COMBUSTIBLES Y LUBRICANTES
COMBUSTIBLES
Definición:
Los combustibles son sustancias que reaccionan con el oxígeno del aire en forma fuertemente EXOTÉRMICA
Dicho proceso, denominado COMBUSTIÓN, permite transformar la energía asociada a la estructura molecular de los reactantes en energía térmica que se aporta a los productos.
REACTANTES
Energía químicaPRODUCTOS
Energía Térmica
CLASIFICACIÓN
GASEOSOS Gas Natural, GLP, etc.
- Mejor formación de mezcla, menores emisiones contaminantes
LÍQUIDOS Gasolina (Naftas), Gas Oil, Etanol, etc.
-Gran cantidad de energía por unidad de volumen, fácil y seguro manejo,almacenamiento y transporte. Para mezclarse con el aire previamente deben vaporizarse o atomizarse. Provienen de la destilación del petróleo y consisten en una mezcla de varios hidrocarburos.
SÓLIDOS Carbón pulverizado, etc.
REFORMULADOS
ALTERNATIVOS
OBTENCIÓN DE COMBUSTIBLES LÍQUIDOS DERIVADOS DEL PETRÓLEO
Destilación:
P. CRUDO
Calentador
Alquitranes, parafinas, etc.
Vapor a 350 ºC
Tor
re d
e fr
acci
onam
ient
o
0 ºC
100 ºC
200 ºC
300 ºC
GLP
Gasolina
Kerosene
Gas Oil
Bases para aceites lubricantes o asfaltos
Como la demanda de algunos combustibles (NAFTAS) excede en mucho la que se obtiene por destilación del crudo se debe recurrir a otros procesos para satisfacer la demanda:
CRAQUEO
POLIMERIZACIÓN
REFORMADO
HIDROGENACIÓN
ISOMERIZACIÓN
ALQUINACIÓN
HIDRODESULFURACIÓN
NOTA:
Cualquiera sea el procedimiento empleado, los productos obtenidos deben pasar por otras fases como conversión y refinado además se deben agregar los aditivos necesarios para su posterior utilización.
CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES:
1- Poder Calorífico.Es la cantidad de calor que se desprende en una combustión COMPLETA, en unas condiciones determinadas.
Poder Calorífico Inferior: El vapor de agua contenido en los productos NO se condensa. Es el más usual debido a la temperatura de salida de los gases de escape de los MCI.
REQUERIMIENTO ARA para GAS OIL Pci = 42000 KJ/Kg
Método ASTM D - 240
Poder Calorífico Superior: El vapor de agua contenido en los productos SI se condensa, entregándole el combustible su calor latente de vaporización.
Relación entre ambos:
PCi = PCs – (KJ/Kg). Gv (Kg H20/Kgcomb)
Donde = 2500 (KJ/Kg) y Gv es la fracción másica de vapor de agua por cada Kg de combustible
2- Volatilidad. Es la tendencia que presenta una determinada sustancia a evaporarse. Cuanto más reducida sea la temperatura de vaporización de un producto, más volátil puede considerársele.
La volatilidad de un combustible se determina por sus curvas de destilación ASTM que indican el % en volumen de combustible vaporizado en función de la temperatura.
Son puntos característicos:
10 %
50 % y
90 % de combustible y suelen darse en las especificaciones.
Método ASTM D 86 / IRAM A 6600
Se incluyen en este método Punto seco, Rendimiento y Residuos
Ver NOCEM 32 sección 12 Ensayos de laboratorio
0% 25% 50 % 75 % 100 %
400ºC
300ºC
200ºC
100ºC
0ºC
Fuel Oil
Gas Oil
Naftas
Etanol
Metanol
Observaciones:
Para Naftas: 10 % muy alto: Difícil arranque en frío
10 % muy bajo: Vapor lock, facilidad evaporación en tanque de combustible.
Para GAS OIL:90 % alto : Dilución del aceite del cárter.
Punto seco: Temperatura a la cual una cierta cantidad de combustible depositado en un balón de destilación se evapora totalmente, dejando el fondo del recipiente SECO.
Residuo: Es el material que queda en el balón luego de la destilación. Requerimiento ARA 2 % (máximo)
Recuperado o Rendimiento: Lo que se recoge del balón como destilado. Requerimiento ARA: 98% (mínimo)
3-Número Octano (NO): Es la medida de la calidad antidetonante de las naftas.(es decir su “habilidad” para quemar sin detonación).
Requerimientos ARA: NO nafta común mínimo 83 (RON)
NO nafta súper mínimo 93 (RON)
ASTM D 2699. IRAM A 6527
4. Número Cetano (NC): Es una medida del tiempo de retardo en la autoinflamación del combustible en el motor DIESEL.
En general: cuando NC es alto menor retardo.
Valores comerciales: entre 30 y 55. Motores más veloces requieren NC más elevado que motores más lentos.
Requerimientos ARA: Indice Cetano ≈ NC
Índice Cetano calculado GAS OIL mínimo = 45
Índice Cetano calculado TNCC mínimo = 47
5- Color: Ensayo comparativo con muestras patrón de numeración ascendente.Indirectamente puede resumir calidad, pureza,opacidad, etc.
Requerimiento ARA : máximo 3 (ASTM D 1500 IRAM A 6548
6- Viscosidad: Es la medida de la fricción interna de un fluído.
Se utiliza el cSt como medida de la viscosidad cinemática. Como medida práctica los SSU. Normalmente los datos se especifican a una dada temperatura (por ejemplo 40 ºC).
Especificación ARA Viscosidad Gas Oil entre 2 y 4,5 cSt.
Norma IRAM 65697 / ASTM D 445.
7- Punto de escurrimiento: Si un combustible es suficientemente enfriado, alcanzará una temperatura a la cual NO fluirá más por la acción de la gravedad. Punto de escurrimiento 3ºC por encima de esa temperatura. Importante: hay cristalización de compuestos del comb. Y espesamiento. Puede reducir el flujo en tuberías.
