Mezcla rica, mezcla pobre. La gasolina y otros hidrocarburos necesitan estar mezclados con el aire para arder (oxidarse). Para poder quemarse adecuadamente dentro del cilindro la proporción de ambas debe estar dentro de un rango de valores determinado.
La combustión de una mezcla de gasolina y oxígeno genera calor. El nitrógeno del aire y los productos de la combustión absorben ese calor y lo convierten en trabajo mediante la expansión. La expansión de estos gases empujan al pistón que desliza sobre el cilindro y, mediante un mecanismo biela-manivela, este movimiento de traslación es transformado en movimiento de rotación.
La proporción aire/combustible en peso es de extrema importancia para las prestaciones del motor. Las características de una determinada proporción de mezcla puede ser medida en términos de velocidad de llama y temperatura de combustión.
La composición de una mezcla aire/combustible es descrita por la relación A/F, o su inversa, F/A, o las deducidas de ellas, λ y ϕ. Por ejemplo, una A/F = 12/1, significa que hay 12 kg de aire por uno de combustible. Esta relación es expresada como relación de pesos, porque el volumen de aire varía mucho con la presión y la temperatura. También puede ser expresada como relación F/A, en cuyo caso es un número decimal. Una F/A=0,083 y una F/A =12/1 describen la misma proporción de mezcla.
Hay una relación F/A que es la justa, es decir, que todo el oxígeno y el combustible se combinan entre sí no sobrando nada. Esta relación es conocida como combustión estequiométrica y su valor para la gasolina es A/F=14,6/1=(A/F)e. Para otros combustibles el valor es muy similar a este.
En relación con la proporción estequiométrica se dice que una mezcla es rica (exceso de combustible) cuando A/F =8/1 o F/A=0,125. Una relación F/A=16/1 o F/A=0,062 es pobre (exceso de aire).
Debido a que la composición de los productos de combustión es significativamente diferente según la mezcla sea pobre o rica, y también porque la relación F/A estequiométrica varía algo de unos combustibles a otros, se define unas relaciones relativas a las relaciones estequiométricas. Estas son: Riqueza (fuel/air equivalence ratio) ϕ=(F/A)/(F/A)e. La contraria de ϕ, λ=1/ϕ se le denomina coeficiente de exceso de aire.
Si la mezcla (F/A) es la estequiométrica, entonces λ=1 y ϕ=1.
λ < 1, ϕ > 1, entonces la mezcla es rica, existe deficiencia de oxígeno.
λ > 1, ϕ < 1 entonces la mezcla es pobre, existe deficiencia de combustible.
La mezcla estequiométrica es la que produce más alta temperatura de combustión (EGT), sin embargo, surge una duda ¿es también la que produce la máxima potencia? o, pregunta más general, ¿qué relación F/A produce la potencia máxima?
La publicación de P&W “THE AIRCRAFT ENGINE AND ITS OPERATION” (PWA OI. 100, FEBRERO DE 1955), en su pag. 26 dice: ”si la potencia al freno y las rpm de un motor se mantienen constantes y la mezcla se hace variar de un extremo a otro, se observa que:
La presión de admisión requerida para producir la potencia establecida, a las rpm dadas, pasará por un mínimo cuando la relación F/A esté en el rango 0,074 – 0,080 (A/F =13,5 – 12,5). Por definición, 0,074 es la relación F/A, correspondiente a la Mejor Potencia Pobre (“lean best power”) y 0,080 es la relación F/A, correspondiente a la Mejor Potencia rica (“rich best power”). Cualquier valor situado entre éstos corresponde a una mezcla que proporciona la Mejor Potencia.”
Enriqueciendo F/A por encima de de 0,080 (A/F=12,5; ϕ = 0,85;λ=1,17) se obtiene una bajada de potencia, junto a una reducción de temperatura, lo cuál tiene un efecto refrigerante sobre el favorable efecto del incremento de masa por exceso de combustible. La reducción de temperatura junto con el bajo régimen de quemado del combustible hace que baje el rendimiento de la combustión.
