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Índice de octano

El índice de octano , o número de octano , es una medida estándar de la capacidad de un combustible para soportar la compresión en un motor de combustión interna sin causar detonaciones en el motor . Cuanto mayor sea el índice de octano, mayor será la compresión que puede soportar el combustible antes de detonar. El índice de octano 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 a detonar bajo presión sin una chispa.

El hecho de 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 índice de octanaje más alto se utilizan en motores de gasolina de mayor compresión , lo que puede generar mayor potencia para estos motores. La potencia adicional en tales casos proviene de la forma en que el motor está diseñado para comprimir la mezcla de aire y combustible, y no directamente del índice de octanaje de la gasolina. [1]

Por el contrario, los combustibles con menor octanaje (pero mayor número de cetano ) son ideales para los motores diésel porque los motores diésel (también llamados motores de encendido por compresión) no comprimen el combustible, sino que comprimen solo el aire y luego inyectan combustible en el aire que se calentó por compresión. Los motores de gasolina dependen de la ignición de la mezcla de aire comprimido y combustible , que se enciende solo cerca del final de la carrera de compresión mediante bujías eléctricas . Por lo tanto, poder comprimir la mezcla de aire y combustible sin causar detonación es importante principalmente para los motores de gasolina. El uso de gasolina con un octanaje más bajo que el que está diseñado un motor puede causar golpeteo del motor y/o preignición . [2]

El índice de octano 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 índice de octano afectó no solo el rendimiento de la gasolina, sino también su versatilidad; el combustible de mayor octanaje permitió una gama más amplia de condiciones de funcionamiento de mezclas pobres a ricas. [3]

Principios

El problema: la detonación

En los motores de combustión interna de encendido por chispa , el golpeteo (también detonación , detonación de chispa , ping o picadura ) ocurre cuando la combustión de parte de la mezcla de aire y combustible en el cilindro no es resultado de la propagación del frente de llama encendido por la bujía , sino cuando una o más bolsas de mezcla de aire y combustible explotan fuera de la envoltura del frente de combustión normal. La carga de combustible y aire está destinada a ser encendida solo por la bujía y en un punto preciso en la carrera del pistón. El golpeteo ocurre 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 drásticamente. Los efectos del golpeteo del motor varían desde intrascendentes hasta completamente destructivos.

El golpeteo no debe confundirse con el preencendido : son dos eventos separados y el preencendido 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, generalmente la inyección electrónica de combustible (EFI), tienen un sensor de detonación que monitorea si el combustible que se está utilizando produce detonación. En los motores modernos controlados por computadora, el sistema de gestión del motor modificará automáticamente el tiempo de encendido para reducir la detonación a un nivel aceptable.

El isooctano como patrón 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 a unos 125 °C (260 °F). Un miembro de la familia de los octanos, el 2,2,4-trimetilpentano (isooctano), se utiliza como estándar de referencia para evaluar la tendencia de la gasolina o los combustibles GLP a resistir la autoignición.

El índice de octano de la gasolina se mide en un motor de prueba y se define por comparación con la mezcla de 2,2,4-trimetilpentano (isooctano) y heptano normal que tendría la misma capacidad antidetonante que el combustible en prueba. El porcentaje, en volumen, de 2,2,4-trimetilpentano en esa mezcla es el índice de octano 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 índice de octano de 90. [4] Un índice de 90 no significa que la gasolina contenga solo isooctano y heptano en estas proporciones, sino que tiene las mismas propiedades de resistencia a la detonación (generalmente, la gasolina vendida para uso común nunca consta únicamente de isooctano y heptano; es una mezcla de muchos hidrocarburos y, a menudo, otros aditivos).

Los índices de octano no son indicadores del contenido energético de los combustibles (ver Efectos más abajo y Calor de combustión ). Son sólo una medida de la tendencia del combustible a quemarse de manera controlada, en lugar de explotar de manera descontrolada. [5]

Cuando se aumenta el índice de octano mediante la mezcla con etanol, se reduce el contenido de energía por volumen. La densidad energética del etanol se puede comparar con la de la gasolina en las tablas de calor de combustión.