ESPECIFICACIÓN ARA: Gas Oil: - 6ºC máx.
8- Punto de inflamación: Temperatura a la cual, un combustible expuesto a una fuente de ignición (chispa) presenta momentáneamente una combustión.
Especificación ARA:
GAS OIL: mínimo 60 º C (ASTM D 93 IRAM A 6539)
Gas Oil AUTOMOTOR: mínimo 45 ºC
Gas OIL ANTÁRTICO, JP1: mínimo 38 ºC
Para las naftas y otros combustibles muy volátiles es menor que la temperatura ambiente normal. Peligros de incendio y explosión.
9- Punto de combustión:es la temperatura a la cual los vapores desprendidos del combustible, en presencia de una fuente de ignición mantienen una llama durante por lo menos 5 segundos.Se utiliza el método anterior (ASTM D 93 IRAM A 6539).
Especificaciones ARA:
Fuel Oil Naval :mínimo 93 º C
10- Número de Neutralización: Se verifica en un combustible para controlar su acidez, indicativa de contaminantes o compuestos de azufre.
Es la cantidad de K(OH) en miligramos necesarios para neutralizar la acidez de una muestra de 1 gramo de combustible.
Especificación ARA: Gas Oil: Nº de neutralización máximo 0,5
11- Cenizas: Se realiza para conocer el % de materias no combustibles presentes.Se quema hasta la calcinación (obtención de cenizas blancas) la muestra de combustible, se pesa el contenido de cenizas.
Especificación ARA. Cenizas máximo: 0,01 % en peso
12- Agua y sedimento:El combustible recibido debe estar libre de agua y sedimentos, sin embargo, pueden aparecer contaminaciones en conduc-ciones y/o tanques (especialmente desplazables o parcialmente llenos).
12.1 Por centrifugación: IRAM A 6541 / ASTM D1796
Especificación ARA máximo 0,05 %
12.2 Sedimentos por extracción: Con solventes.
Métodos: ASTM D 473 / IRAM A – 6552
Observación: hay métodos prácticos, no normalizados.
13 – Corrosión sobre lámina de cobre: Para evaluar los daños que pueden producirse en el cobre o sus aleaciones ante contaminación con azufre o sus derivados. A 100 ºC se introduce durante un tiempo normalizado una barra de Cu y se compara posteriormente con un patrón de colores numerados. Método ASTM D 130 / IRAM A 6533.
14- Azufre : Importante por corrosión y depósitos nocivos.
Efectos: Formación de gomas en tanques de nafta y carburadores.
Tolerancias: MD. Alta velocidad hasta 1 %
MD Baja velocidad hasta 3 %
Los efectos del azufre se pueden reducir con el uso de lubricantes altamente detergentes.
Requerimientos ARA S < 0.25 %
Análisis IRAM A 6598 ASTM D 129 o D 3120.
Nota: Para Turbinas de gas Azufre de mercaptanos
15-Punto de obstrucción de filtro (could filter plug point): Es un valor intermedio entre punto de enturbiamiento y punto de escurrimiento. Importante: Taponamientos de filtros a baja temperatura. Formación de cristales de parafina.
Ensayo IRAM A 6970
IP 309
16-Carbón Conradson: El método permite determinar la tendencia de los combustibles a formar depósitos de carbón en los motores.
La cantidad de residuo de carbón que se obtiene después del quemado con aire limitado y pirólisis de combustible medido en % en peso da el valor del carbón Conradson.
Ensayo IRAM A 6542 ASTM D 189
Combustibles para motores marinosGeneralidades:
Gas Oil Altamente refinado, destilado liviano
Diesel viscosidad menor a 30 cst a 50 ºC
IFOs viscosidad entre 10 y 380 cst a 50 ºC
Fuel Oil viscosidad mayor a 380 cst a 50 ºC
Gas Oil:
•Es el + refinado y + liviano.
•Se suele emplear en motores semirápidos y rápidos.
•Producto claro, con bajo contenido de azufre.
•Se especifica el NC característica de ignición (retardo)
•Debe tener un buen comportamiento a baja temperatura (filtrabilidad)
IFOs y Fuel Oil :
•Productos más complejos.
•Se suele emplear en motores lentos 2 y 4 tiempos
•Provienen de diferentes unidades del proceso de refinación.
El Fuel Oil comprende 3 familias de hidrocarburos compuestos por moléculas pesadas ( + de 20 átomos de C):
•Un aceite: Mezcla de parafinas, naftenos y aromáticos livianos.
•Resinas: Aromáticos condensados de cadenas largas.
•Asfaltenos: Aromáticos condensados de cadena corta
•Impurezas:
•Sólidos en suspensión: arena, óxido, carbón, residuos de catalizador).
•Agua.
Obs: 1-Los asfaltenos son poco afines con el aceite y se mantienen en equilibrio en este medio por las resinas.
2- El combustible conseguido es muy estable
IFOs son obtenidos por el agregado de un diluyente al Fuel Oil en proporciones adecuadas, para lograr una viscosidad ajustada a la necesidad.
Especificaciones:
Por mucho tiempo para caracterizar a los combustibles de uso marino Viscosidad, luego la Densidad.
Después de la primera crisis del Petróleo (1973) se redefinieron los términos de calidad.
En 1978 se comenzó a realizar la estandarización (vía ISO) de combustibles marinos.
