¿Por qué no podemos usar oxígeno para quemar un motor de combustión interna en lugar de aire?

Answer 1

El oxígeno puro se debe transportar en tanques, presurizado, licuado o unido químicamente con otros átomos que lo hacen más fácil de manejar, pero listo para que esté disponible cuando sea necesario, y se debe comprar y repostar periódicamente. Además, el oxígeno puro es un químico terriblemente reactivo y prácticamente hará arder cualquier cosa, incluidos los metales. Imagine la molestia en comparación con la facilidad de obtener aire de la atmósfera.

Sin embargo, existen motores de combustión diseñados para trabajar donde el aire no está tan fácilmente disponible y estos, de hecho, deben transportar su oxígeno en contenedores especiales. Uno de estos entornos es el espacio más allá del límite de la atmósfera de la Tierra, o al menos, donde la atmósfera es tan delgada que el oxígeno no está técnicamente disponible para alimentar un motor de combustión. Otros encuestados han mencionado el hecho de que los cohetes transportan su oxígeno en tanques.

Pero hay otro entorno donde falta oxígeno “disponible”: bajo el agua. Aunque la mayoría de los vehículos submarinos emplean motores eléctricos, que no necesitan oxígeno para producir energía, la masa y el volumen de las baterías pueden ser demasiado para algunas aplicaciones, como los torpedos.

Por esta razón, muchos torpedos emplean motores de pistón de ciclo Otto y transportan su oxígeno en varias formas: algunos usan oxígeno comprimido en tanques, por ejemplo el torpedo japonés “Tipo 93” que hundió muchos barcos durante la Segunda Guerra Mundial:

Torpedo tipo 93 – Wikipedia

el esquimal HMS después de ser golpeado por un torpedo japonés “Tipo 93”

Otros diseños de torpedos, especialmente los rusos, usan oxígeno unido químicamente en el compuesto “peróxido de hidrógeno” que en una forma muy diluida se usa como desinfectante, mientras que en la forma de “prueba alta” (más del 80% de peróxido de hidrógeno diluido en agua) conocido como HTP, es capaz de liberar oxígeno en cantidad suficiente para alimentar un motor sin necesidad de aire, pero también es peligroso e inestable.

Peróxido de prueba alta – Wikipedia

un corte de un torpedo ruso “tipo 53” que muestra uno de los pistones de su motor de dos cilindros Otto

Una de las hipótesis sobre el accidente submarino de Kursk es que fue provocado por la explosión de un torpedo que transportaba HTP:

Desastre submarino de Kursk – Wikipedia

el submarino Kursk después de rescatar, perdiendo toda la sección de popa

Un resumen de los sistemas de propulsión de torpedos se puede encontrar aquí:

Torpedo – Wikipedia

y en el siguiente enlace puedes encontrar algunas fotos de sistemas de propulsión de torpedos:

Museo Naval de Guerra Submarina

y aquí hay una gran cantidad de información sobre torpedos modernos, incluida su amplia gama de métodos de propulsión:

Los torpedos más mortales del mundo – Naval Technology

Dado el pequeño diámetro de los torpedos (50 a 60 cm = 20 “a 25”), los diseños de motores inusuales son bastante comunes, por ejemplo, el motor de pistones axiales:

Más información de la que pueda querer preguntar sobre los motores de pistones axiales aquí:

Motores axiales de combustión interna

Por cierto, los cohetes de maniobra del vehículo orbital Soyuz funcionan con HTP.

Otro propelente utilizado en entornos con poco oxígeno, que esta vez contiene tanto el oxidante como el combustible, es el “perclorato de amonio”; Se utiliza tanto en torpedos como en cohetes:

Propelente compuesto de perclorato de amonio – Wikipedia

Sin mencionar los propulsores de cohetes de combustible sólido, utilizados tanto en cohetes como en torpedos “hipercavitantes” capaces de más de 200 kts (¡360 km / h!)

¿No es interesante que dos aplicaciones totalmente diferentes, como cohetes y torpedos, condujeron al desarrollo y uso de soluciones similares para proporcionar oxígeno a los motores de combustión en entornos con poco oxígeno?

Answer 2

En realidad, puede usar oxígeno para quemar un motor de combustión interna en lugar de aire. La razón principal por la que esto no se hace, como la mayoría de las cosas en ingeniería, es la practicidad.

