COMBUSTIBLES LIQUIDOSCapitulo 5. GASOLINAS

Motor de gasolina, motor diesel…

El motor de gasolina tiene muchos nombres: cuatro tiempos, Otto, de encendido provocado, combustión interna alternativa.

Motor de Encendido Provocado: porque el encendido se provoca por una chispa.

PRIMER TIEMPO: admisión / cierre abre valvula /entra mezcla vapor gasolina y aire

Se aspira: punto muerto superior al inferior el cigüeñal si a 180ºCMovimiento aspiración – succión – favorece entrada de la mezclaLa presión en el embolo es inferior a la presiona atmosférica

Pistón sube, comprime mezcla, aumenta presión

Antes del punto muerto superior un poco antes, salta la chispa (la reacción no es instantánea) con el pistón todavía subiendo se enciende la chispa

Combustión: una parte “mientras” el pistón termina de subir y luego baja

Válvulas cerradas: presión sobre embolo. Los gases de la combustión son expulsados (se abre válvula de escape) salen CO2, CO, agua, HC, lluvia acida amarillas, catalizador…

14. abril.2009

N 228 – Especificación de la gasolina en Europa. Todos los países están obligados a cumplir estas características, excepto 2. En función de la climatología del país.Suecia – gasolina más volátil porque hace más fríoEspaña e Italia – clima más caluros, no necesitan que sea tan volátil.

La gasolina entra en el motor en forma de líquido-vapor (más T, más fácilmente se evapora)

Nº octano, S,...etc., todo igual, características para todos los países.

En España se comercializan 2 gasolinas: la gasolina y la gasolina sin plomo.

Gasolina 95 (europea) y gasolina 98 (España). Una es obligatoria y la otra optativa de cada país.

Gasolina 95 – europea – tiene muchos nombresLímite e índice de octano = 95 – RON: índice de octano – propiedad de la gasolina

HC’s – parafinas, aromáticos, naftenos, isómerosOLEFINAS – moléculas muy pesadas – se rompen o craquean para obtener moléculas ligeras siempre que hay una rotura se produce un doble enlace.

La rotura de una molécula en 2 supone un doble enlace

Gasolinas en mercado una parte de las olefinas no estaba en crudo sino que se han creado en el proceso de refino

Parafinas e isómeros, propiedades muy parecidas (p.e., densidad= pero a veces alguna puede ser distinta según sea lineal o ramificada

Lineal se comportan mal en el motor, mal índice de octano

Ramificada mayor índice de octano – mejor comportamiento en motor

Reacción combustión – oxidación de HC

Gasolina tiene moléculas de cuatro C a nueve C

Pto de ebullición: 35ºCpto final < 210ºC

C4 – C9 (invierno) C5 – C9 (verano)

Pi 35ºCPf <210ºC

35 – 210 ºC

En invierno hace más frío se mezcla con butano “pentano” pro el frio

Gasolina entra ene l motor en forma de vapor

Relacion en vol, en peso

AIRE / COMBUSTIBLE = 15 / 1 (en masa)

Cada gramo de gasolina necesita 15 gramos de aire para quemarse

100gr de gasolina emite 308 gr de CO2

1Kg de gasolina desprende 3,08 Kg de CO2

la densidad de la gasolina tiene un intervalo

Suponiendo que esta densidad sea de 0,745g/cm3 o 745 KJ/m3

EJERCICIO

Ley europea – coches máx. 120gCO2/Km.

¿Consumo máximo en l/100km debiendo cumplir la gasolina la ley?

0,745 gr. / cm3 x 3,08 Kg. / 1kg

Relación aire gasolina se denomina DOSADO

DOSADO ESTEQUIOMETRICO – reacciónREAL – no funciona en proporción estequiométrica

Queman la gasolina C CO2 y H2 H2O

Se desprende agua

CO2 es proporcional a la gasolina que quemas

Consumir menos gasolina desprende menos CO2

Algo de CO también se desprende (combustión incompleta)

Y algunos HC sin quemar

CO y HC tóxicos, el coche emite pocos (hay catalizadores para reducir)

Comburente – oxigeno

Combustible

Energía de activación que da la chispa

Si la combustión es completa con la chispa se produce la combustión. Se propaga como un frente de llama (normal, velocidad subsónica, de expansión de gases, velocidad suave y continuada)

Al avanzar el frente de llama en una combustión, alcanza a una serie de moléculasEl frente avanza, no instantáneamente

Las moléculas a las que no ha llegado el frente de llama, cada vez están sometidas a más presión y temperatura, se vaporizan, expanden…

Si dichas moléculas son algo inestables y no aguantan hasta que llegue el frente de llama, se produce una detonación, las moléculas explosionan antes de que las llegue el frente de llama.

