Este documento clasifica y describe los diferentes tipos de combustibles, incluyendo sólidos, gaseosos y líquidos. Explica las características clave de los combustibles derivados del petróleo como su composición, número de octano, volatilidad y poder calorífico. También cubre la producción de gasolina, gasóleo, metano y otros combustibles a partir de recursos como el petróleo, carbón y biomasa.

1. Máquinas térmicas II
Los Combustibles
Ing. Eugenio José Cano Coscia josecanoc@yahoo.com
Ing. Waldy A. Riveros Saavedra wriveros@uni.edu.py
2019

2. 1. Clasificación de combustibles
Sólidos: no pueden utilizarse en estado natural. Las tentativas hechas para
introducirlos pulverizados han puesto en evidencia graves inconvenientes
funcionales, como el desgaste y la corrosión de los cilindros y el
enclavamiento de las válvulas a causa de las cenizas.
Se transforman a gas en generadores llamados gasógenos, y pueden
someterse a este tratamiento la leña, el carbón de leña, el coke (obtenido de la
calcinación o destilación) de turba, de lignito y de carbón fósil o de antracita.
Gaseosos: se tienen los gases licuados y los gases permanentes.
Licuados: son mezclas de hidrocarburos parafínicos (propano, butano, etc.) u
olefínicos (propileno, butileno, isobutileno) que a temperatura normal pueden
licuarse a una presión relativamente baja (cerca de 8 bar). Se contienen en
depósitos de acero o de aleación ligera.
Permanentes: son el metano natural o artificial, el gas de coke y el gas de
ciudad (destilación seca de hulla o carbón de piedra, sin aire) que normalmente
se comprimen a 200 bar. Los dos últimos tienen bajo PC.

5. Líquidos: fuente principal de energía para los motores endotérmicos.
Los hidrocarburos se diferencian entre ellos por la volatilidad (tendencia
a evaporarse) que permite la mezcla homogénea con el aire.
Los carburantes se emplean en los motores por ECh, entre ellos las
gasolinas (bencinas); las naftas (impropiamente se llama naftas a todos
los productos de destilación que están entre las gasolinas y los aceites
lubricantes) en los motores de encendido por compresión. Las naftas son
llamados gasóleos (aceites medios de la destilación del aceite mineral).
El benzol y los alcoholes pueden clasificarse como carburantes. El
primero es un subproducto del carbón C6H6. Los alcoholes tienen una
composición similar a la de los hidrocarburos pero contienen en sus
moléculas átomos de oxígeno, se pueden usar mezclados con gasolina,
sobre todo el metanol CH3-OH (tóxico) y el etanol C2H5-OH. Ambos
tienen PC menor a la gasolina y buen poder antidetonante.

7. 2. Componentes de los combustibles derivados del petróleo
El petróleo crudo es la mezcla de un gran número de hidrocarburos con
un cierto porcentaje de S, O, N, H2O y arena. Los hidrocarburos se
diferencian entre sí por el número y sobre todo por la disposición de los
átomos en las moléculas. Clasificación:
1. Serie parafínica o alifática CnH2n+2: la estructura es de cadena
simple y son muy estables. Cuando es ramificada se llaman iso-
parafínas.
2. Serie olefínica CnH2n: contiene átomos de C unidos por un doble
enlace y por esto son menos estables.
3. Serie nafténica (bencénica) CnH2n: la estructura es de cadena
cerrada y tienden a la estabilidad.
4. Serie aromática CnH2n-2: es de cadena cerrada pero no están
saturadas.

11. Las bencinas o gasolinas están formadas por hidrocarburos de todas las series,
pero con masa molecular no elevada. Avanzando hacia moléculas de masa
molecular creciente, tenemos el keroseno, el gasóleo (gasoil), la nafta pesada o
negra. La densidad aumenta y la volatilidad disminuye.
3. Poder antidetonante de los carburantes. Número de octano
Detonación (golpeteo, picado): puede verificarse cuando un motor de ECh
funciona en condiciones severas, a mucha carga con avance de encendido
excesivo, con razón aire-combustible no adecuada y a T muy alta.
Es consecuencia de una combustión anormal de carácter explosivo que
depende de las características del combustible y se produce más fácilmente
cuanto mayor es la relación de compresión del motor. Se produce a destiempo.
Número de Octano NO: indica el poder antidetonante de un combustible, a
mayor NO se tiene mayor capacidad de soportar sin detonación, compresiones
elevadas. Este número se obtiene comparándolo con combustibles de
referencia constituidos por mezcla de iso-octano y heptano o bien de iso-
octano y tetraetil-plomo.

