Octanaje (índice de Octano)
El Octanaje o índice de octano, es una medida de la resistencia a auto-ignición de la gasolina y otros combustibles que se utilizan en motores de combustión interna de ignición por chispa. Es una medida de anti-detonación de la gasolina o combustible.
El Número de Octano, es un número el cual da el porciento por volumen de iso-octano en una mezcla de iso-octano y Heptano normal, el cual tendría la misma capacidad de anti-golpeteo que el combustible que está bajo consideración. Por ejemplo, gasolina con la misma característica de anti-golpeteo que una mezcla del 90% iso-octano y 10% heptano, tendría un octanaje de 90.
Definición de Octanaje
El octanaje de un combustible para motor de ignición por chispa es definido como la resistencia anti-golpeteo del combustible, cuando se compara con una mezcla de iso-octano (2,2,4-trimetilpentano, y un isómero de octano) y n-heptano. Por definición, al iso-octano se le asigna un octanaje de 100 y al heptano se le asigna un octanaje de cero. Por ejemplo, una gasolina de 87 octanos, posee el mismo rango de anti-golpeteo que una mezcla de 87% (por volumen) iso-octano y 13% (por volumen) heptano. Sin embargo, esto no significa que la gasolina actualmente contiene estos hidrocarburos en esta proporción. Sencillamente quiere decir que contiene la misma resistencia a auto-ignición que la mezcla aquí descrita.
Una alta tendencia a la auto-ignición, o bajo octanaje, es algo no deseado en un motor de ignición por chispa. Pero es algo muy deseado en un motor diesel. El parámetro para un motor diesel es el número de cetano. Un combustible diesel con un alto número de cetano tiene una alta tendencia a auto-ignición, y esto es lo deseado.
Principios
Los Octanos, son una familia de hidrocarburos que típicamente se encuentran en la gasolina. Son fluidos incoloros que hierven a aproximadamente 125 oC (260 oF). Un miembro de la familia de los octanos es el iso-octano, el cual se utiliza normalmente como referencia para determinar la tendencia de resistir la auto ignición de la gasolina, el diesel, u otros combustibles de benzina. La auto ignición causa ineficiencias (y hasta daños al motor) si esta ocurre durante la compresión antes de que el pistón se encuentre en la posición ideal deseada en relación al tiempo de las válvulas y la ignición. El problema de la ignición prematura es conocido como pre-ignición y también se le conoce como golpeteo, debido al sonido que hace cuando el combustible se enciende muy temprano en el ciclo de compresión.
El golpeteo severo, puede ocasionar daños severos al motor como: Ruptura de bielas, pistones fundidos, válvulas fundidas o quebrada, o daño a otros componentes. El índice de octano, es la medida de cuan probable la gasolina o un combustible derivado del petróleo se pueda encender por si solo (auto-ignición). Mientras mayor sea el número, la probabilidad es menor de que el combustible sufra auto-ignición y le case daño al motor.
Los sistemas electrónicos computarizados que gobiernan la combustión en los motores modernos, monitorean el nivel de golpeteo que es producido por el combustible en uso. En estos motores modernos, el tiempo de la ignición será alterado automáticamente para reducir la pre-ignición y reducirla a un nivel aceptable o eliminar el golpeteo causado por la pre-ignición.
Métodos de Medida
El método de medida de Octanaje más común en el mundo es el “Research Octane Number” RON (Número de Octanaje de Investigación). El número RON se determina corriendo un combustible por un motor de pruebas específico con una relación de compresión variable bajo condiciones controladas, y comparando estos resultados con los resultados de una mezcla de iso-octano y n-heptano.
Existe otro método de medida de Octanaje, llamado “Motor Octane Nunber” MON (Número de Octanaje del Motor) o el octanaje de mezcla pobre de la aviación, el cual es una mejor medida de cómo se comporta el combustible cuando se encuentra bajo carga. En la prueba de MON se utiliza un motor similar al utilizado en la prueba de RON, pero con una mezcla pre-calentada del combustible, una mayor velocidad del motor, y un tiempo de ignición variable para estresar aun más la resistencia de golpeteo del combustible. Dependiendo de la composición del combustible, el MON de una gasolina moderna será aproximadamente 8 puntos más bajos que el RON. Normalmente las especificaciones de combustible requieren ambas, un número mínimo de RON y un mínimo de MON.
