Analisis-por-cambio-de-combustible-tipo-gasolina-a-hidrogeno-en-un-motor

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
 
 
“ANÁLISIS POR CAMBIO DE COMBUSTIBLE TIPO GASOLINA 
 A HIDRÓGENO EN UN MOTOR ENDOTÉRMICO 
CICLO OTTO CUATRO TIEMPOS” 
 
 
TESIS 
 
 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE 
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA 
 
 
PRESENTA: 
 
 
ING. LUIS ENRIQUE ÁLVAREZ RAMÍREZ 
 
 
DIRECCIÓN DE TESIS: 
 
 
DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA SOSA 
DRA. BEATRÍZ ROMERO ÁNGELES 
 
 
 
México D.F., Diciembre 2013 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedicatoria 
 
A mí madre María Luisa Ramírez Salas que siempre ha confiado en mí y nunca ha dejado de apoyarme sin importar las adversidades que se nos presentan. Ella 
me ha demostrado que siempre hay que salir adelante y reponerse de los problemas sin importar que tan difíciles parezcan. 
 
A mí padre Gonzalo Álvarez Rodríguez que en paz descanse, que en vida me preparo para ser un hombre responsable y entregado. Sé que sus consejos y enseñanzas 
siempre me acompañan sin importar en donde me encuentre. 
 
A mis hermanos Juan Luis Álvarez y Daniel Álvarez pero especialmente a mi hermana Jazmín Álvarez quien me ha enseñado a luchar y a nunca perder la fe 
en mi persona. A todos ellos gracias por sus consejos, preocupaciones, regaños y sobre todo por ser mi familia. 
 
A mis amigos que siempre están al pendiente de mis logros y que sin importar la lejanía sé que cuento con ellos. 
 
Agradezco a mis compañeros de esta sección de estudios por su apoyo y a mis directores de tesis, en especial al Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa por las facilidades 
otorgadas para la realización de este trabajo, incluyendo su confianza, revisiones realizadas pero sobre todo por no dudar de mis capacidades. 
 
A los profesores de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación que más que enseñarme, me compartieron habilidades, experiencias y sobre todo me demostraron 
que uno es quien decide hasta dónde quiere llegar. 
 
Doy las gracias a mi alma mater el Instituto Politécnico Nacional que durante mi crecimiento intelectual siempre me ha respaldado, resaltando a la Sección de 
Estudios de Posgrado e Investigación de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Zacatenco por brindarme un espacio dentro de sus 
instalaciones. 
 
Finalmente agradezco al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por el apoyo económico que me brindo durante mi formación a nivel posgrado y que sin este me 
hubiera resultado muy complicado comenzar mi desarrollo como investigador. 
 
 
Luis Enrique Álvarez Ramírez 
 
 
 
 
 
 
 
Resumen 
 
Resumen 
El presente trabajo de tesis inicia con una explicación general que comprende desde las primeras 
máquinas. Se plantea su evolución en orden cronológico hasta las más usadas y conocidas en la 
actualidad. Se abordan temas relacionados con los combustibles tipo tradicionales que son usados 
comúnmente, explicando su origen, características y aplicaciones. Además, se hace referencia a 
los combustibles alternativos, describiendo desde su formación hasta sus características y 
cualidades. También se presenta el proceso de combustión y emisiones contaminantes producidas 
por la combustión de estos. 
 
Durante el desarrollo de esta investigación se realizó una extensa descripción relacionada con el 
Hidrógeno. En esta, se tocan temas que dan un acercamiento solido con las propiedades, orígenes 
y aplicaciones de este elemento sin olvidar, su transportamiento, almacenaje y sobre todo el 
cuidado que se debe tener al emplearlo. 
 
De igual manera, se involucra un apartado que explica todo lo relacionado con los motores de 
combustión interna (MCI) encendidos por chispa, partiendo desde un modelo esquemático 
enfocado a las leyes de la termodinámica. Es aquí donde se muestra una amplia variedad de este 
tipo de máquinas ya que, se habla de su disposición constructiva, número de tiempos, ciclos 
operativos, componentes principales y demás características que muestran detalladamente como 
es que estos motores endotérmicos logran su operación. 
 
Continuando con el objetivo principal, se establecen las bases para realizar el análisis. Para esto 
se presentan los datos técnicos y capacidades del motor C 14 SE de la compañía Opel, el cual es 
el núcleo de esta investigación. Se plantean los parámetros termodinámicos efectivos para el ciclo 
Otto cuatro tiempos ideal, para calcular el trabajo realizado, el gasto energético involucrado, la 
potencia obtenida y el rendimiento generado entre otras cuestiones. Todo esto con la finalidad de 
realizar una comparativa entre el funcionamiento del motor con el combustible tipo gasolina y el 
cambio de este por el Hidrógeno. De esta manera, es posible contar con una evaluación veraz del 
comportamiento del motor por la sustitución del fluido de trabajo. 
 
 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos i 
Abstract 
 
Abstract 
This thesis begins with a general explanation ranging from the first machines. Evolution arises in 
chronological order to the most known and used today. Issues related to traditional fuel types that 
are commonly used, explaining its origin, characteristics and applications are discussed. In 
addition, reference to alternative fuels, from its formation to describing its features and qualities 
ago. The combustion process and pollutant emissions from the combustion of these is also 
presented. 
 
During the development of this research an extensive description related to the hydrogen was 
performed. In this, subjects that give a solid approach to the properties, origins and applications 
of this element without forgetting transport, storage and all the care that must be taken when 
using it touched. 
 
Similarly, a section which explains everything about internal combustion engines (ICE) spark-
ignited, working from a schematic model focused on the laws of thermodynamics involved. This 
is where a wide variety of such machines as shown, discussing its constructive and stroke, 
operating cycles, and other major components features showing in detail how it is that these 
endothermic engines achieve their operation. 
 
Continuing with the main purpose constitutes a framework for analysis. For this technical data 
and engine capabilities of the C 14 SE Opel company, which is the core of this research are 
presented. Actual thermodynamic parameters for the ideal Otto cycle four times arise, to calculate 
the work done, the energy expenditure involved, the power output and the income among other 
things. All this in order to make a comparison between the performance of the engine with 
gasoline type fuel and changing this by Hydrogen. Thus, it is possible to have an accurate 
assessment of the performance of the engine by replacing the working fluid. 
 
 
 
 
 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos ii 
Índice General 
 
Índice General 
Resumen i 
Abstract ii 
Índice General iii 
Índice de Figuras viii 
Índice de Tablas ix 
Simbología x 
Objetivo xiii 
Justificación xiv 
Introducción 
 
xv 
Capítulo I.- Generalidades 1 
 I.1.- Generalidades 2 
 I.2.- Combustibles 8 
 I.2.1.- Clasificación 8 
 I.2.2.- Combustibles tradicionales 9 
 I.2.2.1.- Petróleo 9 
 I.2.2.2.- Gasolina 9 
 I.2.2.3.- Diésel 10 
 I.2.3.- Combustibles Alternativos 10 
 I.2.3.1.- Biodiesel 11 
 I.2.3.2.- Biogás 11I.2.3.3.- Etanol 12 
 I.2.3.4.- Gas Natural 12 
 I.2.3.5.- Gas licuado del petróleo 13 
 I.2.3.6.- Hidrógeno 13 
 I.3.- Propiedades de los combustibles 14 
 I.3.1.- Características del aire 17 
 I.4.- Proceso de combustión 18 
 I.4.1.- Tipos de combustión 18 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos iii 
 
Índice General 
 
 I.4.2.- Aplicaciones de la combustión 19 
 I.5.- Emisiones contaminantes 20 
 I.6.- Planteamiento del problema 21 
 I.7.- Sumario 22 
 I.8.- Referencias 
 
22 
Capítulo II.- Hidrógeno 27 
 II.1.- Generalidades 28 
 II.2.- Vector energético 29 
 II.2.1- Aplicaciones no energéticas 30 
 II.2.2.- Aplicaciones energéticas 30 
 II.3.- Propiedades 31 
 II.4.- Almacenamiento y transporte del Hidrógeno 32 
 II.5.- Seguridad 34 
 II.6.- Producción de Hidrógeno 35 
 II.6.1.- Proceso de producción químicos 35 
 II.6.2.- Proceso de producción por electrólisis 37 
 II.6.3.- Proceso de producción por termólisis 37 
 II.6.4.- Proceso de producción biológica 38 
 II.7.- Sumario 39 
 II.8.- Referencias 
 
