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     NOTAS TECNICAS 30/04/11   
 
Sobre octanos, heptanos, cetanos y otros tanos

La evolución que siguen los motores actualmente es en buena parte debida a la evolución que también siguen los combustibles. Sea por cuestiones de rendimiento o de emisiones de escape la cuestión es que el combustible de nuestros motores cambia y a veces nos desorientamos respecto de que tipo nos conviene mas usar. El tema es muy extenso, y en este artículo me dedicaré a explicarle algunas de las variables que entran en juego para que un combustible funcione correctamente. El primero que le quiero mencionar es la relación de compresión.

La Relación de Compresión o Rc se define como la relación existente entre el volumen total del cilindro: Vcil (volumen barrido por el pistón) + Vcam (volumen de la cámara de combustión) y el volumen de la cámara de combustión Vcam.

Expresado en otros términos la relación de compresión indica cuantas veces puede ser contenido el volumen de la cámara en el cilindro, o bien cuantas veces es comprimida la mezcla que está dentro del cilindro cuando llevamos el pistón del PMI al PMS.

En motores de pistón esta definición es válida tanto para motores de gasolina como para motores diesel. Como referencia digamos que los motores de encendido por chispa tiene una Rc del orden de 7:1 a 12:1. En motores de uso normal, difícilmente se puede sobrepasar una Rc de 10,5:1 usando combustibles del tipo comercial, y en motores de competición ese valor puede llegar hasta 12.5:1 sin problemas serios de detonación.

El factor limitante en la Rc en los motores de gasolina, viene dado por las cualidades del combustible para resistirse a la presencia de detonación, es decir de no a inflamarse por el solo hecho de comprimir la mezcla aire/combustible y sin que medie un salto de chispa.

Al comprimir la mezcla se produce una elevación de temperatura, que puede alcanzar valores suficientemente altos como para que la dicha mezcla se inflame.

Este fenómeno de combustión espontánea puede verse agravado por el avance del encendido, el cual al comenzar la combustión antes de que el pistón alcance el PMS, contribuye a que en el recinto aumenten aún mas la presión y la temperatura.

La idea de usar altas Rc se sustenta en el hecho que al aumentar ese valor mejora la performance del motor. Sin embargo existe una limitación práctica, ya que si bien es posible desarrollar gasolinas que soporten mayores exigencias desde el punto de vista de detonación y que permitirían usar una mayor Rc. El costo resultante de elaborar, almacenar y manipular dichas gasolinas, y el aumento en la formación de los peligrosos óxidos  de nitrógeno NOx debido las altas temperaturas resultantes de una mayor Rc indicarían como improbable que en los motores convencionales se superen los valores actuales.

En el caso de los motores diesel las Rc habituales superan en el doble del valor a las de los motores de encendido por chispa. A diferencia de los de gasolina los motores diesel basan su combustión en inyectar combustible finamente pulverizado en una atmósfera de aire comprimido lo suficientemente caliente como para que el combustible se autoinflame.

No debemos confundir entre Relación de Compresión y Presión de compresión.

La relación de compresión es una relación geométrica que mide cuantas veces cabe la cámara de combustión dentro del cilindro, pero no representa una magnitud física, es un número sin unidades. En cambio la presión de compresión es una magnitud física mensurable.

Si colocamos un manómetro en el lugar de una bujía, o del inyector en el caso del diesel, y hacemos girar el motor a velocidad de arranque, el manómetro indicará un valor de presión máxima cuando el pistón esté en el ciclo de compresión y alcance el PMS. Este aparato, con una válvula de retención como para que la presión quede acumulada y permita leer el valor máximo que alcanza, es normalmente conocido como compresómetro.

 

La presión de compresión depende de la relación de compresión, pero también depende de la cantidad de aire o de mezcla que le permitimos ingresar al cilindro.

