INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA Unidad Ticomn

INGENIERIA EN AERONAUTICA

Fundamentos de Motores de Combustin Interna

Octanaje, detonacin y familias de combustibles

Ral Alberto Bernal Orozco

5AV3

Profesora: LANDEROS MENDEZ MINELIA

Mxico, Distrito Federal

5 de Septiembre del 2014

Octanaje

Octanaje o nmero de octano es una medida de la calidad y capacidad antidetonante de

las gasolinas para evitar las detonaciones y explosiones en las mquinas de combustin

interna, de tal manera que se libere o se produzca la mxima cantidad de energa til.

Los octanos son una familia de hidrocarburos que son componentes tpicos de la

gasolina. Son incoloros y tienen su punto de ebullicin a alrededor de 125 C, Un

miembrote la familia de los octanos es el isooctano, que es utilizado como estndar de

referencia para las gasolinas.

El ndice de octano de una gasolina es determinado en un motor de prueba y es definido

por la comparacin con la mezcla de 2,2,4-trimetilpentano (iso-octano) y heptano que

tiene la misma capacidad anti-detonacin como el combustible probado.

Hay tres tipos de ndices de octano:

El octanaje medio en laboratorios Research Octane Number (RON) Octanaje de motor esttico Motor Octane Number (MON) Un octanaje comprobado en las carreteras Road ON

Para determinar la calidad antidetonante de una gasolina, se efectan corridas de prueba

en un motor, de donde se obtienen dos parmetros diferentes:

El Research Octane Number (Nmero de Octano de Investigacin) que se

representa como RON o simplemente R y que se determina efectuando una

velocidad de 600 revoluciones por minuto (rpm) y a una temperatura de entrada

de aire de 125F (51.7C)

El Motor Octane Number (Nmero de Octano del Motor) que se representa

como MON o simplemente M y se obtiene mediante una corrida de prueba en

una mquina operada a una velocidad de 900 revoluciones por minuto y con una

temperatura de entrada de aire de 300F (149C). Para propsitos de

comercializacin y distribucin de las gasolinas, los productores determinan el

octanaje comercial, como el promedio de los nmeros de octano de

investigacin (RON) y el octano del motor (MON), de la siguiente forma:

Nmero de octano comercial = RON + MON = R + M

2 2

La calidad antidetonante de una gasolina se mide usando una escala arbitraria de

nmero de octano. En esta escala, se dio a los hidrocarburos iso-octano (que es poco

detonante) un ndice de octano de 100; y al n-heptano (que es muy detonante), un ndice

de octano de cero.

La prueba de determinacin del octanaje de una gasolina se efecta en un motor

especial de un slo cilindro, aumentando progresivamente la comprensin hasta que se

manifiesten las detonaciones. Posteriormente, se hace funcionar el motor sin variar la

comprensin anterior, con una mezcla de iso-octano y una cantidad variable de n-

heptano, que representar el octanaje o ndice de octano de la gasolina para la cual se

procedi a la prueba y que tiene, por lo tanto, el mismo funcionamiento antidetonante de

la mezcla de hidrocarburos.

As, por ejemplo, si una gasolina presenta propiedades antidetonantes similares a una

mezcla de 95% de iso-octano y 5% de n-heptano, se dice que tiene un nmero de octano

de 95.

Los principales problemas son la generacin de detonaciones o explosiones en el

interior de las mquinas de combustin interna, aparejado esto con un mal

funcionamiento y bajo rendimiento del combustible, cuando el vehculo est en

movimiento, aunado a una elevada emisin de contaminantes.

Cuando en un coche nuevo, le repostas una gasolina que no lleva, de menor octanaje, se

nota rpidamente debido al ruido caracterstico que realiza cuando se genera una

explosin del combustible que se produce antes de lo que se debera. En cambio a los

motores que son poco eficaces, se les recomienda usar gasolinas con un nivel bajo de

octanaje, que se debe a la baja relacin de compresin con la que trabajan los cilindros

del motos. As, cuando hay mayor comprensin, se necesita un octanaje mayor para que

el motor sea eficaz.

Detonacin

La detonacin o knocking aparece cuando la mezcla gas-aire se inflama bruscamente

antes de que salte la chispa en la buja, cuando el pistn no ha alcanzado an el

momento preciso. Se provoca por tanto una fuerza que se opone al movimiento normal

del cigeal.

