Auto-ignición y detonación:

Si la temperatura de la mezcla de aire-combustible es elevada lo suficiente, la mezcla tiende a auto-encenderse sin la necesidad de una chispa o alguna otra bujía externa. La temperatura sobre la cual esto sucede se llama la temperatura de auto-encendido (Self-Ignition Temperature). Este es el principio básico en una máquina de ignición por compresión. La relación de compresión es lo suficientemente alta para que la temperatura se eleve por encima de la (SIT) durante la carrera de compresión. El autoencendido ocurre entonces cuando el combustible es inyectado en la cámara de combustión.

Sin embargo, la auto-ignición o pre-ignición no es deseada en los motores de ignición por chispa, pues una bujía se encarga de encender la mezcla de aire-combustible en un momento preciso del ciclo. Las relaciones de compresión de los motores de encendido por chispa que funcionan con gasolina están limitadas a 11:1 para evitar la auto-ignición. Cuando una auto-ignición más alta ocurre en un motor de encendido por chispa se crean paltas presiones que pueden causar daños al motor y muy seguido se encuentran dentro del rango de frecuencias perceptibles por el oído humano.

En la figura 1 se observan las características de auto-encendido de los combustibles. Si la temperatura de un combustible es llevada hasta por encima de su temperatura de auto-ignición, el combustible se encenderá con un tiempo de retraso de ignición (Ignition Delay Time). Entre más por encima de la temperatura de auto-encendido se eleve la temperatura de encendido, menos tiempo durará el tiempo de retraso de ignición. El tiempo de retroceso de ignición está dado en milésimas de segundo. Si la temperatura del combustible está por debajo de la temperatura de auto-encendido, no habrá encendido y el combustible se enfriará.

Los valores de la temperatura de auto-encendido y tiempo de retraso son ambiguos para las mezclas de aire-combustible. Los factores que afectan estos valores son:

Temperatura Presión Densidad Turbulencia Relación de aire-combustible Presencia de gases inertes

El retroceso de la ignición generalmente tarda una fracción de segundo, y en este tiempo ocurren reacciones de pre-ignición, como la oxidación de algunos componentes del combustible y la ruptura de algunos hidrocarburos grandes en moléculas más pequeñas. Estas reacciones de pre-ignición causan la elevación de la temperatura, lo que causa más reacciones de pre-ignición hasta que se llega a la combustión.

En la figura 2 se observa que cuando no hay auto-encendido, la fuerza por presión del pistón en un cilindro sigue una curva suave y sin cambios abruptos. Cuando sí existe auto-ignición, las fuerzas de presión en el pistón no son suaves y ocurre la detonación en el motor.

Se muestra en la figura 3 el comportamiento entre la presión del cilindro y el tiempo en un típico motor de encendido por chispa. El primer caso es una combustión sin detonación, el segundo con una ligera detonación y el tercero con una fuerte detonación.

Una cámara de combustión de motor de encendido por chispa está representada e idealizada como un cilindro sin cambios de geometría, el espacio disponible se divide en cuatro partes iguales y la masa de la mezcla de aire-combustible está distribuida en partes iguales al momento en que la bujía comienza su encendido para empezar la combustión. Cuando el frente de la flama se mueve a través de la cámara, el combustible aún no encendido se comprime a un volumen más pequeño. La flama continúa expandiéndose y comprimiendo el combustible no quemado aún más, así aumentando su presión y su temperatura. Si la temperatura cerca del final de la cámara de combustión llega a la temperatura de auto-encendido, se puede causar auto-ignición y detonación. La transferencia de calor por conducción y convección no es muy importante durante este proceso debido al corto intervalo de tiempo transcurrido.

Para evitar la detonación, es necesario que la flama atraviese la cámara de combustión y que encienda todos los gases no quemados que hayan sido elevados por encima de la temperatura de auto-encendido antes de que el tiempo de retraso de ignición expire. Esto es conseguido con un buen control de las propiedades del combustible y el diseño de una buena geometría de la cámara de combustión.

Al final de la combustión, la parte más caliente es donde comenzó la chispa y la combustión, siendo que continuó calentándose después por la radiación del calor y por el calentamiento compresivo mientras el frente de la flama pasaba por el resto de la cámara de combustión.

Si se reduce o limita la relación de compresión en un motor de encendido por chispa, la temperatura al final de la carrera de compresión, es decir donde empieza la combustión, será limitada. Si se reduce la temperatura inicial, se reduce también la temperatura a través de todo el proceso de combustión, y la detonación es evitada. Por otra parte, con una relación de compresión alta, se tendrá una alta temperatura al inicio de la combustión y esto causará más altas temperaturas por el resto del ciclo. La temperatura del gas del final tendrá un tiempo de Delay corto y ocurrirá la detonación.

El número de Octano.

La propiedad que mejor describe qué tan bien el combustible se comportará, es decir si hará auto-detonación o no, se llama número de octano u octanaje. Esta escala numérica es creada comparando las características de auto-encendido del combustible a evaluar contra los combustibles estándar es una máquina de prueba específica en condiciones de operación específicas.