En 1980 fue creado un grupo internacional de estandarización
En 1987 fue reconocida oficialmente la norma ISO 8217:
Destilados livianos:
• DMX
• DMA
• DMB
• DMC
Combustibles pesados:
• 15 categorías RM
VOLATILIDAD
•Curva de Destilación
Fracción Liviana: Arranque en frío
Fracción Media : Arranque en frío –Emisión de
Humos
Fracción Pesada: Rendimiento - Formación de
depósitos- Emisión de humos
Características contempladas por ISO 8217• Apariencia (sólo destilados livianos)• Densidad• Viscosidad ( a 40ºC para DM y a 100 ºC para los RM.)• Punto de inflamación• Punto de enturbiamiento• Punto de escurrimiento (invierno y verano)• Carbón residual• Cenizas• Sedimentos (sólo DM)• Contenido de agua• Número Cetano (sólo DM)• Contenido de Azufre• Contenido de Vanadio• Contenido de Aluminio y Silicio.
Breve análisis de las características:
APARIENCIA: Entre 10 y 25 ºC el combustible deberá aparecer claro y brillante.
DENSIDAD: Tiene estrecha relación con la energía contenida en un volumen determinado de combustible y por lo tanto con la potencia de salida de un motor (Rendimiento total) También influye en la emisión de humos por el escape.
VISCOSIDAD: Influye en la pulverización del combustible por las toberas, en la capacidad de lubricar los elementos bombantes, como así también en el bombeo y transporte. DM Rango. RM Máximo.
PUNTO DE INFLAMACION: Tendencia del producto a formar mezclas inflamables con el O2 del aire. Importante distribución y almacenaje.
¡Impone restricciones a la parte inicial de la destilación!!
PUNTO DE ENTURBIAMIENTO: Sólo DMX. Mide la temperatura a la cual las primeras parafinas se vuelven visibles cuando el combustible es enfriado.
PUNTO DE ESCURRIMIENTO: Es la menor temperatura a la cual el combustible aún puede fluir. Se caracteriza por valores máximos según la época del año (invierno o verano).
COMPORTAMIENTO EN FRÍO
COMPORTAMIENTO EN FRÍO
Buen arranque en fríoBuen arranque en frío
Comportamiento a Comportamiento a bajas bajas
Temperaturas Temperaturas
Adecuado Adecuado N° de Cetano N° de Cetano
TemperaturaTemperaturaPARAFINA PARAFINA
EN SOLUCIÓNEN SOLUCIÓNSOBRE EL PUNTO SOBRE EL PUNTO
DE DE ENTURBIAMIENTOENTURBIAMIENTO
CRISTALES VISIBLESCRISTALES VISIBLES ENFRIAMIENTOENFRIAMIENTO
NÚCLEOS DE NÚCLEOS DE CRISTALIZACIÓNCRISTALIZACIÓN
PUNTO DE PUNTO DE ENTURBIAMIENTOENTURBIAMIENTO
PUNTO DE PUNTO DE ESCURRIMIENTOESCURRIMIENTO
GELES,GELES, GRANDES CRISTALESGRANDES CRISTALES
Sin aditivo mejorador de flujo en frío
TemperaturaTemperatura
Con aditivo mejorador de flujo en frío
PARAFINA PARAFINA EN SOLUCIÓNEN SOLUCIÓN
SOBRE EL PUNTO SOBRE EL PUNTO DE DE
ENTURBIAMIENTOENTURBIAMIENTO
MAYOR NÚMERODE NÚCLEOS MAYOR NÚMERODE NÚCLEOS DE MENOR TAMAÑODE MENOR TAMAÑO
PUNTO DE PUNTO DE ENTURBIAMIENTOENTURBIAMIENTO
ENFRIAMIENTOENFRIAMIENTODISMINUCIÓN DE VELOCIDAD DISMINUCIÓN DE VELOCIDAD DE CRECIMIENTODE CRECIMIENTO
PUNTO DE PUNTO DE OBSTRUCCIÓN DE OBSTRUCCIÓN DE
FILTRO EN FRÍOFILTRO EN FRÍOPEQUEÑOS CRISTALES PEQUEÑOS CRISTALES
SEPARADOSSEPARADOS
GELESGELES PUNTO DEPUNTO DEESCURRIMIENTOESCURRIMIENTO
A-Partículas sólidas: Generan desgaste y taponamiento de filtros e inyectores.
B-Compuestos: Forman lodo en presencia de agua. También pueden (si los contenidos son importantes) formar depósitos en la cámara de combustión y válvulas de escape.
AGUA Y SEDIMENTO: El agua genera corrosión y emulsiones. El sedimento puede taponar filtros y obstruir el sistema de baja Presión de combustible.
NUMERO CETANO: Mide el retardo a la autoinflamación.
CARBON RESIDUAL: Indica la tendencia a formar depósitos de carbón en el pistón o en la cámara de combustión.
CENIZAS. Es el material no inflamable del combustible. Puede presentarse de 2 formas:
A- Partículas sólidas y aceite
B- Compuestos metálicos solubles en agua.
NUMERO CETANO
NÚMERO CETANO
AUTOIGNICIÓN
•Indice de Cetano
Cálculo mediante uso de ábaco, función de la Densidad y Curva de Destilación
•Número Cetano (NC)
Ensayo en banco, en motor monocilíndrico
Fluidos de Referencia NCE
n-hexadecano (cetano) 100heptametil nonano 15
NUMERO DE CETANO
Número de Cetano: % de n-cetano + 0,15 % HMN
CONTENIDO DE AZUFRE: El azufre es el responsable del ataque químico en frío del motor.
CONTENIDO DE VANADIO:El Vanadio es responsable del ataque químico en caliente del motor. Alto contenido puede quemar válvulas por depósitos en los asientos.