Los factores que producen el autoencendido en un motor:

1. Temperatura 2. Densidad 3. Tiempo 4. Relacin combustible-oxgeno 5. Material suplementario (gases inertes, catalizadores) 6. Turbulencia, (que afecta la homogeneidad de la mezcla)

Figura 2.1: Grficos de presin para los casos de combustin con y sin detonacin

En un motor de encendido por chispa, la llama viaja a travs de la cmara de

combustin mantenindose una proporcin ordenada y elevndose la presin

uniformemente dentro de ella. A delante del frente de la llama, la mezcla que no se

quem es comprimida por la presin que va en aumento, con la consiguiente elevacin

de su temperatura y densidad. Si la demora del encendido de la mezcla no quemada, se

consume antes de conseguir la formacin de la llama, ocurre el autoencendido de los

extremos de la masa gaseosa. Con este autoencendido, el proceso metdico de

combustin se convierte en ingobernable, experimentando una brusca elevacin de la

presin. La energa se libera a una velocidad mayor prevista por el diseo y es cuando

se presenta el golpeteo. Por lo tanto en los motores ECH, el golpeteo se caracteriza por

el brusco autoencendido de la alimentacin cerca del final del proceso de combustin.

Las porciones de mezcla gaseosa ms distantes son los transgresores del autoencendido.

En la figura (2 .2) se ilustra el diagrama p-t, para un motor ECH. En el se muestran los

cambios de frecuencia de las vibraciones del gas, a medida que aumenta el volumen y

tambin la magnitud de diferencia de presiones.

En el motor EC, se inyecta combustible lquido en el seno de aire caliente, apareciendo

una demora fsica mientras es atomizado, vaporizado, elevado en su temperatura y

mezclado con aire. En seguida tiene lugar una demora qumica, antes de que aparezca la

llama. Durante la demora del encendido, provocada por los factores tanto fsicos como

qumicos, es inyectado ms y ms combustible dent5ro de la cmara de combustin.

Debido a esta acumulacin de combustible, al iniciarse la combustin lo hace a gran

velocidad y el impacto de la presin ocasiona que el motor vibre mientras vayan

apareciendo en la cmara las diferencias de presin. El golpeteo en los motores EC, se

caracteriza por un sbito autoencendido de la mezcla muy al principio del proceso de

combustin (sin embargo como la combustin EC, es heterognea, puede ocurrir una

continuacin del autoencendido en cualquier etapa del proceso.

Las comparaciones del proceso de combustin en los motores ECH y EC, muestran que

el golpeteo es originado en ambos, por el mismo fenmeno: el autoencendido del

combustible. En el motor ECH, tiene lugar que el incontrolado encendido por s mismo,

al final del periodo de elevacin de la presin; en el motor EC, el encendido por s

mismo no controlado, ocurre muy al principio de la elevacin de la presin. Debido a

tesa diferencia en el instante que ocurre el autoencendido, se ha encontrado, que las

condiciones que producen el golpeteo en el motor.

Figura 2.2 Diagrama presin-tiempo, de un motor detonante; tomado con un indicador que utiliza un diafragma

de catenaria como receptor de presin. Motor CFR; 1200 rpm; relacin 8:1; chispa 30 antes del punto muerto

superior; combustible 70 octanos. El dibujo no muestra las frecuencias reales de la detonacin.

Ya que la combustin a volumen constante, es ms deseable termodinmicamente, se

podr pensar que el golpeteo no es objetable en el motor. El golpeteo tiene estas

consecuencias.

1. El impacto sobres los componentes del motor y la estructura, ocasionan fallas; adems, el ruido proveniente de las vibraciones de un motor

siempre es objetable.

2. Es difcil asegurar si la elevacin errtica de presin proveniente del autoencendido no controlado, ocurrir en el punto ms favorable durante

un ciclo, la desventaja especialmente aplicable a los mores

multicilndricos. (Figura 2.3 y Figura 2.4)

3. Las diferencias de presin en la cmara de combustin, ocasionan que vibre el gas y dae las paredes de la cmara. Esta accin, reduce la

resistencia de la capa metlica endurecida y facilita una prdida superior

de calor hacia el refrigerante.