Las explosiones actúan en contra del frente de llama. Crean una presión en las paredes del cilindro.

“van” antes el pistón a una velocidad grande (mas de la velocidad del sonido)

Daña mucho el motor. Se dice que el motor pica.

Dichas moléculas inestables son las parafinas lineales porque el oxigeno entra muy fácilmente en ellas en el enlace simple C-C y se forma peróxidos que son inestables y simplemente explota.

Aromáticos menos explosivos.

Aumenta el índice de compresión para aumentar el rendimiento. Al hacer esto aumenta las moléculas inestables

Se los gases centra el pistón en picado es tan grande que puede llegar a romper la biela.

AUTOENCENDIDO

Explosiones espontáneas sin que se haya iniciado la combustión de la chispa. Cabeza de pistón, depósitos inorgánicos(metales…) que se calientan y explotan solos.Paras el coche y sigue funcionando el motor.

Todos los coches europeos deben funcionar con gasolina 95. Todos los coches se homologan con gasolina 95. Ka de 98 no es necesaria.

La calidad antidetonante de una gasolina se mide con el índice de octano

Mas índice de octano mas calidad antidetonante, menos tendencia a picar

IO escala arbitraria

Se asigna cero al heptano normal y 100 al iso octano.

Tienen 7 átomos de C –Heptanos

Heptano – 0

7C ramificado -42,5

olefina de doble enlace – 54,5

ciclos – 74,8

Aromáticos, bencenos – oxígenos le inflama antes en …. llegando frente de llama

Tolueno . menor tendencia a quemarse

Parafinas. lineal – fácil se quema

CICLO OTTO

RENDIMIENTO DE UN MOTOR

V2/V1 = Relación Compresión de motor

Cuando el pistón esta arriba delt toda queda un volumen que es la cámara de combustión

El cociente V1/V2 V2 es el volumen pequeño de la cámara

Mayor relación de compresión mayor rendimiento

Si aumentamos la relación de compresión llegara un momento que la gasolina se hace inestable y la gasolina se pica y el motor puede explotar o detonar

Cámara de combustión: hemisférica

20.abril.09

Limite de octano: medida de la tendencia de las gasolinas a detonar. Cuanto mayor sea el límite, menos tendencia a detonar tendrá.

HC de distinta naturaleza pero de igual átomos.

¿Cómo se mide experimentalmente el índice de octano en laboratorio?

Con un motor mono cilindro (relación de compresión variable) con el método Edgar

Cremallera que ajuste el volumen de la cámara con la cual la relación de compresión ______ vez es mayor

Cilindro de abajo volumen gases. Todo volumen deja libre + volumen cámara

Menor es el volumen de la cámara mayor es la relación de compresión.

W

1

2

3

4

CICLO OTTO

Patm

MODUS OPERANDI: muestra gasolina desconocida para hallar limite de octano

EJ: cogemos una gasolina 100 parte iso-octano y 0 isoheptano. El índice de octano del isoctano es 100.

Gasolina problema motor Edgar Rel. compresión 7/1 no picaAumenta la rel 8/1 no picaAumenta rel 9/1 no picaA 10/1 el motor pica, la gasolina detona a unarelación de 10/1

Rel compresión = 10/1

Sabemos si pica o no por un ruido que tiene mas de 50 ¿? y escala con un sensor de sonido.

Estudiamos mezcla conocida a esa relación 10/1

Iso-octano n-C7 I.O. Detonación

1 100 0 100 No

2 99 1 99 No

3 98 2 98 No

4 97 3 97 No

5 96 4 96 DETONA esta era la gasolina problema, ya sabemos su índice de octano

La gasolina problema detona a 96

Hay dos índices de octano:- research- motor

Si no se especifica nada hablamos del índice de octano research.

Ambos se ensayan en el motor mono cilindro pero en distintas condiciones (ver tabla apuntes)

Condición research parecidas al índice de octano como funciona un coche en ciudad.

Motor condiciones mas severas reproduce las condiciones del funcionamiento de un coche en carretera. Al ser sus condiciones mas severas su valor será mas bajo.La diferencia es la sensibilidad de la gasolina y esta diferencia no puede ser mayor de 10 puntos.

Combustión anómala

Los coches detonan cuando relación de compresión muy altas y gasolinas inestables.

Mejorar el IO el plomo-tetraetilo (TEL- tetra ethyle lead)

Pero el plomo envenena los catalizadores de los coches. En 2000 se prohíbe el plomo.TEL mejor el IO. Si se quitó, se pusieron otros para mejorar el IO ( ya los venenos o veranos)

Gasolina - capacidad oxidante

olefinas se oxidan.

