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¿CÓMO SE QUEMAN LAS MEZCLAS?

 

Hablaremos en este tema de cómo se produce la reacción de combustión cuando tenemos una mezcla de aire y combustible, que así, a priori, no tiene porqué arder (bueno, a veces sí).

Vamos a hablar de varias cosas, primero, de estequiometría, es decir, de la cantidad de oxígeno, o en su caso aire, que hace falta para quemar una cierta masa de combustible. También nos introduciremos un poco en el proceso, estudiando las diversas etapas que tienen lugar, como reacciones parciales de la combustión completa. Aquí se hablará también de los productos que quedan al final de la reacción, en función del aire que mezclemos con el combustible.

Finalmente, se verá qué es necesario para que la reacción se produzca, es decir, qué condiciones se deben cumplir para que en el seno de una mezcla de aire y combustible se produzca el inicio de la combustión.

Estequiometría

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. 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. Con esa forma, se obtiene una combustión completa. Para el caso del octeno, por ejemplo, de molécula C8H16, la reacción de combustión completa es:

reacción de combustión

Hablando en términos de moles, la masa molecular del octeno es, más o menos, 112 g/mol, y la de oxígeno 32 g/mol, luego se necesitan 384 g de oxígeno para quemar 112 g de octeno. Como el aire tiene, más o menos, un 21% de moléculas de oxígeno y un 79% de nitrógeno, las 12 moléculas de oxígeno van acompañadas de 45.1 moléculas de nitrógeno, así que en definitiva, para quemar los 112 g de octeno, hacen falta 1648 g de aire (384 g de oxígeno y 1264 de nitrógeno).

Esa proporción, 14.7 gramos de aire por cada gramo de combustible, se llama estequiométrica, y se llama λ (lambda) al cociente entre la masa de aire y la masa de combustible de una mezcla. Una lambda de 14.7 indica que la mezcla es estequiométrica, o sea, que hay justo el aire necesario para quemar el combustible que hay. Se llama lambda relativa (λR) al cociente entre la lambda y la lambda estequiométrica, luego una λR mayor que 1 indica que la mezcla es pobre, con exceso de aire, y si es menor que uno, que la mezcla es rica, con exceso de combustible.

Como ejemplo, en un Otto de inyección en colector (vamos, de los de toda la vida) actual, la λR de funcionamiento normal es de 1, pero a plena carga, cuando pisamos el acelerador al máximo, pasa a ser de unos 0,87. Para tener máximo rendimiento, o mínimo consumo, λR ha de ser aproximadamente 1,15.

Veremos en otra parte de la página cómo λR es muy importante para el funcionamiento del motor.

Fases del proceso

La reacción mostrada arriba es una reacción global, es decir, muestra el inicio y el final de una combustión perfecta. Sin embargo, esa 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.

Se pueden dar dos reacciones intermedias, que de alguna forma son etapas del proceso. La primera consiste en la destrucción de la molécula de hidrocarburo, formado monóxido de carbono e hidrógeno:

Fórmula

Ahí ya se ha desprendido una gran parte de la energía química del combustible, pues se han roto todos sus enlaces. Después, el CO y el H2 siguen buscando oxígeno para completar la reacción de oxidación. El más ávido por oxígeno es el hidrógeno, haciendo:

Fórmula

Esa reacción también es muy energética, liberando mucha energía. Después el monóxido de carbono sigue buscando oxígeno en la cámara, pasando a dióxido de carbono, bajo la ley:

Fórmula

Estas dos últimas reacciones se hacen en paralelo, pero la del hidrógeno es mucho más rápida que la del monóxido de carbono. Así, se gastan los mismos oxígenos que en la reacción global, pero por partes. Aquí podemos comprobar cómo, si se tiene una mezcla rica, con poco aire para el combustible, se completa la descomposición del combustible, casi todo el hidrógeno encontrará oxígeno, y será el CO el que se quede son oxidar, de manera que con mezclas ricas aumenta mucho la emisión de monóxido de carbono.

Con mezclas pobres, con mucho aire, hay oxígeno suficiente para completar toda la reacción, sacando el máximo de energía por cada gramo de combustible.

