COMBUSTIBLES

2.1 CLASIFICACIN Los combustibles usados en los motores de CI se dividen en Gaseosos, Lquidos y Slidos. Combustibles Gaseosos: de los ms usados es el Gas Natural Combustibles Lquidos: la mayora se deriva del petrleo. Los ms importantes en este grupo son la Gasolina, y el Diesel, tambin es el Kerosene. Otro combustible lquido muy popular es el Alcohol. Los combustibles lquidos se pueden dividir en dos grupos: lquidos que son vaporizados y se manejan como combustible gaseoso la gasolina y el alcohol son los ms importantes en este grupo, y el kerosene tambin. Lquidos que son inyectados en la cmara de combustin Disel y en algunas ocasiones kerosene. Combustibles Slidos: el carbn es el ms comn de estos.

COMPOSICIN. En los combustibles los dos elementos bsicos son carbono (C) e hidrogeno (H) , que se encuentran sea separados o en combinacin llamados hidrocarbonos. A presin y temperatura atmosfrica algunos hidrocarbonos son gases, mientras que otros son lquidos. La formula qumica general para los hidrocarbonos es Cn Hm . Los principales hidrocarbonos son: Parafinas, CnH2n+2 , Metano, Butano,.Octano, Exadecano(cetano) Olefinas, CnH2n, Isobutano Naftemos, CnH2n, Ciclopentano Diolefinas, CnH2n-2, Heptadieno Aromticos, CnH2n-6 Benceno, Tolueno Asflticos. CnH2n-4 Otro grupo de hidrocarbonos son el Metil, Etil, Butil, Alcoholes, que no son verdaderos hidrocarbonos porque tiene oxigeno en sus molculas.

2.2 Gas Natural. Consiste principalmente de la siguiente composicin por volumen Hidrogeno, H2 (0-26); Metano Ch4 (32-98); Etano C2H6 (0-20); Monxido de Carbono CO (0-3); Dixido de Carbono CO2 (0-26); Oxigeno O2 (0-2); Nitrgeno N2 (0-20). La gravedad especifica es de 0.57 0.89, Poder calorfica inferior 760-1350 Btu/pie3 porcentaje de exceso de aire (20-40).

2.3 Gasolina La gasolina comercial es una mezcla de tres de las series ms voltiles de hidrocarbonos y contiene de 10-80 % Parafina, 15-85 % Naftemos, y de 4-40 % Aromticos. Sin embargo para propsitos de clculo se usa Octano C8

H18, su peso molecular es de 114, el contenido de hidrgeno de 15.8 %, lo cual lo hace muy cercano a la gasolina comercial que tiene 113 y 15.5 % respectivamente. (Una gasolina C8H17 g= 0.702, 19020 BTU/Lb) Prueba de Destilacin. Esta prueba permite obtener la temperatura del vapor saturado a presin atmosfrica, que es graficado versus el porcentaje evaporado. En el motor de CI son quemados los vapores de gasolina mezclados con aire, aunque la presin durante la carrera de admisin es casi atmosfrica, la presin del vapor es parte de la presin total. De acuerdo a la ley de Dalton la temperatura de evaporacin corresponde a la presin parcial del vapor y no a la presin total de la mezcla aire

vapor. Las curvas de destilacin nos permiten comparar el grado de volatilidad de los combustibles. Volatilidad es la temperatura a la cual una mezcla de aire - vapor se forma bajo condiciones de equilibrio a presin atmosfrica (14.7 psia), cuando una parte dada de combustible es evaporado. Las curvas de volatilidad (Temperatura - % evaporado) se obtiene para diferentes razones A/F. Si la razn A/F por peso disminuye, la temperatura crece porque la presin parcial del vapor crece. De las curvas de aire combustible (A/F), se obtuvieron las curvas de aire vapor (A/V). La razn A/V es igual a la razn A/F dividida para el porcentaje evaporada.