CONTENIDO DE ALUMINIO Y SILICIO: Prematuro desgaste de aros y camisas. ABRASIÓN
LIMPIEZA DEL SISTEMA DE LIMPIEZA DEL SISTEMA DE COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE
EMPLEO DE ADITIVOSEMPLEO DE ADITIVOS
ADEMÁS:
ADITIVOS PARA DIESEL
ADITIVOS PARA DIESEL
Menor Formación de DepósitosMenor Formación de Depósitos
Menores EmisionesMenores Emisiones
Detergente Detergente DispersanteDispersante
Inyectores de motores diesel después del ensayo de ensuciamiento
Inyector que ha usado combustible aditivado
Inyector que ha usado uncombustible diesel sin
aditivar
Otros Aditivos:
Anticorrosión y Anticorrosión y AntiherrumbreAntiherrumbre
Mayor duración del motorMayor duración del motor
Reducción de Paradas por MantenimientoReducción de Paradas por Mantenimiento
Sin aditivo
Más ADITIVOS
Con aditivo
Ejemplo:
Resumen:
COMBUSTIÓN FLUJO EN FRÍO ESTABILIDAD
TAPONAMIENTO DE FILTRODEPÓSITOS
•Poder Calorífico
•Destilación
•Densidad
•Punto de Enturbiamiento
•Punto de Escurrimiento
•Punto de Obstrucción de Filtro en Frío
•Oxidación
•Almacenaje
ARRANQUE EN FRÍO ARRANQUE EN FRÍO
FACTORES PRIMARIOS DE CALIDAD
Consideraciones sobre el tratamiento del combustible a bordo
PREMISA: Los Motores Diesel requieren COMBUSTIBLE LIMPIO
Combustible limpio: Libre de contaminantes
Contaminantes:
Otros combustibles más pesados
Agua
Arena
Partículas sólidas orgánicas o inorgánicas
Los contaminantes pueden:
• Cambiar las características del producto• Causar obstrucción de filtros• Provocar averías en el sistema de inyección o :
• Combustión defectuosa• Corrosión• Abrasión• Desarrollo microbiano
Infraestructura necesaria según tipo de combustible que se maneje:
Combustibles pesados Fuel Oil e IFOs•Tanque principal
•Tanque de decantación
•Unidad de calefacción y centrifugado
•Tanque diario o de servicio
•Unidad de homogeneización
•Cañería de desgasificación
•Etapa final de calentamiento
•Unidad de filtrado
Obs: Importante la viscosidad para su bombeo:
Máximo admisible 1000 cst.
Tanque principal: Durante el almacenado Problemas de Inestabilidad o incompatibilidad.
Inestabilidad: La viscosidad cambia con el tiempo o el combustible coagula.
Incompatibilidad: Por mezcla de 2 combustibles de diferente origen: Precipitan los asfaltenos.
Tanques de decantación: Las impurezas y el agua tienen tendencia natural a decantar. La velocidad de decantación depende de la viscosidad. Se aconseja decantar a 60 ºC.
Calentamiento y centrifugado: Su propósito es remover agua y partículas sólidas del combustible.
Cañería de desgasificación: En el retorno de las bombas inyectoras, para evitar vaporización debida a la caída de presión.Atención presión de retorno.
Calentamiento final: Para lograr la viscosidad correcta (aprox 10 a 20 cst) antes de ser inyectado en el motor. No debe ser excesivo para evitar craqueos y formación posterior de depósitos.
Unidad de filtrado: Es un complemento del centrifugado. Nivel de filtrado por lo menos 30 micrones. Hay variantes.
Tanque diario:Puede poseer paredes aisladas y abastecen combustible operando a carga completa hasta 10 o 15 horas.
Homogeneización: Sobre todo para dispersar las gotas de agua aún presentes en el combustible. Pueden ser agitamientos mecánicos.
Combustibles livianos: GAS OIL
El sistema es más sencillo:
Tanque principal
Tanque(s) diario(s) o de servicio
Además:
2 etapas de filtrado:
Centrífuga (filtrado primario) separa agua y sólidos
Filtros de “papel” antes de las bombas inyectoras con mallas entre 2 a 10 micrones
Causas más comunes que afectan a la calidad de los combustibles:
• Por Agua:– Herrumbre– Emulsión– Corrosión– Contaminación microbiana
• Por contaminantes sólidos:– Sílice, partículas metálicas
• Por productos más pesados que el Gas Oil:– Aceite u otros combustibles (Fuel, IFOs)
Contaminación microbiana:• Ocurre en unidades que utilizan cortes livianos de
combustible.• Se desarrollan bacterias anaeróbicas (proliferan en
ausencia de aire).• Crecen en la interfase Agua – Combustible.• Tapona filtros y corroe estructura de tanques y tuberías.• El problema es más grave si es agua de mar (Sulfuros)
Acidifican el combustible.• Actúa como fuente de contaminación del combustible
nuevo agregado al tanque.
Factores que intervienen en la formación de los micro-organismos:
• AGUA: Les aporta el “alimento”.
• TEMPERATURA: A mayor temperatura mayor tasa de crecimiento.
• TIEMPO de CONTACTO
Medidas para eliminar el desarrollo bacteriano:•Vaciar el tanque y limpiarlo mecánicamente.
•Trapear con solución al 70 % de alcohol en agua
•Dejar actuar 2 horas
•Aplicar agente biocida como aditivo del combustible nuevo.
•En general se recomienda (REPSOL YPF) un tratamiento no menor a 6 meses, manteniendo en cada carga el mismo % de aditivos biocida
•En verano acentuar estos cuidados.
