Publicada enMecánica Automotriz

Índice de cetano

Índice de cetano

El índice de cetano es un valor calculado que se utiliza para estimar la calidad de ignición de determinados combustibles diésel. Se obtiene a partir de propiedades físicas medibles en laboratorio, principalmente la densidad y el comportamiento del combustible durante una prueba de destilación.

Su finalidad es aproximar el número de cetano que podría presentar un combustible diésel convencional cuando no se dispone de un ensayo directo de combustión. Sin embargo, no representa una medición real del retraso de encendido y no debe confundirse con el número de cetano.

Esta diferencia es importante porque el índice describe una relación estadística entre ciertas características físicas y el comportamiento esperado del combustible, mientras que el número de cetano se determina observando cómo se enciende realmente una muestra bajo condiciones normalizadas.

Por esta razón, aunque en el lenguaje cotidiano se utilizan expresiones como cetanaje, número de cetano e índice de cetano como si fueran equivalentes, técnicamente corresponden a conceptos y métodos distintos.

Encendido del diésel

En un motor diésel, el cilindro recibe aire que posteriormente es comprimido por el pistón. La compresión aumenta considerablemente la presión y la temperatura del aire. Cerca del punto muerto superior, el inyector pulveriza combustible dentro de la cámara.

La combustión no comienza exactamente en el mismo instante en que se inicia la inyección. Las gotas necesitan atomizarse, calentarse, evaporarse, mezclarse con el oxígeno y completar una serie de reacciones químicas previas a la autoignición.

El tiempo transcurrido entre el inicio de la inyección y el comienzo efectivo de la combustión recibe el nombre de retraso de encendido. Un combustible con buena calidad de ignición suele presentar un retraso menor y más predecible bajo condiciones equivalentes.

El número de cetano mide esta respuesta mediante un ensayo de combustión. El índice, en cambio, intenta predecirla utilizando propiedades que guardan una correlación con la composición química del combustible.

Índice y número de cetano

El número de cetano, abreviado como CN, se determina tradicionalmente mediante el método ASTM D613. En este ensayo, el combustible se utiliza en un motor monocilíndrico normalizado de relación de compresión variable y su comportamiento se compara con el de combustibles de referencia.

El índice de cetano, abreviado en ocasiones como CI o CCI, no requiere hacer funcionar la muestra dentro de un motor. El laboratorio mide su densidad y su curva de destilación, introduce los resultados en una ecuación empírica y obtiene una estimación numérica.

El índice no constituye un método alternativo para declarar que se ha medido el número ASTM de cetano. ASTM lo define como una herramienta suplementaria para estimar el valor cuando no se encuentra disponible el resultado del método D613 y cuando el combustible se encuentra dentro del campo de aplicación de la ecuación.

Dos combustibles pueden mostrar el mismo índice y presentar un comportamiento de combustión diferente. De manera inversa, dos muestras con números de cetano reales similares podrían obtener índices distintos si su densidad y distribución de temperaturas de ebullición son diferentes.

Por tanto, el motor responde principalmente a la calidad real de autoignición, no al resultado matemático calculado en una ficha técnica.

Método de cuatro variables

Uno de los procedimientos más utilizados es el índice de cetano calculado mediante la ecuación de cuatro variables, definido por la norma ASTM D4737.

El nombre de cuatro variables se debe a que el cálculo emplea la densidad del combustible a 15 °C y tres temperaturas obtenidas durante la destilación: aquellas en las que se ha recuperado aproximadamente el 10 %, el 50 % y el 90 % del volumen de la muestra.

La temperatura del 10 % representa la zona más ligera o volátil del combustible. La del 50 % describe aproximadamente la parte media de su intervalo de destilación, mientras que la del 90 % ofrece información sobre sus fracciones más pesadas.

Estos datos se introducen en una ecuación desarrollada mediante la comparación estadística de combustibles diésel derivados del petróleo. El resultado estima cuál podría ser el número de cetano de una muestra con esas características físicas.

ASTM D4737 contempla procedimientos específicos según el tipo y grado del combustible. El método resulta especialmente apropiado para determinados destilados convencionales formados por corrientes de destilación directa, productos de craqueo y mezclas de ambos.

No obstante, la propia norma advierte sobre la incertidumbre de la estimación. Dentro de un intervalo aproximado de 32,5 a 56,5 números de cetano, el error de predicción del procedimiento principal es inferior a dos unidades solamente para alrededor del 65 % de los combustibles evaluados. Fuera de los rangos recomendados, la desviación puede ser mayor.

Esto demuestra que un índice de 50 no garantiza que una medición directa produzca exactamente un número de cetano 50. El valor real podría encontrarse por encima o por debajo, dependiendo de la composición y del proceso de fabricación.

Método de dos variables

Otro procedimiento es el establecido por ASTM D976, conocido frecuentemente como método de dos variables. Este utiliza la gravedad API y la temperatura correspondiente al punto medio de ebullición o recuperación del 50 %.

La gravedad API se relaciona matemáticamente con la densidad. Un valor API alto corresponde a un líquido menos denso, mientras que uno bajo representa un producto de mayor densidad.

Este método requiere menos información que ASTM D4737, pero puede presentar mayores desviaciones respecto del número de cetano medido. La propia documentación de ASTM indica que D4737 suele proporcionar un menor desplazamiento estadístico y es el procedimiento preferido cuando la finalidad es estimar el número de cetano, aunque pueden existir casos particulares donde la relación sea diferente.