39 
Capítulo III.- Motores de Combustión Interna 42 
 III.1.- Generalidades 43 
 III.1.1.- Termodinámica 43 
 III.1.1.1.- Las leyes de la termodinámica 44 
 III.1.1.2.- Conceptos básicos 44 
 III.2.- Clasificación de los motores endotérmicos 45 
 III.2.1.- Disposición constructiva 45 
 III.2.2.- Tipo de enfriamiento 46 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos iv 
 
Índice General 
 
 III.2.2.1.- Lubricación 48 
 III.2.3.- Número de tiempos o ciclo operativo 48 
 III.2.4.- Forma de comenzar la combustión 48 
 III.2.5.- Tipo de aspiración 49 
 III.3.- Componentes principales en un motor endotérmico 50 
 III.3.1.- Definición de términos en un motor endotérmico 52 
 III.4.- Ciclo Otto cuatro tiempos 53 
 III.4.1.- Fases del ciclo Otto 54 
 III.4.1.1.- Admisión 54 
 III.4.1.2.- Compresión 54 
 III.4.1.3.- Expansión 55 
 III.4.1.4.- Escape 55 
 III.4.2.- Ciclo Otto ideal 56 
 III.4.3.- Ciclo Otto real 58 
 III.5.- Sumario 59 
 III.6.- Referencias 
 
60 
Capítulo IV.- Especificaciones Técnicas y Parámetros Termodinámicos 63 
 IV.1.- Generalidades 64 
 IV.2.- Datos del MCI C14 SE 64 
 IV.2.1.- Prestaciones del motor 64 
 IV.2.2.- Capacidades del motor en litros 65 
 IV.3.- Condiciones ideales del ciclo Otto cuatro tiempos 65 
 IV.4.- Principios de operación 66 
 IV.4.1.- Desarrollo angular 66 
 IV.5.- Cuantificación técnica del motor 68 
 IV.5.1.-Desplazamiento (Dc) 69 
 IV.5.2.-Relación de expansión o compresión (ξ) 70 
 IV.5.3.- Masa admitida (ωa) 70 
 IV.5.4.- Volúmenes 70 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos v 
 
Índice General 
 
 IV.5.5.- Trabajo (W) 71 
 IV.5.5.1.- Trabajos fase por fase 72 
 IV.5.6.- Calor (Q) 72 
 IV.5.6.1.- Calor fase por fase 75 
 IV.5.7.- Potencia (N) 75 
 IV.5.8.- Rendimiento (η) 75 
 IV.5.9.- Consumo de combustible (Cc) 76 
 IV.5.10.-Relaciones aire-combustible (n+1) 76 
 IV.5.11.- Condiciones termodinámicas puntuales 76 
 IV.6.-Sumario 77 
 IV.7.- Referencias 
 
78 
Capítulo V.- Estudio Analítico del Motor C 14 SE 80 
 V.1.- Generalidades 81 
 V.2.- Análisis del sistema en condiciones ideales con gasolina 81 
 V.2.1.- Condiciones de referencia 82 
 V.2.2.- Solución puntual 83 
 V.3.- Análisis del sistema en condiciones ideales con Hidrógeno 85 
 V.3.1.- Solución puntual 85 
 V.4.- Calor (Q) 87 
 V.4.1.- Calor gasolina 87 
 V.4.2.- Calor Hidrógeno 88 
 V.4.3.- Comparativa de calores 89 
 V.5.- Trabajo (W) 89 
 V.5.1.- Trabajo gasolina 89 
 V.5.2.- Trabajo Hidrógeno 90 
 V.5.3.- Comparativa de trabajos 91 
 V.6.- Rendimiento (η), consumo de combustible (Cc) y potencia (N) 92 
 V.6.1.- Rendimiento gasolina 92 
 V.6.1.1.- Rendimiento Hidrógeno 92 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos vi 
 
Índice General 
 
 V.6.2.- Consumo de combustible (Cc) 93 
 V.6.2.1.- Consumo de combustible gasolina 93 
 V.6.2.2.- Consumo de combustible Hidrógeno 93 
 V.6.2.3.- Comparativa en consumo 94 
 V.6.3.- Potencia (N) 94 
 V.6.3.1.- Potencia gasolina 94 
 V.6.3.2.- Potencia Hidrógeno 95 
 V.6.3.3.- Comparativa de potencias 95 
 V.7.- Sumario 96 
 V.8.- Referencias 
 
96 
Capítulo VI.- Evaluación de Resultados 97 
 VI.1.- Generalidades 98 
 VI.2.- Rendimiento del motor 98 
 VI.2.1.- Inyección de combustible 99 
 VI.2.2.- Temperatura de trabajo 99 
 VI.3.- Combustión 100 
 VI.3.1.- Emisiones contaminantes 100 
 VI.4.- Sumario 102 
 VI.5.- Referencias 
 
102 
Conclusiones 105 
Recomendaciones para trabajos futuros 108 
Publicaciones relacionadas con este trabajo 110 
 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos vii 
 
Índice de Figuras 
 
Índice de Figuras 
I.1.- Máquinas básicas 2 
I.2.- Rueda hidráulica 3 
I.3.- Eolípila 4 
I.4.- Motor Otto 6 
I.5.- Rango de inflamabilidad del Hidrógeno 15 
II.1.- Medio ambiente 28 
III.1.- Esquema de un motor térmico 43 
III.2.- Áreas elementales de la termodinámica 44 
III.3.- Disposición de los cilindros 46 
III.4.- Sistema de Refrigeración 47 
III.5.- Sistema de refrigeración por aire 47 
III.7.- Motor Otto Renault Sport 49 
III.8.- Motor Diesel Audi SQ5 TDI 49 
III.9.- Sección de un turbocompresor50 
III.10.- Componentes principales 51 
III.11.- Puntos de referencia 52 
III.12.- Admisión 54 
III.13.- Compresión 55 
III.14.- Expansión 55 
III.15.- Escape 56 
III.16.- Diagrama P – V ciclo Otto cuatro tiempos ideal 57 
III.17.- Diagrama P – V ciclo Otto cuatro tiempos real 58 
IV.1.- Diagrama angular 67 
IV.2.- Diagrama P – V 69 
IV.3.- Diagrama T – S 69 
IV.4.- Calor suministrado 73 
V.1.- Comparativa de calores 89 
V.2.- Comparativa de trabajos 92 
V.3.- Consumo de combustible 94 
V.4.- Comparativa de potencias 95 
 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos viii 
Índice de Tablas 
 
Índice de Tablas 
I.1.- Clasificación de los combustibles según su estado físico de las sustancias 8 
I.2.- Composición del aire puro 17 
II.1.- Características del Hidrógeno con otros combustibles de uso cotidiano 30 
II.2.- Tecnologías de almacenamiento de Hidrógeno 33 
IV.1.- Datos del motor 64 
IV.2.- Prestaciones 65 
IV.3.- Capacidades 65 
IV.4.- Procesos por fase 67 
IV.5.-Trabajos 72 
IV.6.- Calores 75 
IV.7.- Condiciones puntuales 77 
V.1.- Parámetros de estudio gasolina 81 
V.2.- Parámetros de estudio Hidrógeno 85 
V.3.- Calor gasolina 88 
V.4.- Calor Hidrógeno 88 
V.5.- Trabajo gasolina 90 
V.6.- Trabajo Hidrógeno 91 
 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos ix 
Simbología 
 
Simbología 
 
 
Ar -Argón 
B -Bujía 
C2H4 -Etileno 
C4H10 -Butano 
Cc -Consumo de combustible 
CG -Cantidad de gases 
CO -Monóxido de Carbón 
CO2 -Dióxido de Carbón 
Cp -Coeficiente de calor especifico a presión constante 
Cv -Coeficiente de calor especifico a volumen constante 
D -Diámetro del cilindro 
Dc -Desplazamiento 
e -Volumen de la cámara de combustión 
GLP -Gas licuado del petróleo 
GNC -Gas natural en forma comprimido 
GNL -Gas natural en forma Licuada 
H2 -Hidrógeno 
H2O -Agua 
H2O2 -Peróxido de Hidrogeno 
H2S -Sulfuro de Hidrogeno 
HC -Hidrocarburos 
He -Helio 
i -Número de cilindros 
k -Relación entre Cp y Cv 
KH -Hidruro de Potasio 
Kr -Criptón 
L -Carrera 
MCI -Motor de combustión interna 
MEC -Motor de Encendido por Compresión 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos x 
Simbología 
 