4. La falta de control del proceso de combustin, conduce al preencendido y a los sobrecalentamientos locales.

Por estas razones el golpeteo es un suceso que debe evitarse en los motores de

combustin. Un caso particularmente perjudicial para el motor es el surgido de la

combinacin de detonacin y encendido superficial, pues se da una realimentacin entre

ambos. Entrando en detalle, bajo un rgimen con detonaciones reiterativas pueden

surgir sobrecalentamientos locales, cuya temperatura llega a rondar los 1 200 K

(sobradamente por encima del punto de autoignicin), en las paredes de la cmara de

combustin. Desde dichos puntos se inician igniciones superficiales que, en la prctica,

se comportan como adelantos al encendido excesivos, con lo que las detonaciones se

vuelven notablemente ms severas. En el peor caso, si esta situacin se prolonga el

tiempo suficiente, se producir un fenmeno especialmente daino, el picado intenso o

wild ping, de consecuencias destructivas sobre los componentes del motor, como pone

de manifiesto la figura 2.5.

Figura 2.3 Comparacin del tiempo de detonacin en los motores ECH y EC

Combustibles

Combustible es cualquier material capaz de liberar energa cuando se oxida de forma

violenta con desprendimiento de calor. Supone la liberacin de una energa de su forma

potencial (energa de enlace) a una forma utilizable sea directamente (energa trmica) o

energa mecnica (motores trmicos) dejando como residuo calor (energa trmica),

dixido de carbono y algn otro compuesto qumico. Casi todos los combustibles para los motores de combustin de hoy en da se derivan

del petrleo, el cual es una mezcla compleja de hidrocarburos. Sin embargo, a medida

que disminuyen las reservas de petrleo, tiene cada vez mayor importancia el gas

natural. De igual forma los biocombustibles comienzan a tomar mayor relevancia.

Combustibles fsiles.

Los combustibles fsiles son tres: petrleo, carbn y gas natural, y se formaron hace

millones de aos, a partir de restos orgnicos de plantas y animales muertos. Durante

miles de aos de evolucin del planeta, los restos de seres que lo poblaron en sus

distintas etapas se fueron depositando en el fondo de mares, lagos y otros cuerpos de

agua.

El petrleo es una mezcla homognea de compuestos orgnicos, principalmente

hidrocarburos insolubles en agua. Tambin es conocido como petrleo crudo o

simplemente crudo. Fruto de la transformacin de materia orgnica procedente de

zooplancton y algas que, depositados en grandes cantidades en fondos anxicos de

mares o zonas lacustres del pasado geolgico, fueron posteriormente enterrados bajo

pesadas capas de sedimentos. Se originaron a partir de restos de plantas y

microorganismos enterrados por millones de aos y sujetos a distintos procesos fsicos y

qumicos. La transformacin qumica (craqueo natural) debida al calor y a la presin

durante la diagnesis produce, en sucesivas etapas, desde betn a hidrocarburos cada

Figura 2.5: Pistn destruido por picado

intenso (van Basshuysen & Schfer, 2004)

Figura 2.4: Efecto sobre el rendimiento del

motor de la relacin de compresin para los

casos de combustin normal y combustin

con detonacin.

vez ms ligeros (lquidos y gaseosos). Estos productos ascienden hacia la superficie, por

su menor densidad, gracias a la porosidad de las rocas sedimentarias. Cuando se dan las

circunstancias geolgicas que impiden dicho ascenso (trampas petrolferas como rocas

impermeables, estructuras anticlinales, mrgenes de diapiros salinos, etc.) se forman

entonces los yacimientos petrolferos.

El carbn sufri esencialmente la misma secuencia de procesos, excepto que en su caso

la materia orgnica original fu de origen vegetal.

Entre los combustibles fsiles ms utilizados se encuentran los derivados del petrleo:

gasolinas, naftas, gasleo, fuelleo; los gases procedentes del petrleo (GLP): butano,

propano; el gas natural, y las diversas variedades del carbn: turba, hullas, lignitos, etc.

Biocombustibles

Los biocombustibles contienen componentes derivados a partir de biomasa, es decir,

organismos recientemente vivos o sus desechos metablicos. Los biocomponentes

actuales proceden habitualmente del azcar, trigo, maz o semillas oleaginosas.

Todos ellos reducen el volumen total de CO2 que se emite en la atmsfera, ya que lo

absorben a medida que crecen y emiten prcticamente la misma cantidad que los

combustibles convencionales cuando se queman.

Petrleo crudo

El petrleo crudo es una mezcla homognea de un nmero muy alto de compuestos de

hidrocarburos, yendo desde gases ligeros, hasta lquidos espesos de aspecto de alquitrn

y ceras de estructura qumica compleja; tal y como proviene el aceite del subsuelo,

tambin contiene azufre, oxgeno, nitrgeno, arena y agua. Aun cuando los compuestos

o componentes del petrleo crudo varan significativamente de yacimiento a

yacimiento, los constituyentes finales son relativamente fijos; el porcentaje de carbono

vara de 83% a 87% y el de hidrgeno de 11% a 14%. La mayora de los compuestos

del crudo, pertenecen principalmente a la familia de las parafinas, naftenos y

aromticos, junto con una considerable porcin de material asfltico.