Se puede observar también que es posible quemar mezclas ricas obteniendo mayor potencia, por varias razones (que se completarán en el estudio de combustión):

  • Al desparecer todo el combustible, la energía total liberada va a ser mayor con mezclas algo ricas, por lo que se podrá obtener más potencia.
  • En la combustión de mezclas, se produce una cierta generación de volumen. ¿Qué queremos decir con ésto? (advierto que hay que saber un poco de termodinámica para ésto, hay que entender que, a la misma presión y temperatura, un número de molécula de cualquier gas ocupa el mismo volumen, por eso el hidrógeno es tan liviano, y también por eso los globos se llenan de helio, y también por eso, cuando se respira helio, tiene uno la voz de pitufo), pues si nos fijamos en la primera reacción, en la global, observamos que de 13 moléculas iniciales, salen 16. También en la primera descomposición del combustible, de 5 moléculas salen 16!!... eso hace que aumente mucho la presión, no sólo por la energía liberada, sino por la cantidad de moléculas que salen. Sin embargo, esa generación de volumen se contrarresta en parte por la oxidación del CO y del H2. Particularmente, soy un poco escéptico con ésto, pero desde luego suena bastante coherente.

Así, más o menos, podemos resumir la forma en que se descompone el combustible. Pero queda algo aún en el aire... ¿por qué se produce la reacción?, ¿qué induce al oxígeno a atacar de manera tan furibunda al combustible?. Todos sabemos que pueden tener una coexistencia pacífica, a baja temperatura; vamos a ver pues por qué se inicia la reacción.

Iniciazión

Como se ha introducido antes, se tienen que producir una serie de reacciones parciales para que se produzca la combustión de la mezcla de aire y combustible. Por ello, no se piense el lector que para quemar la molécula de combustible, tiene que chocar a la vez con 12 moléculas de oxígeno, para formar el dióxido de carbono y el agua. Ni siquiera con cuatro moléculas para las reacciones intermedias.... 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). Además, también podemos encontrar cadenas de hidrocarburo "rotas", bien por un extremo, o bien por el centro.

Esos enlaces libres hacen que los radicales sean químicamente muy activos, hasta tal punto, que en una mezcla se pueden mantener a raya las reacciones producidas por choques entre moléculas de combustible y oxígeno, sin que aquello explote, pero en cuanto hay una concentración "importante" (entrecomillado porque importante, en este caso, pueden ser unas poquitas partes por millón) de radicales libres, su agresividad hace que la reacción se desencadene.

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, se pueden separar en cuatro etapas:

Primero, hay unas reacciones de iniciación. En ellas, el choque de una molécula de combustible y una de oxígeno da como resultado dos radicales libres. Por ejemplo, en una mezcla de hidrógeno y oxígeno (si se meten hidrocarburos el esquema se complica enormemente):

Fórmula                      Fórmula

Éstas reacciones provocan que ya haya radicales libres en una mezcla aire-combustible. Si hay pocos choques (presión y temperatura bajas, por ejemplo), la mezcla puede permanecer estable, no llegando a la reacción en cadena. En ese caso, sí que habrá reacciones de propagación, en las que una molécula reacciona con un radical y producen otro radical (no hay generación), como pueden ser:

Fórmula

Pero si la concentración de radicales sube mucho, ya entran una tercera serie de reacciones en las cuales un radical reacciona con una molécula para formar dos radicales. Ya es una ramificación, porque se van generando radicales libres, con lo que empieza la reacción en cadena y se produce la combustión rápida de la mezcla. Éstas reacciones pueden ser:

Fórmula

Fórmula

Fórmula

En la última reacción no hay producción de radicales, pero globalmente se observa que de tres radicales, en tres reacciones se ha pasado a tener cinco. Y esos cinco radicales a su vez irán formando muchos más y haciendo desaparecer el combustible (H2).

Finalmente, cuando va desapareciendo el combustible, lo radicales se recombinan para desaparecer, formando moléculas estables, como agua y monóxido o dióxido de carbono en el caso de que el combustible sea un hidrocarburo.

Como resumen, que supongo que me he extendido más de lo que pretendía, se puede decir que 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, y la situación puede estar controlada, pero si aumenta 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.

En el apartado de COMBUSTIÓN, se explica cómo este mecanismo se puede aplicar a la combustión en un motor de gasolina o en un Diesel.

Finalmente, queda comentar que el esquema que se ha ilustrada con reacciones es para una combustión de hidrógeno. En el casode que el comnbuistible sea un hidrocarburo, las pocas reacciones de antes pasan a ser cientos, existiendo radicales libres también con carbono, y compuestos intermedios como peróxidos, aldehidos, cetonas, etc...

 

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  Asesoría técnica (por: JJHV)  
     

 

 

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