N -Potencia 
N.O. -Número de octanos 
N2 -Nitrógeno 
N2O -Óxido de Nitrógeno 
NaH -Hidruro de Sodio 
Ne -Neón 
NO2 -Dióxido de Nitrógeno 
NOx -Óxido de Nitrógeno 
O2 -Oxigeno 
O3 -Ozono 
OH -Hidroxilo 
P -Presión 
Pa -Presión de admisión 
PC -Poder calorífico 
PCI -Poder calorífico inferior 
PCS -Poder calorífico superior 
PH3 -Fosfato 
PMI -Punto muerto inferior 
PMS -Punto muerto superior 
Q -Calor 
Qp -Calor perdido 
Qs -Calor suministrado 
Qu -Calor útil 
R -Constante universal de los gases 
Rn -Radón 
rpm -Revoluciones por minuto 
RVP -Presión de vapor 
S -Entropía 
T -Temperatura 
Ta -Temperatura de admisión 
V -Volumen 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos xi 
Simbología 
 
Va -Volumen admitido 
VA -Válvula de admisión 
VD -Volumen desplazado 
VE -Válvula de escape 
W -Trabajo 
Wu -Trabajo útil 
Xe -Xenón 
η -Rendimiento 
ξ -Relación de expansión 
ωa -Masa admitida 
 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos xii 
Objetivo 
 
Objetivo 
Conocer el comportamiento de un motor de combustión interna ciclo Otto cuatro tiempos al 
sustituir el tipo de combustible (gasolina) empleado comúnmente por un combustible alterno 
(Hidrógeno) con una notable diferencia en el poder calorífico, mediante un análisis 
termodinámico en condiciones idealizadas. También se busca comparar las temperaturas 
alcanzadas durante el proceso de combustión, determinar el aumento de potencia y eficiencia del 
motor C 14 SE empleado para el estudio y, encontrar si existe una disminución en las emisiones 
contaminantes producto de los gases de la combustión. 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos xiii 
Justificación 
 
Justificación 
En la actualidad los vehículos automotores se basan en dos tipos de tecnología para funcionar: el 
ciclo Otto y el ciclo Diésel. Sin embargo, se ha comprobado que ese tipo de motores son capaces 
de quemar combustibles como alcohol, ésteres grasos o aceites vegetales con algunas 
modificaciones. 
 
Desde hace décadas se tiene la esperanza de la llegada de los motores que funcionen con 
Hidrógeno. Se han realizado pruebas en laboratorio en las que han demostrado ser prometedores, 
incluso ya se cuenta en algunos países con vehículos de este tipo por las calles y estaciones de 
servicio o hidrogenerás. El Hidrógeno ha aportado ya muchas cosas a las sociedades de todo el 
planeta: mejoras en el desarrollo de baterías, mayores índices de sostenibilidad, vehículos 
eficientes y de menor consumo que, además, tienen ventajas significativas para el usuario, 
principal beneficiario de un modelo que, con el tiempo, llegará y se convertirá en lo normal 
dentro de las sociedades del mundo. 
 
Fabricantes como BMW, Mercedes-Benz, Toyota, Nissan, Renault, Ford y Honda entre otras, se 
han dado cuenta de la necesidad de inversión en la investigación de este elemento, provocando 
acuerdos entre ellas para lograr el lanzamiento de vehículos de Hidrógeno. 
 
El factor económico como en la mayoría de los casos continúa siendo el principal problema, 
pero al final los combustibles fósiles se acabarán, y se tendrá que optar por alternativas viables 
para seguir con nuestro estilo de vida además de, comenzar a cuidar a un planeta ya muy 
maltratado debido a los abusos a los que está expuesto día a día. Entonces, se debe recordar que 
el Hidrógeno estará ahí cuando llegue ese momento, pues no en vano ha demostrado poseer todo 
lo necesario para ser la tecnología del futuro. 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos xiv 
Introducción 
 
Introducción 
El mayor reto de la ingeniería no solo ha sido satisfacer las necesidades de la sociedad si no 
también, encontrar los medios y recursos para sustentar las comodidades y a través del tiempo 
mejorarlas. Desde la invención de las primeras máquinas simples hasta lo último en avances 
científico y tecnológico, el propósito siempre será lograr más con el menor esfuerzo físico 
posible. La revolución industrial y la época dorada de los combustibles fósiles hizo posible lo que 
años a tras sólo eran fantasías. 
 
Está claro que el ritmo de vida a nivel mundial jamás podrá retornar a los niveles que en décadas 
anteriores se encontraba, por lo que ahora surgen cada vez más dificultades para mantener la 
demanda de los principales combustibles empleados. Visto de esta manera, es obvio que las 
fuentes energéticas no renovables tarde o temprano tienen que cambiar debido a la escases de 
estas. 
 
Hoy en día los investigadores de todo el mundo comienzan a enfocarse en el aprovechamiento de 
energías renovables, limpias y seguras. Existe una gran variedad de propuestas que en los 
próximos años, sin duda alguna reemplazaran a los combustibles convencionales que cada día 
sufren un encarecimiento. 
 
Desde los años 70’s, hombres de ciencia visionarios previeron lo que en la época actual pasaría y 
comenzaron a estudiar no sólo a un nuevo combustible, ni tampoco a una fuente alterna de 
energía, si no a un vector energético virtualmente inagotable conocido como Hidrógeno, que es 
el elemento más abundante del planeta tierra por lo que se encuentra en casi cualquier lugar, 
comenzando porel inmenso océano. 
 
El Hidrógeno representa un nuevo apartado en la inmensa búsqueda por la energía limpia, segura 
e inagotable que además, se puede adaptar a diferentes épocas tecnológicas para su utilización 
fomentando aún más su implementación en la industria a nivel mundial. 
 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos xv 
 
 
 
 
Capítulo I 
Generalidades 
 
 
 
 
 
 
Capítulo I 
 
I.1.- Generalidades 
Uno de los mayores retos que encara la Ingeniería es la transformación de las diversas fuentes de 
energía que de manera tan increíble y basta ofrece la naturaleza, en distintas y variadas formas 
que sean útiles para el aprovechamiento del hombre. Inevitablemente, el medio ambiente 
proporciona los recursos energéticos de tal manera que es necesaria una serie de procesos para 
obtener las transformaciones elementales, que hacen posible contar con la energía que habrá de 
otorgar la capacidad para la realización de un trabajo. 
 
La máquina moderna se fundamenta en la máquina artesanal y ha evolucionado a través de 
ajustes y perfeccionamientos hasta lograr los grandes adelantos tecnológicos actuales en donde se 
apoya y gira la sociedad del siglo XXI [I.1]. A pesar del alto grado de complejidad y de la gran 
variedad de las máquinas existentes hoy en día, sus principios básicos del funcionamiento 
mantienen como base el mismo que los de las máquinas fundamentales. Es decir, la palanca, el 
eje, la polea, la rueda, el tornillo y la cuña (Figura I.1). Estas máquinas elementales son 
empleadas como componentes de las máquinas modernas. Por lo que de cierta manera, las 
máquinas modernas son básicamente un arreglo complejo, repetitivo y congruente de las 
máquinas fundamentales. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.1.- Máquinas básicas 
 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos 2 
Capítulo I 
 
No menos importante en la historia del desarrollo humanista ha sido el control de los materiales 
metálicos. Con gran relevancia se tiene el inició en la producción del acero de manera artesanal, 
hecho que se dio alrededor de unos 500 años a.C. En Roma, China e India [I.2]. Donde los 
trabajos más antiguos referentes a los inicios de fabricar máquinas provienen de la sociedad 
esclavista y se debe a Herón de Alejandría, Arquímedes de Siracusa, Philon de Bizancio, Marcos 
de Vitruvio y muchos otros [I.3]. Este tipo de avances en la tecnología, sirvió como pilar para el 
desarrollo e implementación de los primeros propulsores como la rueda hidráulica (Figura I.2) y 
cien años después el molino de viento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.2.- Rueda hidráulica [I.4] 
 
Estos sistemas complejos fueron los primeros con los que el ser humano comenzó la producción 
a gran escala de trabajo mecánico y que aprovechaba la energía provista por la naturaleza. En este 
sentido, los impulsores mecánicos fueron las principales fuentes de energía alternativa, las que 
derivaron el desarrollo de molinos, sierras y demás filtros rudimentarios. Que a pesar de su baja 
eficiencia fueron la base para mejorar los recursos tecnológicos de los que hoy día se emplean 
[I.5]. 
 
