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COMBUSTIÓN - Definición - Significado

Una reacción química en cadena, que produce calor • Por vez primera se consigue fotografiar las llamas frías • Un ordenador electrónico analiza en cada instante la combustión • Los sistemas para poder ver dentro de la cámara de explosión • Formas de combustión anómala

El motor de combustión interna con encendido por chispa transforma la energía térmica derivada de la combustión del fluido operante (gasolina + aire) en trabajo, es decir en energía motriz. La combustión de la gasolina va precedida por la formación de la mezcla de gasolina y aire en el carburador: la mezcla introducida en el cilindro mediante el sistema de alimentación, es comprimida durante la carrera ascendente del pistón y, en el momento oportuno, inflamada por la chispa que salta entre los electrodos de la bujía. A causa de la consiguiente combustión, el volumen de la mezcla tiende a aumentar rápidamente, con lo que se obtiene una fuerte presión que hace mover al pistón.

De esta exposición esquemática resulta evidente que el elemento característico del motor térmico es precisamente la combustión: pueden cambiar el fluido operante (gasolina, gasoil, etc.), el tipo de encendido (por chispa, por compresión, etc.), la manera de formarse la mezcla (quemador, bomba de inyección, carburador, etc.), el lugar de la combustión (externa o interna), la cinemática primaria (alternativa o rotativa), pero no puede existir un motor térmico que prescinda de la combustión.

¿Qué es la combustión?

La combustión, en forma esquemática, es la reacción mediante la cual el carbono (C) y el hidrógeno (H), que constituyen la molécula de los hidrocarburos, reaccionan completamente con el comburente, es decir con el oxígeno (02) contenido en el aire, para formar dióxido de carbono (C02) y vapor de agua (H20). Se trata de una reacción claramente exotérmica, es decir acompañada de producción de calor. Así, para una molécula de n-heptano se tiene: C7H16+1102 — 7C02 + 8H20 + Q, (1), en la cual la cantidad de calor Q, llamada potencia calorífica inferior, es de 10.500 kcal/kg. En realidad, tal esquema prescinde de considerar la existencia de un conjunto de reacciones «en cadena», que, partiendo de las substancias iniciales, el combustible y el comburente, conducen a los productos finales de la combustión. Dichas reacciones, importantes en el caso de los hidrocarburos, se estudiarán en la parte que concierne a la química de la combustión. A estas reacciones secundarias se debe, en gran parte, el problema de los gases contaminantes.

Química de la combustión

Como ya se ha anticipado en la introducción, la ecuación (1) que expresa en forma elemental la combustión incluye un conjunto de reacciones intermedias, por lo que en realidad las cosas son complicadas. Efectivamente, casi todos los hidrocarburos, a excepción del metano, el benceno y el etileno, presentan en un intervalo de temperaturas bastante amplio (250-600 °C), un tipo de inflamación que se caracteriza por la aparición de 2 períodos de reacción.

En el primero, denominado de llamafría, porque produce una cantidad de calor reducida además de una mínima emisión luminosa, se originan productos intermedios que serán oxidados completamente (o casi) en el período sucesivo. El segundo está caracterizado inicial-mente por la llama azul, que presenta luminosidad mucho más intensa y temperatura más elevada, y más tarde por la llama amarilla, en la cual se completan las reacciones de oxidación. Este mecanismo de reacción tiene gran importancia, ya que a diferencia de lo que sucede en los sistemas de combustión continua, se manifiesta extensamente en los motores de combustión cíclica e incluso parece que tienda a caracterizar de forma unívoca el desarrollo de la combustión y la formación de los contaminantes.

Dado que la inflamación en 2 períodos incluye un mecanismo de reacciones fundamentales con ramificaciones degeneradas o retardadas, es oportuno dar algunas nociones elementales sobre esas reacciones.