- rav = raf / Xe -

Punto de Roco.- El punto de roco de una mezcla aire- gasolina es la temperatura de saturacin del vapor a una temperatura dada. El punto de roco da la mas baja temperatura a la cual una mezcla dada de aire vapor puede existir sin condensarse. Gravedad Especfica. (g) - El la razn del peso de cierto volumen de una substancia para el peso de una volumen igual de agua destilada a la misma temperatura. La gravedad especfica es una caracterstica del combustible lquido. La gravedad especfica de la gasolina usada en los motores vara de 0.68 a 0.78. Calor Especfico.- de la gasolina lquida o de la gasolina en vapor se puede determinar de una de las siguientes formulas empricas, si se expresa como funcin de la temperatura y gravedad especfica. Para gasolina lquida se usa la siguiente formula cf = (2.1 - g ) ( t + 670) / 2030 Btu/lb El calor especfico para la gasolina en vapor a la presin atmosfrica es Cf = (4 - g) (t+ 670)/6450 Btu/lb Las dos formulas se pueden usar par cualquier hidrocarbono con gravedad especfica entre .68 y .90

La Gasolina Aplicada a los Motores

Cada de Temperatura.- El calor latente de evaporacin de la gasolina absorbe calor del aire y baja su temperatura. En un motor la evaporacin de la gasolina ocurre parcialmente en el carburador, parte en el mltiple de admisin, y a menudo se completa en el cilindro. La cada de temperatura de la carga de aire no depende del lugar donde ocurre la evaporacin, siempre que esta evaporacin ocurra antes del inicio de la carrera de compresin. Calentamiento de la Carga.- La cada de temperatura se suma a la temperatura de equilibrio del aire que ingresa para obtener una razn aire vapor rav. Si la temperatura es menor que tv + td la carga debe ser calentada. La gasolina de un grado promedio puede dar a 68 0F de temperatura del aire solamente 40% de evaporacin. El calor Q que de be ser aadido para obtener una cierta mezcla de aire - vapor consiste de tres partes: 1. Calentar para elevar la temperatura del aire a la temperatura de equilibrio. 2. Calentar para elevar la temperatura del combustible a la misma temperatura. 3. Calor latente de vaporizacin de la parte de combustible necesaria. El calor necesario para una evaporacin dada depende de la volatilidad del combustible, la razn aire combustible, la temperatura exterior, la presin en el mltiple, y el calor latente del combustible. Detonacin.- Una elevacin violenta de la presin durante la combustin acompaada de un ruido metlico se llama DETONACIN. La detonacin ocurre cerca del final

de la elevacin de presin luego del encendido de la carga. La detonacin es funcin de muchos factores, uno de los principales es la composicin qumica y la estructura molecular del combustible liquido. Algunos combustibles detonan fcilmente otros lo hacen menos y algunos como el Alcohol Etlico nunca detonan. La gasolina ordinaria se fabrica para que detone lo menos posible para esto se aaden pequeas cantidades de compuestos especiales, como: el tetra etil de plomo (C2H5)4Pb, el Etil Yodado C2H5I. Si la mezcla consta de una parte por volumen de tetra etil de plomo por 1300 partes de gasolina no detonar definitivamente; el mismo efecto se obtiene con una parte de Etil Yodado en 25 partes de gasolina; o una parte de Alcohol Etlico en 8 partes de gasolina. Numero Octano.- El desarrollo de la gasolina anti detonante se basa en el mtodo de medir la propiedad de detonacin y expresar por un nmero. (El mtodo consiste en probar una gasolina en una maquina especial de compresin variable el resultado se comparara con una mezcla cuya tendencia a detonar es muy bien conocida). Se ha establecido que el iso-octano (C8H18) puro no detona, mientras que el Heptano puro (C7H16) si detona. La mezcla de iso-octano y heptano se hace para correlacionar las propiedades detonantes de cualquier gasolina. Esta mezcla es designada por el porcentaje de octano, de all el trmino nmero octano. As el numero octano de una gasolina es el porcentaje de octano en la mezcla con heptano la cual cuando se prueba en la maquina detonara en la misma extensin como la gasolina en cuestin. Esta caracterstica se expresa por un nmero entero como 68, 72 etc. Cuanto mayor el numero octano mejor es su caracterstica anti detonante de la gasolina. Cuando se mezcla gasolina con ter iso propilico (C6H14O) se obtiene nmeros octano superior a 100 hasta 125, buenos para aviacin. (Se recomienda al estudiante investigar las especificaciones de la gasolina que se expende en el pas).

