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Clasificación de octanaje

Un índice de octano , o número de octanaje , es una medida estándar de la capacidad de un combustible para resistir la compresión en un motor de combustión interna sin sufrir preignición . Cuanto mayor sea el octanaje, más compresión podrá soportar el combustible antes de detonar. El índice de octanaje no se relaciona directamente con la potencia de salida o el contenido de energía del combustible por unidad de masa o volumen, sino que simplemente indica la resistencia de la gasolina a detonar bajo presión sin chispa.

Que un combustible de mayor octanaje mejore o perjudique el rendimiento de un motor depende del diseño del motor. En términos generales, los combustibles con un octanaje más alto se utilizan en motores de gasolina de mayor compresión , lo que puede generar una mayor potencia para estos motores. La potencia adicional en tales casos proviene de la forma en que está diseñado el motor para comprimir la mezcla de aire/combustible, y no directamente de la clasificación de la gasolina. [1]

Por el contrario, los combustibles con un octanaje más bajo (pero con un índice de cetano más alto ) son ideales para los motores diésel porque los motores diésel (también llamados motores de encendido por compresión) no comprimen el combustible, sino que comprimen sólo aire, y luego inyectan combustible en el aire que estaba calentado por compresión. Los motores de gasolina dependen del encendido del aire y el combustible comprimidos juntos como una mezcla, que se enciende sólo cerca del final de la carrera de compresión mediante bujías eléctricas . Por lo tanto, poder comprimir la mezcla de aire/combustible sin provocar detonación es importante principalmente para los motores de gasolina. El uso de gasolina con un octanaje inferior al que está diseñado para un motor puede provocar detonaciones y/o preencendido del motor . [2]

El octanaje de la gasolina de aviación fue extremadamente importante para determinar el rendimiento de los motores de los aviones de la Segunda Guerra Mundial . [3] El octanaje afectó no sólo al rendimiento de la gasolina, sino también a su versatilidad; el combustible de mayor octanaje permitió una gama más amplia de condiciones de funcionamiento pobres a ricas. [3]

Principios

El problema: la detonación

En los motores de combustión interna con encendido por chispa , el golpeteo (también golpe , detonación , golpe de chispa , ping o pinchazo ) ocurre cuando la combustión de parte de la mezcla de aire/combustible en el cilindro no resulta de la propagación del frente de llama encendido por la bujía. , pero cuando una o más bolsas de mezcla de aire/combustible explotan fuera de la envoltura del frente de combustión normal. La carga de combustible y aire debe encenderse únicamente con la bujía y en un punto preciso de la carrera del pistón. El golpe se produce cuando el pico del proceso de combustión ya no se produce en el momento óptimo para el ciclo de cuatro tiempos . La onda de choque crea el característico sonido metálico de "ping" y la presión del cilindro aumenta dramáticamente. Los efectos del golpeteo del motor varían desde intrascendentes hasta completamente destructivos.

El golpe no debe confundirse con la preignición : son dos eventos separados y la preignición ocurre antes del evento de combustión.

La mayoría de los sistemas de gestión del motor que se encuentran comúnmente en los automóviles hoy en día, típicamente la inyección electrónica de combustible (EFI), tienen un sensor de detonación que monitorea si el combustible que se utiliza produce detonación. En los motores modernos controlados por computadora, el sistema de gestión del motor alterará automáticamente el tiempo de encendido para reducir la detonación a un nivel aceptable.

El isooctano como estándar de referencia

Al 2,2,4-trimetilpentano (isooctano) (superior) por definición se le asigna un octanaje de 100, mientras que al n -heptano (inferior) se le asigna un octanaje de 0.

Los octanos son una familia de hidrocarburos que son componentes típicos de la gasolina. Son líquidos incoloros que hierven alrededor de 125 °C (260 °F). Un miembro de la familia del octano, el 2,2,4-trimetilpentano (isooctano), se utiliza como estándar de referencia para comparar la tendencia de la gasolina o los combustibles GLP a resistir la autoignición.

El octanaje de la gasolina se mide en un motor de prueba y se define en comparación con la mezcla de 2,2,4-trimetilpentano (isooctano) y heptano normal que tendría la misma capacidad antidetonante que el combustible bajo prueba. El porcentaje, en volumen, de 2,2,4-trimetilpentano en esa mezcla es el índice de octanaje del combustible. Por ejemplo, la gasolina con las mismas características de detonación que una mezcla de 90% de isooctano y 10% de heptano tendría un octanaje de 90. [4] Una calificación de 90 no significa que la gasolina contenga solo isooctano y heptano. en estas proporciones, pero que tiene las mismas propiedades de resistencia a la detonación (en general, la gasolina que se vende para uso común nunca se compone únicamente de isooctano y heptano; es una mezcla de muchos hidrocarburos y, a menudo, de otros aditivos).