Combustibles para motores OTTO
NAFTAS
CALIDAD DE NAFTAS
FACTORES PRIMARIOS
ARRANQUE Funcionamiento-Rendimiento
COMBUSTION Funcionamiento-Rendimiento
DRIVEABILITY Funcionamiento- Rendimiento
ADITIVOS Vida útil del motor
ESTABILIDAD Almacenaje
Diseño del motor: Alimentación del combustibleDiseño del motor: Alimentación del combustible
-Carburación -Carburación
-Inyección electrónica -Inyección electrónica
Diseño del Combustible : Diseño del Combustible :
-Calidad antidetonante:-Calidad antidetonante:
- Eliminaciòn del pistoneo- Eliminaciòn del pistoneo
-Volatilidad-Volatilidad
- Curva de destilación- Curva de destilación
-Tensión de Vapor -Tensión de Vapor
FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA COMBUSTION
COMBUSTION
BUEN BUEN ARRANQUEARRANQUE
EN FRÍO Y/O EN FRÍO Y/O CALIENTECALIENTE
CORRECTA CORRECTA DEFINICIÓN DE DEFINICIÓN DE VOLATILIDADVOLATILIDAD
CORRECTACORRECTA
COMBUSTIÓNCOMBUSTIÓN
ADECUADO ADECUADO NÚMERO DE NÚMERO DE
OCTANOOCTANO
COMBUSTION
COMBUSTION
COMBUSTIÓN NORMAL
COMBUSTIÓN ANORMAL
SeveridadSeveridad
MediaMedia
Alta Alta SeveridadSeveridad
BAJAS BAJAS REVOLUCIONESREVOLUCIONES
ALTAS ALTAS REVOLUCIONESREVOLUCIONES
(RON+MON) /2(RON+MON) /2INDICE OCTANICOINDICE OCTANICO
RON RON NUMERO OCTANO RESEARCHNUMERO OCTANO RESEARCH
MONMON
NUMERO OCTANO MOTORNUMERO OCTANO MOTOR
Condiciones de manejo
COMBUSTION
CALIDAD ANTIDETONANTE
Condición de Ensayo RON MON
Designación CRC F1 F2Método ASTM D-2699 D-2700Vueltas del motor-rpm 600 900T°de aire de entrada-°C Función de presión 38
barométricaT° de mezcla No especifica 149Avance de Ignición ° 13 btdc *
*(función de la relación de compresión)
COMBUSTION
NUMERO DE OCTANO
Fluidos de Referencia
Solvente Calidad antidetonante
2,2,4 trimetil pentano(isoctano) 100
n-heptano 0
COMBUSTION
1er. Concepto Números de Octano: SON Dos
RON y MON
“Marcha desde velocidad cero (RON) o alta velocidad (MON:ruta) : libre de detonación, , pistoneo o ruido metálico”
“ Condición necesaria pero no suficiente “
COMBUSTION
BUEN BUEN ARRANQUEARRANQUE
EN FRÍO Y/O EN FRÍO Y/O CALIENTECALIENTE
CORRECTA CORRECTA DEFINICIÓN DE DEFINICIÓN DE VOLATILIDADVOLATILIDAD
CORRECTACORRECTA
COMBUSTIÓNCOMBUSTIÓN
ADECUADO ADECUADO NÚMERO DE NÚMERO DE
OCTANOOCTANO
ARRANQUE
Destilación
Destilación
Destilación
DRIVEABILITY
Capacidad del vehículo a un arranque rápido, buena respuesta a cambios de marcha, andar sereno en ruta y buena respuesta al acelerador.
Es crítico durante el calentamiento del motor
Afectada por temperaturas ambientes bajas
ID: 1.5 T10 + 3 T50 + T 90 (USA)
VOLATILIDAD
Curva de destilación – Tensión de Vapor
Pie en el aceleradorRendimientoMarchas a bajas y altas temperaturas
COMBUSTION: Números de octano
PotenciaMarcha sin detonación, pistoneo
PERFORMANCE
NÚMEROS DE OCTANO + VOLATILIDAD
Combustión: - Antidetonantes- Detergentes/ Dispersantes- Inhibidor de Corrosión (*)- Antiherrumbre (*)- Demulsificantes (*)- Antioxidantes (*)
Almacenaje: - Deactivadores Metálicos (*)- Inhibidores de Oxidación-Corrosión (*)
(*) Opcionales
ADITIVOS PARA NAFTAS
ADITIVOS PARA NAFTAS
Keep clean
Clean up
ADITIVOS
ADITIVOS
ESTABILIDAD
Fenómeno y Métodos de Evaluación
Degradación: Oxidación polimérica de las olefinas por efecto de
catalizadores: Oxígeno, Temperatura, Luz , Metales
Métodos de Evaluación:
Aptitud de uso :•Gomas Existentes: mg/100 ml de muestra
Tiempo de almacenaje:•Período de Inducción: Minutos•Gomas Potenciales: mg /100 ml de muestra
Importante: Combustible de primer llenado, tiempo de concesionaria
REQUERIMIENTOS DE CALIDAD DE NAFTAS
Altocontenidoenergético
Altocontenidoenergético
Alta ResistenciaAlta Resistenciaa la Detonacióna la DetonaciónAlta ResistenciaAlta Resistenciaa la Detonacióna la Detonación
Balanceadacomposición
química
Balanceadacomposición
química
AjustadaAjustadaVolatilidadVolatilidadAjustadaAjustada
VolatilidadVolatilidadInhibidor decorrosión
Inhibidor decorrosión
DesemulsionanteDesemulsionante
Deactivadormetálico
Deactivadormetálico
DetergentedispersanteDetergentedispersante
AntioxidanteAntioxidante
Efecto sobre el motor• Liberación de Potencia• Operación Suave• Consumo de Combustible• Bajo costo de mantenimiento• Mayor vida útil del motor• Bajo nivel de emisiones
Efecto sobre el motor• Liberación de Potencia• Operación Suave• Consumo de Combustible• Bajo costo de mantenimiento• Mayor vida útil del motor• Bajo nivel de emisiones
Aditivos Combustible base
CALIDAD DE NAFTAS
Avances y nuevas tecnologías
• A principios de los años 90 se introduce un cambio crucial en la filosofía del
proceso legislativo
• Planteamiento global e integrado para seleccionar las soluciones más rentables
de cara a obtener un determinado nivel de calidad del aire
• Protocolo de Kioto (1997). Establece:
– Cuotas máximas de emisiones de CO2 para cada países Anexo 1 - período 2008-2012
– Mecanismos de Flexibilidad: Comercio Internacional de Emisiones (CERs),
Mecanismo de Desarrollo Limpio y Aplicación Conjunta
Concientización sobre Impacto Ambiental
CalidadCalidadaireaire
CalidadCalidadaireaire
LegislaciónLegislaciónLegislaciónLegislación
Costo/Costo/BeneficioBeneficio
Costo/Costo/BeneficioBeneficioTecnologíaTecnologíaTecnologíaTecnología
Impacto Medioambiental
Contaminantes Legislados:– CO (gas contaminante sin olor ni color (límite aceptado
como inocuo para la salud humana =35 ppm)– HC ó Compuestos Orgánicos Volátiles (VOCs) combinado
con NOx son promotores de Ozono y Smog.– NOx (contribuyen a la lluvia ácida)– SOx (responsables de la lluvia ácida, no obstante las fuentes
móviles sólo generan el 5% del total – la mayor proporción la generan las usinas termoeléctricas e industrias.