Es posible que un combustible tenga un índice 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 competición, avgas , GLP y combustibles de alcohol como el metanol pueden tener índices de octano de 110 o significativamente superiores. Los aditivos típicos para aumentar el octanaje de la gasolina 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 en combustibles para vehículos de carretera se haya eliminado progresivamente en todo el mundo a partir de la década de 1970. [6]

Métodos de medición

Una bomba de una estación de servicio de EE. UU. que ofrece cinco clasificaciones de octano (R+M)/2 diferentes

Número de octano de investigación (RON)

El tipo de clasificación de octano más común en todo el mundo es el Número de Octano de Investigación ( RON ). El RON se determina haciendo funcionar el combustible en un motor de prueba a 600 rpm con una relación de compresión variable bajo condiciones controladas y comparando los resultados con los de las mezclas de isooctano y n-heptano. [7] La ​​relación de compresión se varía durante la prueba para desafiar la tendencia antidetonante del combustible, ya que un aumento en la relación de compresión aumentará las posibilidades de detonación.

Número de octano del motor (MON)

Otro tipo de índice de octano, llamado Número de octano del motor ( MON ), se determina a una velocidad del motor de 900 rpm en lugar de las 600 rpm del RON. [2] La prueba MON utiliza un motor de prueba similar al utilizado en la prueba RON, pero con una mezcla de combustible precalentada, una mayor velocidad del motor y un tiempo de encendido variable para enfatizar aún más la resistencia a la detonación del combustible. Dependiendo de la composición del combustible, el MON de una gasolina de surtidor moderna será aproximadamente de 8 a 12 más bajo que el RON, [ cita requerida ] pero no existe un vínculo directo entre RON y MON. Vea la tabla a continuación.

Índice antidetonante (AKI) o (R+M)/2

En la mayoría de los países de Europa, y en Australia y Nueva Zelanda, el índice de octano "principal" que se muestra de forma destacada en el surtidor es el RON, pero en Canadá, Estados Unidos y México, el número principal es la media simple o promedio del RON y el MON, llamado Índice antidetonante ( AKI ), y a menudo escrito en los surtidores como (R+M)/2 . El AKI también se denomina a veces PON (número de octano del surtidor).

Diferencia entre RON, MON y AKI

Debido a la diferencia de octano entre RON y MON de 8 a 12 octanos mencionada anteriormente, el índice de ignición antidetonante (AKI) que se muestra en Canadá y Estados Unidos es de 4 a 6 octanos menor que el que se muestra en otras partes del mundo para el mismo combustible. Esta diferencia entre RON y MON se conoce como sensibilidad del combustible [8] y no suele publicarse para aquellos países que utilizan el sistema de etiquetado del índice antidetonante.

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

Número de octano observado en carretera (RdON)

Otro tipo de índice de octano, llamado índice de octano observado en carretera ( RdON ), se obtiene probando la gasolina en motores multicilíndricos comunes (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 todavía es confiable en la actualidad. Las pruebas originales de RdON se realizaban en automóviles en la carretera, pero a medida que la tecnología se desarrolló, las pruebas se trasladaron a dinamómetros de chasis con controles ambientales para mejorar la consistencia. [9]

