 Entre los conceptos y parámetros a tener en cuenta previo al diseño de un motor alternativo, esta el que corresponde al Combustible y Lubricante a utilizar.
La mayoría de los usuarios no los consideran como parte del motor en si mismo, siendo estos tan importantes, como por ejemplo, las bujías.
Entre los conceptos y parámetros a tener en cuenta previo al diseño de un motor alternativo, esta el que corresponde al Combustible y Lubricante a utilizar.
La mayoría de los usuarios no los consideran como parte del motor en si mismo, siendo estos tan importantes, como por ejemplo, las bujías.
Las propiedades físicas y químicas de una aeronafta, frente a una motonafta, son bien diferentes, ya que las energías entregadas por cada una no son iguales entre si, lo cual implica que la potencia del motor será diferente según el tipo de combustible que se emplee.-
Si bien el Número Octano de una nafta es una propiedad importante del combustible, no da en si mismo una información de la Calidad Energética de dicho combustible, es decir que se necesita saber alguna otra propiedad para conocer a ciencia cierta la energía que entregará el combustible.-
La Calidad Energética del combustible esta dado por su Composición Química y no por el Número Octano; en la actualidad las motonaftas poseen un numero octano similar al de las aeronaftas lo que induce al usuario común a pensar que pueden ser reemplazadas en motores de aviación, lo cual es totalmente erróneo.-
Solo basta recordar que el Número Octano nos informa únicamente acerca de la capacidad o calidad antidetonante del combustible.
Mientras que la Composición Química nos refleja el Valor Energético de las moléculas de combustibles que se va a quemar, es decir, en términos del motor, cuanta energía química se podrá transformar en energía mecánica y cuanta potencia estará disponible.-
De donde puede haber dos naftas con igual Número Octano y con distinta Composición Química, de manera tal, que quemados en un motor no obtendremos iguales potencias.-
La Composición Química es una propiedad intrínseca de cada combustible, mientras que el Número Octano, es una característica funcional del mismo ya que depende del método que se use para medirlo.-
¿Qué es el Número Octano?
Número octano es una medida de la calidad o capacidad antidetonante de las naftas, para evitar las combustiones anormales o detonaciones propiamente dichas en las máquinas de combustión interna, cuya mezcla aire combustible es encendida por una chispa, de tal manera que se libere o se produzca la máxima cantidad de energía útil.-
En resumen, el Número Octano de un combustible es el porcentaje en volumen de Isoctano en una mezcla de isoctano con normal heptano que se comporta igual (detona con igual intensidad) que el combustible a comparar cuando es ensayado en un motor de prueba estandarizado y en iguales condiciones de presión, temperatura y régimen de giro.-
¿Cómo se determina el Numero Octano?
Para determinar la calidad antidetonante de una nafta, se efectúan ensayos en un motor experimental diseñado para este fin, de donde se obtienen dos parámetros diferentes:
- El Research Octane Number (Número de Octano de Investigación) que se representa como RON o simplemente R y que se determina haciendo girar el motor a una velocidad de giro de 600 revoluciones por minuto (rpm) y a una temperatura de entrada de aire de 125°F (51.7°C)
- El Motor Octane Number (Número de Octano del Motor) que se representa como MON o simplemente M y se obtiene mediante una prueba en una máquina operada a una velocidad de giro de 900 revoluciones por minuto y con una temperatura de entrada de aire de 300°F (149°C). Para propósitos de comercialización y distribución de las naftas, los productores determinan el octanaje comercial, como el promedio de los números de octano de investigación (RON) y el octano del motor (MON), de la siguiente forma:
Número Octano comercial = RON + MON = R + M
2 2
¿Cuál es la escala utilizada para medir el número octano?
La calidad antidetonante de una nafta se mide usando una escala arbitraria de número de octano. En esta escala, se dio a los hidrocarburos iso-octano (que es poco detonante sometido a determinadas condiciones de presión y temperatura) un índice de octano de cien (100); y al n-heptano (que es muy detonante), un índice de octano de cero (0).