Es increíble que, aunque ya se contaba con los recursos tecnológicos para obtener energía 
mecánica por medios tales como el agua y el aire, se produjera energía a través de fuentes no 
renovables (combustibles fósiles), sin contar con bases firmes dentro del área de termodinámica. 
La primera máquina térmica de la que se tiene un registro sólido conocida como eolípila, fue 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos 3 
Capítulo I 
 
construida por Herón de Alejandría [I.6]. Este sistema consistía en un recipiente esférico de 
Cobre, el cual contenía agua que al ser calentada comenzaba a hervir y por ende a liberar vapor, 
el cual hacia un recorrido por un tubo hasta llegar a un globo hueco y salía a través de dos tubos 
acomodados de forma tangencial a éste, generando un movimiento rotativo (Figura I.3). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.3.- Eolípila [I.7] 
 
A pesar de la aparente simplicidad para el desarrollo de las turbomáquinas, no es de sorprender 
que hayan sido las máquinas de pistón las que se construyeron primero de manera empírica. Se 
crearon inventos como el de Giovanni de Branca en el siglo XVII quien intento poner en 
movimiento una rueda formada por paletas aplicándole un chorro de vapor. Por otra parte, en el 
siglo XVI, el marino español Blasco de Garay intento impulsar una embarcación con el principio 
de la eolípila, desafortunadamente los resultados no fueron los deseados [I.8]. Sin embargo, los 
intentos y demás experimentos jamás cesaron, es de esta manera que Torricelli, Gauss, Galileo 
Galilei, Morland y muchos otros durante el siglo XVII. 
 
Existen documentos que indican el físico holandés Jan Christian Huyghens y su ayudante de 
origen francés Denis Papín, que en el año de 1685 construyeron una máquina de combustión 
interna (MCI). La cual utilizaba pólvora como combustible, esta invención incluía el desarrollo 
del mecanismo de pistón y cilindro. Además que ya contaba con elementos de seguridad [I.9]. 
Este invento constituyó el primer intento de una máquina térmica de combustión interna. 
 
Antes de entrar de forma más detallada a los motores de combustión interna (MCI), es preciso 
indagar un poco con el vapor como fuente de energía. Es así como el inglés Thomas Savery a 
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Capítulo I 
 
finales del siglo XVII construyó la primera máquina de vapor y que fue patentada en 1698. Años 
más tarde, T. Newcomen tomando como vertiente los avances de Savery, desarrolló una máquina 
más versátil, la cual se diera a conocer como máquina de balancín [I.10]. 
 
Con las aportaciones teóricas de Papín, Savery y Newcomen, el Ingeniero y Mecánico de origen 
escocés James Watt, realizó entre 1769 y 1800 grandes modificaciones que mejoraron las 
prestaciones de su máquina. Entre los avances más grandes que realizo J. Watt está la 
implementación de dispositivos de medición y la implantación de sistemas de control [I.11]. 
 
El mecánico Robert Street en 1794, intentó construir un motor de explosión que utilizaba hulla, 
por desgracia no tuvo éxito [I.12]. El paso de los años y la llegada del siglo XIX trajeron consigo 
los primeros inventos relacionado con el trasporte, todos ellos teniendo como base la máquina de 
vapor desarrollada por Richard Trevithick en el año de 1804 [I.13]. Posteriormente en 1807 
Robert Fulton dio pie a la invención del buque de vapor [I.14]. No obstante del gran éxito que 
logró la máquina de vapor, esta no fue la única alternativa para la utilización del vapor como 
fluido de trabajo. Esto llevo al desarrollo de los motores de aire caliente. De esta manera es como 
Sir Robert Stirling inventa el motor Stirling en 1816. Esta nueva máquina compitió ferozmente 
contra la máquina de vapor, pero a finales del siglo comenzó a perder interés debido al desarrollo 
de MCI [I.15]. 
 
Con los avances en el estudio de la Ingeniería y de las propiedades termodinámicas. En 1816 en 
Alemania, el Ingeniero W. Schmidt estableció las condiciones teóricas y los procesos básicos para 
el funcionamiento de los MCI. En ese mismo siglo, en el año de 1854, se presentó el primer 
motor de combustión interna que lograba operar en forma continua, inventado por Felipe 
Matteucci y Eugenio Barsanti [I.16]. Sin embargo, existen puntos encontrados sobre esta 
afirmación, ya que en otros registros se contempla al francés Jean Joseph Etienne Lenoir como el 
primer constructor de un motorde combustión interna, en el año de 1863 [I.17]. El primer MCI 
que funcionaba con el ciclo de cuatro tiempos fue concebido por Nikolaus Otto, en 1876. En 
honor a su desarrollador de origen alemán a este motor de explosión se le conoce como motor 
Otto (Figura I.4) [I.18]. Dos años más tarde gracias al desarrollo de Otto, el escocés Dugald 
Clerk construye el primer motor de dos tiempos [I.19]. 
 
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Capítulo I 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.4.- Motor Otto [I.20] 
 
A finales del siglo XIX, Daimler y Maybach, implementan la primera motocicleta del mundo. 
Esto lo logran montando sobre un vehículo de dos ruedas un motor de gasolina. En 1886, Karl 
Benz construye un vehículo de tres ruedas. También en ese año, Daimler retomando el motor de 
Maybach elabora un carruaje motorizado, dando pie a la era del automóvil [I.21 a I.22]. La 
inventiva de este tipo de motores, cada vez alcanzaba mayor popularidad. Con ello se desarrollan 
alternativas de funcionamiento para los MCI. En 1892, el alemán Rudolf Diesel inventa una 
máquina que no necesita sistema de encendido y que admite como fluido de trabajo combustible 
pesados [I.23]. Cinco años más tarde, el primero de estos motores (motor Diesel) fue fabricado, 
teniendo variadas aplicaciones desde ser utilizado en una locomotora hasta ser usado en 
camiones. 
 
A mediados del siglo XX, en 1957, Felix Wankel también de origen alemán, experimenta con un 
nuevo motor logrando resultados exitosos. Esta nueva máquina estaba constituida por un pistón 
rotativo y es denominada como motor Wankel [I.24]. Diversos estudios y artículos han 
demostrado que es posible lograr el correcto funcionamiento de los MCI con fuentes energéticas 
alternas como lo es el uso de Hidrógeno. No obstante, se debe realizar una serie de 
modificaciones en estas máquinas para adaptarlos a funcionar con dicho gas, debido a las 
particulares características que posee. Ya en el siglo XVI se había observado por parte de los 
alquimistas que, cuando el ácido sulfúrico (H2SO4), mejor conocido como aceite de vitriolo, 
actuaba sobre las limaduras de Hierro, se desprendía un gas combustible de naturaleza, por aquel 
entonces, desconocida. 
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Capítulo I 
 
 
Henry Cavendish, en 1766, observó que este gas era diferente de otros gases inflamables y lo 
denominó aire inflamable, aunque se equivocó al suponer que procedía del metal y no del ácido 
[I.25]. En 1781, el propio Cavendish observó que cuando este gas ardía en el aire y en el oxígeno, 
se formaba agua [I.26]. Descubrimiento que indujo a Antoine Lavoisier en 1788 a llamarlo 
Hidrógeno. Es decir, productor de agua (del francés Hydrogène, a su vez del griego υδρώ, agua y 
γένος-ου, generar) [I.27]. 
 
El interés por el Hidrógeno como combustible no es tan reciente como se pudiera esperar. La 
tentativa más temprana en desarrollar un motor alimentado por Hidrógeno fue divulgada por el 
reverendo W. Cecil el 27 de Noviembre de 1820. Donde presentó su trabajo ante la Cambridge 
Philosophical Society titulado En la aplicación del gas de Hidrógeno para producir energía 
móvil en una máquina. El motor funcionó basándose en el principio de vacío, en donde la presión 
atmosférica mueve el pistón contra el vacío para producir potencia. El vacío se creaba quemando 
una mezcla de Hidrógeno y aire, permitiendo que se expandiese y que posteriormente re enfriase 
[I.28]. Aunque el motor funcionó satisfactoriamente, los motores de vacío nunca llegaron a ser 
prácticos. Sesenta años más tarde durante las décadas de 1860 y 1870, Nikolaus August Otto 
durante su trabajo con los motores de combustión, utilizó un productor sintético de gas para el 
combustible, que probablemente contenía Hidrógeno en un 50%. Otto experimentó también con 
gasolina, pero considerando que era peligroso trabajar con ese gas. El desarrollo del carburador, 
no obstante, inició una nueva era en la cual la gasolina pudo usarse de manera práctica y segura, 
con lo que desplomó el interés por los demás combustibles [I.29]. 
 