Índice de octano

La evaluación del índice de octano mediante cualquiera de los dos métodos de laboratorio requiere un motor especial construido para cumplir con los estándares rígidos de las pruebas, y el procedimiento puede ser costoso y requerir mucho tiempo. El motor estándar requerido para la prueba puede no estar siempre 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. Estos métodos sustitutos incluyen FTIR, analizadores en línea de infrarrojo cercano y otros. Derivar una ecuación que pueda usarse para calcular clasificaciones con la suficiente precisión también serviría para el mismo propósito, con ventajas adicionales. El término Índice de octano se usa a menudo para referirse al uso de una ecuación para determinar una clasificación teórica, en contraposición a las mediciones directas requeridas para la investigación o los números de octano de los motores. Un índice de octano puede ser de gran utilidad en la mezcla de gasolina. La gasolina de motor, tal como se comercializa, suele ser una mezcla de varios tipos de grados de refinería que se derivan de diferentes procesos, como la gasolina de destilación directa, la gasolina reformada, la gasolina craqueada, etc. Estos diferentes grados se mezclan en cantidades que cumplirán con las especificaciones del producto final. La mayoría de las refinerías producen y comercializan más de un grado de gasolina de motor, que se diferencian principalmente en su calidad antidetonante. Es esencial poder realizar estimaciones suficientemente precisas del índice de octano que resultará de la mezcla de diferentes productos de refinería, algo para lo que el índice de octano calculado es especialmente adecuado. [10]

Índices de octanaje de la gasolina de aviación

Las gasolinas de aviación utilizadas en los motores de pistón de los aviones, comunes en la aviación general, tienen un método ligeramente diferente para medir el octanaje del combustible. De manera similar a un AKI, tiene dos clasificaciones diferentes, aunque generalmente se hace referencia a ella solo por la más baja de las dos. Una se conoce como la clasificación "pobre de aviación", que para clasificaciones de hasta 100 es la misma que el MON del combustible. [11] La segunda es la clasificación "rica de aviación" y corresponde al octanaje de un motor de prueba bajo operación de inducción forzada común en aviones de pistón militares y de alto rendimiento. Esto utiliza un supercargador y utiliza 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 un índice de pobreza de aviación de 100 octanos y un índice de riqueza de aviación de 130. [12]

Ejemplos

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

Efectos

Los índices de octano más altos se correlacionan con mayores energías de activación : 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 determinada compresión provoque una ignición descontrolada, también conocida como autoignición, autoignición, preignición, detonación o detonación.

Dado que el octanaje es una clasificación medida y/o calculada de la capacidad del combustible para resistir la autoignición, cuanto mayor sea el octanaje del combustible, más difícil será encenderlo y más calor se necesitará para encenderlo. El resultado es que se requiere una chispa de encendido más caliente para el encendido. 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 y la sincronización de la chispa resultantes no son óptimas y pueden causar problemas importantes en el motor, desde un simple "fallo" hasta una detonación descontrolada y una falla catastrófica del motor.

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

Los combustibles "más finos" de mayor octanaje y menor densidad energética suelen contener compuestos de alcohol incompatibles con los componentes del sistema de combustible de serie, lo que también los hace higroscópicos . También se evaporan mucho más fácilmente que el combustible más pesado y de menor octanaje, lo que genera una mayor acumulación de contaminantes en el sistema de combustible. Por lo general, son los ácidos clorhídricos que se forman debido a esa agua [ cita requerida ] y los compuestos del combustible los que tienen los efectos más perjudiciales sobre 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 aeronaves funcionan a velocidades relativamente bajas y son " subcuadrados ". 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 de combustible y aire uniforme, con la chispa de encendido llegando lo más tarde posible para extender la producción de presión y torque del cilindro lo más abajo posible en la carrera de potencia. La razón principal para usar combustible de alto octanaje en motores refrigerados 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 congelación en el carburador .