Si con el flujo de aire constante, la mezcla es empobrecida por debajo de F/A =0,074 (A/F=13,5; ϕ = 0,92;λ=1,087), la potencia decrecerá también. Ver dibujo adjunto.
En este caso la pérdida de potencia no es un inconveniente sino una ventaja, pues el propósito es ahorrar combustible. El objetivo es obtener la potencia necesaria con el mínimo consumo de combustible.
Una medida del uso económico del combustible es el Consumo específico de combustible que está expresado en gr (o Kg) de combustible por Kw (o CV/HP), (en inglés, SFC, Specific fuel Consumption). Utilizando este parámetro, se puede comparar el consumo de combustible a varias potencias de motor. Cuando se empobrece la mezcla por debajo de 0,067 con flujo de aire constante, la potencia baja, pero también baja el gasto de combustible para producir cada Kw.hr. Mientras la mezcla se hace cada vez más pobre, ésta pérdida ocurre a un régimen más lento que la bajada de combustible.
La relación más económica varía con las rpm y otras condiciones, sin embargo, para las potencias de crucero de la mayoría de los motores, es suficientemente fiable un rango de operación de 0,060 a 0,065 (16,7 a 15,4) con encendido retardado o 0,055 a 0,061 (18,2 a 16,4) con encendido adelantado. Ver siguiente figura.
Por debajo de la mezcla más económica, la potencia y la temperatura continuan bajando, con flujo de aire constante, mientras el SFC se incrementa. A medida que el F/A se sigue reduciendo la combustión se hace tan fría y tan lenta que la potencia para una presión de admisión dada, se hace ineconómica además de baja. El efecto refrigerante de las mezclas ricas o pobres derivan del exceso de combustible o aire para las necesidades de la combustión. La refrigeración interna del cilindro se consigue con el combustible no usado, cuando F/A está por encima de 0,067. La misma función es realizada por el exceso de aire cuando F/A está por debajo de 0,067.
Llegados a este punto, se plantea otra pregunta: ¿A las condiciones variables de presión y temperatura que puede encontrarse un avión en vuelo, es deseable utilizar relaciones F/A constantes? La respuesta es sí. A continuación se incluyen los gráficos obtenidos mediante test que justifican esta respuesta (NACA-tr-189).
El siguiente gráfico muestra las curvas de un motor real. También está incluida una curva de la que no hemos hablado antes, que da la temperatura de culata, CHT. Tiene la misma forma que la de la EGT, pero con el máximo ligeramente desplazado.
La justificación de la forma de la curva del consumo específico es debida a que el rendimiento de la combustión depende, en principio, solamente de la relación F/A. En el gráfico siguiente se ve claramente que el mínimo del consumo específico coincide con el rendimiento máximo.
Con el motor operando con mezclas pobres, el indicador de temperatura de culata debe ser vigilado cuidadosamente. Si la mezcla es excesivamente pobre, el motor puede tener un fuego en el sistema de inducción y pararse completamente. Estos fuegos son el resultado de una combustión lenta de mezclas pobres. Si la carga está todavía quemándose cuando la válvula de admisión se abre, la mezcla del sistema de inducción prende y las llamas se propagan a través del sistema de inducción.
Para la confección de esta entrada mezcla rica, mezcla pobre se han utilizado las siguientes publicaciones:
“THE AIRCRAFT ENGINE AND ITS OPERATION” (PWA OI .100, FEBRERO DE 1955)
» FAA-H-8083-32-AMT-Powerplant-Vol-1″.
«NACA-tr-189. Relation of Fuel-Air Ratio to Engine Performance Stanwood W. Sparrow».
«Computer simulation of an aircraft engine fuel injection system», David D. Hester. Report FAA-RD-78-67 .
