Los combustibles son los compuestos que se usan para obtener energía de algún tipo, ya sea energía térmica, energía cinética, o energía eléctrica, dependiendo del tipo de motor y aplicación. Los hay de muchos tipos, y los usamos muy a menudo, ya sea para el coche, para herramientas de motor sin cables, maquinaria pesada, etc.
Pero, ¿realmente lo conoces todo sobre ellos? Vamos a ver, con este artículo de introducción sobre algunos importantes detalles de los combustibles.
¿Qué son los combustibles?
Los combustibles son sustancias o materiales capaces de liberar energía química cuando se queman o reaccionan con el oxígeno, y pueden ser tanto líquidos, como gaseosos, así como sólidos, como los vistos en algunos misiles o cohetes. Entre los combustibles convencionales, podemos encontrar dos grandes grupos.
Por un lado tenemos los fósiles, como el carbón y el petróleo, o también los biocombustibles, que se pueden obtener de biomasa, biogas, bioetanol, biodiesel y otros alcoholes procedentes de vegetales, e incluso químicos sintéticos como los amoniacos, etc.
Composición y emisiones
Poder antidetonante y octanos
Como sabes, los combustibles generan la energía mediante su combustión, de ahí su nombre, y para ello, se presta atención al índice de octanos, que determina la capacidad del combustible para resistir la detonación, algo indeseable que puede afectar al rendimiento.
La detonación, a diferencia de la combustión normal que se produce de forma controlada, es una combustión rápida e incontrolada de la mezcla de aire y combustible. Esta combustión prematura genera ondas de choque que golpean las paredes del cilindro del motor, provocando ruidos molestos, vibraciones y, en casos severos, daños graves al motor.
Para evaluar la resistencia de un combustible a la detonación se utiliza el índice de octano. Este índice, que va de 0 a 100, se basa en la comparación del comportamiento del combustible con dos referencias:
- Isooctano: hidrocarburo con un índice de octano de 100, considerado como el combustible más resistente a la detonación.
- Heptano: un hidrocarburo con un índice de octano de 0, considerado como el combustible más propenso a la detonación.
Un mayor índice de octano en un combustible implica una mayor resistencia a la detonación, lo que permite utilizar relaciones de compresión más altas en el motor. Esto se traduce en una mayor eficiencia termodinámica y, por lo tanto, en un mayor rendimiento y potencia del motor.
La composición molecular del combustible es el factor principal que determina su índice de octano. Los hidrocarburos ramificados y con mayor número de átomos de carbono tienden a tener un mayor índice de octano. Adicionalmente, existen aditivos que pueden aumentar el índice de octano de un combustible. Estos aditivos, como el tetraetilo de plomo (TEL) o el metil tert-butil éter (MTBE), actúan como inhibidores de la detonación, retrasando la combustión de la mezcla de aire y combustible.
No obstante, hay que decir que la producción de combustibles de alto octanaje puede tener un impacto ambiental mayor que la de combustibles de bajo octanaje. Esto se debe a que los procesos de refinamiento y la adición de aditivos pueden generar emisiones contaminantes mayores. Además de modificar la química, los ingenieros también están desarrollando modificaciones en los motores para controlar la detonación, mediante sistemas de inyección electrónicos, etc.
Facilidad de ignición y cetanos
Ahora surge otro concepto crucial: la facilidad de ignición. Esta característica, medida a través del índice de cetano, determina la rapidez y la suavidad con que se enciende el combustible, lo que influye directamente en el rendimiento, las emisiones y el ruido del motor.
A diferencia de los motores de gasolina, donde la mezcla de aire y combustible se enciende mediante una bujía, en los motores diésel la combustión se produce por autoignición. El combustible diesel se inyecta en la cámara de combustión a alta presión, donde se encuentra con aire caliente y comprimido. La temperatura y la presión provocan la autoignición del combustible, iniciando la combustión.