2.4 DIESEL Dentro del grupo de los aceites combustibles se encuentra el Diesel, los aceites combustibles comerciales generalmente son residuos dejados despus que han sido retiradas las fracciones voltiles como ser gasolina y kerosene. Los motores con inyeccin de aire y los motores da baja velocidad con inyeccin mecnica usan un gran variedad de combustibles lquidos, desde los mas livianos g= 0.82 hasta los ms pesados g= 0.95. Los motores de alta velocidad usan combustible liviano g= 0.82 a 0.87.Estos combustibles contiene 12.5 a 13.5 % de hidrogeno y tiene un peso molecular aparente de 215 a 225. Para propsitos de calculo se usa el exa-decadino C16

H30 que tiene un contenido de hidrogeno de 13.6 % y paso molecular de 220 (Diesel Liviano C12H26 , g= 0.876 18250 BTU/lb). Especificaciones.- No hay especificaciones rgidas respecto a los aceites combustibles. Las especificaciones dependen del tipo de motor, los combustibles usados en motores de baja velocidad son pesados y no sern satisfactorios para los de alta velocidad. La ASTM ha propuesto una serie de especificaciones que ms o menos se ajustan a la mayora de los aciertes combustibles tales como: VISCOCIDAD.- Es una caracterstica importante que tiene un gran efecto en la atomizacin del combustible y en la operacin de las bombas de inyeccin. Mientras mayor es el numero de atoamos de carbono mas viscoso el combustible. Si dos combustibles tienen el mismo numero de tomos de carbono aquel con el menos numero de tomos de hidrogeno tendr mayor viscosidad y su viscosidad cambiar rpidamente con el cambio de temperatura. (MDO #2 5.3 a 10.3 cSt. @ 40 0C).

PUNTO DE INFLAMACIN. Es la temperatura mas baja del combustible que permite se formen vapores inflamables. Por seguridad se especifica un mnimo de 150 0F (66 0C). AGUA Y CEDIMENTOS.- La limpieza del combustible es de suma importancia por la precisin de las partes que componen el sistema de inyeccin. El agua y la suciedad son los mayores causantes de daos en los motores. No debe se mayor de 0.5 %. AZUFRE.- No debe ser mayor del 1% y en lo posible no mas de 0.5%, el dixido de azufre en presencia de agua tiene un alto poder corrosivo en el acero y en el hierro fundido en especial a altas temperaturas. GRAVEDAD ESPECIFICA.- Es el peso por unidad de volumen del combustible comparado con el peso por unida de volumen de agua. Comparados a la misma temperatura. Como el combustible se vende en unidades de volumen (galones) la gravedad especfica es importante para determinar el peso del combustible comprado. CENIZA.- El contenido de ceniza es un ndice de lo abrasivo de los productos de la combustin que ocasiona desgaste al motor. No debe superar el 0.12% por peso para los combustibles pesados y 0.01% para los livianos. CALIDAD DE ENCENDIDO.- El la mediada de la habilidad para encender rpidamente despus de la inyeccin, asegurando una quema progresiva. En un motor EC el combustible ideal debe encender inmediatamente despus de inyectado. Sin embargo hay un lapso de tiempo entre el comienzo de la inyeccin y el encendido del combustible. Este tiempo se llama el periodo de retardo o retardo Si el retardo es grande se habr inyectado casi toda la carga y cuando se enciende toda la carga se iniciar con una elevacin de presin violenta que puede llegar en muchos casos ha parecer una detonacin. Por lo tanto en el motor de EC, la detonacin al contrario a lo que sucede en el motor ECH es causada por un combustible que se inicia muy lentamente. Un combustible con una temperatura de encendido baja y los otros factores iguales se encendera ms rpidamente cuando sea inyectado en la cmara de combustin que un combustible con una alta temperatura de encendido. Los mtodos para determinar el retardo del encendido son: - En numero cetano - Razn de compresin crtico - Indice diesel - Punto de anilina El Numero Cetano.- Es similar en concepto al numero octano, El rendimiento del combustible en investigacin es comparado con los resultados de las pruebas efectuadas en la maquina de pruebas de un combustible de referencia. El combustible de referencia es Cetano que es mezclado con a- metilnaftaleno (C11H10) que tiene una muy baja calidad de encendido. El porcentaje de cetano que contiene el combustible de muestra que tiene la misma calidad de encendido que el combustible en prueba se llama nmero cetano. Los nmeros cetano recomendados son 25-35 para baja velocidad; 35-45 media velocidad; 45-50 alta velocidad. Razn de Compresin Critica.- Es la razn de compresin mnima a la cual un combustible es encendido. Indice diesel.- se calcula de la expresin