Aproximadamente en el año de 1920, cuando se iniciaron los trabajos para construir los 
dirigibles, que eran básicamente globos de Hidrógeno, el Ingeniero de origen alemán Rudolf A. 
Erren trabajó en un motor para estos aparatos cuyo combustible era el Hidrógeno. Erren llegó 
resolver los problemas de autoencendido en el carburador mediante la inyección directa (de no 
ser por ciertos acontecimientos como el accidente del LZ 129 Hindenburg) y el descubrimiento 
de grandes y accesibles yacimientos de petróleo, podría haber sido posible la construcción de 
dirigibles a Hidrógeno. Desde entonces, el Hidrógeno se ha utilizado extensivamente en el 
programa espacial, puesto que dispone de la mejor relación energía/peso de cualquier 
combustible. Esto, junto a la carrera espacial entre la antigua U.R.R.S. y los Estados Unidos se 
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Capítulo I 
 
produjo un gran avance en el manejo del Hidrógeno [I.30]. El Hidrógeno en estado líquido es el 
combustible elegido para los motores espaciales. Además de propulsar a varios vehículos en 
diversas misiones espaciales, incluyendo las misiones Apolo en la Luna, Skylab, las misiones 
Viking en Marte y la misión Voyager a Saturno [I.31]. 
 
Durante los últimos años, la preocupación por un aire más limpio, junto con una regulación más 
estricta de la contaminación atmosférica y el deseo de reducir la dependencia de los combustibles 
fósiles, han hecho despertar de nuevo el interés por el Hidrógeno como posible combustible para 
vehículos. La principal ventaja de utilizar el Hidrógeno en MCI es que se puede aprovechar toda 
la experiencia tecnológica acumulada en este campo. Si se tiene en cuenta que la configuración 
del propio motor de Hidrógeno es conceptualmente la misma que la de los MCI alternativos de 
combustibles clásicos (con sus cilindros, pistones, cigüeñal, sistema de refrigeración y demás 
elementos constructivos). De esta manera, a la hora de desarrollar un MCI de Hidrógeno se puede 
partir de bases sólidas. 
 
I.2.- Combustibles 
Se definen como materiales que se emplean para producir energía cuando se oxida de forma 
violenta con desprendimiento de energía calorífica. De manera general son sustancias que arden o 
se queman con facilidad [I.32]. 
 
I.2.1.- Clasificación 
Según sea el estado físico de esas sustancias, los combustibles se clasifican en sólidos, líquidos y 
gaseosos [I.33]. Sin embargo, los combustibles también se pueden ordenar de acuerdo a su 
origen. Es decir, si es primario, secundario y especial, o de una manera generalizada en 
combustibles renovables y no renovables. En la Tabla I.1 contiene una clasificación según el 
estado físico de las sustancias. 
 
Tabla I.1.- Clasificación de los combustibles según su estado físico de las sustancias 
Sólido Líquido Gaseoso 
Pólvora Dimetilhidracina ------------ 
Coque H2 líquido + O2 líquido Destilados de hulla 
Biomasa Aceites de nafta y benzol Destilados de madera 
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Capítulo I 
 
Perclorato amónico Kerosene + O2 líquido Destilados de naftas de petróleo 
Madera Alcoholes (destilados de biomasa) Gas licuado de petróleo (GLP) 
Carbón Petróleo y derivados Gas natural 
 
I.2.2.- Combustibles tradicionales 
A partir del desarrollo de MCI y con la creciente demanda de vehículos automotores, se comenzó 
a popularizar como combustible los derivados del petróleo, siendo estos los más utilizados hastaahora a pesar el elevado costo y escases, debido principalmente a que esté es un energético no 
renovable. 
 
I.2.2.1.- Petróleo 
El nombre del petróleo etimológicamente significa aceite de piedra. La formación del petróleo 
está sujeta a diversos factores entre los que destacan la carencia de aire, restos de plantas y 
animales, elevadas temperaturas y la acción bacteriológica. Químicamente está conformado por 
hidrocarburos. Además de bajas concentraciones de Nitrógeno, Azufre, Oxígeno y metales. El 
petróleo es un fluido bastante espeso que se encuentra mezclado con gases y agua, su color varia 
de manera contundente ya que se puede hallar verde, amarillo y casi negro. Su densidad 
comprende un rango de va desde 800 kg/m3 hasta 950 kg/m3 aunado a un contenido de Carbón de 
84 - 88 % y 11.5 - 14% de Hidrógeno [I.34]. Al petróleo en su estado natural se le conoce con el 
nombre de petróleo crudo, es necesario someterlo a distintos tratamientos y procesos para 
conseguir los diversos subproductos ya sean materias químicas o productos terminados. Al 
conjunto de estos procesos se le denomina refinación o simplemente refino. La refinación 
modifica la composición molecular y se van descartando los compuestos no deseados, como el 
Azufre. Como consecuencia de esta refinación se pueden obtener algunos de los siguientes 
subproductos; Gas natural, metano, etano, butano, propano, gasolina, queroseno, diésel, aceites 
lubricantes, ceras, alquitranes, parafinas, plásticos, asfaltos, entre otros. Recordando que tanto el 
butano como el propano también reciben el nombre de gases licuados de petróleo (GLP) [I.35]. 
 
I.2.2.2.- Gasolina 
Mezcla de hidrocarburos que contiene de 5 a 8 átomos de Carbón y que hierve en el rango de 40° 
- 180°C. Empleada como combustible de motores y para la preparación de otros compuestos 
químicos [I.36]. Es un líquido pardo pálido o rosado sumamente inflamable. La gasolina está 
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Capítulo I 
 
compuesta por una mezcla de hidrocarburos olefínicos, isoparafínicos, parafínicos, nafténicos y 
aromáticos. Actualmente existen diversos tipos de gasolinas clasificadas en función al número de 
octanos (N.O.), por lo tanto debe usarse aquella que sea la propicia en función a la relación de 
compresión del motor. En caso de utilizarse una gasolina inadecuada se produce un fenómeno 
denominado detonación o pre-encendido que afecta el correcto funcionamiento del motor. 
 
I.2.2.3.- Diésel 
Volatilidad, calidad de ignición y viscosidad son las propiedades más importantes de este 
combustible. Las propiedades de ignición de los combustibles diesel se expresan en términos del 
número de cetano. Este es muy similar al número de octano de la gasolina y expresa el 
porcentaje en volumen de cetano [I.37]. El número de carbonos que lo forman se encuentra entre 
10 y 22 aproximadamente. La cantidad y la calidad de este combustible han generado junto con la 
gasolina, una especie de monopolio por la utilización de este recurso para el trasporte. Para 
obtener un correcto funcionamiento del motor Diesel, se requiere que este arda rápidamente 
conforme entra en contacto con el aire dentro de la cámara de combustión. Para catalogar la 
facilidad de combustión se hace uso del número de cetano, tomando en consideración que si este 
número es bajo el proceso de combustión presenta un retraso y genera presiones no deseadas 
dentro del cilindro [I.38]. 
 
I.2.3.- Combustibles alternativos 
Durante los últimos años, se han realizado avances muy importantes en tecnología y mejoras para 
el aprovechamiento de los recursos energéticos de los que se disponen con la creación de 
máquinas más eficientes. Las políticas energéticas de los países desarrollados están enfocando 
sus esfuerzos e investigaciones hacia el desarrollo e implementación de combustibles alternos 
promovido por el inevitable agotamiento de los recursos actualmente empleados. Las políticas 
plantean básicamente [I.39]: 
 
• Asegurar la disponibilidad de recursos energéticos. Debido principalmente a que el 
trasporte por vía terrestre depende en forma crucial del petróleo y día con día presenta 
un incremento. 
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Capítulo I 
 
• Disminución del impacto al medio ambiente. Los aspectos que dañan la vida en el 
planeta deben de ser reducidos, ya que las emisiones de CO, CO2, HC, NOX y demás 
partículas, se ven reflejadas en el calentamiento global. 
 