Los índices de octanaje no son indicadores del contenido energético de los combustibles. (Ver Efectos a continuación y Calor de combustión ). Son sólo una medida de la tendencia del combustible a quemarse de forma controlada, en lugar de explotar de forma incontrolada. [5]

Cuando el índice de octanaje aumenta al mezclarlo con etanol, se reduce el contenido de energía por volumen. La densidad energética del etanol se puede comparar con la gasolina en tablas de calor de combustión.

Es posible que un combustible tenga un número de octano de investigación (RON) superior a 100, porque el isooctano no es la sustancia más resistente a los golpes disponible en la actualidad. Los combustibles de carreras, el avgas , el GLP y los combustibles con alcohol, como el metanol, pueden tener un octanaje de 110 o significativamente más alto. Los aditivos típicos de gasolina para aumentar el octanaje incluyen MTBE , ETBE , isooctano y tolueno . El plomo en forma de tetraetilo de plomo fue alguna vez un aditivo común, pero las preocupaciones sobre su toxicidad han llevado a que su uso como combustible para vehículos de carretera se elimine progresivamente en todo el mundo a partir de la década de 1970. [6]

Métodos de medición

Un surtidor de gasolinera estadounidense que ofrece cinco índices de octanaje diferentes (R+M)/2

Número de octano de investigación (RON)

El tipo de índice de octanaje más común en todo el mundo es el número de octanaje de investigación ( RON ). El RON se determina haciendo funcionar el combustible en un motor de prueba con una relación de compresión variable en condiciones controladas y comparando los resultados con los de mezclas de isooctano y n-heptano. [7] La ​​relación de compresión varía durante la prueba para desafiar la tendencia antidetonación del combustible, ya que un aumento en la relación de compresión aumentará las posibilidades de detonación.

Número de octanaje del motor (MON)

Otro tipo de índice de octanaje, llamado número de octanaje del motor ( MON ), se determina a una velocidad del motor de 900 rpm en lugar de las 600 rpm de RON. [2] Las pruebas MON utilizan un motor de prueba similar al utilizado en las pruebas RON, pero con una mezcla de combustible precalentada, una velocidad del motor más alta y sincronización de encendido variable para estresar aún más la resistencia a la detonación del combustible. Dependiendo de la composición del combustible, el MON de una bomba de gasolina moderna será entre 8 y 12 más bajo que el RON, [ cita necesaria ] pero no existe un vínculo directo entre RON y MON. Vea la tabla a continuación.

Índice antidetonante (IRA) o (R+M)/2

En la mayoría de los países de Europa, y en Australia y Nueva Zelanda, el índice de octanaje "principal" que se muestra de manera destacada en la bomba es el RON, pero en Canadá, Estados Unidos y México, el número principal es la media o promedio simple del RON y MON, llamado índice antidetonación ( AKI ), y a menudo escrito en las bombas como (R+M)/2 . AKI a veces también se le llama PON (Número de octanaje de la bomba).

Diferencia entre RON, MON y AKI

Debido a la diferencia de 8 a 12 octanos entre RON y MON mencionada anteriormente, el AKI que se muestra en Canadá y Estados Unidos es de 4 a 6 octanos más bajo que en otras partes del mundo para el mismo combustible. Esta diferencia entre RON y MON se conoce como sensibilidad del combustible [8] y normalmente no se publica para aquellos países que utilizan el sistema de etiquetado del índice antidetonación.

Consulte la tabla en la siguiente sección para obtener una comparación.