Familia Frmula Estructura

Parafina (alcanos)

Nafteno

Aromticos Benceno

Naftaleno

CnH2n+2 CnH2n

CnH2n-6

CnH2n-12

Cadena

Anillo

Anillo

Tabla 3.1 Principales familias de hidrocarburos en el petrleo crudo

Separacin del petrleo

Es muy posible aun cuando econmicamente factible, convertir casi todo el petrleo

crudo en gasolina y combustible diesel. Sin embargo hay demanda por muchos otros

productos derivados, los costos de la refinacin, as como los precisos de los productos

en el mercado, dictan la divisin del crudo en diversos productos de variada utilidad.

1.- Destilacin atmosfrica

Consiste en la separacin de la mezcla de hidrocarburos lquidos en componentes ms

especficos, mediante la aplicacin de calor hasta lograr vaporizar cada componente,

aprovechando que cada uno de ellos posee diferente punto de ebullicin.

2.- Destilacin al vaco

Proceso intermedio para extraer, del residuo atmosfrico, el gasleo usado como carga a

las plantas de desintegracin cataltica FCC, as como las fracciones para elaboracin de

aceites lubricantes.

3.-Desintegracin cataltica Proceso que consiste en descomponer las molculas de

hidrocarburos ms grandes, pesadas o complejas, en molculas ms ligeras y simples.

Se lleva acabo mediante la aplicacin de calor y presin y, mediante el uso de

catalizadores (trmica). La utilizacin de este proceso permite incrementar el

rendimiento de gasolina y de otros productos importantes que tienen aplicaciones

diversas en la industria del petrleo.

4. Hidrotratamiento.

Proceso cuyo objetivo es estabilizar catalticamente los petrolferos, adems de eliminar

los componentes contaminantes que contienen, hacindolos reaccionar con hidrgeno a

temperaturas comprendidas entre 315 y 430 C a presiones que varan de 7 a 210

kg/cm2,en presencia de catalizadores diversos.

5. Reduccin de viscosidad.

Proceso empleado en la refinacin de petrleo para obtener hidrocarburos de bajo peso

molecular tales como gases, gasolina, gasleos y residuo de baja viscosidad, a partir de

residuos de vaco de alta viscosidad.

6. Coquizacin.

Equipo instalado en una lnea de conduccin de gas para incrementar la presin y

garantizar el flujo de fluido a travs de la tubera.

7. Alquilacin.

Los procesos de alquilacin comprenden la combinacin de una olefina con un

hidrocarburo parafnico o aromtico, en presencia de un catalizador. El proceso

involucra la unin de propileno o butilenos con isobutano, en presencia de cido

fluorhdrico o sulfrico como catalizador, para formar una isoparafina denominada

alquilado ligero

8. Reformacin.

Proceso que mejora la calidad antidetonante de fracciones de la gasolina modificando la

estructura molecular. Cuando se lleva a efecto mediante calor, se le conoce como

reformacin trmica y como reformacin cataltica, cuando se le asiste mediante un

catalizador.

9. Isomerizacin.

Proceso mediante el cual se altera el arreglo fundamental de los tomos de una molcula

sin adherir o sustraer nada de la molcula original.

10.- TAME y MTBE

Oxigenantes que se utilizan como aditivo par a incrementar el octanaje en la gasolina, y

su utilizacin depende de la legislacin (ambiental) con relacin a la composicin y

calidad de las gasolinas.

Familia de las parafinas.

Parafina es el nombre comn de un grupo de hidrocarburos alcanos de frmula general

para alcanos alifticos (de cadena lineal) CnH2n+2, donde n es el nmero de tomos de

carbono, y para cicloalcanos es CnH2n. La molcula ms simple de parafina es el

metano, CH4, un gas a temperatura ambiente; en cambio, los miembros ms pesados de

la serie, como el octano C8H18, se presentan como lquidos. Son hidrocarburos

saturados. Las formas slidas de parafina, llamadas cera de parafina, provienen de las

molculas ms pesadas C20 a C40. La parafina fue identificada por Carl Reichenbach, en

1830.