I.2.3.1.- Biodiesel 
El biodiesel es un combustible que tiene como plataforma de producción a los aceites vegetales, 
grasas animales y ésteres metílicos. La American Society for Testing and Materials (ASTM) en el 
apartado D6751 plantea que el biodiesel es el éster monoalquílico de cadena larga de ácidos 
grasos provenientes de recursos renovables. Como características del biodiesel destaca que es un 
combustible no tóxico y que además es biodegradable. Resulta seguro de manejar y transportar ya 
que no se requieren de recipientes especiales por lo que se utilizan tanques similares a los del 
diesel convencional. Debido a su origen, se disminuye de forma dramática la cantidad de 
hidrocarburos quemados y aromáticos, también disminuyen las emisiones de CO y partículas 
[I.40]. 
 
I.2.3.2.- Biogás 
El biogás es una mezcla gaseosa formada principalmente de metano y dióxido de Carbón, 
obtenido a partir de la digestión anaeróbica de subproductos y/o residuos orgánicos. La 
degradación de la materia orgánica produce una mezcla de gases denominada biogás. Cuando el 
biogás tiene un contenido de metano superior al 45% se considera inflamable. Es importante 
señalar que no existe una composición exacta de este gas. Debido principalmente a que está en 
función de la materia orgánica empleada en su producción y a los factores ambientales. Por ende, 
la composición del gas dependerá la calidad del combustible resultante. Algunas de las fuentes 
principales de donde es posible la obtención de este recurso son [I.41-I.42]: 
 
• Plantas metanizadoras de residuos orgánicos. 
• Estaciones depuradoras de aguas residuales. 
• Plantas de digestión anaeróbica. 
• Vertederos de residuos sólidos orgánicos. 
 
Características importantes que promueven el uso de este gas es su condición de fuente de 
energía renovable. 
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Capítulo I 
 
 
I.2.3.3.- Etanol 
El etanol y metanol son los principales alcoholes que son utilizados en MCI. El etanol es un 
líquido incoloro, inflamable, volátil, de olor agradable y sabor quemante. Es miscible con el agua 
y con muchos disolventes orgánicos. Este tipo de alcohol químicamente está formado por una 
cadena de hidrocarburo con un radical OH unido a un átomo de Carbón. Para la producción de 
etanol y metanol se puede partir de la materia orgánica originada en un proceso biológico, 
espontáneo o provocado, mejor conocido como biomasa. Los procesos de síntesis o fermentación 
son empleados para la obtención de etanol, aunque el más utilizado es la fermentación alcohólica 
de los azucares de la materia vegetal. La utilización de etanol y demás compuestos oxigenados se 
pueden considerar de la siguiente manera [I.42-I.44]: 
 
• Mezclas de etanol con gasolina en bajo porcentaje (5-10%). 
• Mezclas de etanol entre 10-85% en las cuales es necesario adaptar el MCI. 
• Etanol puro que requiere de modificaciones importantes en el MCI. 
 
La principal ventaja radica en el medio ambiente debido a su origen, ya que se extrae de la 
biomasa, la cual ha extraído parte del CO2 que se podría liberar en la atmósfera. 
 
I.2.3.4.- Gas natural 
Se denomina gas natural al conjuntode hidrocarburos gaseosos formados principalmente por el 
metano, en proporción superior al 70%, que se obtiene de la naturaleza en los campos 
petrolíferos. No existe una teoría rigurosa sobre su formación, pero se asegura que proviene del 
mismo proceso de formación del petróleo. Los componentes que pueden acompañar gas natural 
son hidrocarburos saturados como etano, propano, butano, pentano y pequeñas porciones de 
gases inertes como el Nitrógeno, Oxígeno e Hidrógeno. Como el gas natural tiene reservas 
limitadas se debe ser consiente en su empleo. La relación reservas/producción a escala mundial 
equivalen a menos de 50 años, tomando en cuenta la producción actual. No obstante, existen 
buenas perspectivas de nuevos e importantes descubrimientos de este recurso [I.45]. 
 
Uno de los elementos necesarios para la utilización del gas natural en vehículos es la 
incorporación de depósitos y estaciones especiales de abastecimiento de este recurso. El gas 
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Capítulo I 
 
natural puede ser utilizado en forma comprimida (GNC) o en forma licuada (GNL). Actualmente 
existen en el mercado varias marcas que ofrecen conversiones para motores Otto full injection, de 
esta forma los vehículos pueden circular con gas natural o gasolina. Sus emisiones de CO2 son 
menores en comparación con otros combustibles fósiles y la producción resulta más amigable con 
el entorno. 
 
I.2.3.5.- Gas licuado del petróleo (GLP) 
Como su nombre indica, el Gas Licuado del Petróleo (GLP) o Liquefied Petroleum Gas (LPG), 
se encuentra en fase gas a presión atmosférica y se obtiene de la destilación del petróleo. Con 
objeto de que se mantenga en fase líquida debe ser sometido a una presión superior a la 
atmosférica. La presión requerida para lograr esto, se conoce como presión de vapor y variará 
dependiendo de la cantidad de butano, propano y etano que contenga la mezcla, además de la 
temperatura. El GLP posee una viscosidad muy baja y prácticamente ningún efecto lubricante. 
No contiene plomo ni ningún aditivo añadido, no contiene azufre, son más pesados que el aire, 
inodoros e incoloros y es un combustible económico, por su rendimiento en comparación con 
otros combustibles. Es un combustible apto para motores de ciclo Otto y Diesel, pero es 
necesario utilizar catalizadores para disminuir las emisiones de CO, NOX e hidrocarburos no 
quemados. Se considera que estos motores presentan una serie de ventajas técnicas, ya que se 
conserva más limpio el aceite lubricante, prolonga la vida útil de las bujías, facilita una 
combustión más homogénea logrando con esto mayor potencia y par motor [I.24, I.46 y I.47]. 
 
I.2.3.6.- Hidrógeno 
El átomo de Hidrógeno (H) es el primer elemento de la tabla periódica, es uno de los 
componentes principales del agua y materia orgánica. En condiciones normales de presión y 
temperatura, forma un gas diatómico inflamable, incoloro, inodoro e insípido. Se caracteriza por 
ser el combustible de mayor poder calorífico, además posee una velocidad de inflamación muy 
alta con altos límites de inflamabilidad [I.48]. 
 
La nueva tecnología, accionada por el Hidrógeno, incide directamente en el transporte, 
responsable directamente en el transporte, responsable de aproximadamente el 30% de las 
emisiones de CO2 y del 35% del consumo energético, ofreciendo un transporte prácticamente sin 
emisiones contaminantes y energéticamente más eficiente [I.49]. Como toda nueva tecnología, el 
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Capítulo I 
 
principal inconveniente del uso de Hidrógeno como combustible alternativo es la manera de 
obtenerlo, ya que para su producción se requiere de materia prima como agua o recursos fósiles, 
debido a que no es un recurso, sino un portador de energía. Los procesos para su obtención son 
muy variados y algunas formas de conseguirlo son las siguientes; Electrolisis del agua, 
hidrocarburos, biomasa. El Hidrógeno se caracteriza por ser un combustible limpio ya que en su 
proceso de combustión emite vapor de agua y NOX. Este último si la combustión se produce 
mediante aire [I.50]. 
 
I.3.- Propiedades de los combustibles 
La elección del combustible requiere del conocimiento de sus propiedades físico-químicas. De 
manera general el energético empleado debe cumplir los requisitos con referencia al tipo de 
motor que plantea utilizarse. Las características físicas de un carburante son las que van 
relacionadas directamente con su capacidad para la formación de la mezcla aire-combustible, 
estas características también son relevantes debido a que influyen en su transporte y 
almacenamiento. Por otro lado las características químicas se relacionan con el comportamiento y 
poder del combustible durante la ignición. 
 
Cualquier combustible empleado en un motor de combustión interna (MCI) se encuentra 
obligado a cumplir los siguientes requisitos mínimos: garantizar una detonación segura y rápida 
en el encendido sin que afecte la temperatura exterior del sistema, desarrollar el proceso de 
combustión con una formación pequeña de residuos sólidos (carbonilla), provocar el mínimo 
desgaste sobre las paredes del cilindro y cara del pistón, realizar el proceso de combustión lo más 
eficientemente posible para minimizar la expulsión de gases contaminantes [I.51 - I.62]. 
 
