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Carlos Guardiola
Septiembre 2012
L6.- Combustibles
OBJETIVOS
 Conocer la composición, forma de obtención y características
principales de los combustibles para uso en motores de combustión
interna alternativos
 Evaluar su comportamiento frente a la autoinflamación. Definir el
número de octano y de cetano.
 Conocer de otras características relevantes en combustibles.
 Presentar los diferentes combustibles alternativos existentes
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L6.- Combustibles
CONTENIDO
 Introducción
 Características de los combustibles
 Gasolinas y gasóleos
 Alternativas a los combustibles convencionales
INTRODUCCIÓN
GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
R
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L6.- Combustibles
INTRODUCCIÓN
 La combustión permite transformar la energía asociada a la
estructura molecular del combustible en energía térmica al reaccionar
exotérmicamente en un proceso de combustión
 Un proceso de combustión ideal supone que las sustancias
reaccionantes están en fase gaseosa formando una mezcla
homogénea. La ecuación de reacción general es:
CnH
m
 (n 
m
79
m
m
79
)(O 2 
N 2)  nC O2 
H 2O  (n 
)(
N2)
4
21
2
4
21
 Combustibles para MCIA:
 Gaseosos: gas natural, GLP, etc. Necesidad de grandes depósitos o
fuerte compresión, buenas características de formación de mezcla
 Líquidos: gran cantidad de energía por unidad de volumen.
Almacenamiento, transporte y manejo seguro y fácil. Amplio uso en MCIA
INTRODUCCIÓN
GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
R
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GASOLINAS Y GASÓLEOS
 Separación del crudo en columna de destilación
INTRODUCCIÓN
GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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GASOLINAS Y GASÓLEOS
 Pueden modificarse los ratios en la destilación mediante
determinados procesos:
 Craqueo (fraccionamiento) catalítico de moléculas largas en más cortas
 Polimerización: combinación de moléculas olefínicas para dar lugar a una mayor
 Reformado (obtención de aromáticos por deshidrogenación  mejor
comportamiento autoencendido)
 Hidrogenación: adición de H a los no saturados, de cara a disminuir la formación
de resinas
 Isomerización: conversión de n-parafinas  isoparafinas
 Alquilación (obtención de cadenas más largas)
 Hidrodesulfuración, para la reducción del contenido de azufre

Además se emplean aditivos para la mejora de su comportamiento:

Inhibidores de oxidación y corrosión

Desactivadores metálicos y desemulsionantes

Aditivos antidetonantes
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GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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GASOLINAS Y GASÓLEOS
 Consumo en la UE (kt)
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GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES
 Poder calorífico:
 Cantidad de calor desprendida por el mismo en su combustión
completa en condiciones determinadas. Densidad energética (MJ/m3) y
energía específica (MJ/kg)
 En función de si se tiene en cuenta el calor latente de vaporización o
no, aparecen los términos de poder calorífico superior e inferior.
Gasolina
Gasoil
Keroseno
Propano
Butano
Hci
(MJ/kg)
43,4
42,4
43,28
46,3
45,2
Hci
(MJ/litro)
32,4
35,2
35,06
25,4 (L)
28,7 (L)
 Dosado estequiométrico (Fe)
N e   e m a Fr Fe H Ci
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GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES
 Volatilidad:
 Tendencia que presenta una
sustancia a evaporarse en
determinadas condiciones de
presión y temperatura.
 Combustibles como mezclas de
diferentes hidrocarburos 
fracciones de dif. volatilidades. Se
determina por la curva de
destilación ASTM D-86
 Relacionada con la pvapor (RVP)
 Gran importancia para la
combustión:
Punto 10% excesivamente alto puede dar lugar a problemas de arranque
en frío (gasolinas MEP). Si muy bajo excesiva evaporación.
Punto 90% muy alto problemas de dilución de aceite y residuos en cámara
de combustión (MEC y MEP)
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GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES
 Calor latente de vaporización:
 Cantidad de calor absorbida por
una sustancia para alcanzar su
punto de vaporización.
