 = Pobre
- 14.7:1 = Estequiométrica
- 13.0:1 = Rica
La masa estequiométrica está relacionada con la relación carbono/hidrógeno en su combustible. Tiene sentido, ya que cada átomo de carbono necesita dos átomos de oxígeno para formar CO2, y cada hidrógeno necesita, en promedio, medio átomo de oxígeno. Así que presumiblemente puede sumar el número de átomos de carbono e hidrógeno y hacer un poco de matemáticas para calcular cuántos átomos de oxígeno necesitará.
Si tiene la cantidad «perfecta» de oxígeno para su gasolina, puede esperar obtener alrededor de 45 mega-julios de energía por cada kilogramo de gasolina que tenga. Sin embargo, los motores no son perfectamente eficientes. Para empezar, para obtener la máxima cantidad de trabajo de la explosión, tendría que dejar que los gases se expandieran hasta que se enfriaran a la temperatura del aire circundante (busque los ciclos de Carnot en algún lugar). En un motor real, los gases solo se expanden mientras el pistón se mueve hacia abajo. Cuando se abre la lumbrera de escape y el pistón sube para expulsar los gases de escape, los gases aún están calientes. ¡Por eso el tubo de escape se calienta!
Relación entre la Contaminación del Aire y la Relación Estequiométrica
Un motor normal tiene una eficiencia de aproximadamente el 20-40%, por lo que solo obtiene el 20-40% de la cantidad máxima teórica de energía de cada explosión. El resto de la energía se utiliza para calentar el refrigerante del motor, los gases de escape y los alrededores del motor.
Todos estos gases de escape calientes salen del cilindro, pasando por la válvula de escape. Esto hace que la válvula de escape se caliente bastante, hasta 300 grados Celsius. Debido a esto, la válvula de escape sufre más que la válvula de admisión, ya que los gases que ingresan al cilindro están a temperatura ambiente.
Al parecer, para la gasolina, obtienes una combustión estequiométrica (es decir, combustión completa) cuando tienes una relación de combustible/aire de 1:15 (es decir, 15 partes de aire por una parte de combustible). Puede obtener más energía de su motor mediante el uso de una mezcla más rica de 13:1, pero estará produciendo algo de combustible parcialmente quemado, lo que resultará en un escape con humo y un motor sucio. Obtendrá la máxima eficiencia térmica (¿más energía con una cantidad dada de combustible?) cuando tenga una mezcla pobre como 17:1.
Veamos qué sucede cuando la bujía enciende cuando se está utilizando una mezcla pobre. Hay menos moléculas de combustible, por lo que la llama se mueve más lentamente a través del cilindro. Esto deja más calor en las paredes del cilindro y en la culata del cilindro, lo que puede provocar sobrecalentamiento. Si la mezcla de combustible/aire es muy pobre, la llama aún puede estar presente cuando se abra la válvula de admisión, ¡lo que provoca una explosión!
Si tienes una relación de compresión de 12:1, con una velocidad de motor de 1500 rpm, la llama se moverá por el cilindro a unos 15 metros por segundo.
A medida que aumenta la velocidad del motor, hay menos tiempo para que la mezcla se queme por completo. Un motor que funciona a 1000 rpm pasa 0,06 segundos en cada ciclo, lo que se reduce a 0,006 segundos cuando funciona a 10,000 rpm. Una forma de combatir esta disminución del tiempo disponible para la combustión es adelantar un poco el encendido de la bujía cuando el motor está funcionando rápido, esto se llama adelanto del encendido. Si aumenta demasiado el adelanto del encendido, puede causar detonación. Sin embargo, si el motor funciona rápido, hay menos tiempo para que ocurran reacciones frente al frente de la llama, lo que tiende a disminuir la probabilidad de que se produzca la detonación.