Con sus densidades reducidas y peso por volumen de combustible, el otro beneficio obvio es que un avión con un volumen dado de combustible en los tanques es automáticamente más liviano. Y dado que muchos aviones vuelan solo 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, en particular los alquenos y los compuestos oxigenados, se polimerizan lentamente en sólidos). [ aclaración necesaria ] Los aviones también suelen tener sistemas de encendido "redundantes" duales que son casi imposibles de ajustar y cronometrar 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, esos combustibles más livianos que son mejores solventes tienen muchas menos probabilidades de causar "barniz" u otra suciedad en las bujías "de respaldo". [ cita requerida ]

En casi todos los motores de pistón de aviación general, la mezcla de combustible es controlada directamente por el piloto, a través de una perilla y un cable o palanca similar a (y al lado) del control del acelerador . La inclinación (reducción de la mezcla de su cantidad máxima) debe hacerse con conocimiento, ya que algunas combinaciones de mezcla de combustible y posición del acelerador (que producen la más alta) pueden causar detonación y/o preignición , en el peor de los casos destruyendo el motor en segundos. [ cita requerida ] A los pilotos se les enseña en la capacitación primaria a evitar configuraciones que produzcan las temperaturas de los gases de escape más altas y hacer funcionar el motor "rico en EGT pico " (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 las dos evitará que la mezcla de combustible y aire detone prematuramente. [38] Debido al alto costo de la gasolina de alto octanaje sin plomo y al posible aumento de la autonomía antes de reabastecerse, algunos pilotos de aviación general intentan ahorrar dinero ajustando sus mezclas de combustible y aire y el tiempo de encendido para que funcionen con "pobreza en el pico". Además, la menor densidad del aire a mayores altitudes (como Colorado) y temperaturas (como en verano) requiere una reducción de la cantidad de combustible por volumen o masa de aire para alcanzar la temperatura máxima de los gases de escape y la potencia (crucial para el despegue).

Variaciones regionales

La selección de índices de octano disponibles en las estaciones de servicio puede variar mucho de un país a otro.

Conceptos erróneos sobre el octanaje

Las gasolineras tienen gasolina con distintos octanajes. Los números más altos indican que el combustible puede evitar mejor las explosiones no deseadas dentro de los cilindros del motor.

Debido a su nombre, el químico "octano" se suele malinterpretar como la única sustancia que determina el índice de octano (o número de octano) de un combustible. Esta es una descripción inexacta. En realidad, el índice de octano se define como un número que describe la estabilidad y la capacidad de un combustible para evitar que un motor sufra las explosiones no deseadas [80] que ocurren espontáneamente en otras regiones dentro de un cilindro (es decir, explosiones deslocalizadas de la bujía). Este fenómeno de combustión se conoce más comúnmente como detonación 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 [81] ideó el método de utilizar isooctano y n-heptano como sustancias químicas de referencia, con el fin de evaluar la resistencia al detonante de un combustible con respecto a este isómero del octano, [82] de ahí el nombre de "índice de octano". Por definición, los isómeros isooctano y n-heptano tienen un índice de octano de 100 y 0, respectivamente. [83] Debido a su naturaleza más volátil, el n-heptano se enciende y produce detonante fácilmente, lo que le da un índice de octano relativamente bajo; [84] el isómero isooctano causa menos detonante porque es más ramificado y se quema con más suavidad. 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 octano más alto, porque son más difíciles de encender. [85]

Índices de octano de los isómeros de octano

Los isómeros de octano como el n-octano y el 2,3,3-trimetilpentano tienen un índice de octano de -20 y 106,1, respectivamente ( medición RON ). [86] Las grandes diferencias entre los índices de octano de los isómeros muestran que el octano del compuesto en sí claramente no es el único factor que determina los índices de octano, especialmente porque los combustibles comerciales constan de 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.

El término "octano" se utiliza coloquialmente en la expresión "alto octanaje". [87] El término se utiliza para describir una acción potente debido a la asociación con el concepto de "índice de octano". Este es un término engañoso, porque el índice de octano 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 de salida.

El octano se hizo muy conocido en la cultura popular estadounidense en la década de 1960, cuando las compañías de gasolina se jactaban de los niveles de "alto octanaje" en sus anuncios de gasolina. El adjetivo compuesto "alto octanaje", que significa potente o dinámico, se registró en sentido figurado a partir de 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.

Véase también

Referencias

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