Los dos combustibles estándar son el iso-octano (2, 2, 4 trimetilpentano), al cual se le da una escala de octanaje (ON) de 100, y n-heptano, al que se le da el ON de 0. Entre más alto sea el número de octano, menos propenso será a auto-encenderse. Los motores que tengan bajas relaciones de compresión pueden hacer uso de los combustibles con un bajo octanaje, pero los motores con relación de compresión alta deben usar altos octanajes para evitar el auto-encendido y la detonación.

Hay tres pruebas principales para determinar el número de octano en un combustible. Las dos pruebas más comunes para escalar la gasolina y algunos otros combustibles de motores de encendido por chispa son el Motor Method y el Research Method. Estos métodos o pruebas dan un valor de número de octano de motor (MoN) y el número de octano de investigación (RON). El tercer método es usado en combustibles de aviación, es llamado Aviation Method y otorga el número de octano de aviación (AON). El motor usado para obtener los números de octano para automóviles es un motor mono-cilindro de válvulas over-head que funciona bajo un ciclo Otto de cuatro tiempos. Tiene una relación de compresión variable que tiene un rango de 3-30. Las condiciones de las pruebas del método de motor e investigación están dadas en la siguiente tabla:

El procedimiento para encontrar el número de octano del combustible es el siguiente:

1. El motor de prueba se corre con las características de operación dadas y con el combustible a probar.

2. La relación de compresión es ajustada hasta que se dé una detonación estándar.

3. El combustible de prueba es cambiado por una mezcla de ambos combustibles de prueba o base.

4. El sistema de entrada está diseñado para que se puedan variar los porcentajes de entrada de ambos tipos de combustible, desde 100% iso-octano hasta 100% n-heptano.

5. La mezcla de combustibles es variada hasta que las mismas características de detonación entre la mezcla de combustibles de prueba y el combustible probado sean encontradas.

6. El porcentaje de isooctano es el número de octanaje del combustible probado. Es decir, un combustible que tiene las mismas características de detonación que una mezcla de 87% isooctano y 13% n-heptano, tendría un octanaje de 87.

A veces, para un número de octano promedio, se usa la media del número de octano de motor y de investigación, éste es llamado el índice de anti- detonación:

AKI=(MON+RON )/2

Los índices de anti-detonación usados comúnmente son:

Combustibles de gasolina para automóviles: 87-95 (Valores más altos para autos de carrera de alto performance.)

Motores alternativos encendidos por chispa de aviación: 85-100

Como la máquina de pruebas fue hecha en los años 30’s, y las pruebas son realizadas a una velocidad relativamente baja, el número de octano no corresponde a veces con la operación en algunos de los motores de alta velocidad de la actualidad. Los números de octano no deben tomarse como absolutos en la predicción de la detonación. Por ejemplo si hay dos motores con la misma relación de expansión, pero con una geometría de cámara de combustión diferente y ambos usan el mismo combustible, uno de ellos puede no detonar mientras que el otro tendría serios problemas de detonación.

Las condiciones de operación usadas en la prueba MON son más severas y drásticas que las usadas en el RON. Algunos combustibles tendrán un RON mucho más elevado que el MON. A la diferencia entre estos dos números se le llama Sensibilidad del Combustible (Fuel Sesitivity).

FS=RON−MON

La sensibilidad del combustible es una buena medida de qué tan sensibles son las características de detonación a la geometría del motor. Es decir, un número de FS bajo significa que las características de detonación no varían según la geometría. Los valores del FS tienen una escala normal del 0 al 10.

El número de octano depende de las mismas variables que la auto-detonación, algunas de las variables no están completamente entendidas, es por eso que la detonación puede darse de improviso. Esto puede verse en las diferencias entre el número RON y el MON, aunque hay algunos casos en los que ambos son iguales. Entre más rápida sea la flama dentro de la cámara de combustión, mayor será el octanaje, debido a que el combustible llevado por encima de su temperatura de auto-encendido será consumido por la flama antes de que éste pueda tener auto-ignición.

Si se hace una mezcla de varios combustibles con números de octano conocidos, se puede hacer una aproximación precisa del octanaje de la mezcla:

Hay una relación entre la relación de compresión del motor y el número de octanaje del combustible que un motor necesita seguir para evitar la detonación. Al momento de elegir el combustible que se usará en un motor, se debe interpretar si el combustible no causará detonación. Esta relación está plasmada en la gráfica 1:

Los antiguos motores de combustión interna por chispa no tenían grandes problemas con esta relación, pues necesitaban de bajos números de octano (combustibles crudos) para hacer funcionar sus motores de baja relación de presiones. La razón era la tecnología y los materiales de la época, pues altas relaciones de presiones causaban presiones más altas, algo que no podían soportar esos materiales.