En un motor cualquiera, con una Rc conocida, supongamos que logro obtener  dentro del cilindro una presión igual a la atmosférica, y en estas condiciones mido la presión de compresión. Veré que obtengo un determinado valor, pero si limito la entrada de mezcla al motor, como es el caso de un motor de gasolina a cargas parciales del acelerador, obtendré dentro del cilindro una presión de compresión menor, sin embargo pese a que hemos obtenido distintas presiones de compresión, la Rc del motor se mantuvo constante.

 

En el otro extremo, si mediante algún artilugio mecánico, como puede ser un compresor o un turbocompresor logro superar en el interior de los cilindros del mismo motor la presión atmosférica, la presión de compresión aumentará. 

 

Vemos entonces que para una misma Rc, la presión final de compresión dependerá de la cantidad de aire que logre hacer ingresar al cilindro.

Recordemos que tanto en el motor de gasolina como en el diesel, comienza la combustión antes de que se alcance el PMS (avance de encendido y avance de inyección). Por esta razón el motor alcanzará en funcionamiento y en el PMS una presión que será la suma de la debida a la compresión y la correspondiente a la combustión, que ya ha comenzado.

 

En el caso de los motores de gasolina puede ocurrir que el crecimiento de presión antes de alcanzar el PMS sea lo suficientemente alto como para que se alcancen temperaturas críticas que permitan la autoinflamación de la mezcla. Este fenómeno es el que conocemos como de detonación o “pistoneo”.

Es por esta razón que el avance de encendido afecta la detonación, ya que cuanto más se avanza el encendido mayor será la presión en las proximidades del PMS, mayor la temperatura, y mayores las posibilidades de que en algún lugar de la cámara de combustión la mezcla se autoinflame. Basándose en lo anterior podemos afirmar también que el fenómeno conocido como detonación siempre se produce después del salto de chispa, es decir después que comenzó la combustión de la mezcla.

La detonación puede también ser agravada por otras causas como ser la temperatura del motor o del aire ingresante excesivamente alta.

 

Las limitaciones en el aumento de la Rc vienen dadas por la posibilidad de que se presente la detonación, es decir, y reiteramos el concepto, porque en las proximidades del PMS se presenten presiones y sus consecuentes temperaturas demasiado altas, que favorezcan la aparición espontánea de múltiples puntos donde la mezcla aun sin quemar se inflame en forma descontrolada. Resumiendo, las principales causas que pueden causar la detonación en un motor de gasolina son:

 

·        Octanaje inadecuado del combustible.

 

·        Excesiva Rc .

 

·        Excesivo avance de encendido.

 

·        Excesiva temperatura de la cámara de combustión.

 

·        Excesiva temperatura del aire en admisión.

Como contrapartida, este fenómeno de autoinflamación que con gasolina presenta limitaciones a la Rc en los motores de encendido por chispa, es el que es el que aprovechamos en los motores diesel para lograr su funcionamiento: mediante la autoinflamación del combustible.

 

 

 

COMO SE MIDEN LAS CARACTERÍSTICAS

 

PARA AUTOINFLAMARSE DE UN COMBUSTIBLE

 

Ya hemos mencionado la importancia de una buena combustión para lograr la eficiencia del motor. Si no existe la adecuada compatibilidad entre el motor y el combustible usado no podrá obtenerse un correcto funcionamiento de la máquina. Las características para detonar de un combustible están en función de su naturaleza química, del aire ingresante al motor y de las condiciones propias del proceso de combustión de cada motor.

 

Establecer por medio de modelos matemáticos cuales son las características detonantes o antidetonantes de un combustible en un motor, requiere dominar una impresionante cantidad de variables, muchas de las cuales aún no se dominan. Es por ello que la detonación se establece por medios de laboratorio y por ensayos directos sobre motor.

 

Una variedad de ensayos para motores de encendido por chispa (SI: Spark Ignition) y encendido por compresión (CI: Compression Ignition) han sido establecidos por la Sociedad Americana para Ensayo de Materiales (ASTM: American Society for Testing Materials). Esos ensayos incluyen el uso de motores especiales diseñados para tal fin.