Número de octano observado en carretera (RdON)

Otro tipo de índice de octanaje, llamado Número de octanaje observado en carretera ( RdON ), se deriva de probar la gasolina en motores multicilíndricos ordinarios (en lugar de en un motor de prueba especialmente diseñado), normalmente con el acelerador completamente abierto. Este tipo de prueba se desarrolló en la década de 1920 y sigue siendo fiable en la actualidad. Las pruebas RdON originales se realizaron en automóviles en la carretera, pero a medida que se desarrolló la tecnología, las pruebas se trasladaron a dinamómetros de chasis con controles ambientales para mejorar la consistencia. [9]

Índice de octanaje

La evaluación del índice de octanaje mediante cualquiera de los dos métodos de laboratorio requiere un motor especial construido para cumplir con los rígidos estándares de las pruebas, y el procedimiento puede ser costoso y consumir mucho tiempo. Es posible que el motor estándar requerido para la prueba no siempre esté disponible, especialmente en lugares apartados o en laboratorios pequeños o móviles. Estas y otras consideraciones llevaron a la búsqueda de un método rápido para la evaluación de la calidad antidetonante de la gasolina. Dichos métodos sustitutos incluyen FTIR, analizadores en línea de infrarrojo cercano y otros. Derivar una ecuación que pueda usarse para calcular calificaciones con suficiente precisión también serviría para el mismo propósito, con ventajas adicionales. El término índice de octanaje se utiliza a menudo para referirse al uso de una ecuación para determinar una clasificación teórica, a diferencia de las mediciones directas requeridas para la investigación o los números de octanaje de los motores. Un índice de octanaje puede resultar de gran utilidad en la mezcla de gasolina. La gasolina para motor, tal como se comercializa, suele ser una mezcla de varios tipos de grados de refinería que se derivan de diferentes procesos, como gasolina de primera destilación, gasolina reformada, gasolina craqueada, etc. Estos diferentes grados se mezclan en cantidades que cumplan con las especificaciones del producto final. La mayoría de las refinerías producen y comercializan más de un grado de gasolina para motores, diferenciándose principalmente en su calidad antidetonante. Es esencial poder hacer estimaciones suficientemente precisas del octanaje que resultará de la mezcla de diferentes productos de refinería, algo para lo cual el índice de octanaje calculado es especialmente adecuado. [10]

Índices de octanaje de la gasolina de aviación

Las gasolinas de aviación utilizadas en los motores de aviones de pistón comunes en la aviación general tienen un método ligeramente diferente para medir el octanaje del combustible. Similar a una AKI, tiene dos clasificaciones diferentes, aunque generalmente se hace referencia a ella solo por la más baja de las dos. Uno de ellos se conoce como índice de "pobreza de aviación", que para índices de hasta 100 es el mismo que el MON del combustible. [11] El segundo es el índice de "rico en aviación" y corresponde al índice de octanaje de un motor de prueba bajo operación de inducción forzada común en aviones de pistón militares y de alto rendimiento. Utiliza un sobrealimentador y una relación combustible/aire significativamente más rica para mejorar la resistencia a la detonación. [8] [ ¿ fuente poco confiable? ]

El combustible más común utilizado actualmente, 100LL , tiene una calificación pobre para la aviación de 100 octanos y una calificación rica para la aviación de 130. [12]

Ejemplos

Los valores RON/MON de n- heptano e isooctano son exactamente 0 y 100, respectivamente, según la definición de octanaje. La siguiente tabla enumera los índices de octanaje de varios otros combustibles. [13] [14]

Efectos

Los índices de octanaje más altos se correlacionan con energías de activación más altas : la cantidad de energía aplicada necesaria para iniciar la combustión. Dado que los combustibles de mayor octanaje tienen mayores requisitos de energía de activación, es menos probable que una compresión determinada provoque una ignición incontrolada, también conocida como autoignición, autoignición, preignición, detonación o detonación.

Debido a que el octanaje es una clasificación medida y/o calculada de la capacidad del combustible para resistir la autoignición, cuanto mayor es el octanaje del combustible, más difícil es encenderlo y más calor se requiere para encenderlo. El resultado es que para el encendido se necesita una chispa de encendido más caliente. Crear una chispa más caliente requiere más energía del sistema de encendido, lo que a su vez aumenta la carga eléctrica parásita en el motor. La chispa también debe comenzar antes para generar suficiente calor en el momento adecuado para un encendido preciso. A medida que aumentan el octanaje, la energía de la chispa de encendido y la necesidad de una sincronización precisa, el motor se vuelve más difícil de "afinar" y mantener "afinado". La energía de chispa y la sincronización subóptimas resultantes pueden causar problemas importantes en el motor, desde un simple "fallo" hasta una detonación incontrolada y una falla catastrófica del motor.

