GASOLINAS
MILES DE BARRILES DIARIOS
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Antes de seguir con los motores, veamos una máquina popular, la bicicleta, muy popular en todo el mundo. Los científicos la estudian intrigados por lo simple de su tecnología, su gran eficiencia y su equilibrio. Su pariente más lejano es la rueda, inventada hace unos 5 000 años. Fue Harry Lawson, en 1879, quien la diseñó tal como la conocemos: transmisión por cadena, piñones y cuadro. ¿Hay algo interesante que decir acerca de la bicicleta a más de un siglo de creada? Parece que no, pero hay un punto de sumo interés: resulta que la bici es uno de los medios de transporte con más alto rendimiento energético. La energía que gasta un individuo, animal o vehículo para desplazarse depende de la velocidad con que lo hace, pero uno puede comparar los diferentes movimientos con la velocidad habitual promedio. Cuando uno realiza esos cálculos resulta que comparados entre sí, por kilómetro y gramo transportado, los menos eficientes son la serpiente, la rata, la mosca, seguidas del conejo, helicóptero, avión, el hombre, el caballo, el automóvil y el salmón. Un ciclista gasta cinco veces menos energía (0. 15 calorías por gramo y kilómetro recorrido) que un marchista (0.75 calorías/km y gramo). ¿Por qué? Para contestar esto debemos pensar en la potencia que la máquina humana puede dar y cómo se usa.
La combustión en un auto es muy diferente de las combustiones simples y continuas que se suceden en otro tipo de aparatos como las turbinas de gas. Es intermitente y se da bajo condiciones complejas y variables. La eficiencia de la combustión es muy sensible a la calidad del carburante y éste depende a su vez en forma estrecha de las condiciones de operación.
Para destacar la importancia del adelanto técnico, diremos que en el siglo
X el enganchar la collera en los homóplatos de los animales de tiro los salvó de la semiasfixia que les producía llevarla al cuello. En los vehículos automotores, la energía química contenida en los combustibles se transforma en movimiento y como subproducto se genera calor y gases de combustión. Es importante hacer notar que el contenido energético teórico de la gasolina al ser quemada en presencia del aire, está relacionado directamente con el contenido de carbono e hidrógeno. La energía es liberada cuando el hidrógeno y el carbono son oxidados (quemados) para formar agua y bióxido de carbono. El octano de la gasolina no está relacionado con el contenido energético y son sólo los hidrocarburos presentes en la mezcla los que determinan la liberación de energía y que no se produzcan detonaciones indeseables. Las dos reacciones importantes son:
La masa o volumen de aire requerido para proveer suficiente oxígeno con el cual se alcance la combustión completa es un valor preciso. Pueden darse dos condiciones, la primera que la cantidad de aire sea insuficiente, los científicos hablan entonces de que la mezcla es "rica"; la segunda, que se da cuando la masa es excesiva, se dice entonces que la mezcla es "deficiente". Como regla, un auto funciona con el máximo de potencia cuando la mezcla es ligeramente "rica" pero la economía de combustible se alcanza en mezcla "deficiente". El contenido energético o poder calorífico de la gasolina se mide quemando todo el combustible dentro de una bomba calorimétrica y midiendo el incremento de temperatura. Al instrumento se añade una cantidad pesada de la muestra, la cual se quema en una atmósfera de oxígeno puro empleando una resistencia eléctrica para calentar. El recipiente está cerrado e inmerso en un baño de agua. Se mide la elevación de la temperatura que se genera, de la cual se calcula el calor de combustión. La energía disponible depende de lo que suceda al agua producida durante la oxidación del hidrógeno. Si permanece en estado gaseoso, no puede liberar el calor de vaporización, por lo tanto produce el valor calorífico neto.
1 volumen de heptano requiere de 11 de oxígeno o bien de 52.5 volúmenes de aire y en el proceso se generan 11489.9 Kcal/kg. Si consideramos los datos sobre la base de masa, lo anterior equivale a una relación aire-carburante de 1.5:1. Una parte de la gasolina, dado que difiere del heptano en su relación carbonohidrógeno, requiere aproximadamente 14.5 partes en peso de aire para realizar la combustión completa, aunque la estequiometría exacta dependerá de la composición del carburante. Hablando en términos generales podemos decir que para una gasolina constituida puramente por hidrocarburos, si la relación aire-carburante es menor, de 7:1, la mezcla será demasiado rica para hacer combustión, y si es más de 20:1 no podrá hacerlo. Volviendo al calor de combustión, en el caso de los automóviles el poder calorífico neto es el que debe emplearse dado que el agua es emitida en forma de vapor. La máquina no puede utilizar la energía adicional disponible cuando el vapor se condensa nuevamente en agua líquida. El poder calorífico es entonces la máxima energía que puede obtenerse del combustible cuando se le quema, pero tomen aliento y asimilen el siguiente dato: en un automóvil moderno que emplea bujías para la ignición de la gasolina, la eficiencia mecánica fluctúa entre 20 y 40%, el resto se pierde en forma de calor.
Los motores Diesel tienen mayor eficiencia en un amplio rango de condiciones de operación. En el valle de México, la quema de combustibles en motores de combustión interna es todavía menos eficiente debido a la baja presión atmosférica y la deficiencia en la concentración de oxígeno en el aire. Recuérdese que el aire está compuesto por 78% de nitrógeno, 21 % de oxígeno y 1 % de otros gases. En sitios elevados el aire contiene menos oxígeno por unidad de volumen que a nivel del mar por su menor densidad al ser más baja la presión atmosférica.
Cuando la gasolina se mezcla con el oxígeno se producen reacciones aún antes de que la mezcla llegue a la cámara de combustión y persisten cuando se ha llevado a cabo y el frente de la llama avanza. Lógicamente esto determinará que el carburante se queme "normalmente" o dé pie a combustiones "anormales" como el cascabeleo o la preignición. La combustión normal ocurre cuando el frente de la llama se mueve suavemente pero en cierta manera lo hace de forma irregular al cruzar la cámara de combustión una vez encendida por la chispa.
El movimiento irregular se debe a la turbulencia y a la falta de mezcla perfecta. Aun cuando la combustión se lleve a cabo normalmente, todas las máquinas tienden a mostrar variaciones en la presión máxima que puede alcanzar el cilindro y la velocidad de aumento de dicha presión de un ciclo a otro, dispersión que ocurre a pesar de los controles estrictos que se tienen durante las condiciones de movimiento. Se cree que lo anterior se debe a variaciones en la turbulencia durante los ciclos que influyen sobre la velocidad de la llama en la cámara de combustión. Si estas dispersiones se minimizan será posible aumentar la eficiencia del uso del combustible.
El cascabeleo o golpeteo es una de las formas más importantes de la combustión anormal y determina en cierto grado la eficiencia térmica que se puede obtener de un motor. Entre mayor es la relación de compresión, mejor la eficiencia térmica, pero aumenta también la tendencia al cascabeleo, razón por la cual se requiere de un carburante de un octano apropiado. Al retardarse el tiempo de ignición, la tendencia del cascabeleo es a disminuir ( y viceversa) pero más allá de cierto límite la potencia del automóvil se afecta notablemente. El cascabeleo continúa siendo uno de los aspectos más importantes que se toman en cuenta para el diseño de los autos y poder
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