En la mayoría de los países (incluyendo toda Europa y Australia) el número de octanaje que se indica en una bomba de combustible es el RON, pero en Canadá, los Estados Unidos, México y algunos otros países el número que se indica es el promedio del RON y el MON, al cual se le llama en algunas ocasiones el “Anti-Knock Index” AKI (Indice de Anti-Golpeteo), “Road Octane Number” RdON (Número de Octanaje de Carretera), “Pump Octane Number” PON (Número de Octanaje de Bomba), o (R + M)/2. Debido a la diferencia de 8 a 10 puntos que indicamos anteriormente, esto quiere decir que el número de Octanaje en los Estados Unidos será de 4 a 5 puntos más bajo que el mismo combustible en otras partes del mundo: Combustible de 87 octanos en los Estados Unidos o Canadá, la gasolina “REGULAR” en EEUA y Canadá, sería la gasolina de 91 – 92 octanos en Europa. Sin embargo la mayoría de las bombas en Europa despachan una gasolina “REGULAR” con un (RON) de 95, equivalente a un 90 – 91 (R + M)/2 en los Estados Unidos, y en algunos casos llegan a un RON de 98 ó 100.
El Octanaje también puede ser un “Nombre de Mercadeo” (trade name), estando la cifra actual más alta que el nominal.
Es posible tener un combustible con un número RON mayor de 100, debido a que el iso-octano no es la substancia más resistente al golpeteo que existe. El combustible para autos de carrera, etanol puro, combustible para aviones de propulsión a chorro (AvGAS), petróleo en forma de gas líquido (LPG) típicamente tienen un Octanaje de 110 o bastante mayor – El RON del etanol es 107 (MON 89, AKI 98). Aditivos con Aumentadores de Octano (Octane Boosters) normalmente incluyen plomo tetra-etílico y tolueno. El plomo tetra-etílico se descompone fácilmente en sus componentes radicales, los cuales reaccionan con los radicales en el combustible y el oxígeno que inician la combustión, y retardan la ignición. Esta es la razón por la cual la gasolina con plomo tiene un octanaje más alto que la sin plomo.
Ejemplos de Octanaje
El octanaje de n-heptano e iso-octano por definición, es de 0 y 100 respectivamente. Para otros hidrocarburos, la siguiente tabla da el (R + M)/2 (Número de Octanaje de Carretera):
| n – octano | -10 | Ciclo hexano | 97 |
| n – heptano | 0 | Iso - octano | 100 |
| 2 – heptano metílico | 23 | benzina | 101 |
| n – hexano | 25 | Etanol E85 | 105 |
| 2 – hexano metílico | 44 | Metano | 107 |
| 1 - heptano | 60 | Etano | 108 |
| n - pentano | 62 | Tolueno | 114 |
| 1 - pentano | 84 | Xileno | 117 |
| n - butano | 91 |
Efectos del Octanaje
Un octanaje más alto, correlaciona con niveles de energía de activación más altos. Energía de activación, es la cantidad de energía necesaria para iniciar una reacción química. Debido a que los combustibles con un mayor octanaje tienen una energía de activación mayor, es menos probable que una dada compresión cause golpeteo del motor. (Nótese que lo importante es la presión (compresión) absoluta dentro de la cámara de combustión y no la relación de compresión. La relación de compresión solo gobierna la máxima compresión que se puede obtener).