Desventajas

1. El diseño del motor necesitaría ser redimensionado . La principal limitación para la producción de energía de un cilindro de motor individual por carrera es la cantidad de aire que puede ajustarse dentro del cilindro (de ahí la razón de la sobrealimentación). Hay ~ 15 veces más aire que combustible en un cilindro justo antes del encendido. El nitrógeno es principalmente inerte durante la combustión, por lo que reemplazar todo el nitrógeno con oxígeno efectivamente significa 5 veces más potencia por golpe. Obviamente, ningún motor es capaz de manejar tal aumento de potencia. No puede usar oxígeno en un motor diseñado para aire. Además, es probable que la relación de compresión deba ser un poco más pequeña para evitar que la mezcla de combustible se reactive automáticamente, ya que la presión parcial de oxígeno será mucho mayor debido a la ausencia de nitrógeno.
2. Se necesitaría transportar oxígeno, lo que significa un peso adicional . En cambio, al usar aire, solo se necesita transportar el combustible. Sería necesario proporcionar unidades de generación de oxígeno e instalaciones de distribución, al igual que para la gasolina. El oxígeno extra transportado, más el tanque de almacenamiento a bordo, da como resultado una triplicación (al menos) del peso de combustible / oxígeno. Es posible que algún día haya sistemas que puedan producir continuamente oxígeno relativamente puro del aire (el reverso de los sistemas de inertización del tanque de combustible que se utilizan actualmente a bordo de aviones comerciales y militares) que serán lo suficientemente pequeños y livianos, pero actualmente no existen tales sistemas para automóviles.
3. El oxígeno almacenado es muy peligroso. Debe ser transportado a alta presión. Las fugas de los tanques de oxígeno son notorias entre los soldadores por ser capaces de destruir completamente un espacio de trabajo. Además, el oxígeno puro se identificó como la causa principal de numerosos accidentes aéreos (y el desastre del Apolo 1), ya que proporciona un entorno enriquecido para la propagación de incendios.

Ventajas

1. El motor puede ser mucho más pequeño y ligero para la misma producción de energía . Un motor que usa oxígeno puro produciría mucha más potencia (ver desventaja 1), o podría hacerse mucho más pequeño y ligero para producir la misma cantidad de energía. Considerando cuánto peso pesa el motor, esto no es insignificante.
2. Motor y emisiones mucho más limpios. Tal motor no produciría óxidos de nitrógeno, que son contaminantes atmosféricos conocidos y componentes tanto del smog como de la lluvia ácida. En la actualidad, los convertidores catalíticos y la modificación de la mezcla de combustible / aire se utilizan para limitar la producción de estos contaminantes, donde la mezcla de aire / combustible es un compromiso entre la necesidad de un monóxido de bajo carbono, combustible bajo no quemado y bajos óxidos de nitrógeno (ver la primera figura a continuación ) El uso de oxígeno puro eliminaría la necesidad de un compromiso y el motor podría funcionar a una mayor relación aire / combustible de mayor eficiencia (ver la segunda figura a continuación), y una mayor relación aire / combustible (~ 15.7 si usa aire; con oxígeno puro suministro, estas relaciones aire / combustible serían mucho más pequeñas, pero la tendencia debería ser la misma)
   
3. Mayor eficiencia. Debido a la ausencia de nitrógeno, que normalmente es ~ 3/4 de todas las moléculas en la mezcla de combustible / aire y que es principalmente inerte, es probable que la reacción sea mucho más completa, más rápida, lo que significa que es más probable que ocurra dentro del pistón durante el golpe de poder. Esto abordaría hasta el 45% de la potencia total disponible perdida por el consumo incompleto de combustible. Además, el 30% -55% de la potencia total disponible se pierde como calor de un escape de alta temperatura, que es principalmente nitrógeno caliente. Si se usara oxígeno puro, todavía habrá gases de escape calientes, solo habrá 4 veces menos, lo que sería aproximadamente la misma cantidad de CO2 H2O y O2 que en un motor que consume aire con la misma potencia y nada de nitrógeno.

Puede que algún día sean más comunes, pero diría que lo principal que hay que resolver es un medio para producir grandes cantidades de oxígeno puro del aire a bordo del automóvil. Hay un poco de potencial, quién sabe, incluso podría desplazar a otras tecnologías actualmente próximas.

Answer 3

El aire contiene 21% de oxígeno. El motor de combustión interna tradicional utiliza el oxígeno presente en el aire para quemar el combustible.