Las reacciones en cadena abarcan una gran variedad de éstas, cuya velocidad aumenta con la acumulación de ciertos productos de la misma reacción. La característica esencial de la mayoría de las reacciones que tienen lugar, antes de la explosión, en las mezclas de hidrocarburos y oxígeno es la aceleración de las reacciones ocasionadas por los radicales libres formados en las transformaciones químicas intermedias y no por los productos finales como C02 y H20.

Un radical libre es un átomo o un grupo de átomos con un electrón desaparejado (o impar). En la expresión gráfica, el radical libre se representa colocando junto al símbolo químico un punto que indica precisamente el electrón desaparejado. La mayor parte de radicales libres son muy reactivos, ya que buscan otro electrón para completar el octete electrónico de la capa de valencia; además, los radicales poseen mucha energía (que les ha sido suministrada como luz o como calor, con el fin de lograr la rotura de la molécula inicial) y por tanto, tienen una tendencia notable a perder energía, para formar un nuevo enlace químico. Para ello, es decir para reaccionar, el radical libre chocará preferentemente con las partículas presentes en el gas en elevada concentración (choque probable) y con especies nuevas (choque de producción) dando lugar a otros radicales libres.

Se puede considerar, por ejemplo, la reacción hidrógeno-oxígeno que puede esquematizarse, en condiciones adecuadas, por una primera reacción en la que radicales OH" formados a partir de moléculas neutras de H2 y 02 dan origen a radicales H'OH'+H2=H20 + H(2) y con una reacción de ramificación de la cadena portadora de la automultiplicación de las valencias libres, se llega a los radicales O": H+02=OH+0 (3) por cada radical H entrante, se tiene la formación de un radical OH y un radical doble O. En condiciones isotérmicas la reacción (2) no conduciría a la explosión, ya que posee cadena lineal (un radical OH entra y un radical H sale), mientras que la reacción (3) de cadena ramificada, por la multiplicación de los radicales libres, es autocatalítica y lleva todo el sistema hidrógeno-oxígeno a una velocidad prácticamente infinita de reacción, es decir a la explosión.

En el caso de que la reacción ao sólo no tenga lugar en condiciones isotérmicas, sino que la velocidad de absorción del calor suministrado al sistema por la reacción química prevalezca sobre la velocidad de cesión del calor al ambiente, entonces el aumento de temperatura favorecerá el desarrollo de las reacciones que conducen a la explosión térmica de la mezcla.

Un tipo único de fenómeno de combustión es la combinación de la explosión térmica con un mecanismo especial de ramificación que, por sí mismo, no conduciría a la inflamación en cadena. A diferencia de la ramificación simple, que es producida por los portadores iniciales de la cadena [H en la ecuación (3)1, la ramificación durante la oxidación de los hidrocarburos la provocan los peróxidos orgánicos y los aldehidos, productos relativamente estables de la oxidación incompleta de los radicales de los hidrocarburos. Dichas ramificaciones son relativamente escasas y tienen lugar después de transcurrir un cierto tiempo de la formación del producto intermedio, por lo oual la reacción total resulta retardada respecto a lo que sucede en la ramificación normal.

Durante la ramificación degenerada, la inflamación sólo es posible cuando la velocidad de reacción y el desprendimiento de calor son lo suficientemente elevados, de manera que la aceleración de la cadena sea reemplazada por la autoaceleración térmica de la reacción, que conduce a la explosión (térmica). Estas reacciones, dependientes de un mecanismo que es a la vez de radicales y térmico y que son prácticamente características de todos los procesos de autoaceleración que se producen en la oxidación de los hidrocarburos, se denominan reacciones de ramificaciones degeneradas y fueron estudiadas inicialmente por el cientifico soviético Semenov.