El octanaje no tiene un impacto directo en la deflagración (quema rápida) de la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión. Otras propiedades de la gasolina y el diseño del motor son responsables por la forma en que ocurre la deflagración (quema rápida) del combustible. En otras palabras, la velocidad de la flama de una mezcla encendida de forma normal, no está directamente conectada al octanaje del combustible. Deflagración (quema rápida) es el tipo de combustión que forma parte de la quema normal. Detonación es otro tipo distinto de combustión la cual se debe evitar en motores de gasolina de ignición por chispa. El octanaje es una medida de resistencia a detonación, no una característica de deflagración (quema rápida).
Parecerá extraño que combustibles con mayor octanaje exploten con menos facilidad, y que popularmente se consideren más poderosos. Esta confusión es debida a la habilidad del combustible para resistir combustión por detonación opuesto a la habilidad de un combustible a quemarse (combustión). Sin embargo, en muchas ocasiones gasolinas de grado premio contienen más energía por litro debido a la composición del combustible junto con un aumento del octano.
Una simple explicación es que enlaces de carbón y carbón contienen mayor energía que enlaces de carbón e hidrógeno. Por lo tanto un combustible con mayor número de enlaces de carbón tendrá más energía sin importar el octanaje. Por lo general, un combustible premio para motor será formulado para que tenga ambos: mayor octanaje y más energía. Un ejemplo opuesto a esta regla lo son las formulaciones con mezcla de etanol las cuales tienen un mayor octanaje, pero contienen menos energía por volumen (por litro o por galón). La razón para esto se debe a que el etanol es un hidrocarburo parcialmente oxidado lo cual se puede ver al notar la presencia de oxígeno en su fórmula química: C2H5OH. Nótese la substitución del radical hidroxilo OH por un hidrógeno H el cual convierte el gas etano C2H6 en etanol. Note que hasta cierta medida, un combustible con una relación de carbón más alta va a ser más denso que un combustible con una relación de carbón más baja. Por lo tanto es posible formular combustible con alto octanaje pero que tienen menos energía por litro que uno con menor octanaje. Esto verdaderamente se confirma en combustibles con mezclas de etanol (gasohol), pero también en combustible que no llevan etanol y que tampoco contienen oxígeno también puede ser posible.
Utilizando un combustible de mayor octanaje, permite que un motor pueda correr a mayor compresión sin problemas de golpeteo. La compresión verdadera de la cámara de compresión se determina utilizando la relación de compresión, y también la cantidad de restricción de aire en el múltiple de admisión (vacío del múltiple) junto con la presión barométrica la cual es una función de la altura y las condiciones del tiempo.
Compresión es un parámetro directamente relacionado con potencia, por lo tanto motores que requieren mayor octanaje por lo general son de mayor potencia. La potencia de un motor depende del diseño del motor, el cual define el combustible que debe utilizar el cual está relacionado al octanaje. La potencia es limitada por la cantidad mayor de aire/combustible que se puede forzar en la cámara de combustión. Con una carga parcial., solo una pequeña fracción de la potencia total disponible es producida porque el múltiple está operando a presiones muy por debajo de la presión atmosférica. En este caso, el requerimiento de octanaje está muy por debajo del disponible. Es solo cuando el cuerpo la mariposa en el cuerpo de aceleración abre completamente y la presión en el múltiple aumenta y se iguala a la presión atmosférica (o que sobre pasa la presión atmosférica como en el caso de los turbos) que se obtiene el requerimiento total de octanaje.
Muchos motores de alto rendimiento están diseñados para operar con combustibles de mayor compresión y por lo tanto necesitan un combustible de alto octanaje y por lo tanto demandan gasolina premia de alto octanaje.
La potencia de un motor depende del contenido de energía del combustible, y este no tiene ninguna relación simple al octanaje. Un mito muy común entre los consumidores de combustible, es el pensar que el motor tendrá mayor potencia y rendimiento al añadir al vehículo un combustible de mayor octanaje; esto es totalmente FALSO – el funcionamiento y rendimiento del motor será el mejor, cuando se utilice un combustible con el octanaje para el cual fue diseñado. Cualquier aumento de potencia o rendimiento alcanzado al utilizar un combustible de distinto octanaje es MINIMO o IMAGINARIO.