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