Dado que es muy difícil seguir en sus varias fases la evolución de las reacciones de combustión en la cámara de explosión de un motor (habida cuenta también de los reducidos tiempos en que se realizan), se ha recurrido a instrumentos de laboratorio que reproducen, con oportunas simplificaciones, las mismas reacciones del motor. Uno de los instrumentos usados es un reactor vertical de ñujo (figura 1). En dicho reactor, la temperatura se mantiene con dispositivos externos crecientes de abajo arriba, de forma que a cada altura del reactor le corresponda una temperatura constante durante el tiempo de reacción; por tanto, el aumento de temperatura, que en la cámara de explosión se produce en tiempos sucesivos infinitamente pequeños, en el reactor no varia con el tiempo sino con el espacio. Esta disposición permite examinar detenidamente lo que sucede en los distintos períodos o estadios de la combustión, lo cual sería imposible en el motor, en el que dichas transformaciones se realizan en tiempos del orden de las decenas o de los centenares de microsegundos.

El fenómeno que se observa de llamas frías y azules alimentando el reactor con n-heptano, demuestra la gran facilidad de autoencendido de este hidrocarburo que luego se traduce, en su comportamiento en el motor, en una notable tendencia a la detonación.

Por el contrario, otros hidrocarburos con elevado poder antidetonante, como el benceno, carecen incluso de llamas frías, mientras que en el reactor presentan llamas amarillas de notable intensidad, a causa de la considerable producción de carbonilla propia de los productos aromáticos.

La explicación química del distinto comportamiento respecto a la detonación de 2 hidrocarburos típicos, el n-heptano y el isooctano (números de octano 0 y 100 respectivamente), puede deducirse también de los reactores estáticos (cámaras en las que la mezcla de aire y combustible es sometida a determinadas temperaturas y presiones):

- el n-heptano presenta, a temperaturas y presiones más bajas que el isooctano y de forma más intensa, como se ha visto en el reactor vertical, las llamas frías (zona a la izquierda de la figura 2);

- la línea en forma de S que separa el semi-plano en el que no tiene lugar el encendido de aquel en el cual sí lo tiene, es más baja en el rc-heptano; de esa forma al aumentar la presión y la temperatura en la cámara de combustión, primeramente por la compresión ejercida por el pistón y luego por el efecto sumado de la compresión ejercida por la llama, el autoencendido del n-heptano (y, por tanto, la detonación en el motor) se producirá antes (relación de compresión más baja) que en el caso del isooctano.

En realidad, debe tenerse en cuenta que las curvas de autoencendido de las mezclas de aire y de hidrocarburos deberían manejarse a tiempos constantes: de ese modo se obtendrian las curvas de igual retraso (figura 2), particularmente importantes porque permiten individuar el comportamiento en el autoencendido de las mezclas, en los tiempos breves (del orden del milisegundo) en el que se produce la combustión en los motores actuales.

Física de la combustión y turbulencia

Ya se ha indicado que para aumentar el régimen de revoluciones del motor y, por consiguiente, tener un desarrollo de potencia inmediato, es preciso reducir progresivamente la duración de la combustión. Esto se consigue al aumentar la velocidad de propagación de la llama, aprovechando para ello la turbulencia. Con el nombre de turbulencia se designa el efecto de los movimientos vortiginosos que se inducen en la carga, al obligarla a pasar por los órganos de aspiración y por la compresión sucesiva.

El efecto de la turbulencia sobre el desarrollo de la llama en un motor de combustión interna es difícil de expresar, ya que:

- difícilmente se puede medir la interacción entre superficie de turbulencia (incluso si es homogénea e isótropa) y la onda de combustión;

- el campo de turbulencia presente en el cilindro es muy complejo y difícil de estudiar.

De la interacción entre reacción química y turbulencia se origina la propagación de la llama.