La otra realidad rara vez discutida con los combustibles de alto octanaje asociados con el "alto rendimiento" es que a medida que aumenta el octanaje, se reducen la gravedad específica y el contenido de energía del combustible por unidad de peso. El resultado neto es que para producir una determinada cantidad de potencia , se debe quemar más combustible de alto octanaje en el motor. El combustible más ligero y "más fino" también tiene un calor específico más bajo , por lo que la práctica de hacer funcionar un motor "rico" para utilizar el exceso de combustible para ayudar en la refrigeración requiere mezclas cada vez más ricas a medida que aumenta el octanaje.

Los combustibles "más finos" de mayor octanaje y menor densidad energética a menudo contienen compuestos de alcohol incompatibles con los componentes del sistema de combustible original, lo que también los hace higroscópicos . También se evaporan mucho más fácilmente que el combustible más pesado y de menor octanaje, lo que genera más contaminantes acumulados en el sistema de combustible. Por lo general, son los ácidos clorhídricos que se forman debido al agua [ cita necesaria ] y los compuestos en el combustible los que tienen los efectos más perjudiciales en los componentes del sistema de combustible del motor, ya que dichos ácidos corroen muchos metales utilizados en los sistemas de combustible de gasolina.

Durante la carrera de compresión de un motor de combustión interna, la temperatura de la mezcla de aire y combustible aumenta a medida que se comprime, de acuerdo con la ley de los gases ideales . Las relaciones de compresión más altas necesariamente agregan carga parásita al motor y solo son necesarias si el motor está diseñado específicamente para funcionar con combustible de alto octanaje. Los motores de los aviones funcionan a velocidades relativamente bajas y son " bajo cuadrado ". Funcionan mejor con combustibles de menor octanaje y combustión más lenta que requieren menos calor y una relación de compresión más baja para una vaporización óptima y una mezcla uniforme de combustible y aire, con la chispa de encendido llegando lo más tarde posible para extender la producción de presión del cilindro y torque lo más abajo posible en la carrera de potencia. La razón principal para usar combustible de alto octanaje en motores enfriados por aire es que se vaporiza más fácilmente en un carburador y motor fríos y absorbe menos calor del aire de admisión, lo que reduce en gran medida la tendencia a que se produzca formación de hielo en el carburador .

Con sus densidades y peso reducidos por volumen de combustible, el otro beneficio obvio es que un avión con cualquier volumen determinado de combustible en los tanques es automáticamente más liviano. Y dado que muchos aviones vuelan sólo ocasionalmente y pueden permanecer sin uso durante semanas o meses, los combustibles más livianos tienden a evaporarse y dejar menos depósitos como "barniz" (los componentes de la gasolina, particularmente los alquenos y los compuestos oxigenados, se polimerizan lentamente en sólidos). [ se necesita aclaración ] Las aeronaves también suelen tener sistemas de encendido duales "redundantes" que son casi imposibles de ajustar y tienen tiempo para producir un tiempo de encendido idéntico, por lo que usar un combustible más liviano que sea menos propenso a la autoignición es una "póliza de seguro" inteligente. Por las mismas razones, es mucho menos probable que los combustibles más ligeros que son mejores disolventes causen "barniz" u otras incrustaciones en las bujías "de reserva". [ cita necesaria ]

En casi todos los motores de pistón de aviación general, la mezcla de combustible la controla directamente el piloto, mediante una perilla y un cable o palanca similar (y al lado) del control del acelerador . La inclinación (reducir la mezcla desde su cantidad máxima) debe hacerse con conocimiento, ya que algunas combinaciones de mezcla de combustible y posición del acelerador (que producen la mayor cantidad) pueden causar detonación y/o preignición , en el peor de los casos destruyendo el motor en segundos. . [ cita necesaria ] A los pilotos se les enseña en la capacitación primaria a evitar configuraciones que produzcan las temperaturas más altas de los gases de escape y hacer funcionar el motor ya sea "rico en EGT máximo " (más combustible del que se puede quemar con el aire disponible) o "pobre en pico". (menos combustible, dejando algo de oxígeno en el escape), ya que cualquiera de los dos evitará que la mezcla de aire y combustible detone prematuramente. [38] Debido al alto costo del gas avgas sin plomo y de alto octanaje , y al posible aumento de la autonomía antes de repostar combustible, algunos pilotos de aviación general intentan ahorrar dinero ajustando sus mezclas de combustible y aire y el tiempo de encendido para que funcionen "pobres en el pico". Además, la disminución de la densidad del aire en altitudes más altas (como Colorado) y temperaturas (como en verano) requiere inclinación (reducción en la cantidad de combustible por volumen o masa de aire) para el EGT y la potencia máximos (crucial para el despegue).