Contaminantes Efecto Invernadero:– CO2 (inocuo para la vida humana pero principal
contribuyente al efecto invernadero)
Soluciones
• Evolución de los Vehículos Convencionales– Chasis, carrocerías– Componentes– Motor
• Desarrollo de Vehículos Alternativos– Hidrógeno– Eléctricos
• Baterías• Híbridos• Pila de Combustible
• Evolución de los Combustibles– Combustibles Convencionales Reformulados– Combustibles Alternativos
Ventajas e inconvenientes de los Vehículos Convencionales y Alternativos
– Motor Diesel• + actualmente mejor consumo • - Requiere mejora en emisiones (EU4)
– Motor Nafta• + Cumple normativa exigente en emisiones• - Requiere reducir emisiones de CO2
– Híbridos• + Se aprovecha de los desarrollos de los MCI en combinación con
motores eléctricos• - Costo
– Pila de Combustible• + Potencialmente es el sistema de propulsión más eficiente y limpio• - Incompatibilidad logística
Próximos Desarrollos de los Motores en Europa
Convencional multipunto
Combinación de DI, VVT, reducción de tamaño
Inyección directa (DI)
Reducción de tamaño y turbo
Distribución variable (VVT)
Híbridos y pilas de combustible
Inyección directa (DI)
Inyección indirecta (IDI)
Motores de
Nafta
Motores
diesel(En algunos países superará el 45%)
Mer
cad
o (
%)
Año
Evolución de los vehículos convencionalesMotor
• Configuración
• Renovación de la Carga
• Alimentación
• Gestión Electrónica
• Combustión
• Postratamiento
• Pérdidas Mecánicas
• Reducción de Tamaño– 3 cilindros, turbo...– Alta pme
• Simetrías Altas Cilindradas– Disposición V, W
• Culatas Complejas– Multiválvulas apertura diferenciada– Doble bujía con encendido decalado
• Compresión Variable
Audi MB
MBVW
Evolución de los vehículos convencionalesMotor: Configuración
Aspiración Natural
– Diseño Convencional
– Múltiple de admisión variable
– Distribución Variable
– Válvulas Electromagnéticas
Evolución de los vehículos convencionalesMotor: Renovación de la carga
Renault Citröen
MB Porsche
BMW Renault
Sobrealimentación
– Turbocompresor
• Intercooler • Geometría variable• Control electrónico
– Waste-gate (válvula By-pass)– Alabes turbina
– Compresor Volumétrico
• Intercooler
Evolución de los vehículos convencionalesMotor: Renovación de la carga
pm
e
régimen giro
Evolución de los vehículos convencionalesMotor: AlimentaciónNafta
– Inyección Indirecta:• =1• Mezcla homogénea• Presión inyección 3-5 bar• Secuencial baja atomización
– Inyección Directa:• =1 • Mezcla homogénea• Presión de inyección aprox. 50 bar• Secuencial media atomización
– Inyección Directa:• 1 (S=10 ppm)• Mezcla estratificada• Presión de inyección variable 80-150 bar • Múltiple alta atomización
SONDA LAMBDA
¿Cuál es la función de este elemento?
Es utilizado para mejorar las características de los gases de escape del motor de ciclo Otto. Trabaja en combinación con el convertidor catalítico de 3 vías.
Evolución de los vehículos convencionalesMotor: Gestión electrónica
SONDA LAMBDA
O2 + 4e- = 2O2-
Nafta
Deflagración con activación centralizada en la bujía.
• Mezcla homogénea premezclada– Iny.indirecta con =1
• Mezcla homogénea premezclada
– Iny.directa con =1
• Mezcla heterogénea premezclada
– Iny. directa con >1; (S=10 ppm)– Carga estratificada con zona local rica para el inicio de combustión– Mezcla pobre a nivel global para reducir consumo– Cámaras de combustión tipo
» Swirl,Tumble» Spray guided, wall+flow guided
Motor: Combustión
Gases de Escape
Dependen de:
» Dimensiones Motor
» Potencia
» Carga de Trabajo
» Combustible
» Diseño Proceso Combustión
(diseño cámara combustión, movimiento aire, condiciones aire,
compresión y sistema inyección)
Postratamiento
Postratamiento
Emisiones Ciclo Otto
– Producto combustión completa: H2O, CO2
– En la práctica el proceso de combustión no es perfecto:
CO, HC, NOx
Convertidor Catalítico
• ¿Qué es?
Es un equipo o reactor instalado luego del múltiple de escape que posee una estructura tipo panal de abeja de acero inoxidable ó cerámica. Su superficie está cubierta por un catalizador (Platino, Paladio o Rodio) que tiene la misión de convertir las emisiones nocivas para la salud humana en menos dañinas.