La principal fuente de turbulencia en el cilindro del motor proviene de la estructura misma del chorro (con elevados gradientes de velocidad) de la carga entrante durante la admisión. Por ejemplo, en un motor CFR a 900 rpm, con una relación de compresión igual a 10, la velocidad medida a 10 mm del eje del cilindro es de 35 m/s, mientras que a una distancia de 28 mm del eje la velocidad desciende a 5 m/s. Es interesante observar, como confirmación práctica de lo que se acaba de decir, que la turbulencia desaparece casi completamente cuando se quita el colector de admisión. Durante el tiempo de compresión, el flujo entrante pierde su naturaleza de chorro, asumiendo un movimiento turbulento caracterizado por la presencia de grandes vórtices. En el momento de la inflamación existe un campo de turbulencia estacionario pero no homogéneo, debido a que la energía de los vórtices grandes se ha redistribuido en parte en otros más pequeños. Se explica así el aumento de intensidad (absoluta) de la turbulencia medida con anemómetros de filamento caliente, a partir de 60° antes del punto muerto superior. La intensidad absoluta de la turbulencia es mayor al aumentar el número de revoluciones del motor y el coeficiente de llenado, ya que un incremento de ellas produce una turbulencia más intensa durante la admisión.

Propagación de la llama

Entre las numerosas teorías concernientes al mecanismo de propagación de la llama turbulenta, dos de ellas presentan cierto interés:

- el modelo de superficie, en el que bajo la influencia de una turbulencia gradual, el frente de llama laminar se deforma convirtiéndose en un frente de llama encrespado;

- un modelo tridimensional, en el que la llama turbulenta, cuyo frente es notablemente más amplio que el de la llama laminar, está representada por la propagación de la inflamación discontinua, resultante de la mezcla turbulenta de microvolúmenes de gases frescos y quemados.

La segunda hipótesis (según científicos de la URSS) consigue explicar mejor los notables aumentos de la velocidad de propagación, cuando se pasa de llamas laminares a turbulentas y la acción decisiva de la turbulencia al conducir la velocidad de combustión.

El valor de la velocidad de combustión a 2.500 rpm y a 5.500 rpm (figura 3) llega a un máximo, respectivamente, de 20 y 45 m/s. En la tabla de la pág. 138 se han reflejado los valores de las presiones, los de las temperaturas medias de los gases residuales de la combustión y la fracción de gases quemados. El período inicial de propagación de la llama, caracterizado por velocidades muy bajas y por la combustión de alrededor del 10 % de la mezcla, dura aproximadamente 10° de rotación del cigüeñal y, contra lo que pudiera imaginarse, es el más importante, ya que condiciona de forma unívoca la subsiguiente y completa propagación de la llama.

En otras palabras, si la llama nace mal, sea por una turbulencia demasiado baja cuando 8alta la chispa o por una defectuosa relación aire/combustible, tendrá una duración escasa, con una velocidad muy baja incluso después, mientras que si las condiciones químicas favorables (combustible, relación aire/combustible) y las físicas (temperatura, presión y turbulencia) facilitan la formación del primer núcleo de combustión, el frente de llama siguiente se propagará rápidamente por toda la cámara. Si (como ocurre en el motor con carga estratificada) la mezcla de aire y combustible es muy rica en las proximidades de la bujía, el frente de llama que se ha formado se propagará de manera estable incluso a las zonas en las que la mezcla sea muy pobre, es decir, que está por debajo del valor indispensable para que se produzca la combustión en un motor normal.

El período inicial de propagación de la llama es muy sensible a las variaciones, incluso mínimas, de la intensidad de turbulencia y de la relación aire/combustible, variaciones que tienen lugar al pasar de un ciclo de combustión a otro. De ese modo se originan notables variaciones en la propagación de la llama al pasar de un ciclo al sucesivo (dispersión cíclica), variaciones que se aprecian visiblemente por el comportamiento de las presiones en la cámara de combustión (figuras 6 y 7).

El segundo período de propagación del frente de llama, contrariamente al primero, que es sensible al factor químico, resulta influido preferentemente por el factor físico y en modo especial por la turbulencia. Por tanto, la duración total de la combustión es función de la turbulencia y en definitiva del número de revoluciones por minuto, por lo que a una mayor velocidad del motor corresponde una velocidad más alta de combustión (figura 3). Esta continua adaptación de la combustión a las necesidades del motor constituye la base de su funcionamiento y con ello determina su característica fundamental de elasticidad.