Variaciones regionales

La selección de índices de octanaje disponibles en las estaciones de servicio puede variar mucho entre países.

Conceptos erróneos sobre el octanaje

Las gasolineras tienen gasolina con diferentes octanos. Los números más altos indican que el combustible puede evitar mejor la combustión no deseada dentro de los pistones.

Debido a su nombre, la sustancia química "octano" a menudo se malinterpreta como la única sustancia que determina el índice de octanaje (o número de octanaje) de un combustible. Ésta es una descripción inexacta. En realidad, el índice de octanaje se define como un número que describe la estabilidad y la capacidad de un combustible para evitar que un motor experimente combustión no deseada [72] que ocurre espontáneamente en otras regiones dentro de un cilindro (es decir, explosiones deslocalizadas de la bujía). Este fenómeno de combustión se conoce más comúnmente como golpeteo del motor o autoignición, que causa daños a los pistones con el tiempo y reduce la vida útil de los motores.

En 1927, Graham Edgar [73] ideó el método de utilizar isooctano y n-heptano como sustancias químicas de referencia, con el fin de evaluar la resistencia a la detonación de un combustible con respecto a este isómero de octano, [74] de ahí el nombre "octano clasificación". Por definición, los isómeros isooctano y n-heptano tienen un octanaje de 100 y 0, respectivamente. [75] Debido a su naturaleza más volátil, el n-heptano se enciende y detona fácilmente, lo que le da un octanaje relativamente bajo; [76] el isómero isooctano provoca menos golpes porque está más ramificado y se quema más suavemente. En general, los compuestos ramificados con una fuerza intermolecular más alta (por ejemplo, la fuerza de dispersión de London para el isooctano) tendrán un índice de octanaje más alto, porque son más difíciles de encender. [77]

Ejemplos de conceptos erróneos

Hay numerosos artículos que circulan por Internet que propagan este malentendido. A continuación se presentan algunas declaraciones objetivamente inexactas.

Declaración 1

Cuando se enfrentaron a la eliminación del plomo como principal proveedor de octanaje en la gasolina, las refinerías tenían dos alternativas disponibles, BTEX y etanol... [74]

Esta afirmación es inexacta, a pesar de que las alternativas tienen un alto octanaje. Los combustibles alternativos no contienen octanaje y no pueden "proporcionar" octanaje.

Declaración 2
Entonces, el octanaje no aumenta la explosión en el cilindro como la mayoría de la gente piensa... Simplemente evita que la mezcla de aire y combustible se encienda antes de que lo haga la bujía. [78]

Si bien la primera parte de esta declaración es objetiva, la declaración completa implica que el octanaje es el único químico que contribuye al índice de octanaje, lo cual es falso.

Clasificaciones de octano de los isómeros de octano

Los isómeros de octano como el n-octano y el 2,3,3-trimetilpentano tienen un octanaje de -20 y 106,1, respectivamente ( medición RON ). [79] Las grandes diferencias entre los índices de octanaje de los isómeros muestran que el octanaje compuesto en sí no es claramente el único factor que determina los índices de octanaje, especialmente en el caso de los combustibles comerciales que consisten en una amplia variedad de compuestos.

Octano en la cultura

Un cartel de propaganda estadounidense de la década de 1940 que utiliza el término "octano" para enfatizar el poder.

"Octanaje" se utiliza coloquialmente en la expresión "alto octanaje". [80] El término se utiliza para describir una acción poderosa debido a la asociación con el concepto de "índice de octanaje". Este es un término engañoso, porque el octanaje de la gasolina no está directamente relacionado con la potencia de salida de un motor. El uso de gasolina de un octanaje superior al que está diseñado un motor no puede aumentar su potencia.

El octanaje se hizo muy conocido en la cultura popular estadounidense en la década de 1960, cuando las compañías de gasolina se jactaban de niveles de "alto octanaje" en sus anuncios de gasolina. El adjetivo compuesto "alto octanaje", que significa poderoso o dinámico, está registrado en sentido figurado desde 1944. En la década de 1990, la frase se usaba comúnmente como intensificador de palabras y ha encontrado un lugar en la jerga inglesa moderna.

Ver también

Referencias

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Otras lecturas

enlaces externos

Número de octano de investigación por estructura de hidrocarburos
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