• Autoinflamación.- Fenómeno que se presenta cuando la velocidad de 
desprendimiento de calor supera su velocidad de extracción. 
 
• Rango de inflamación.- Es el margen comprendido entre la concentración mínima y 
máxima de un gas o vapor inflamable, de modo tal que en esas concentraciones la 
mezcla puede incendiarse con una llama o chispa. En la Figura I.5 puede observarse el 
rango de inflamabilidad del Hidrógeno. 
 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
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Capítulo I 
 
 
 
 
 
 
Figura I.5.- Rango de inflamabilidad del Hidrógeno [I.53] 
 
• Velocidad de combustión laminar.- El proceso de combustión es laminar cuando 
puede considerarse que el fluido, compuesto por una mezcla homogénea de aire y 
combustible, se encuentra principalmente en reposo, de modo que no existan 
anisotropías ni en sus perfiles de velocidades iniciales ni en la forma de propagación 
del frente de llama, que presenta en estas condiciones, simetría esférica. La velocidad 
con la que se desplaza el frente de llama con respecto a la mezcla fresca, en la 
dirección normal a la superficie, se denomina velocidad de combustión laminar. Esta 
velocidad se refiere al avance de la reacción química de oxidación del combustible. 
 
• Velocidad de combustión turbulenta.- Aparece cuando la mezcla aire-combustible 
es homogénea en cuanto a composición, pero ofrece un comportamiento anisótropo en 
cuanto a componentes de velocidad. Está relacionada con los parámetros típicos que 
definen un flujo turbulento: la intensidad y la escala de la turbulencia. Esto produce la 
deformación del frente de llama, efecto llamado corrugación, de modo que aumenta 
considerablemente la superficie del frente de llama, dando lugar a una mayor cantidad 
de mezcla quemada por unidad de tiempo, lo cual produce una combustión mucho más 
rápida. La velocidad de combustión laminar es del orden de 0.5 m/s, mientras que la 
velocidad del frente turbulento alcanza valores en torno a los 10 m/s. Con respecto al 
papel que cumple la turbulencia en el mecanismo de propagación de la llama, cabe 
destacar dos aspectos relativos con la estructura de dicho frente: microturbulencia y 
macroturbulencia. 
 
• Poder calorífico.- El poder calorífico (PC) en peso o volumen representa la cantidad 
de energía liberada por unidad de peso o volumende carburante como consecuencia de 
una reacción química de combustión completa. De una manera generalizada, el 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
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Capítulo I 
 
combustible se considera en fase liquida y a una temperatura de 25° C. También se 
puede definir el poder calorífico como la diferencia de entalpias estándar de formación 
de los productos menos la de los reactivos [I.35]. La forma más habitual de unidades 
para expresar al PC para unidad de masa y unidad de volumen son las siguientes: 
MJ/kg, kWh/kg, kcal/kg, MJ/m3, kWh/m3, kcal/m3. Los productos de esta reacción 
pueden dividirse en: 
 
• Poder calorífico superior (PCS).- Cantidad de calor que desprende en la 
combustión completa una unidad de masa o volumen de gas cuando los 
productos de la combustión son enfriados hasta la condensación del vapor de 
agua que contienen. 
 
• Poder calorífico inferior (PCI).- Cantidad de calor que desprende en la 
combustión completa una unidad de masa o volumen de gas cuando los 
productos de la combustión son enfriados sin que llegue a producirse la 
condensación del vapor de agua. El PCI es la única magnitud realmente 
utilizable ya que el agua producida en la combustión se encuentra en forma de 
vapor en los gases emitidos por los motores y los quemadores. 
 
• Viscosidad.- Todos los fluidos reales tienen una resistencia interna al flujo que puede 
verse como fricción entre las moléculas del fluido. En los líquidos, la viscosidad se 
debe a las fuerzas de cohesión de corto alcance; en los gases, se debe a los choques 
entre las moléculas que están asociados con la temperatura y la presión. La fricción 
interna hace que las distintas capas de un fluido se muevan con diferente rapidez en 
respuesta al esfuerzo cortante. 
 
• Densidad.- Propiedad importante de una sustancia es el cociente entre su masa y su 
volumen, usualmente se emplea a la letra griega ρ (rho) para designarla. El cociente 
entre la densidad de una sustancia y la densidad del agua recibe el nombre de densidad 
específica de la sustancia. Las medidas precisas de la densidad deben tener en cuenta 
la temperatura. 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
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Capítulo I 
 
 
• Número de octanos (N.O.).- Medida de la resistencia de un combustible para llegar a 
producir autoinflamación en un motor de referencia. Los requisitos de octanaje de un 
motor dependen de su relación de compresión y de la presión del colector de entrada, 
así como del diseño de la cámara de combustión y de las válvulas. 
 
• Calor de vaporización.- También llamado entalpía de vaporización, es la energía 
necesaria que un líquido debe de absorber para que un gramo de éste pase del estado 
líquido al gaseoso. 
 
• Presión de vapor (RVP).- Es una medida de la volatilidad que posee un combustible. 
Esto quiere decir que a mayor RVP mayor es la capacidad del combustible para 
evaporarse dentro de una cantidad de aire determinada. 
 
• Mezcla estequiométrica.- Relación existente entre la cantidad de combustible y aire 
para que se realice una combustión completa y homogénea. Indica el número de 
unidades de aire necesarias para provocar una reacción ideal por cada unidad de 
combustible. 
 
I.3.1.- Características del aire 
La composición del aire es variable dependiendo de las condiciones medioambientales en las que 
se encuentre. Es un gas inodoro, incoloro e insípido. En general se puede considerar que está 
formado por una mezcla de distintos gases, cuyas proporciones en volumen para aire seco y puro 
son aproximadamente iguales [I.62]. Además, es esencial en el proceso de combustión ya que 
este proporciona el Oxígeno que actuará como comburente durante la reacción. La Tabla I.2 
muestra el contenido aproximado en la composición de aire puro. 
 
Tabla I.2.- Composición del aire puro [I.64] 
 
Gases 
 
Fórmula 
Concentración 
(% en volumen) 
Peso molecular 
(kg/mol x103) 
Gases activos 
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Capítulo I 
 
Nitrógeno 
Oxígeno 
Hidrógeno 
N2 
O2 
H2 
78.09 
20.95 
5.0 x 10-5 
28.0 
32.0 
2.0 
Gases inertes 
Argón 
Neón 
Helio 
Criptón 
Xenón 
Radón 
 
Ar 
Ne 
He 
Kr 
Xe 
Rn 
 
0.93 
1.8 x 10-3 
5.2 x 10-4 
1.0 x 10-4 
8.0 x 10-6 
6.0 x 10-18 
 
39.9 
20.2 
4.0 
83.7 
131.3 
222.0 
Gases variables 
Dióxido de Carbón 
Ozono 
 
CO2 
O3 
 
3.6 x 10-2 
1.0 x 10-6 
 
44.0 
48.0 
 
I.4.- Proceso de combustión 
El proceso que permite transformar la energía química en energía térmica es el denominado 
proceso de combustión. La combustión es una reacción química exotérmica de una sustancia o 
mezcla de ellas llamada combustible con el oxígeno (comburente), donde el flujo de calor es 
grande. La reacción de la combustión origina residuos que alcanzan un alto nivel térmico de tipo 
gaseoso siendo los más ordinarios el CO2 y H2O [I.64]. 
 
I.4.1.- Tipos de combustión [I.64 a I.66] 
 
• Combustión completa.- Esta se lleva a cabo en el momento en que las sustancias 
combustibles reaccionan hasta el máximo grado posible de oxidación. Este proceso 
origina una nula o escasa presencia de sustancias combustibles en los productos 
derivados de la combustión. 
 
• Combustión incompleta.- Ocurre cuando no es posible alcanzar el grado máximo de 
oxidación y por ende, hay presencia de sustancias combustibles en los gases de la 
reacción, debido a las condiciones de combustión no ideales. 
 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos 18 
Capítulo I 
 
• Combustión teórica.- Reacción que se produce con la cantidad mínima de aire 
(debido a que se emplea en su totalidad) para evitar la presencia de sustancias 
comburentes en los gases de la combustión. 
 