Postratamiento
Postratamiento
Postratamiento
Diesel
– Inyección Directa:
• Ventaja: - Mayor rendimiento y economía de combustible
• Desventaja: - Mayor ruido de combustión
(inyección previa y posterior para reducir ruido y NOx)
– Inyección Indirecta:
• Ventaja: Menor ruido y costos
• Desventaja: Menor rendimiento
Motor: Alimentación
Diesel
Inyección Directa Control Electrónico
• Bomba Alta Presión
– Presión de inyección: aprox.1850 bar
• Inyector Bomba
– Presión de inyección: aprox. 2200 bar
• Common-rail
– Presión de inyección: aprox. 1450 bar
– Múltiple
Motor: Alimentación
Bosch
Motor: Alimentación
Diesel: Inyector–Bomba
AlimentaciónDiesel: Common Rail
Alimentación
Bomba de Alta Presión Inyector Bomba Common Rail
Alta Presión de Inyección Alta Presión de Inyección Alta Presión de Inyecciónen todo regímen del motor
Permite: Inyección flexible que permiteVentajas Pre-Inyección-Inyección Ppal. Pre-Inyección-Inyección Ppal.
Post Inyección
Mejora ruido y tratamiento de NOx Mejora ruido y tratamiento de NOx
Mejor combustión - Más Potencia Mejor combustión - Más PotenciaMenor Consumo Menor Consumo
Desventajas Inyección ruidosa Inyección ruidosa Costos asociados a nueva tecnologíaAlto costo de mantenimiento/reposición Alto costo de mantenimiento/reposición
Diesel
Diesel Gestión electrónica
Diesel
–Cámara de Combustión optimizada–Inyector central en posición vertical–Tapa de cilindro multiválvula–Inyección múltiple y compleja–EGR refrigerado
Combustión
PostratamientoEmisiones Ciclo Diesel
• Producto combustión completa: H2O, CO2
• En la combustión real además de: CO, HC, NOx, Particulado ( hollín, sulfatos, poli
aromáticos, metales)
Lo perceptible son los hidrocarburos no quemados o parcialmente quemados (humo blanco o
azul), negro (hollín), aldehídos y compuestos aromáticos de olor intenso.
Convertidor Catalítico Ciclo Diesel
Inyección Directa
• Catalizador de oxidación (CO, HC)
• Catalizador de oxidación + trampa de partículas (CO, HC, Particulado)
• Catalizador de oxidación + De-NOx (CO, HC, NOx)
• Catalizador de oxidación + De-NOx + trampa de partículas (CO, HC, NOx, Particulado)
Motor: Postratamiento
Evolución de los Combustibles
• Los motores y los combustibles se han de optimizar de forma combinada
• Las tendencias de los combustibles del futuro están totalmente ligadas al desarrollo futuro de los motores
Fundamentos
Combustibles convencionales reformulados– Naftas – Diesel
Combustibles alternativos– Gaseosos
• Gas Natural• Gas Licuado del Petróleo (GLP)• Dimetil éter (DME)• Hidrógeno
– Líquidos
• Metanol• Biocombustibles
– Biodiesel– Bioetanol
• Emulsiones diesel /agua
Combustibles Convencionales Reformulados
COMBUSTIBLES REFORMULADOS
-- NO DEFINEN UNA CALIDAD “DETERMINADA”NO DEFINEN UNA CALIDAD “DETERMINADA”
- ESTABLECEN UN NUEVO “CONCEPTO”- ESTABLECEN UN NUEVO “CONCEPTO”
- COMBUSTIBLES “- COMBUSTIBLES “MASMAS” LIMPIOS” LIMPIOS
NAFTAS
•Eliminación total del Plomo
•Limitación en el contenido de Hidrocarburos Aromàticos
•Limitación en el contenido de Hidrocarburos Olefìnicos
•Limitación en el contenido de Azufre
•Ajuste de la Volatilidad
•Adecuación de la Calidad Octànica
•Agregados de derivados oxigenados
•Empleo de Aditivos Multifuncionales
DIESEL
•Limitación en el contenido de Azufre
•Limitación en el contenido de Hidrocarburos Poliaromàticos
•Disminución de la Temperatura del 90% de Destilaciòn
•Limitación en el contenido de Azufre
•Adecuación de la Calidad Cetànica
•Empleo de Aditivos Multifuncionales
•Disminución de la Densidad
Combustibles Alternativos
Gas Natural• Comentarios generales
– Yacimientos generalmente distintos a los del petróleo
– Se compone fundamentalmente de metano (CH4)
• Ventajas
– Emisiones de CO2 muy bajas (aprox. reducción del 40 % respecto
Nafta y del 25 % respecto gas oil). Reducción en 90 a 97 % en CO
– Reducción de compuestos orgánicos volátiles (no metano) en un 50
a 75%
– Reducción de NOx en un 35 a 60 %.
– Sin azufre
– Alto número de octano (aprox. 127 RON)
Gas Natural• Inconvenientes
– Almacenaje en el vehículo complicado:• GNC compresión a 200 bar a la temperatura ambiente• GNL licuado a –162 ºC a una presión entre 2 y 6 bares
– Estaciones de repostaje especiales con alto consumo energético– Catalizador específico para oxidar el metano y reducida ventana de lambda– Su composición varía según su origen, afectando al dosado estequiométrico– Emisiones de metano, que es un gas de efecto invernadero
• Aplicaciones futuras– A corto-medio plazo muy adecuado para zonas urbanas con bajas
emisiones de NOx, partículas, CO, CO2 y VOCs– Autobuses
Gas Licuado del Petróleo (GLP)
• Comentarios generales– Se obtiene de yacimientos de gas natural y petróleo, así como de la destilación del
petróleo
– Se compone fundamentalmente de propano y butano
– Actualmente lo utilizan 4 millones de vehículos en el mundo, con un consumo aprox. de
10 millones de toneladas /año
• Ventajas– Al ingresar a la cámara en forma gaseosa permite mejor mezclado y una combustión más
completa que la Nafta reduciendo las emisiones en CO.