La prueba de determinación del número octano de una nafta se efectúa en un motor especial exclusivamente de experimentación para tal fin, de un sólo cilindro, al que se le va aumentando progresivamente la relación comprensión hasta que se manifiesten las detonaciones (inflamación en forma violenta y espontánea de toda la mezcla aire combustible confinada dentro del cilindro del motor). Posteriormente, se hace funcionar el motor sin variar la relación comprensión anterior, con una mezcla de iso-octano y una cantidad variable de n-heptano, que representará el octanaje o índice de octano de la nafta para la cual se procedió a la prueba y que tiene, por lo tanto, el mismo funcionamiento antidetonante de la mezcla de hidrocarburos.-
Así, por ejemplo, si una nafta presenta propiedades antidetonantes similares a una mezcla de 95% de iso-octano y 5% de n-heptano, se dice que tiene un número de octano de 95.-
¿Qué problemas se presentan al usar naftas de bajo número de octano?
Los principales problemas son la generación de detonaciones o explosiones no deseadas en el interior de los motores cuya mezcla es encendida por chispa (motor a nafta o naftero); esto trae aparejado un mal funcionamiento, altas solicitaciones mecánicas en la piezas móviles y bajo rendimiento del combustible, cuando el vehículo está en movimiento, sumado a una elevada emisión de contaminantes.-
¿Qué se hace para mejorar el número octano de las naftas?
A nivel mundial, se han desarrollado varias tecnologías relacionadas entre sí para elevar el número octano de las naftas, destacando las siguientes:
- Aplicación de nuevas tecnologías de refinación, de reformado catalítico, isomerización y otros procesos, que permiten obtener naftas con elevados números de octano limpios, es decir, sin aditivos. Esto ha llevado a reducir en forma importante e inclusive a eliminar el tetraetilo de plomo, dando como resultado naftas de mejor calidad, que cumplen con los requerimientos de protección ecológica que se han establecido a nivel mundial.
- Paralelamente, se han desarrollado nuevos aditivos oxigenados denominados ecológicos en sustitución del tetraetilo de plomo (que es altamente contaminante), tales como el Metil -Ter-Butil-Eter (MTBE), el Ter-Amil-Metil-Eter (TAME) y el Etil-Teer-Butil-Eter (ETBE), entre otros.
Estos aditivos oxigenados, se adicionan a las naftas para elevar su número de octano, proporcionando a la vez una mayor oxigenación, lo que incide directamente en una combustión más completa y en un mejor funcionamiento de los motores de automóviles.
De estos aditivos oxigenados, los que han tenido un mayor uso a nivel mundial (incluso en nuestro país), han sido el MTBE y el TAME, debido a su alto valor de octano en la mezcla con naftas, a su baja presión de vapor y sobre todo a su alta disponibilidad, al producirse en plantas integradas a las refinerías, donde son aprovechadas las materias primas de refinación requeridas para su elaboración (metanol, butanos, butilenos, isobutilenos e isoamileno), con las ventajas económicas que ello representa.
Calidad de las naftas elaboradas en otros países del mundo
En los diferentes países del mundo se elaboran varias clases de naftas, dependiendo del nivel de tecnología utilizadas en sus refinerías, de la disponibilidad de recursos económicos destinados a la investigación y desarrollo tecnológico en materia de refinación y petroquímica, y de la inversión ejercida en la modernización de sus instalaciones, vinculados estos factores directa y estrechamente con la evolución de su industria automotriz.