Gasolina craqueo aparecen olefinas inestables que se oxidan en la cámara de auto ignición por eso se pude inflamar la gasolina, sin que salte, sola por estas olefinas (autoencendido)producto de oxidación de las olefinas que reaccionan unas con otras que forman cadenas que se denominan GOMAS (de alto peso molecular) No se queman. Se van acumulando en las bujías, paredes de la cámara, etc.

Relacionado con esto, es la especificación. tratamos de limitar las olefinas (evitar gomas) max 18%

Hacen dos ensayos fisicos para comprobar que la gasolina no tiene desechos (gomas olefinas)

PROPIEDAD DE LA GASOLINA: Volatilidad

Responsable de que el coche no se cale ni en invierno ni en verano (driveability)

Relacionado con que el coche no se cale, no pegue tirones, etc etc

Especificación hay un valor de plomo porque en los oleoductos y tanques de almacenamientoToda la red logística de la gasolina por donde circulaba la gasolina con el plomo quedan ppm de plomo, cada vez queda menos y no puede haber mas de 5 ppm de plomo en gasolina

TEL ya no se usa desde 2001

La gasolina entra en el motor volatilizada (salida inyector o venturi). Entra en cantidad suficiente para que sea inflamable y eso tiene que suceder tanto a -2ºC en invierno como a 40ºC en verano.

La gasolina tiene que vaporizarse en la misma cantidad. Tiene tendencia de pasar a vapor. Volatilidad se determina con 2 ensayos:

- curva de destilación- presión de vapor

CURVA DESTILACION

Medimos la cantidad de evaporado en función de la temperatura. Las curvas de destilación son:

1er tramo .- mucha pendienta (Front End)2º tramo – linea recta, menos pendiente3er tramo – curva final (Tail End)

La gasolina destila entre 35 y 210ºC

Cuanto mas ligera sea la gasolina (mas volátil), mayor tendencia tiene de pasar de liquido a vapor, y su curva será menor y destilara a temperaturas mas bajas.

PRESION A VAPOR

Presión que ejercen los vapores de un líquido a una temperatura determinada

Agua a 0ºC baja presiónAgua a 13ºC aprox. 20mmhg aumentaCH4 hierve a 160ºC

Cada producto tiene su presión de vapor

Aceite no evapora

2 cuerpos para el ensayo (mirar dibujo apuntes)

Las tenemos 10 minutos en unas condiciones. Y al cabo de 10 min la gasolina la llevamos al baño de aire (cuando la temperatura haya cogido ya la temperatura del baño de 0 a 5 ºC)Ponemos el aire a 37,8 ºC en contacto con la gasolina a 0ºC y la gasolina se va evaporando.

T

% VOL

Gasolina

0-5ºC

Aire

37,8ºC

Aire

37,8ºC

Gasolina

medidor

Mas tendencia de liquido a vapor – mas vapores pasaran al tubo de aireEl medidor mide la cantidad de gasolina evaporada y se llama presión por Reid.

Así medimos la tendencia de una gasolina a volatilizarse.

En invierno tiene una presión de vapor superior para que se volatilice.

En verano la presión de vapor no es tan alta.

En invierno (1Mayo-30Sept) se le añade butano para aumentar la presión de vapor.

En verano (1Oct-30Abril) se le quita el butano.

Punto final de destilación es 210 ºC. No puede ser mayor.

Motor con carburador – craqueo menor

La gasolina en un cubo

Motor de inyector – control inyección, entrada aire inyector “calculen valoren” cuanto tiempo tiene que estar el paso abierto. (lo controlo mediante unos electroimanes) en el inyector se pulveriza y la gasolina entra al motor. Si aceleramos el inyector abre y entra mas gasolina. En punto muerto se…

LIMITES DE CURVA DESTILACION

La curva de destilación exacta no se puede conseguir en una refinería. Hay un límite entre una curva mayor que la ideal y una menor. Y en este intervalo ha de estar la curva de destilación de la refinería.

Si una curva mas pesada, menos volátil que no cumple el intervaloSi mas volátil

Si destila menos a 70ºC pues es gasolina pesada q el frío no se evapora lo suficiente, tarda mas en evaporarse. El motor no arrancara a la primera

Y si la temperatura baja la tempe s muy volátil – la gasolina tan volátil que si dejas el coche al sol, se calienta, la cuba de gasolina se calienta y la gasolina no se evapora sola (vapor lock) por lo que obtura la salida de la gasolina y el coche no arrancara porque el vapor tapona la salida de la gasolina liquida rica.

El vapor es menos rico y “no” aunque para el carburador o inyector volatilizado no arrancara porque no es suficientemente rico. Si a 100ºC evaporado es poco volátil, pesada gasolina el coche pega tirones por ser mezcla no rica

Si a 100ºC nos salimos por abajo o se nos forma hielo porque la gasolina es muy volátil.