 Alto Clv implica buen ηv pero mal
comportamiento de arranque en frío
 Puede condicionar que en
determinadas circunstancias la
humedad del aire condense, forme
hielo e impida el accionamiento de
la mariposa
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CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES
 Inflamabilidad:
 Grado de propensión a inflamarse bajo el efecto de presiones elevadas,
temperaturas elevadas o agentes exteriores
 Límites de inflamabilidad (MEP): límites de dosado (rico y pobre) en los que es
posible la inflamación de la mezcla
 Temperatura de autoinflamación: Temp. mínima a la que el combustible se
autoinflama sin ningún agente exterior, al entrar en contacto con el aire (depende
de las condiciones existentes)
 Punto de inflamación: temperatura mínima a la que un combustible líquido en un
depósito abierto y a p=760 mmHg evapora una fracción suficiente para que al
acercarle una llama se produzca una inflamación superficial breve (seguridad)
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CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES
 Número de octano:
 Parámetro utilizado para la medición de la mayor o menor
tendencia a la detonación
 El valor numérico del NO de un combustible indica el porcentaje en
volumen de iso-octano (NO=100) contenido en una mezcla con
n-heptano (NO=0) que muestra el mismo comportamiento respecto a
la detonación que dicho combustible
Iso-octano
(2,2,4-trimetilpentano)
NO=100
 Es usual la aditivación para alcanzar NO elevados
 Al ser el NO una escala relativa se define el Índice de Potencia
(Performance Number) para aquellos combustibles con NO superior
a 100
 Diferentes métodos de medida (RON, MON...)
 Número de cetano (NC):
Heptano NO=0
 Parámetro de medida de la tendencia a la autoinflamación de un
combustible, estrechamente relacionada con el tiempo de retraso
 El valor numérico de NC indica el porcentaje en volumen del ncetano (C16H34) (NC=100) contenido en una mezcla con
metilnaftaleno (C10H7CH3) (NC=0) en ensayos estandarizados
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GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES
 Número de octano:
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CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES
 Otras características significativas:
 Densidad (MEP y MEC), viscosidad (MEC)
 Estabilidad en almacenamiento
 Compatibilidad con materiales
 Propensión a contaminación bacteriológica
 Conductividad eléctrica (peligro por la electricidad estática)
 Normativas
 Europa: Gasolinas EN 228 – Gasóleo EN 590
 España: empleo de los estándares europeos según R.D. 61/2006
 EEUU: ASTM D 4814 / ASTM D 910 “Standard Specification for Aviation Gasolines”
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GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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ALTERNATIVAS
 Gas natural:
Mezcla de gases que se encuentra frecuentemente en yacimientos fósiles,
asociado con petróleo, disuelto o incluso no asociado o en depósitos de carbón.
