Análisis 119: Combustión a presión constante de benceno en motor diesel

Una mezcla rica de benceno (C6H6) y aire con una relación de equivalencia de 1.2 se quema a presión constante en un motor de combustión interna con una relación de compresión de 15:1. Si las condiciones iniciales son 1 bar y 25 ºC, calcule la presión, la temperatura y el volumen después de la combustión. La relación de calores específicos durante la compresión, k, es de 1.4.

(Advanced Thermodynamics for Engineers, 2 ed., D. E. Winterbone, 2015)

El diagrama p-V del ciclo a presión constante:

Diagrama p-V

Un motor diésel es un tipo de motor de combustión interna. Los motores de combustión interna son motores térmicos que producen energía mediante la combustión de un tipo de combustible y un oxidante. En el caso de un motor diésel, el aire y el combustible diésel se comprimen para producir energía mecánica.

Pero, ¿cómo funciona exactamente un motor diésel? Es un proceso bastante básico. Para empezar, se bombea aire a los cilindros. Luego, los pistones comprimen el aire entre 14 y 25 veces, produciendo calor. Una vez comprimido el aire, los inyectores de combustible rocían combustible diésel en los cilindros. Al introducir el combustible diésel en el aire caliente, la mezcla se auto-enciende, produciendo energía química. La combustión empuja el pistón hacia afuera del cilindro, lo que transforma la energía química en energía mecánica. Este proceso se repite cientos o miles de veces por minuto para producir suficiente energía para impulsar un vehículo.

Contaminación en los motores diésel: La investigación en nuevas tecnologías o combustibles para reducir la contaminación, especialmente porque, si bien se ha reducido significativamente, las nanopartículas siguen siendo un problema sin resolver. Por ello, sigue siendo necesario ofrecer nuevos ecocombustibles de origen renovable y respetuosos con el medio ambiente que no requieran tierras de cultivo (para no competir con los alimentos).

Es fácil obtener la presión y la temperatura al inicio del proceso de combustión a volumen constante:

p2 = p1 (V1 / V2)^k = 100 ∙ 15^1.4 = 4431 kPa

T2 = T1 (V1 / V2)^(k-1) = 298 ∙ 15^0.4 = 880 K = 607 ºC

A partir de ahora es posible obtener la solución mediante el software:

Uso del hidrógeno como combustible para motores de combustión: Se han destacado sus beneficios, como la descarbonización, su mayor poder calorífico (tres veces superior al de un combustible convencional), su alta velocidad de combustión y su resistencia al autoencendido.