Cuando la turbulencia se reduce notablemente, como en el caso de funcionar a cargas bajas (mariposa entreabierta), la duración de la combustión aumenta, pudiendo la mezcla seguir quemándose hasta la apertura de la válvula de escape (figura 8). Al final, la mezcla continúa ardiendo incluso fuera del cilindro, ocasionando explosiones en el escape fácilmente advertibles por el conductor, cuando la situación empeora por diversos factores, como soltar completamente el acelerador, el encendido insuficientemente anticipado y proporción inadecuada de la mezcla de aire y combustible.

Incluso cuando un motor gira normalmente a régimen constante con posición fija del acelerador, los ciclos en los distintos cilindros no son iguales entre si, como tampoco son ¡guales los ciclos consecutivos en un mismo cilindro. Esto se debe a que la turbulencia es un fenómeno incontrolado y cambia en cada instante de configuración, presentando a la bujía vórtices más o menos veloces según los casos. Este fenómeno lleva como consecuencia la variación tanto de la presión máxima (arriba) como de las presiones de todo el ciclo (abajo). Los diagramas ¡lustrados han sido trazados con las pruebas de banco de un motor Alfa Romeo GTA a 5.000 rpm, a plena carga.

Cómo se forman los gases contaminantes

Junto con el dióxido de carbono y el vapor de agua, productos inertes de la oxidación del carbono y el hidrógeno contenidos en el combustible que alimenta al motor, se pueden formar, en algunas zonas de la cámara de combustión y en especiales condiciones de funcionamiento, substancias contaminantes como CO, HC y NO.

Entre ellas, el CO (que produce un aumento de la tasa de carboxihemoglobina, a causa de la cual queda reducido el transporte de oxígeno a la sangre) y los HC (perjudiciales para el organismo) pueden conducir a la formación de otras substancias y dan lugar, en condiciones climáticas especiales, al «smog fotoquímico», que irrita las vías respiratorias y las mucosas.

La explicación de este mecanismo es muy sencilla: una mezcla rica significa que en la cámara de combustión se halla presente menos aire, y por tanto menos oxígeno del que se necesitaría para oxidar el carbono presente en la gasolina. En esas condiciones es natural que algunos átomos de carbono, en lugar de unirse a 2 átomos de oxígeno para formar C02, se junten a un solo átomo de oxígeno, formando el CO. La formación de HC aumenta también al incrementar la riqueza de la mezcla, pero en este caso el mecanismo es más complejo, ya que mezclas demasiado pobres provocan un aumento de dichos hidrocarburos.

El motivo principal del fallo de combustión de una parte de los hidrocarburos hay que atribuirlo al efecto extintor ejercido por las paredes de la cámara de combustión. En efecto, mientras la temperatura de la llama supera ampliamente los 1.000 °C, en las zonas inmediatamente próximas a las paredes -siempre refrigeradas con agua o con aire— y en un espesor de varias décimas de milímetro, la temperatura es mucho más baja y queda por debajo de los valores que permiten a todas las moléculas del hidrocarburo liberar en cantidad suficiente los radicales que originan y sostienen la combustión, por lo que algunos de ellos pasan directamente a los gases de escape.

El monóxido de carbono está influido casi exclusivamente por la relación aire/combustible, en el sentido que cuanto más rica es la mezcla más se incrementa la cantidad de aquél presente en los gases de escape (figura 9). La formación de los hidrocarburos no quemados, que aumenta también al incrementarse la riqueza de la mezcla (salvo que mezclas excepcionalmente pobres ocasionen fallos en el encendido, por lo que el combustible entrante se dirige directamente al conducto de escape), tiene lugar preferentemente en la zona de extinción, es decir en el estrato adyacente a las paredes de la cámara de combustión, donde el frente de llama no consigue llegar. También en el estrato de extinción se forman los aldehidos, productos de oxidación paricial característicos de las reacciones previas de los hidrocarburos (llamas frías), que pueden persistir porque a aquel lugar no llega la llama.