– Emisiones de CO2 bajas (aprox. reducción del 10% respecto Nafta)
– Sin contenido de azufre
– Excelente arranque en frío.
– Alto número de octano (aprox. 112 RON)
– Fase líquida entre 6 y 10 bares a la temperatura ambiente
– No requiere catalizador específico
GLP
Gas Licuado del Petróleo (GLP)• Inconvenientes
– Es más pesado que el aire, obligando a la existencia de sistemas de
extracción en las zonas bajas de los lugares cerrados
• Aplicaciones futuras– A corto-medio plazo muy adecuado para zonas urbanas con bajas
emisiones de NOx, partículas, CO2 y VOCs
– Se requieren mejoras dedicadas a reducir el consumo
Metanol
• Comentarios generales– Se obtiene fundamentalmente del gas natural, pudiéndose
también obtener del carbón y de la biomasa (biometanol)
• Ventajas– Alto número de octano (aprox. 120 RON). Puede producir
mayor eficiencia del motor– HC de baja reactividad para formación de smog y tóxicos. – No emite particulado (PM).– Baja formación de NOx debido a su alto calor de vaporización
y baja temperatura del pico de llama
Metanol• Inconvenientes
– Baja presión de vapor y alto calor latente de vaporización
– Problemas de arranque en frío
– Baja autonomía
– Altas emisiones de formaldehídos
– Corrosivo y tóxico
• Aplicaciones futuras– Transitoriamente puede tener aplicación en las pilas de combustible como
fuente primaria de hidrógeno mediante un reformador
Etanol
• Comentarios generales– En 1880 Henry Ford diseñó un auto usando Etanol como combustible. El
Modelo T fue diseñado para usar Nafta o etanol– Fermentación de caña de azúcar, maíz y otros cultivos, celulosa, madera,
desecho de papeles– Actualmente se utiliza en Naftas como compuesto oxigenado para cumplir
con los requerimientos en emisiones.
• Ventajas– Alto valor octánico– Produce baja concentración en tóxicos totales– Genera HC de baja reactividad para formación de smog y tóxicos. – Reduce en un 40% la emisión de CO– Reducción de un 10% en NOx
Etanol
• Inconvenientes– Posee el 60 % de la energía contenida en la Nafta lo que
require mayores recargas para igual autonomía
– Formación de acetaldehídos.
• Aplicaciones futuras– Transitoriamente puede tener aplicación en las pilas de
combustible como fuente primaria de hidrógeno mediante un
reformador
Hidrógeno
Comentarios generales
– Se obtiene de combustibles fósiles (gas natural, metanol) o del
agua
Ventajas
– Su combustión no produce CO ni CO2
Hidrógeno• Inconvenientes
– Baja densidad energética, reduciendo la autonomía
– Almacenaje en vehículos a –253 ºC a la presión ambiente
– Compleja infraestructura de abastecimiento
– Alta inflamabilidad
• Aplicaciones futuras– Es el combustible con mayor potencial futuro
• Pilas de combustible – Su producción deberá ser mediante energía renovable
Proceso de Obtención
Aceite Vegetal + Metanol Ester Metìlico + Glicerina100 kg aceite 11 kg metanol 100 kg ester 11 kg glicerina
Recomendaciones para su uso s/ Resoluciòn 129 (2001) de SEE:
• Puro
• B20: 20% biodiesel + 80% Gas Oil
Biodiesel
Derivados de aceites vegetales: PropiedadesBiodiesel
PROPIEDAD DIESEL ACEITE DE METILESTER ACEITE METILESTER GIRASOL GIRASOL COLZA COLZA
Densidad [g/cm3] 0.850 0.954 0.88 0.916 0.88
Viscosidad 50°C [cSt] 2.6 34.9 4.22 25.7 3.8
Poder Calor. [MJ/l] 28.4 36.5 35.2 37.2 ---
N. Cetano > 45 33 45-51 38-41 52-56
Residuo Carbon [%] 0.05 0.01 0.01 0.25 0.02
Azufre [%] 0.12 ---- ----- ----- -----
Emisiones del Biodiesel respecto del Diesel
Biodiesel
•SO2 Menores
•HC Menores
•NOx Iguales
•PM Iguales
•Humos Menores
•Adehidos-Cetonas Mayores
•Aromàticos Menores
•Mejora el Ciclo de CO2
Ciclo de CO2
CO2 CO2
Fotosíntesis
Biodiesel
Impacto Ambiental
Positivo:
• Balance energético positivo• Se cierra el ciclo de CO2
• Efecto favorable de la cubierta vegetal evitando la lixiviación del suelo
Negativo:
• Monocultivo extensivo
Biodiesel
Aire
GTL
Separación de
Aire
Proceso del Gas
Gas Natural
Gas de Síntesis
LPG s
O2
H2
Fischer Tropsch
PRODUCTOS
Nafta
Diesel
Vaselina
PROCESO
CO2
CH4
GTL•Productos:
•Metanol•DME•Destilados livianos y medios
•Subproductos:
•Vaselina de alta calidad
GTL•Rendimiento
-60 % Diesel
-25 % Kerosene
-15 % Nafta Virgen
•Calidad
Para ser utilizados como mezclas en los combustibles convencionales
GTLPROPIEDAD UNIDAD NAFTA DIESEL
Densidad a 15 °C
g/cm3 0,700 0,770
5% destilado °C 83,5 195
95% destilado °C 148 324
Azufre ppm ---- ---
Aromáticos %vol ---- ---
RON -- < 40 ---
MON -- < 40 ---
Parafinas % 98 ---
Pto Inflamación °C --- 66
Indice Cetano -- --- 75
POFF °C --- -31
Características de los productos
Conclusiones
• Corto-medio plazo
– Motor de combustión interna (MCI)
• Nafta y diesel reformulados
• Combustibles alternativos como complemento
• Largo plazo
– Pila de combustible
• Hidrógeno
• Metanol
• Hidrocarburos
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