Figura 3.1: Es quema general del sistema de refinacin

Familia de los alquenos (olefinas)

Los alquenos son hidrocarburos insaturados que tienen uno o varios dobles enlaces

carbono-carbono en su molcula. Los alquenos cclicos reciben el nombre de

cicloalquenos.

Antiguamente se les conoca como olefinas dadas las propiedades que presentaban sus

representantes ms simples, principalmente el eteno, para reaccionar con halgenos y

producir leos.

La frmula general de un alqueno de cadena abierta con un slo doble enlace es CnH2n.

Por cada doble enlace adicional habr dos tomos de hidrgeno menos de los indicados

en esta frmula.

Familia de los aromticos.

Los miembros de la familia del benceno, son hidrocarburos de estructura de anillo con

formula general CnH2n-6. Las series del benceno pueden tener diferentes grupos

sustituidos por tomos de hidrgeno

A pesar de la falta de saturacin, las uniones dobles no son fijas en su posicin respecto

a los tomos de carbono y s son, en cambio, alternas, dando origen al nombre de

uniones aromticas. Debido a est unin particular los aromticos son ms estables

qumicamente que otros compuestos no saturados. De hecho, resisten el autoencendido

severo y lo hacen reaccionando en la carrera de compresin, aun mejor que el iso-

octano. Cuando se une ms de un grupo al anillo benceno, se hacen posibles varios

ismeros.

Los naftalenos, con estructura de anillo doble tambin se encuentran en el petrleo y

son de frmula general CnH2n-12

Se ha establecido una escala para los combustibles EC, con los mismos lineamientos

que para los combustibles ECH. As, el hexadeano (cetano),se incendia rpidamente en

un motor EC para relaciones de compresiones bajas y por ello se le asign

arbitrariamente un nmero de cetano de 100. El otro combustible de referencia para la

escala de cetano, es el alfa-metil naftaleno, con un valor arbitrario de 0 cetano.

Los miembros de la familia de los aromticos, son gasolinas excelentes como

combustibles y pueden producirse selectivamente por desintegracin cataltica o por

desintegracin pirognica a temperaturas elevadas. El benceno puede emplearse para

elevar el nmero de octano de los combustibles de bajo grado.

Alcoholes

Los alcoholes son compuestos orgnicos formados a partir de los hidrocarburos

mediante la sustitucin de uno o ms grupos hidroxilo (-OH) por un nmero igual de

tomos de hidrgeno. El trmino se hace tambin extensivo a diversos productos

sustituidos que tienen carcter neutro y que contienen uno o ms grupos alcoholes.

CnH2n+1OH

Los alcoholes posen un alto nivel de octano, lo que les da excelentes caractersticas

antidetonantes.

Gasolina

La gasolina que se expende en el mercado, es un mezcla de productos obtenidos

mediante diferentes procesos. Mediante dichas mezclas, se ajustan las propiedades del

combustible para obtener las caractersticas de especial inters para el ingeniero.

Independientemente de su origen la gasolina debe tener las propiedades siguientes:

1. Caracterstica de golpeteo. (Octanaje) 2. Volatilidad. a) Caractersticas de arranque. La gasolina pondr en movimiento al motor,

rpidamente, siempre que una parte de ella tenga bajo punto de ebullicin,

como para permitir que se forme la mezcla de combustible a la temperatura

ambiente.

CH3OH alcohol metlico (metanol)

b) Caractersticas de vaporizacin. El combustible debe tener una baja presin de vapor, a las temperaturas existentes en las tuberas, para evitar la vaporizacin

que impide o limita el flujo del combustible

c) Comportamiento en la carrera. En general, los combustibles con la temperatura ms baja de destilacin, son los mejores.

d) Dilucin en el carter. La dilucin del aceite lubricante tiene lugar cuando se condensa el combustible, o cuando deja de vaporizarse en el motor, siendo

deseable una temperatura de destilacin baja.

3. Depsitos gomosos y barniz. El combustible no deber depositarse en el motor, ni goma, ni barniz.

4. Corrosin. El combustible y los productos de combustin no deben ser corrosivos.

5. Costo. El combustible deber ser barato.

Bibliografa:

Obert Edward F. Motores de Combustin Interna. 13 edicin. CIA Editorial Continental. Mxico, 1982. 764pp.

SENER. Prospectiva de petrolferos 2002-2011.

Qu es Octanaje? PEMEX Refinacin [en lnea]. [Fecha de consulta: 23 agosto 2014]. Disponible en: http://www.ref.pemex.com/octanaje/que.htm

Tabla 3.2 Otras familias de combustibles y sus caractersticas