La formación de partículas de carbón, más fácil (lo mismo que los aldehidos) en los motores con ciclo de Diesel que en los de explosión, está favorecida por un exceso de combustible y confiere un característico color amarillo a la llama. Todos los contaminantes hasta aquí mencionados son el resultado de una combustión deficiente o incompleta. Los óxidos de nitrógeno deben considerarse como los productos que acompañan a una eficiente combustión «caliente», por cuanto se pueden formar, considerando los tiempos disponibles en el motor, sólo a temperaturas muy elevadas, de unos 1.600 °C. Por consiguiente, los óxidos de nitrógeno presentan un máximo correspondiente a la relación aire/combustible, que da la máxima temperatura de la llama (figura 9), y se puede decir que su formación es inversamente proporcional a las emisiones de CO y HC.

Se están estudiando diversas soluciones para eliminar los agentes contaminantes; pero junto a soluciones que analizan la combustión y la eliminación de las emisiones nocivas en el escape por medio de reactivos térmicos o catalíticos, recientemente se han desarrollado unos tipos de motores con cámaras capaces de realizar una combustión que permite buenas prestaciones (objetivo único hasta hace 5 años) a bajos niveles de contaminantes, unido todo ello a un bajo consumo de combustible.

Dos tipos de motores reúnen estos últimos requisitos y están en condiciones de lograr los límites de emisiones fijados en EE.UU.: el motor Diesel con inyección indirecta (es decir, en la cámara de precombustión) y el motor de carga estratificada. Así, en el motor Honda CVCC (Compound Vortex Controlled Combustión) se tiene una combustión compuesta (es decir, en 2 períodos: primero la inflamación de una pequeña parte de mezcla muy rica, próxima a la bujía, y luego la propagación de esta llama al resto de la mezcla, muy pobre) con una elevada vertiginosidad inducida en el momento de la inflamación; en ese motor la combustión queda controlada en cuanto que la llama se propaga más lentamente que en un motor convencional (obsérvese el desarrollo de la presión y la temperatura en las figuras 4 y 5). De esa manera se alcanzan temperaturas más bajas (menos óxidos de nitrógeno) durante un tiempo más largo (menos hidrocarburos), mientras que la combustión de una mezcla muy pobre elimina el monóxido de carbono (figura 9).

En los motores convencionales, reduciendo las temperaturas disminuyen los NO pero aumentan los HC. Todo lo contrario sucede si se aumentan las temperaturas.

Emisiones contaminantes de un motor convencional (curvas azules) y del motor Honda CVCC con carga estratificada (curvas rojas), en función de la relación aire/combustible. El motor con carga estratificada logra una notable reducción de los contaminantes, asi como funcionar con mezclas pobres, cosa imposible para un motor convencional que se encontrara en condiciones de misfiring (curvas de trazos), o sea con fallos en el encendido.

Combustión anómala

El comburente que interviene en la reacción de los hidrocarburos es el oxígeno del aire (20,9% en volumen). Junto al oxígeno está el nitrógeno, al que se atribuye la función de elemento inerte de combustión. Pero si se substituye el nitrógeno por otros gases inertes, como el helio o el argón, y se forma de ese modo un aire sintético compuesto por oxígeno y helio o argón (o por oxígeno y una mezcla de helio y argón), se descubre que el nitrógeno es inerte sí, pero de características especiales, puesto que por sus propiedades fisicoquímicas actúa como estabilizador de la combustión. En efecto, con argón el motor detona violentamente, mientras que con helio se anticipa de tal modo el encendido, que sólo con pequeñas cargas y con elevados retrasos del encendido (potencia casi nula) es posible el funcionamiento.

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