Así, por ejemplo, en Estados Unidos se elaboran naftas con plomo y sin plomo clasificadas como Regular y Premium en cada categoría, cuyos números octano son:
Regular Midgrade Premium
Naftas sin plomo 87 89 92
Naftas con plomo 85 No disponible
Las características de los combustibles se establecen a nivel internacional por normas establecidas por American Society for Testing and Materials (ASTM), para el caso de las motonaftas es la ASTM-D-4814 y para las aeronaftas la ASTM-D-910, normalizadas con la MIL-G-5572 y la DERD-2485
El método estandarizado para la determinación de las composiciones químicas es el ensayo de destilación ASTM-D-86. Este método permite comparar los componentes químicos por su punto de ebullición agrupándolos por fracción de volumen.-
Los hidrocarburos son elementos compuestos por carbonos e hidrógenos y difieren entre si por el numero de átomos de carbono que integran la molécula. A mayor número de átomos de carbono mayor será el punto de ebullición; luego se verifican en las curvas de destilación que las motonaftas se componen con hidrocarburos con mayor cantidad de carbonos e hidrógenos que la aeronaftas.-
La combustión de la nafta se produce por una reacción química llamada oxidación (violenta en este caso), entre los hidrocarburos del combustible y el oxígeno del aire, para que la reacción sea completa, es decir, que no queden restos de sustancias reaccionantes, debe haber cantidades de aire y combustible perfectamente determinadas por una ecuación química del combustible-nafta y comburente-aire, 15 partes de aire y 1 parte nafta (relación estequeométrica aire combustible 15:1).-
Al reaccionar el hidrocarburo absorbe energía y cambia de estado rompiendo las uniones carbono-carbono y carbono-hidrógeno dando como resultado en su combinación con el oxigeno, vapor de agua y anhídrido carbónico.-
Si existiere un excedente de hidrocarburos o una disminución del oxígeno, por ejemplo debido a la altura, quedaran residuos de la combustión que se presentaran como incrustaciones carbonosa y polímetros (lacas).-
Habrá un excedente de carbono si el hidrocarburo involucrado es de mayor punto de ebullición por tener mayor número de átomos de carbono, por lo tanto, al utilizar motonaftas en motores de aviación, el exceso de carbonos e hidrógenos provocará una reacción incompleta que se traducirá en una pérdida de energía lo que es igual a una perdida de potencia en el motor.-
Entre los inconvenientes generados por el uso de motonaftas en motores de aviación, el más importante es el fenómeno llamado Vapor Lock o traba de vapor, formadas por la generación de pequeñas burbujas de aire dentro de las tuberías de combustible que alimentan al motor debido a que la tensión de vapor en las motonaftas es mayor que la tensión de vapor de las aeronaftas, cuando el motor opera a altitudes por encima de los 5000 ft., donde la presión atmosférica disminuye considerablemente; el efecto de las burbujas de aire-vapor es la obstrucción de los conductos por comportarse éstos como un capilar (conducto largo y de sección muy pequeña), por lo tanto este taponamiento neumático puede producir una Plantada o Detención del motor de aviación por falta de provisión de combustible.-
Las especificaciones referidas a ensayos de tensión de vapor están contempladas en la norma REID (ASTM-D-323).
Respecto a las motonaftas ecológicas cabe mencionar, además de lo expuesto hasta aquí, que tienen una incorporación de aproximadamente un 40% de hidrocarburos aromáticos (con punto de ebullición entre 30° C y 225° C, los cuales son muy perjudiciales para los elastómeros del sistema de combustible motor de aviación pues atacan químicamente todo lo que es de goma, mangueras, sellos, tanques de goma, juntas, O-ring, etc.).-
Recomendaciones de los fabricantes de motores alternativos de aviación:
LYCOMING: según service letters Nº L185B “La motonafta nunca deberá ser usada como sustituto de la aeronafta en motores de aviación”.-
TELEDYNE CONTINENTAL MOTORS: según service letters Nº M77 – 3 FAA – DER Approved “TCM no recomienda o autoriza el uso de motonaftas en cualquiera de sus motores”.-
El combustible aeronáutico a usar en motores de aviación debe responder a la norma ASTM-D-910 y/o MIL-G-5572E.-
Por ultimo el uso de motonaftas en sustitución de aeronaftas no es recomendable por no poseer protocolos de rastreabilidad (seguimiento a la evolución de todos los procesos de destilado, refinado, almacenado y manipuleo desde la boca de pozo hasta el tanque de combustible) y no estar contemplado en las regulaciones aeronáuticas. Ninguna estación de servicio para automóviles esta en condiciones de garantizar el 100% la calidad de la nafta que se expende, pues es poco probable que se asegure que no haya presencia de agua, otros combustibles, impurezas, etc. y el vendedor de ese combustible no se responsabiliza frente a una detención de motor por combustible contaminado, mientras que el expendedor de aeronafta es solidariamente responsable por el producto que entrega por estar contemplado el uso de aeronafta en las regulaciones aeronáuticas vigentes.-
Ing. Mec. Claudio A. Hidalgo
Enero de 2009
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