Ventajas probables del oxígeno puro sobre el aire atmosférico:

• Para que tenga lugar la combustión, es necesario que entre una cantidad mínima de oxígeno en la cámara de combustión, que puede calcularse mediante relaciones estequiométricas. Ahora el porcentaje de oxígeno en el aire es del 21%, por lo tanto, la cantidad de fluido que ingresa al motor IC tradicional es aproximadamente 5 veces la cantidad ideal requerida para la combustión. Por lo tanto, si optamos por oxígeno en lugar de aire, el requerimiento volumétrico del motor (por la misma cantidad de generación de energía) disminuye.
• Debido a este requerimiento volumétrico reducido del motor, el esfuerzo requerido durante la carrera de compresión del motor se reduce, lo que lleva a una mayor eficiencia.
• El tamaño (y el peso resultante) del motor también se reduce a medida que disminuye el requisito volumétrico, lo que conduce a una mayor eficiencia. Aunque un tamaño más pequeño puede conducir a desafíos en la transferencia de calor efectiva y el enfriamiento adecuado del motor.

A pesar de estas ventajas del oxígeno sobre el aire en los motores IC, todavía es factible y eficiente optar por el aire atmosférico como:

• ¡El aire está disponible sin costo! No es necesario comprar cilindros de oxígeno ni instalar máquinas productoras de oxígeno en los motores IC.
• No es necesario almacenar aire, ya que está disponible en abundancia desde nuestro entorno. (Si decidimos usar oxígeno en lugar de aire, tendríamos que llevar cilindros de oxígeno en nuestros vehículos, lo que provocaría un exceso de peso, problemas de recarga, problemas de seguridad, etc.)
• Aunque solo el oxígeno presente en el aire participa en el proceso de combustión, otros elementos en el aire ayudan a eliminar los productos de la cámara de combustión durante la carrera de escape. El uso de oxígeno puro dará como resultado que el proceso de eliminación se vuelva extremadamente ineficiente.

Answer 4

Un motor de gasolina golpearía como loco. Las reacciones como el autoencendido (golpeteo) se basan en la temperatura y la presión parcial (técnicamente fugacidad) de los reactivos, que para un gas es igual a la presión total multiplicada por la concentración. Entonces, si la concentración de oxígeno es de ~ 5x, el golpe debería ocurrir a 1/5 de la relación de compresión. La termodinámica y la cinética de reacción no serán tan simples en la realidad, pero se entiende la idea. La mezcla de gasolina / oxígeno puede encenderse automáticamente a una relación de compresión demasiado baja para que el motor funcione en absoluto.

Answer 5

Supongo que podrías. Probablemente tendrías que modificar el carburador o el sistema de inyección de combustible para obtener la relación necesaria de oxígeno-combustible, pero no veo por qué podría ser un problema.

El motor del transbordador espacial hizo esto. Utilizaba hidrógeno líquido como combustible y ogrógeno líquido como oxidante.

El mayor problema sería que tendría que llenar su vehículo con combustible y oxígeno líquido cuando vaya a la bomba, lo que sería bastante costoso. El aire es gratis y fácilmente disponible.

Answer 6

¡Alta temperatura y presión en el motor!
La mezcla de escape ahora puede tener temperaturas muy altas aumentando la eficiencia del motor. Por lo tanto, el motor puede ser más pequeño, pero tiene que soportar presiones y temperaturas muy altas . Además de golpear como ya se mencionó, la energía se liberará en una caída repentina. Lo que significa que junto con la temperatura, la presión también aumentará.
Además de los inconvenientes ya mencionados, otros inconvenientes son la pérdida de oxígeno puro. ¡Quién querría hacer eso! Necesitamos proporcionar un exceso de oxígeno para asegurar una combustión completa y eso significa que estamos perdiendo oxígeno puro.

Answer 7

Actualmente estoy trabajando en el uso de la ingesta enriquecida de oxígeno para estudiar las características de eficiencia y emisiones en Engine. Las emisiones de CO y HC disminuirían en gran medida y las emisiones de NOx aumentarían. Por lo tanto, las emisiones de NOx se pueden controlar utilizando técnicas SCR o NSC o también se puede reducir la temperatura máxima mediante inyección de agua o vapor, lo que reduce las emisiones de NOx. Creo que este concepto solo se puede usar en el laboratorio para estudiar las características, pero no se usa a bordo, ya que transportar cilindros de oxígeno no es seguro.

Answer 8

El oxígeno puro es extremadamente corrosivo, lo que implica costos mucho más altos para almacenar y conectar a un motor. El acero normal se convierte en óxido de hierro (óxido) rápidamente cuando se encuentra en un entorno de oxígeno puro, por lo que se necesitan aleaciones especiales para el almacenamiento, la plomería y los accesorios y sellos.