Combustible fósil abundante
Fundamentalmente CH4 (90-95%) y otros gases (etano, N2, CO2, butano,
propano) eliminados casi totalmente en su procesado para uso comercial
Almacenamiento:
Comprimido (CNG): aprox. 220-250 bar
Licuado (LNG): presión atmosférica y -161ºC ( volumen 600 veces)
Bajo contenido energético por unidad de volumen
 emisiones contaminantes frente combustibles convencionales
Uso en vehículos: transformación sencilla en MEP y algo más compleja en MEC
Puede obtenerse de procesos de descomposición de restos orgánicos (biogás)
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GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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ALTERNATIVAS
 Gas licuado del petróleo:
10000
8000
miles de vehículos
Básicamente su composición es
propano, aunque también contiene
butano. Los componentes del GLP,
aunque a temperatura y presión
ambientales son gases, son fáciles
de condensar, de ahí su nombre
Vehículos mundiales funcionando con GLP
12000
6000
4000
7367
8284
9009
9428
2002
2003
10265
6017
2000
0
1999
2000
2001
2004
Se usa en vehículos desde hace mas de 60 años
Almacenamiento licuado (6-8 bar)
Por ser gaseoso a presión atmosférica, la combustión es buena
Uso en vehículos: transformación muy sencilla en MEP y compleja en MEC
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GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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ALTERNATIVAS
 Metanol (CH3OH):
Obtenido a partir de combustibles fósiles (gas natural) o por pirólisis de biomasa
(rentable sólo a escala industrial). Es altamente tóxico
Se ha usado en vehículos desde hace más de 60 años
Problemática:
bajo contenido energético respecto a la gasolina
gran afinidad por el agua (separación de fases)
carácter corrosivo
Utilizado para la obtención del aditivo de gasolina MTBE (mejora NO)
CH3OH
Metanol
INTRODUCCIÓN
+ (CH3)2-C=CH2
Isobuteno
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GASÓLEOS
(CH3)3-C-O-CH3
Metil Terbutil Eter (MTBE)
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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ALTERNATIVAS
 Etanol (CH3CH2OH):
Obtenido a partir de la fermentación de azúcares, por hidrólisis de almidones y
otras sustancias, seguida de fermentación (bio-etanol)
Un modelo Ford T ya se diseñó para funcionar con etanol (granjas)
Se usa a diferentes proporciones:
E5 (5% etanol – 95 % gasolina), E10, E85, E95 y hasta E100 (problemas de arranque
con T<15ºC). Por debajo de 10% de etanol no se requieren cambios en el motor
Existen los FFV (Flexible Fuel Vehicles) que adaptan su regulación en función de la
mezcla utilizada
Ha habido un espectacular aumento de producción y consumo desde la década
de 1980 (Brasil: 17 M vehículos E25 y 3 M con E100)
Problemas: afinidad con el agua y RVP [Reid vapor pressure] en mezcla con
gasolina alta.
También utilizado para la obtención del aditivo ETBE como mejorador del número
de octano (menos tóxico que el MTBE)
CH3-CH2OH + (CH3)2-C=CH2
Etanol
INTRODUCCIÓN
(CH3)3-C-O-CH2-CH3
Isobuteno
GASOLINAS Y
GASÓLEOS
Etil Terbutil Eter (ETBE)
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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ALTERNATIVAS
 Comparativa con gasolina convencional:
Metanol
Etanol
MTBE
ETBE
CH30H
C2H50H
C5H120
C6H14O
50
34.8
18.2
15.7
0
6.4
9
11.7
12.1
14.8
Densidad (kg/m3)
796
794
745
747
720/785
Tª ebullición (ºC)
65
78.3
55
71.7
30/210
RVP a 38ºC (bar)
0.32
0.16
0.54
0.28
0.48/0.78
Hci (kJ/kg)
20094
26952
35108
36315
43400
Hci (kJ/l)
15900
21276
26155
27127
32442
Índice Octano RON
120
120
118
118
95/98
Índice Octano MON
95
99
102
102
85/90
Solubilidad en agua (%)
100
100
4.3
1.1
0.1
Cont. Oxígeno (% peso)
Dosado
Estequiométrico
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GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
Gasolinas
ALTERNATIVAS
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ALTERNATIVAS
 Aceites vegetales:
Usados inicialmente de forma directa (R. Diesel).
Problemática de su uso: elevada viscosidad, bajo número de cetano, mal
comportamiento en frio e importante ensuciamiento de inyectores
 Biodiesel:
Obtenido a partir del proceso de transesterificación de los aceites.
 Se resuelven los problemas enumerados anteriormente.
 Normativa biodiesel puro EN 14214
Aceites
(kg/m3)
Densidad a 20ºC
Viscosidad a 40ºC (cSt)
P. C. I. (MJ/kg)
P. C. I. (MJ/l)
Número de cetano
Residuo Carbonoso (%)
Punto Inflamación (ºC)
Azufre (% peso)
INTRODUCCIÓN
GASOLINAS Y
GASÓLEOS
910/930
25/35
35/38
32/35
30/40
0
Ésteres
870/890
3.5/4.5
36/39
32/34
49/54
0.25/0.42
120/170
0
CARACTERÍSTICAS
Gasoil
820/845
3
42
35
48/51
0.1
65
0.02
ALTERNATIVAS
R
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ALTERNATIVAS
 Biodiesel:
Posibilidad de utilización directa con leves modificaciones del motor
(compatibilidad de materiales)
Penalización del consumo respecto al gasoil debido a su menor contenido
energético (13-14% en base másica ó 8-9% en base vol.)