Si se evapora mucha gasolina tiene que enfriarse porque el calor latente es robado.

Si el aire lleva agua y está también muy fría.La gasolina forma pequeños cristales de hielo.

Si es muy pesada a alta temperatura (180ºC)”destila” poca gasolina, no se quema bien por ser muy pesada. Los restos de gasolina no se queman, se diluyen en el aceite (oil dilution). Como es muy pesada, menos volátil, menos densa disminuye el consumo porque su densidad es mayor y para un mismo volumen metes mas masa.

Si la gasolina a alta temperatura es muy ligera, volátil, es menos densa y consumirá mas.

La gasolina tiene que tener unos limites máximos y mínimos de destilación porque sino surgen todos estos problemas.

27.abril.2009

V.L.I. Vapor Lock Index

La gasolina evapora en la propia cuba. La gasolina hierve. Todos los conductos están con vapor. No puedes arrancar porque no hay suficiente gasolina.

5-10 ºC

80-90% humedad relativa

V.L.I. = 10 PVR (KPa) + 7 . Ɛ70 = 1050 (como máximo)

Ɛ70 = evaporado

Caso 1

Pvapor = 80 (máxima permitida) 1050 = 10 . 80 + 7 . Ɛ70 Ɛ70 = 35,7

Caso 2

Ɛ70 = 50% 1050 = 10 . PVR + 7 . 50 PVR = 70

Para evitar que los meses de transición, Abril y Octubre, sea muy ligera.

Se limita ambas características para evitar problemas

En verano se baja la PVR (no pasa de 60)

En invierno puede llegar a 80

En invierno la gasolina se mezcla con butano porque el butano tiene un punto de destilación mas bajo, se volatiliza mas rápido, por ello cuando llega el verano se quita.

Meses de transiciónAbril se empieza a quitar el butano y el 1 de Mayo se quita todo el butano.

PERIODO DE INDUCCION

Medida de la tendencia de la gasolina a oxidarse.

La presencia de olefinas hace que en la gasolina se formen gomas.

P.V.R (KPa)

% gasolina evaporada

20

24,5

47,5

50

45 50 60 70 80

zona prohibida

35,7

Invierno

Verano

Para evitar que se formen gomas hay una especificación para ver la tendencia de la gasolina a formar dichas gomas.

Si la gasolina se oxida, consume oxigeno. Si consumen oxigeno, baja la presión y el manómetro lo indica. Y el 0 la presión es mayor que al final.

Va pasando el tiempo y el manómetro indica que baja la presión.

La oxidación se dispara cuando la reacción se “chispa o dispara”

El periodo de inducción debe durar 360 minutos. La gasolina debe tener una gran resistencia a formar gomas.

Medida para ver la oxidación de la gasolina y por tanto su resistencia a formar gomas, meterle oxigeno y ver cuanto tarda la presión en caer mas de 14 KPa en 2 minutos.

Si la presión cae mas de 14 KPa en 2 minutos termina el ensayo y el tiempo debe ser superior a 360 minutos.

OTRO ENSAYO – gomas actuales. Medida de las gomas que tiene ya la gasolina.

Se mete en una cuba a 160ºC – gasolina se evapora. Al final queda un residuo donde se encuentran las gomas. Pesamos las gomas.

Se permiten 5mg/100ml de gasolina máximo (creo).

Las gomas no se evaporan porque son polímeros. Son insolubles, son productos de oxidación. Se depositan en las paredes de las cámaras, la punta del inyector, el pistón…

Las gomas que se formen inicialmente son las gomas mas lo aditivos.

manómetro

680 KPa

50ml

100ºC

0 - 700 KPa

60

husos de 1 hora divididos en minutos

120180

t

Residuo en un vaso – lavamos con heptano. Los aditivos se disuelven y lo que queda son las gomas iniciales.

Hay gasolinas detergentes para limpiar las gomas del motor.

Todas las gasolinas llevan aditivos detergentes.

CONTENIDO EN OLEFINAS

max 18%

Las olefinas forman las gomas hay que limitarlas

AROMATICOS Y BENCENO

Aromáticos al quemarse incompletamente puede soltar benceno a la atmosfera.

Se limitan los aromáticos y el numero de octano, pero se queman peor.

Aumenta las emisiones de CO2

Propiedad del carbono mayor que la parafina

El benceno es cancerigeno y produce leucemias. Lo podemos inhalar.

Se reduce al 1%

AZUFRE50ppm – ahora 10 ppm

Combustión azufre produce SO2 (que envenena los catalizadores)

Si sale a la atmosfera produce lluvia acida.

DENSIDADLos inyectores y bombas están hechos para inyectar volúmenes. para un mismo volumen, distintas densidades, introduciría distintas masas.

Por esto se limita la densidad.