El método de motor para ensayar detonación en combustibles para motores CI y SI usa un motor monocilíndrico conocido como CFR (Cooperative Fuel Research). Se trata de un motor de cuatro tiempos con una carrera de 114,3mm y un diámetro de 88.9mm, con varios parámetros que pueden variar mientras está en funcionamiento, incluyendo la Rc que puede cambiar desde 3:1 hasta 15:1, la relación A/C y el tipo de combustible. La compresión variable se obtiene mediante un mecanismo que desplaza el cilindro y la cabeza de cilindros respecto del cigüeñal.

Tres recipientes horizontales están conectados a un colector horizontal que alimenta a un carburador, de manera que tres diferentes combustibles pueden ser usados separadamente o combinados, y cambiarlos mientras el motor está funcionando. Como la alimentación es por gravedad, la relación aire combustible se puede cambiar levantando o bajando cada uno de los recipientes de combustible.

 

La velocidad del motor se mantiene a 900 rpm por medio de un alternador conectado al motor mediante una polea. En particular la versión para SI tiene componentes que permiten variar el avance de encendido, mientras que la versión CI puede variar la cantidad de combustible inyectado y el avance de inyección.

 

Como los combustibles comerciales son una mezcla de varios componentes con distinta volatilidad, la detonación está relacionada, en general, a las curvas de destilación propias de cada mezcla. Ya hemos visto que la detonación resulta en una brusca elevación de la presión en el cilindro. Esa elevación de presión es medida en el CFR por medio de un sensor (transductor), que produce una indicación en un medidor de detonación. El índice de detonación de un combustible se obtiene comparando la intensidad de detonación de un combustible muestra obtenida en condiciones estándar con la intensidad de detonación producida por una mezcla realizada con combustibles de referencia.

Cuatro combustibles diferentes se usan como estándar para generar las mezclas de referencia. En los motores de encendido por chispa los combustibles de prueba se clasifican en base a su número octano, mientras que para los de encendido por compresión en función del número cetano. El número octano está basado en la mezcla de dos compuestos, el isooctano al que se le asigna  un  valor  de 100 octanos, y el n-heptano, al que se le asigna un valor de 0 octanos. Por ejemplo una muestra de prueba de 90 octanos se obtiene mezclando en volumen 90% de isooctano y 10% de n-heptano.

En general podemos decir que:

 

Nºoctano= %isooctano + %n-heptano

Los números cetano se basan en la mezcla de n-cetano con un número cetano de 100 y n-metilnaftaleno (C11H10), al que se le asigna un valor de 0. Podemos expresar entonces que:

 

Nº cetano = % n-cetano + % C11H10

 

Operativamente se coloca una muestra del combustible del cual se quiere determinar sus características detonantes, y se lo ensaya en las condiciones de referencia registrando el valor de detonación. Sin detener el motor y manteniendo constantes las condiciones del motor, se mezclan diferentes proporciones de los componentes de referencia hasta obtener idéntico grado de detonación. El porcentaje resultante de la mezcla que logro la igualdad de detonación establece el número octano, o cetano según sea, del combustible ensayado.

 

En general para los motores de chispa, a mayor número octano menor tendencia a la detonación y a mayor número cetano en los motores de encendido por compresión, mayor tendencia a la autoignición.

 

Podemos decir que un combustible de alto octanaje poseerá un bajo número cetano, y uno de bajo octanaje puede tener un alto cetano.

De lo anterior es fácil deducir la imposibilidad de hacer funcionar un motor diesel con gasolina o uno de chispa con combustible diesel.

La verdad es que el tema es un poco complicadito y entre octanos, cetanos y todos los tanos juntos fui a parar una vez más al diablo con la extensión del artículo. Si entendió algo lo felicito, porque hoy tengo un heptano atravesado y no estoy en mi mejor momento para explicar algo. Le mando un abrazo.

 

Ing. Alberto P. Garibaldi

 
 
 
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