Ciclo neto de emisión de CO2 favorable (actualmente en discusión) y emisiones
reguladas favorables salvo NOx
Materias primas
• Aceites vegetales
•Vírgenes
•Reciclados
• Grasas animales
• Aceites de pescado
• Aceites de algas
Proceso de transesterificación
• Metílico (FAME)
• Etílico (FAEE)
Alcohol
Glicerina
• Metanol
• Etanol
INTRODUCCIÓN
Ésteres de
ácidos grasos
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GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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ALTERNATIVAS
 Combustibles de síntesis:
“gas-to-liquid” (GTL), “carbon-to-liquid” (CTL) y “biomass-to-liquid” (BTL)
Los procesos anteriores englobados bajo el acrónimo XTL más general, implican
la transformación del precursor de carbono respectivo mediante una serie de
procesos catalíticos que permiten obtener combustibles líquidos, todos ellos
exentos de N, S y de estructuras aromáticas
La síntesis Fischer-Tropsch (FT), patentada en 1925 por estos investigadores.
Parte del carbón como fuente de carbono, se gasifica con vapor de agua para
producir el gas de síntesis conforme a la reacción: C+H2OCO+H2, y
posteriormente la mezcla CO+H2 (gas de síntesis) se convierte sobre un catalizador
específico para producir hidrocarburos líquidos:
Alemania: 18000 T/día en 1944
South African Synthetic Oil (Sasol) 41% de los combustibles de automoción
consumidos en Sudáfrica en 2004
La licuefacción directa del carbón (e.g. proceso Pott-Broche), proceso químico
que convierte el carbón directamente en una mezcla de hidrocarburos líquidos
(crudo sintético)
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GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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ALTERNATIVAS
 Hidrógeno:
La combustión del mismo no produce C2O
Las posibilidades de obtención son diversas ya sea basado en métodos térmicos
a partir de gas natural, carbón o biomasa (reformado, gasificación o pirolisis),
electroquímicos (electrolisis del agua) o incluso biológicos (digestión anaeróbica o
fermentación por microorganismos).  ¿Coste de producción?
Alta energía específica (120 MJ/kg Hci) pero baja densidad energética:
Comprimido a 200 bares, 20 veces más baja que la gasolina.
Licuado, 4 veces menos que la gasolina.
Extremadamente inflamable. Riesgo de explosión. Llama invisible
Inconveniente de almacenamiento.
Comprimido (200 bar)
Licuado (-253ºC)
Formando hidruros (problemas con la masa a manejar)
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GASOLINAS Y
GASÓLEOS
CARACTERÍSTICAS
ALTERNATIVAS
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RESUMEN
 La mayor parte de los combustibles empleados en los motores
provienen del petróleo
 En la valoración de un combustible es básico tener en cuenta su
poder calorífico
 La característica más importante de los combustibles para MEP es
el índice de octano
 Los combustibles alternativos no siendo una solución para sustituir
a los hidrocarburos derivados del petróleo sí son un complemento
 El hidrógeno es un excelente combustible pero no puede
considerarse una fuente de energía
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BIBLIOGRAFÍA
 F. Payri y J.M. Desantes
"Motores de Combustión Interna Alternativos"
(Cap. 14)
 R. van Basshuysen y F. Schäfer
"Internal Combustion Engine Handbook: Basics, Components, Systems
and Perspectives"
(Cap. 22)
 Chevron Products Company
“Motor Fuels Technical Review”
 Barbara Elvers (Ed.)
“Handbook of Fuels”