ID= An Pt x 0API/100

Donde An Pt, o el punto de anilina, se encuentra calentando una mezcla que consiste de un volumen igual al de la prueba y anilina diluida en agua destilada, hasta que se obtiene una solucin clara. Punto de Anilina.- Cuando el punto de anilina An Pt se usa como parmetro para indicar la calidad de encendido del combustible

Aditivos Para el Diesel

1.- Aditivos para mejorar el nmero cetano; tambin se conocen como aceleradores del encendido, para mejorar un valor de 6 en la escala cetano se obtiene aadiendo el 1% por volumen de Nitrato de Amil (C5 H11 ONO2 ), otros aditivos son Nitrato Etril ( C2 H5 ONO2) , y Nitrato de Etil (C2 H5 ONO ). 2.- Deteregentes; se usan para inhibir la formacin de depsitos de combustin. Especialmente los depsitos que se forman cerca de la tobera del inyector que interfiere con la formacin de la niebla ( spray). Una dosificacin tpica es de 100 200 ppm. 3.- Anti congelante; (alcoholes, glycols) tiene una gran afinidad al agua, y son solubles en el diesel. El agua est presente por la contaminacin, y como consecuencia del aire hmedo sobre el tanque de combustible cuando este ventea a la atmsfera. Se forma hielo, este obturar las tuberas y filtros. 4.- Anti espumantes (10- 20 ppm de compuestos a base de silicona), facilita la rapidez de llenado total del los tanques de combustible de los vehculos.

Otros combustibles

KEROSENE.- Mas pesado que la gasolina, gsp = 0.79 - .0.86 a 60 F, ( firg 3-9) son curvas tpicas de destilacin de kerosn, A de mejor calidad que la B. La curvas inferiores son curvas de volatilidad par estos dos tipos los dos para r av = 16 El punto de encendido del kerosn est en 115 F. Para los clculos se puede usar el Decano ( C 10 H 22) o el DoDecano ( C12 H26 ) dependiendo de la gravedad especifica. BENZENO (C6 H 6 ), Comercialmente contiene , 70% benzeno, 24% tolueno, 6% hidrocarburos pesado. Se puede usar hasta razones de compresin de 6.9 Si se aade a la gasolina tiene un buen efecto antidetonante, 20% de benzol suficiente para parar la detonacin en la mayoras de las gasolinas. La cueva presin vapor est en la fig 3-10.

PROPANO.- A temperatura ambiente y 250 psi, el propano es lquido y se almacena en tanques. Tiene un octano de 125 y puede ser usado en razones de compresin hasta 8.8. BUTANO.- El butano comercial contiene 20 % propano. Tiene una excelente caracterstica antidetonante y permite razones de compresin de 10.