Los componentes del combustible que tienen moléculas de largas cadenas generalmente tienen un número de octano más bajo, entonces entre más alto sea el número de octano, más cortas serán las cadenas. Los componentes que tengan moléculas en forma de anillo tienen números de octano más grandes. Por ejemplo los alcoholes tienen números de octanaje más altos debido a sus altas velocidades de frente de flama.

Para medir números de octano mayores a 100, se usan aditivos que se mezclan con isooctano. Un aditivo usado comúnmente es el (Tetraethyllead), se usa para subir el número de octano. El TEL, (C2H s)4Pb tiene la capacidad de aumentar de una manera muy predecible el octanaje del

combustible con unos cuantos mililitros de aditivo para varios litros de gasolina, como visto en la gráfica 2.

El mayor problema con el TEL es su alto índice de toxicidad, porque su componente principal es plomo, el cual se evapora y contamina. Las emisiones de TEL han incrementado, pero también es gracias al TEL que se pueden manejar relaciones de compresión cada vez más altas. Ya hay substitutos al TEL que son adicionados a la gasolina, como alcoholes y mezclas de organomanganeso.

La detonación normalmente ocurre cuando el motor hace más trabajo, como en la subida de una pendiente pronunciada. Se pueden impedir serios problemas de detonación retrasando el encendido de la bujía y empezando la combustión ligeramente más tarde en la carrera de compresión. Los carros más modernos cuentan con un sistema de detección de detonación que evita daños severos al motor.

La detonación del motor también puede ser causada por la ignición de superficie. Si existe algún punto caliente en la pared de la cámara de combustión, éste puede encender la mezcla de aire combustible y causar el mismo tipo de pérdida de control del ciclo. El peor tipo de ignición superficial es cuando hay pre-ignición, porque empieza la combustión demasiado temprano en el ciclo, esto causa que el motor se ponga más caliente, lo que causa más puntos calientes, y eso a su vez causa más pre-ignición. En casos extremos de ignición superficial el motor seguirá corriendo aún si la bujía ha sido apagada.

Tabla 2: Valor de octanaje de algunos combustibles

Familias de combustibles:

La familia de las parafinas:

El miembro más simple de las parafinas es el metano, que es el componente principal del gas natural. Se dice que el metano está saturado porque la valencia del átomo del carbono está completamente ocupada. Las parafinas llevan el sufijo –ano añadido a la parte que identifica el número de átomos de carbono.

1.- met 2.- et 3.- prop

4.- but 5.- penta 6.- hex

7.- hept 8.- oct 9.- nono

10.- deca

Por ejemplo el hexano es una parafina según su terminación –ano, que contiene 6 átomos de carbono. La fórmula general para la familia es CnH 2n+2, por lo tanto la fórmula del hexano es C6H 14.

La estructura orgánica no necesita de una cadena recta para satisfacer la fórmula, así el iso-butano es una parafina de estructura de cadena ramificada. Algunas de las características de estos tipos de parafina son: Estructura molecular diferente y propiedades químicas y físicas diferentes.

Las ramas para los isómeros son grupos parafina, o radicales. Tienen una fórmula general CnH 2n+1 (radical alkil). Se emplea el mismo código para nombrarlos que con las parafinas pero la terminación es –il. En la tabla siguiente se presentan algunas de las características de los componentes más importantes de la familia de las parafinas.

La familia de las olefinas:

Los combustibles obtenidos por desintegración tienen dentro de su composición química, un gran porcentaje de los compuestos que forman parte de la familia de las olefinas. Las olefinas son compuestos no saturados de cadena abierta con fórmula general CnH 2n. La no saturación se muestra por el doble enlace de la fórmula gráfica.

La familia de las parafinas tiene la terminación “ano” y sigue el mismo procedimiento para su prefijo que todas las demás familias orgánicas.

Las características físicas de las olefinas son muy parecidas a las de sus equivalentes en parafinas, sin embargo, como consecuencia del libre enlace, las olefinas son químicamente reactivas y se

unen rápidamente con el hidrógeno para formar las parafinas, o en algunos casos con el oxígeno para formar un residuo indeseable, la goma.

Las olefinas son deseables para la producción de gasolina para aviación. Es decir las olefinas que no reaccionan rápidamente con el oxígeno, también tienen un número de octanos más elevado.

La familia de las di-olefinas:

Las di-olefinas se describen mejor como olefinas de dos enlaces dobles. Estos compuestos no saturados de cadena abierta, tienen la terminación “dieno” y tienen la fórmula general CnH 2n−2.

Las diolefinas son componentes indeseables en los combustibles porque ocurren reacciones químicas que tienden a darle colores y se les atribuye la formación de una goma oscura, la cual forma deósitos en el motor que afectan la carburación y el funcionamiento de las válvulas.

Bibliografía:

Engineering fundamentals of the internal combustion engine, Willard W. Pulkrabek.

Internal Combustion Engines, Edward F. Obert.

Power Plant, Dale Crane

Thermodynamics, Yunus A. Çengel

Internal Combustion Engines Fundamentals, John B. Heywood.