El índice de cetano es una medida de la facilidad con que se enciende el combustible diésel. Se expresa en una escala de 0 a 100, como los octanos. Pero, en este caso, 0 indica un combustible que se enciende con mucha dificultad y produce una combustión áspera y ruidosa. Un nivel 100 indica que el combustible se enciende de forma rápida y suave, generando una combustión más eficiente y silenciosa.
Dicho de otro modo, un mayor índice de cetano en un combustible diesel se traduce en:
- Combustión más rápida y suave: el combustible se enciende de forma más uniforme y completa, lo que mejora la eficiencia termodinámica del motor.
- Menor ruido y vibraciones: la combustión más controlada reduce los ruidos molestos y las vibraciones del motor.
- Arranque más fácil: el combustible se enciende más fácilmente, especialmente en condiciones de frío.
- Menor formación de humo y emisiones: es una quema más completa, lo que reduce la formación de partículas y gases contaminantes.
La composición molecular del combustible diésel es el factor principal que determina su índice de cetano. Los hidrocarburos con cadenas moleculares más largas y ramificadas tienden a tener un mayor índice de cetano. Adicionalmente, existen aditivos que pueden aumentar el índice de cetano. Estos aditivos actúan como catalizadores, facilitando la descomposición de las moléculas del combustible y acelerando la autoignición.
Sin embargo, al igual que dije en el caso de los combustibles de alto octanaje, en los de alto cetano también se necesitan procesos de refinamiento del petróleo más complejos y contaminantes, además de aditivos que pueden aumentar las emisiones. Por ello, las investigaciones buscan alternativas como biocombustibles, sintéticos, etc., así como mejoras mecánicas en la inyección y tecnologías electrónicas avanzadas para mejorar su control…
Volatilidad
Quizás has escuchado hablar sobre los octanos, pero tal vez no sobre los cetanos y la volatilidad. Sin embargo, ésta última juega un papel importante en su comportamiento y desempeño. Esta propiedad define la facilidad con la que un combustible se evapora a temperatura ambiente, pasando de su estado líquido a gaseoso.
La volatilidad influye en diversos aspectos del uso de un combustible, como:
- Arranque del motor: un combustible con alta volatilidad se evapora fácilmente, formando una mezcla aire-combustible que facilita el arranque del motor, especialmente en climas fríos.
- Marcha en vacío: la volatilidad también afecta la marcha en vacío del motor, ya que un combustible muy volátil puede generar una mezcla demasiado rica, mientras que uno poco volátil puede dificultar la formación de la mezcla.
- Consumo de combustible: puede afectar el consumo de combustible, ya que un combustible muy volátil puede evaporarse antes de ser utilizado, mientras que uno poco volátil puede generar una combustión incompleta.
- Emisiones contaminantes: la volatilidad también influye en las emisiones contaminantes del motor, ya que un combustible muy volátil puede generar emisiones de hidrocarburos sin quemar, mientras que uno poco volátil puede generar emisiones de monóxido de carbono.
Esto dependerá de la composición química del combustible y de la temperatura. Los combustibles con moléculas más pequeñas y menos complejas tienen mayor volatilidad, además, la temperatura alta también aumentará este fenómeno…
Tensión de vapor y capacidad de vaporización
Por último, también me gustaría tratar otros dos temas importantes, como son la tensión de vapor y la capacidad de vaporización, que no hay que confundirlos con la volatilidad. Estos dos conceptos están estrechamente relacionados con la volatilidad, pero son cosas diferentes:
- Tensión de vapor: es la presión que ejerce el vapor de un líquido en equilibrio con su fase líquida a una temperatura dada. Cuanto mayor sea la tensión de vapor, mayor será la tendencia del líquido a evaporarse.
- Capacidad de vaporización: es la cantidad de calor que se requiere para vaporizar una determinada cantidad de líquido a una temperatura constante. Cuanto mayor sea la capacidad de vaporización, más calor se necesita para evaporar el líquido.
La volatilidad de un combustible se puede medir mediante el punto de ebullición del mismo (temperatura a la que la presión de vapor = presión atmosférica), o mediante la denominada como presión de Reid, una medida de la presión de vapor del combustible a una temperatura específica.
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