ALCOHOLES

ETIL.- ( alcohol de grano) (C2 H 2 O) Se obtiene de la destilacin de solucione fermentadas de azcar. Su gsp= 0.789 a 60 F. El alcohol comercial contiene de 10-40 % agua. Calor latente a baja presin se puede asumir de 400 Btu/ lb y calor especifico de 0.65 Btu/ lb F

METIL.- (alcohol de madera) (C

H 4 O), su produccion es sinttica. Su gep= 0.796 a 60 F, calor latente de 510 Btu/ lb y calor especifico de 0.60 Btu/ lb-F .

COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS

BIODIESEL .

El biodiesel es un biocombustible lquido que se obtiene a partir de lpidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo mediante procesos industriales de esterificacin y trans esterificacin, y que se aplica en la preparacin de sustitutos totales o parciales del petro-disel o gasleo obtenido del petrleo.

El biodiesel puede mezclarse con gasleo procedente del refino de petrleo en diferentes cantidades. Se utilizan notaciones abreviadas segn el porcentaje por volumen de biodiesel en la mezcla: B100 en caso de utilizar slo biodiesel, u otras notaciones como B5, B15, B30 o B50, donde la numeracin indica el porcentaje por volumen de biodiesel en la mezcla.

El aceite vegetal, cuyas propiedades para la impulsin de motores se conocen desde la invencin del motor disel gracias a los trabajos de Rudolf Diesel, ya se destinaba a la combustin en motores de ciclo disel convencionales o adaptados. A principios del siglo XXI, en el contexto de bsqueda de nuevas fuentes de energa, se impuls su desarrollo para su utilizacin en automviles como combustible alternativo a los derivados del petrleo.

El biodiesel descompone el caucho natural, por lo que es necesario sustituir ste por elastmeros sintticos en caso de utilizar mezclas de combustible con alto contenido de biodiesel.

Se ha propuesto en los ltimos tiempos denominarlo agro disel ya que el prefijo bio- a menudo es asociado errneamente con algo ecolgico y respetuoso con el medio ambiente. Sin embargo, algunas marcas de productos del petrleo ya denominan agro disel al gasleo agrcola o gasleo B, empleado en maquinaria agrcola.

GASOGENO

El gasgeno es un combustible que se obtiene a partir de la Gasificacin, que es un sistema que permite obtener combustible gaseoso a partir de combustibles slidos como el carbn, la lea o casi cualquier residuo combustible.

Al quemar la lea o el carbn de forma parcial se genera, entre otros gases, monxido de carbono, que tiene algo de poder calorfico. Si se le aade agua tambin se puede generar hidrgeno.

Utilizando este sistema se podan aprovechar combustibles slidos para mover motores de combustin interna en tiempo de escasez de gasolina y gasleo.

Actualmente ha vuelto a ser til para obtener combustible adecuado para motores, a partir de lea y otros residuos de biomasa. En pases pobres puede ser la nica forma de utilizar motores y en pases desarrollados permite disminuir el consumo de combustibles fsiles.

Preguntas

1. Que es un hidrocarbono, cuales son los elementos principales que forman el petrleo, cual es el porcentaje en peso de hidrogeno en los productos del petrleo.

2. Cuales son los dos tipos de combustibles lquidos usados comercialmente en motores de CI.

3. Cuales son las cinco familias de hidrocarbonos bsicos que se encuentran en el petrleo.

4. Cual es la diferencia de combustibles de base parafnica con los de base asfltica.

5. Cual de las familias bsicas tienen las mejores propiedades como combustibles en los motores ECH, y los motores EC.

6. Describa brevemente los procesos de refinamiento conocidos como destilacin fraccionada.

7. Defina el nmero octano, que nos indica, en que base se comparan los combustibles para motores ECH.

8. Numere y defina las cualidades de la gasolina.

9. Por que es importante las caractersticas anti detonantes de un combustible para motores ECH.

10. Cual es la influencia de la gravedad especifica en la combustin de un combustible usado en un motor EC.

11. Numere y defina las cualidades del diesel

12. Defina y describa el poder calorfico de un combustible-

13. Defina el numero cetano

14. Que significa retardo de encendido.