12. Al iso-octano C8H18 de la serie iso-parafínica, que posee óptimas
cualidades antidetonantes, se le asigna convencionalmente un NO = 100
y al heptano C7H16 un NO = 0. Mezclando ambos en proporciones
diferentes se obtienen todos los valores.
La determinación del NO de un carburantes se efectúa mediante
motores monocilindros estándar según prescripciones de ensayo
normalizadas por la Cooperative Fuel Reserch Committee CFR (Comité
de Cooperación para las investigaciones sobre Combustibles).
Ejemplo: un combustible con la misma intensidad de detonación que una
mezcla con 80% en volumen de iso-octano tiene un NO de 80; para el mismo
valor de la relación de compresión .
A mayor número de octano, mayor la capacidad de resistir a la detonación y
tanto mayor puede ser la relación de compresión en el motor. Como la
potencia y el consumo específico (g/kWh) dependen de la relación de
compresión, puede decirse que dependen también del NO.
El NO determinado con ensayos en vehículos se llama NO en carretera.

14. La resistencia a la detonación es favorecida por una estructura compleja
de la molécula (cadena cerrada, ramificada, con dobles enlaces, etc.) y
disminuye al aumentar la longitud de la cadena. Se tienen valores de NO
mayores a 100 (benzol, toluol y metano) y menores a 0 (octano).
4. Aditivos antidetonación
• Tetraetil plomo TEL (incoloro, tóxico, hierve a 199ºC)
• Tetrametil plomo TML. Antiguamente; el pentacarbonilo de Fe, el
tetracarbonilo de Ni y Anilina.
Los antidetonantes son compuestos organo-metálicos que se
descomponen a la p y T de la combustión. El metal precipita como
polvo finísimo y actúa como catalizador anticombustión.
Desde el 2001 está prohibido el plomo en gran parte de Europa.
Actualmente se utilizan el etanol, el Metil-Ter-Butil-Eter (MTBE), el
Ter-Amil-Metil-Eter (TAME) y el Etil-Teer-Butil-Eter (ETBE), entre
otros.

20. Número de Cetano
En el motor de EC, desde el momento en que el combustible es inyectado en la
cámara de combustión hasta aquel en el cual se verifica la ignición, transcurre
un pequeño periodo de tiempo llamado retraso de la ignición.
Cuanto mayor el retraso, la combustión se desarrolla con una velocidad tal
que causa un gradiente de presión tan elevado que provoca un picado similar
al causado por la detonación en el motor de ECh.
Un gasóleo es tanto mejor cuanto menor es el retraso de la ignición y se
dice que tiene un buen grado de inflamabilidad.
Para evaluar la inflamabilidad se hace la comparación en un motor estándar
monocilíndrico o patrón, con un combustible de referencia. Esta medida está
dada por el número de cetano NC. El cetano C16H35 es un hidrocarburo
parafínico con óptima inflamabilidad al cual se le asigna el NC = 100, y al
alfametilnaftaleno se le asigna NC = 0. Los gasóleos normales tienen NC
comprendidos entre 40 y 70. En general los gasóleos deben presentar
justamente aquellas características que no deben tener las gasolinas.

22. 6. Volatilidad, tensión de vapor y calor de
evaporación
Los combustibles comerciales, siendo
mezclas de hidrocarburos, se evaporan
parcialmente a diversas Temperaturas.
Para definir su modo de comportamiento
desde el punto de vista de la volatilidad se
obtiene la curva de destilación, que
representa la ley según la cual varía el
porcentaje de combustible que se
evapora al aumentar la T.
La norma está establecida por la ASTM
(American Society for Testing Materials).
Los motores dependen de la volatilidad
en el arranque y la aceleración.

23. Arranque: facilita si parte de la gasolina se evapora a T ambiente.
Aceleración y distribución de la mezcla: la buena vaporización a bajas T
mejora la distribución del comb. entre los cilindros y la aceleración.
Formación de burbujas de vapor: si las T de destilación son muy bajas la
gasolina tiende a formarlas, que pueden interrumpir el flujo en los tubos
que llevan el combustible al carburador o al inyector.
Dilución del aceite en el cárter: debe evitarse que el combustible líquido
se deposite sobre las paredes del cilindro porque diluye el aceite
perjudicando la lubricación, peor aun si el combustible pasa al cárter. Con la
dilución el aceite pierde la capacidad de soportar cargas, todo el
combustible que entra al cilindro debe evaporarse.
Tensión de vapor (es la presión ejercida por el vapor en equilibrio con el
líquido, a medida que aumenta la T lo hace la tensión): se utiliza también
para definir las características de volatilidad de un carburante, referida a
37,8ºC (Tensión de vapor Reid). El límite de los carburantes para
autovehículos es 0,7 bar en verano y 0,85 bar en invierno, para 37,8ºC.