Además, sospecho que se necesitarían algunos ajustes importantes para lidiar con el preencendido (el combustible / oxidante se enciende sin una chispa generada): mejor ajuste y acabado interno para eliminar posibles puntos calientes, y mejor eliminación y formulación de combustible para evitar la acumulación de carbono. Junto con aleaciones de alta tecnología para resistir en un ambiente corrosivo.

Answer 9

Un motor de combustión interna de oxígeno puro sería útil en un vehículo cuyo único propósito es establecer récords de aceleración en aras de la publicidad o quizás para ganar carreras. Tendría que cambiar el diseño del motor para que pueda manejar presiones, temperaturas y fuerzas más altas. Para evitar golpes, recomendaría comprimir completamente oxígeno puro y luego inyectar combustible al comienzo de la carrera de potencia. El número de sitios de inyección y la velocidad de inyección se pueden seleccionar para obtener resultados óptimos. Además, recomendaría que el motor también sea capaz de funcionar en aire puro para un crucero normal y cambiar a oxígeno puro solo cuando sea necesario para una aceleración repentina. Eso resolvería en gran medida el problema del almacenamiento de oxígeno.

Answer 10

Ventajas
1.Costly muy costoso
2. El oxígeno no se usa completamente en ninguna combustión (teniendo en cuenta que la mezcla óptima ocurre cerca de 1.2 / 1.1 fi o relación de equivalencia). la pérdida se contabiliza es más
3. a pesar de que hay un aumento en la producción, se desperdicia trabajo adicional al transportar la carga adicional de oxígeno.
4.CO formado durante la combustión tiene una pérdida mínima durante la carrera de expansión que el CO2
Ventajas:
habrá un aumento en la eficiencia (pero eso se verá anulado por otras pérdidas)

Answer 11

El oxígeno se puede usar en motores IC en lugar de aire, pero tendrá sus propios pros y contras:

Contras:

1. Alto costo
2. Arreglos adicionales para almacenar oxígeno puro en botellas.
3. Problema de almacenamiento
4. Es peligroso almacenar oxígeno puro.
5. La maquinaria necesita ser rediseñada para la combustión de combustible.

Pros:

1. Más poder
2. Combustión adecuada de combustible.
3. Sin emisión (Nox)
4. Se puede quemar más combustible para obtener más potencia para el mismo motor
5. Tendrá mayor eficiencia.

Answer 12

Los problemas con la tecnología de adsorción por oscilación de presión aún no se han resuelto. La densidad de producción de oxígeno es demasiado baja y el consumo de energía es demasiado alto en la actualidad. Una vez que se resuelvan estos problemas, el enriquecimiento de oxígeno seguramente será la nueva tecnología más grande en el campo de los motores de combustión interna.

Answer 13

idealmente uno puede usar solo oxígeno para quemar el combustible. PERO prácticamente hablando, esto no es posible porque los motores presentes hoy en día no pueden manejar tanta intensidad de combustión. y habría una gran cantidad de golpes (especialmente en SI) que sería desastroso para la vida útil del motor. Además, desde el punto de vista de la seguridad, si lleva un cilindro de oxígeno es equivalente a llevar una bomba en su automóvil.

Sin embargo, si algún día estos motores están diseñados para ser comercializados, debe haber grandes modificaciones en términos de seguridad y operación.

Answer 14

Respondí 1 pregunta para alguien que quiere que su auto se hunda. Lo dije en el min. de 1 litro de 4 tiempos a 2000 rev. = 1 metro cúbico por minuto.

Incluso el oxígeno puro sería = 21% de eso, y aún así demasiado.

Si 1 agregara solo 1% de oxígeno, eso = 4% más.

Para 1 otra pregunta como esta, 1 respondí: no, use nitro en su lugar, es = líquido y no pierde el prensador como lo haría el oxígeno comprimido.

No quisiera agregar oxígeno extra todo el tiempo, necesito carbohidratos. + ‘estrangulador’.

Mi pregunta; ¿Podría 1 simplemente filtrar el 1% de gas argón del aire para usar el resto?

Answer 15

Sí, podemos usar oxígeno, pero aumenta el peso del sistema (espacio de almacenamiento y sistema de tuberías) y necesita una estación de servicio que significa que su costo variable aumentará seguido de un costo fijo. Por lo tanto, el aire es una mejor opción en términos de disponibilidad, costo y sin almacenamiento.