• Combustión con exceso de aire.- Utilización de una cantidad de aire superior al 
mínimo, donde la tendencia de la combustión tiende a producir sustancias 
comburentes en los gases de reacción como el oxígeno, debido a que se hace 
reaccionar por completo el combustible disponible en el proceso. 
 
• Combustión con deficiencia de aire.- Reacción que se alcanza con una menor 
cantidad de aire que la mínima necesaria para producir la combustión en su totalidad, 
por ello en los residuos de la combustión se halla la presencia de sustancias 
combustibles. 
 
I.4.2.- Aplicaciones de la combustión [I.67-I.68] 
Los diferentes tipos de combustión son muy importantes para los procesos industriales ya que 
permiten disponer de energía para distintos usos y por lo general se llevan a cabo en equipos de 
proceso tales como: calderas, hornos y distintas variedades de cámaras de combustión. Estos 
equipos hacen eso de distintas tecnologías y dispositivos para la realización de la combustión. Un 
dispositivo muy empleado recibe el nombre de quemador, el cual produce un tipo de llama 
característico para cada tipo de combustible empleado. 
 
En el quemador se lleva la mezcla del combustible y el comburente (agente oxidante) en 
proporciones que estén dentro de los límites de inflamabilidad para el encendido y con ello lograr 
una combustión estable. No obstante, se debe proporcionar un funcionamiento continuo en el 
sistema que provee el combustible e inhibir el desplazamiento de la llama a una región de menor 
temperatura para evitar su extinción. 
 
De manera general, los quemadores se pueden clasificar de dos maneras: 
 
• Mezcla directa. Se lleva a cabo en el momento en que se combinan el combustible y el 
agente oxidante en el punto de encendido (ignición). 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 aHidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos 19 
Capítulo I 
 
 
• Mezcla previa. Tiene lugar cuando el comburente y el combustible se juntan previos al 
encendido. 
 
Para la combustión de combustibles gaseosos, los diseños pueden ser circulares o lineales con 
orificios los cuales permiten por una parte la salida del combustible y el ingreso del agente 
oxidante mediante tiro natural o forzado. Para la combustión de combustibles líquidos, estos 
deben ser vaporizados o atomizados junto con el agente oxidante. 
 
I.5.- Emisiones contaminantes [I.69 a I.73] 
Entre los contaminantes atmosféricos emitidos por los MCI cabe distinguir dos tipos 
fundamentales: los contaminantes primarios, es decir, los que genera de manera directa el propio 
motor y que son producidos durante la fase de escape como el azufre, los óxidos de nitrógeno, el 
monóxido de carbono, los hidrocarburos sin quemar (HC) y demás partículas; y los 
contaminantes secundarios, como el smog fotoquímico, que se genera bajo la influencia de 
agentes externos como la radiación producida por el sol. No se considera como sustancia 
contaminante al dióxido de Carbón, dado que es una sustancia inocua, aunque es bien sabido su 
impacto en los problemas de carácter global como el efecto invernadero. Es importante dejar en 
claro que las emisiones de CO2 son inversamente proporcionales al rendimiento del motor, por lo 
tanto, al aumentar el rendimiento del motor disminuyen las emisiones. 
 
• Monóxido de Carbón (CO).- La formación de CO está ligada directamente a la 
eficiencia de la combustión. Las emisiones de CO dependen de la calidad de 
combustible, de la relación aire – combustible y del tipo sistema de alimentación de 
combustible. EI CO es un gas incoloro, inodoro, venenoso y es producto de una 
combustión incompleta. Es decir, es resultado de los hidrocarburos sin quemar (HC). 
 
• Óxidos de Nitrógeno (NOX).- El óxido de Nitrógeno es el concepto colectivo para 
compuestos de Nitrógeno y Oxígeno. Se forman como consecuencia de reacciones 
secundarias en todos los procesos de combustión con aire, que contiene Nitrógeno, es 
incoloro y sin olor; es causante de la lluvia ácida. En los MCI se produce 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos 20 
Capítulo I 
 
principalmente óxido de Nitrógeno (NO) y dióxido de Nitrógeno (NO2), y en reducida 
medida también óxido nitroso (NO2). 
 
Existen cuatro mecanismos básicos para la formación del NO: 
 
• Térmico.- Este es la principal causa de formación de NO y se origina con 
temperaturas superiores a 1800 K. 
 
• Súbito.- Surge en las zonas interiores de la llama, en presencia de elevadas 
concentraciones de hidrocarburos sin quemar, dando lugar a la formación de NO 
mucho más rápido que por vía térmica. 
 
• Vía N2O.- Únicamente se presentan en las turbinas de gas en dosados relativamente 
inferiores a 0.8, con bajas temperaturas y elevadas presiones. 
 
• Vía combustible.- El en este último caso, el Oxígeno del aire puede reaccionar 
directamente con el Nitrógeno del combustible dando lugar a la formación del NO. 
 
I.6.- Planteamiento del problema 
La era del petróleo está llegando a su fin. Barril tras barril las reservas mundiales de energías no 
renovables se agotan. La escasez de combustibles fósiles resultará palpable en unas pocas 
décadas. De hecho, es el principal responsable de que en los últimos años tanto las empresas 
como los consumidores hayan tenido que rascarse el bolsillo para poder pagar el constante 
aumento en el precio de los artículos que consumen día a día. Otra repercusión significativa es el 
incremento de temperatura a nivel mundial producido por las emisiones contaminantes entre los 
que destacan los gases de efecto invernadero. 
 
Esto ha llevado a la investigación de nuevas fuentes de energías que puedan abastecer las 
necesidades que hasta ahora se satisfacen, que también sean limpias y amigables con el medio 
ambiente. Desde hace décadas se tiene la esperanza de la llegada de los motores que funcionen con 
Hidrógeno. Aún no se ha comprobado su eficacia aunque en las pruebas de laboratorio han 
Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos 21 
Capítulo I 
 
demostrado ser prometedores, incluso ya se cuenta en algunos países con vehículos de este tipo 
por las calles y estaciones de servicio o hidrogenerás. La producción de estas máquinas, no 
obstante, está todavía lejos de ser masiva. El problema según Huber, “es que este gas, al igual 
que la electricidad, no es una energía primaria, como el petróleo o la nuclear, sino que el 
Hidrógeno es una forma de presentar la energía más adecuada para ciertos usos, pero carece de la 
identidad energética y del todavía bajo precio del petróleo, que lo han hecho imbatible durante 
dos siglos”. 
 
Encontrar la forma de explotarlo efectivamente proporcionaría a la humanidad una fuente de 
energía virtualmente ilimitada, la clase de elixir de la energía que durante tanto tiempo ha 
escapado a los esfuerzos de alquimistas y químicos. En cierto sentido, la premonición que tuvo 
Julio Verne de un futuro basado en el Hidrógeno ya estaba comenzando a anunciarse en el último 
cuarto del siglo XIX. 
 
I.7.- Sumario 
Este Capítulo hace un enfoque en el cual se plasman los principales avances históricos 
relacionados a la evolución de las maquinas, las energías no renovables y las energías 
alternativas. En la primera parte se ilustra el avance cronológico del surgimiento de artefactos y 
mecanismos que aún hoy en día, continúan siendo los pilares de las máquinas en la ingeniería 
moderna. Posteriormente se describen los tipos de recursos energéticos que se pueden obtener de 
las principales energías no renovables y además, se presentan las fuentes de energía renovables 
que en los próximos años sin lugar a duda pasarán a ser en extremo importantes. Finalmente se 
considerar el impacto contaminante o emisiones contaminantes que se generan por la 
explotación de los recursos energéticos, donde el Hidrógeno termina de resaltar como un vector 
energético, que posee todo lo necesario para ser el nuevo combustible a nivel mundial. 
 
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Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos 22 
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Análisis por Cambio de Combustible Tipo Gasolina 
 a Hidrógeno en un Motor Endotérmico Ciclo Otto Cuatro Tiempos 26 
 
 
 
 
Capítulo II 
Hidrógeno 
 
 
 
 
 
 
Capítulo II 
 
II.1.- Generalidades 
En la actualidad, una de las mayores preocupaciones tanto en materia medioambiental como en 
materia de energía, es la de desarrollar maneras viables para continuar y abastecer los 
requerimientos que día a día se presentan (Figura II.1). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura II.1.- Medio ambiente 
 
Tanto las fuentes alternativas de energía y a su vez los combustibles alternativos que se pueden 
generar de fuentes de energía renovable, están viendo un desarrollo creciente con el fin de cubrir