25. 7. Densidad y poder calorífico
Densidad: si ésta varía, también lo hace el consumo. Las gasolinas
tienen valores menores a 0,8 kg/dm3 y el gasoil a 0,9 kg/dm3. Los
valores límites depende de las normas usadas en un país.
Poder calorífico: es el contenido de energía del combustible, según la
cantidad de hidrógeno (28.700 kcal/kg) y carbono (8.140 kcal/kg).
Cuanto mayor la cantidad de H, mayor el PC.
PCS: es la cantidad de calor producido por 1 kg de combustible
quemado en exceso de aire cuando los productos de la combustión se
enfrían de modo que el vapor de agua en ellos contenido se condense.
PCI: es la cantidad de ….. se enfrían hasta el punto de ebullición del
agua sin que el vapor de agua en ellos contenido se condense. Este
interesa más en los motores, pues el vapor de agua no se condensa
debido a la alta temperatura de los gases de escape.

26. El PCS se determina experimentalmente mediante la bomba de
Mahler (norma ASTM D240, en particular a los combustibles
hidrocarburos líquidos de volatilidad alta y baja) y el PCI mediante
cálculo, hallando la diferencia del calor de condensación del vapor de
agua contenido en los productos de la combustión. A mayor PC tanto
menor es el consumo de combustible en masa o en volumen, con tal
de que en ningún caso el motor funcione en régimen de detonación.
8. Otras características
Contenido de S y acidez (100 ppm en Paraguay): tienden a formar
compuestos corrosivos que pueden atacar algunas partes del motor,
como válvulas y cilindros; y contaminan la atmósfera. En los gasóleos el
contenido de S no debe ser mayor al 1,2%.
Las gomas: tienden a formar depósitos en los conductos de aspiración,
entre los aros, pistones y otras partes. Se tienen límites al contenido de
gomas y formación de depósitos durante el almacenamiento.

27. Bajas temperaturas: principalmente en los gasóleos es importante el
comportamiento, definido por el punto de escurrimiento y por ensayo
de filtrabilidad (medida del tiempo de flujo de un determinado volumen
de gasóleo a través de un filtrante, bajo una cierta p y T dada). El punto
de enturbiamiento es la T a la cual una parte comienza a cristalizar.
Higroscopicidad: cantidad de agua presente. El título del alcohol
destinado a mezclas carburantes no debe ser inferior al 98%.
9. Producción de los combustibles comerciales
Gasolina y naftas a partir del aceite mineral crudo: se separan mediante
destilación fraccionada con los siguientes intervalos de temperatura:
Gasolina cruda hasta 197ºC
Petróleo o keroseno 177 a 277ºC
Gasóleo y nafta 277 a 357ºC
Aceite lubricante más de 357ºC
Las resinas y asfaltos constituyen los residuos de la destilación.

28. El contenido de gasolina en el aceite mineral por lo gral. no
supera 25%, pero puede aumentarse en las refinerías con una serie
de procedimientos térmicos como el cracking (o pirólisis;
fraccionamiento de las moléculas más grandes en pequeñas
mediante T y p relativamente altas), la polimerización (del gas
formado en el cracking), la hidrogenación (aumento de H) y la
alquilación (combinación de olefinas y parafinas para formar
isoparafinas de alto peso molecular).
Gasolina sintética: obtenida por la combinación directa de C e H,
mediante la licuación del carbón.
Etanol C2H5OH: fermentación de sustancias que contienen
almidón (cereales) o azúcar (caña, remolacha).
Metanol CH3OH: es tóxico y pobre en calorías, es empleado
principalmente como componente de mezclas carburantes
alcohólicas (con etanol principalmente).

29. Metano: es un gas permanente natural, proveniente del subsuelo.
Artificialmente es producido a partir del gas de coke (formado por
la destilación de carbón bituminoso a T de 500 a 1100 °C sin
contacto con el aire.) o bien a partir de desechos de origen vegetal y
animal (Biogás).
Gases licuados: se obtienen en gran parte durante los procesos de
cracking o de hidrogenación para la producción de las gasolinas.
Mezclas de propano y butano; butileno, propileno, propano, butano,
etileno, metano y etano. Se licuan a T normal y 8 bar y se venden
con el nombre de GLP (gas licuado de petróleo), LPG (liquified
petroleum gas).

