A brief review on fuels used in internal combustion engines.

1. UNIDAD 3
Termoquímica y Combustibles

2. Reacciones de combustión
Los motores de combustión interna (MCI) obtienen su energía de
la combustión de un combustible con aire, que al reaccionar
convierten la energía química en energía interna.
Existen muchos tipos de combustibles, los cuales se componen
principalmente de:
• Hidrógeno.
• Carbono.
• Oxígeno (alcoholes).
• Nitrógeno.
• Azufre.

3. La máxima cantidad de energía que puede transferir en forma de
calor, un combustible, se obtiene al reaccionar con una cantidad
estequiométrica de oxígeno.
El oxígeno estequiométrico (oxígeno teórico) es el necesario para
convertir todo el Carbono en CO2 y el Hidrógeno en H2O, sin
oxígeno libre.
Por ejemplo, la reacción química balanceada de Metano, con
oxígeno estequiométrico es:
Reactivos Productos
Reacciones de combustión

4. Y la reacción química balanceada de Iso-octano, con oxígeno
estequiométrico es:
Un kilomol (kmol) de sustancia tiene una masa en kilogramos
equivalente el peso molecular de dicha sustancia.
Reacciones de combustión

5. El costo de utilizar oxígeno puro, es elevado. Por lo tanto, los
motores utilizan el aire como fuente principal.
El Nitrógeno y el Argón son químicamente neutros y no reaccionan
en el proceso de combustión. Su presencia afecta a la temperatura
en la combustión. Para simplificar cálculos:
• 78% Nitrógeno
• 21% Oxígeno
• 1% Argón, CO2, CH4, He, etc.
• 79% Nitrógeno
• 21% Oxígeno
Reacciones de combustión

6. Por cada 0.21 moles de Oxígeno, hay 0.79 moles de Nitrógeno. Es
decir, por cada mol de Oxígeno, hay 3.76 moles de Nitrógeno.
Por ejemplo, la reacción de combustión del Metano, con aire
estequiométrico es:
Y la reacción de combustión del Iso-octano, con aire
estequiométrico es:
Reacciones de combustión

7. • Es conveniente balancear la reacción para 1 mol de combustible.
• La energía desprendida de la reacción tendrá unidades de
energía por cada kmol de combustible.
• La energía total, puede obtenerse si se conoce el flujo de
combustible y el peso molecular de cada componente.
Reacciones de combustión

8. La combustión puede efectuarse aun, con exceso o con deficiencia
de aire estequiométrico (mezcla pobre o rica respectivamente).
Por ejemplo, si se quema Metano con 150% de aire estequiométrico,
el exceso de oxígeno termina en los productos.
Y si se quema Iso-octano con 80% de aire estequiométrico, no habrá
suficiente oxígeno para convertir el Carbono en CO2, y se obtiene
CO en los productos.
Reacciones de combustión

9. El Monóxido de Carbono es un gas incoloro, inodoro y muy
perjudicial para la salud. Se forma cuando existe deficiencia de
oxígeno (aire) durante la combustión.
Para la combustión real en un motor, la razón de equivalencia es
una medida de la mezcla combustible-aire relativa a las
condiciones estequiométricas.
Reacciones de combustión

10. Reacciones de combustión

11. • Cuando los gases de escape de un MCI se enfrían por debajo de
su temperatura de punto de rocío, Tdp, existirá condensación de
vapor de agua en el sistema de escape.
• Tal condensación se nota con la salida de gotas de agua del tubo
de escape, principalmente cuando el motor inicia su arranque en
frío.
• El tubo rápidamente se calienta y supera el valor de Tdp , y el
agua condensada se evapora nuevamente.
• El vapor se nota cuando los gases calientes de escape, se enfrían
por el aire de los alrededores, principalmente en invierno.
Temperatura de punto de rocío de
los gases de escape

12. Calor de Reacción
El calor liberado durante la reacción de un hidrocarburo con aire,
equivale a la diferencia entre la entalpía total de los productos y la
entalpía total de los reactantes.
Es llamado calor de reacción, calor de combustión o entalpía de
reacción.
Donde 𝑵𝒊 es el número de moles del componente i, y además
 i
f
i h
h
h 


0

13. Donde 𝑵𝒊 es el número de moles del componente i, y además
𝒉𝒇
𝒐
es la entalpía de formación, entalpía necesaria para formar un
mol de ese componente en condiciones atmosféricas estándar de 25
°C y 1 atm. Para elementos químicamente estables, como O2, N2,
H2, y C, tiene un valor de cero a esa temperatura.
∆𝒉 es el cambio de entalpía desde la temperatura de referencia
estándar, hasta la temperatura del componente i.
Calor de Reacción
 i
f
i h
h
h 


0

14. Poder Calorífico de un Combustible
• El valor calorífico 𝑸𝑯𝑽 es
el valor absoluto del calor
de reacción por mol de
combustible.
• Es calculado suponiendo
que reactantes y
productos estan a 25 °C.
• Se clasifica en superior
𝑸𝑯𝑯𝑽 e inferior 𝑸𝑳𝑯𝑽, y se
relacionan mediante
  O
H
fg
LHV
HHV mh
Q
Q
2



16. Temperatura de Flama Adiabática
Una estimación de la máxima temperatura alcanzada durante la
combustión en un motor, se obtiene calculando la temperatura de
flama adiabática.
Haciendo 𝑸 = 𝟎 en la ecuación del calor de reacción
Suponiendo que las condiciones de los reactantes son conocidas, es
necesario determinar la temperatura de los productos que
satisfacen la ecuación.
A esa temperatura, se le conoce como temperatura de flama
adiabática.

17. Temperatura de Flama Adiabática
• La temperatura de flama adiabática, es la temperatura máxima
teórica obtenida durante la reacción de un combustible y un
comburente.
• La temperatura máxima real, será menor a la temperatura de
flama adiabática, ya que no existe combustión eficiente al 100%.

18. Análisis de los Gases de Escape
• Es práctica común analizar los gases de escape en un motor de
combustión interna.
• En los automóviles modernos, el monitoreo de la composición
química de los gases de escape, se realiza mediante sensores.
• La información enviada por estos a la computadora del
automóvil, permite modificar algunos parámetros como la
relación aire combustible, el tiempo de ignición, el tiempo de
apertura de las válvulas, etc.
• Algunos talleres, (similares a los verificentros) analizan también
los gases de escape de un MCI, para determinar las condiciones
de emisiones contaminantes.

19. Análisis de los Gases de Escape
• Estos adquieren una muestra de gases para analizarlos
externamente.
• Al realizar esto, probablemente los gases se enfrían por debajo
de su temperatura de punto de rocío antes del análisis, y el
vapor de agua condensado modificará la composición química
de los gases.
• Para compensar esto, se realiza un análisis seco, removiendo
todo el vapor de agua presente en los gases, por algún método
termoquímico.