31. Fluido de trabajo
1. Composición, aire necesario y Tonalidad térmica
El fluido de trabajo está formado por el aire y el combustible y después
por los gases de la combustión.
En la combustión incompleta además del vapor H2O, CO2 y N2 se
tienen CO, NOx, O2, HC no quemados e impurezas.
En la práctica la razón aire/comb. o razón de mezcla, se aparta, durante
el funcionamiento del valor estequiométrico. Cuando hay defecto de aire
se dice que la mezcla es rica, cuando hay exceso, la mezcla es pobre.
En los motores a gasolina la razón puede variar de 11 a 20.
En los motores de EC se necesita un fuerte exceso de aire y la
proporción es superior a 25.
Tonalidad térmica o potencial térmico: es la cantidad de calor que
puede desarrollarse por una unidad de volumen de mezcla a T y p
constantes. Para los combustibles líquidos no varía mucho, como media
se considera 3,5 kJ/dm3.

33. 2. Formación de la mezcla aire-combustible
En los motores de ECh la mezcla se produce por carburación o por inyección
del combustible en el conducto de entrada del aire, raramente por inyección
en la cámara de combustión, que se realiza en los motores de EC.
El carburador o el sistema de inyección mezclan la gasolina, en forma de
gotitas finísimas y vapor con el aire.
Potencia y consumo específico: para la máxima potencia la mezcla tiene
que ser más rica que la estequiométrica, mientras que para la máxima
economía tiene que ser más pobre.
En el motor de EC la cantidad de aire que entra en el cilindro varía poco con la
velocidad. La razón aire/comb. influye en la potencia y en el consumo.
Trabajan siempre con exceso de aire.
El humo es la consecuencia de una combustión incompleta y para evitarlo se
debe regular el motor para una razón de mezcla más pobre que la que daría la
máxima potencia. Un valor aceptable es de 577ºC a 627ºC para los gases de
escape en los EC, en cambio para los de ECh los gases superan los 827ºC.

35. 3. Las emisiones nocivas de los motores de ECh
Provienen en su mayor parte de los gases de escape, y en menor
medida, de los gases que se filtran entre cilindros y pistones.
El CO es muy tóxico por su gran afinidad con la hemoglobina de
la sangre (300 veces mayor que la del O), produciendo asfixia
interna. La concentración en volumen y peso disminuye si se
aumenta la razón aire/combustible.
Los HC no quemados, en altos porcentajes puede dar lugar a
reacciones químicas nocivas para los seres vivos.
Los NOx son tóxicos para la sangre y varían con la dosificación,
la carga del motor, el avance del encendido y con el aumento de la
relación de compresión.
Los compuestos de Pb debido a los aditivos dependen del consumo.

36. 4. Las emisiones en los motores de EC
El humo blanco es consecuencia de una falta de combustión y el humo
azul es producido por filtraciones de lubricante entre cilindros y pistones
por ajuste defectuoso.
El motor Diesel no puede funcionar con razón A/C cercano al valor
estequiométrico (debe haber exceso de aire). Si el filtro de aire está
parcialmente obturado o los inyectores no funcionan regularmente, la
situación se agrava.
El CO en % del volumen total de los gases de escape es unas 100
veces inferior al emitido por los de ECh.
El porcentaje de HC es del mismo orden de magnitud, pero el NOx es
superior, así como el anhídrido sulfuroso (se admite un contenido de S,
6 veces mayor a la gasolina).
La emisión de partículas cancerígenas y nocivas para la vegetación,
pueden eliminarse con el uso de filtros aplicados al escape.

37. 5. Recirculación de gases de escape o EGR (Exhaust gas
recirculation)
Es un sistema utilizado desde principios de 1970 que consiste en
redirigir una parte de los gases de escape de los motores hacia el
colector de admisión para reducir las emisiones de NOx.
La EGR funciona principalmente, a baja carga del motor y a baja
velocidad. Los fabricantes europeos lo usan desde 1996 para cumplir
con la norma EURO 2.
6. Catalizador de reducción selectiva (SCR) en el motor diésel
Al motor diésel le afectan más las evoluciones de las normas
anticontaminación que al de gasolina. A partir de la norma EURO 6 la
reducción de emisión NOX implica encontrar soluciones adicionales al
sistema EGR, que hasta este momento era suficiente. El complemento
que permite adaptar los NOX a la normativa es el catalizador de
reducción selectiva SCR. Hay otra posibilidad algo menos compleja
que es la “Trampa de NOX” utilizable en motores de poca cilindrada y
también en otros de mayor tamaño con combustión eficiente.