ASTM D976 continúa siendo relevante en determinadas especificaciones y aplicaciones regulatorias. Por ello, no debe considerarse simplemente una fórmula inexistente o eliminada, sino un método con un campo de uso y limitaciones particulares.

Cuando una ficha técnica informa un índice calculado, conviene comprobar qué norma se utilizó. Un resultado ASTM D976 no necesariamente será idéntico al calculado mediante ASTM D4737 para la misma muestra.

Densidad

La densidad representa la masa contenida en un volumen determinado de combustible y debe expresarse a una temperatura de referencia, ya que los líquidos cambian de volumen con la temperatura.

En los combustibles diésel derivados del petróleo, la densidad proporciona información indirecta sobre la composición de la mezcla. Los productos altamente parafínicos suelen presentar un comportamiento de autoignición diferente al de aquellos con mayor contenido aromático.

En términos generales, los hidrocarburos parafínicos de cadena relativamente lineal tienden a encenderse con facilidad bajo compresión, mientras que muchos compuestos aromáticos presentan un retraso de encendido mayor. Como la composición también afecta la densidad y la volatilidad, puede establecerse una correlación estadística.

Sin embargo, la densidad por sí sola no determina la calidad de ignición. Dos combustibles pueden poseer densidades semejantes y estar formados por moléculas diferentes. Por esta razón, la ecuación incorpora también información obtenida de la destilación.

El índice tampoco debe interpretarse como una medida de la cantidad de energía contenida en el diésel. La densidad influye en la energía disponible por litro, pero el cálculo de cetano no sustituye una medición del poder calorífico.

Curva de destilación

El combustible diésel no es una sustancia pura con un único punto de ebullición. Es una mezcla de numerosos hidrocarburos que se evaporan a diferentes temperaturas.

Durante una prueba de destilación se calienta una muestra y se registra la temperatura a medida que se recuperan distintas fracciones. La curva resultante permite observar qué proporción del combustible corresponde a componentes relativamente ligeros, medios o pesados.

La distribución de estas fracciones influye en la evaporación del combustible después de la inyección. Las fracciones ligeras tienden a vaporizarse con mayor facilidad, mientras que las más pesadas requieren más energía térmica.

Sin embargo, la volatilidad no debe confundirse con la autoignición. Un componente puede evaporarse fácilmente y, al mismo tiempo, presentar una química de encendido poco favorable. El cálculo utiliza la destilación porque, en los combustibles convencionales para los que se desarrolló, esa información se correlaciona con su composición y comportamiento general.

Aditivos mejoradores

Una de las principales limitaciones del índice es que no refleja correctamente el efecto de los aditivos mejoradores de cetano.

Compuestos como el nitrato de 2-etilhexilo pueden acelerar las reacciones químicas previas a la autoignición y elevar el número de cetano medido. Sin embargo, las pequeñas concentraciones utilizadas pueden no modificar de forma significativa la densidad ni la curva de destilación.

Como resultado, un combustible tratado puede presentar un índice calculado de 45 y un número de cetano real considerablemente mayor. El cálculo continúa describiendo principalmente las propiedades del combustible base, pero no registra completamente la mejora química aportada por el aditivo.

ASTM D4737 especifica que la ecuación debe utilizarse cuando no se ha empleado mejorador de cetano. También señala que los métodos basados en una cámara de combustión, como ASTM D6890, sí pueden detectar el efecto del aditivo porque observan el retraso real de encendido.

Por ello, no resulta correcto restar automáticamente el índice al número de cetano y afirmar que toda la diferencia corresponde a la cantidad exacta de aditivo. También intervienen el error de predicción, la composición del combustible y las diferencias entre métodos.

Número derivado

El número de cetano derivado, denominado DCN, constituye una tercera forma de evaluar la calidad de encendido.

En este caso, el combustible se inyecta en una cámara de volumen constante que contiene aire caliente y comprimido. El equipo mide el tiempo transcurrido entre la inyección y el comienzo de la combustión. Posteriormente convierte el retraso obtenido en un valor correlacionado con la escala de cetano.

A diferencia del índice, el número derivado observa una combustión real de la muestra. Por ello, puede detectar el efecto de los mejoradores de encendido y de características químicas que no quedan reflejadas por la densidad y la destilación.

El resultado derivado tampoco es literalmente una prueba ASTM D613 realizada en el motor normalizado, pero constituye una medición de la respuesta de autoignición y no una simple estimación basada en propiedades físicas.

Biodiésel

Las ecuaciones tradicionales del índice fueron desarrolladas utilizando principalmente combustibles diésel derivados del petróleo. El biodiésel FAME presenta una composición, densidad y curva de destilación diferentes.

Por este motivo, la relación estadística utilizada para un destilado petrolero puede producir resultados que no representan adecuadamente el número de cetano de un biodiésel o de una mezcla que lo contenga.

ASTM D4737 excluye expresamente las mezclas de biodiésel de su campo de aplicación porque no formaron parte de los conjuntos de datos utilizados para desarrollar sus procedimientos. El National Renewable Energy Laboratory también advierte que el índice ASTM D976 no es un predictor preciso para biodiésel o sus mezclas.

Esto no significa que el biodiésel posea necesariamente una baja calidad de ignición. Muchas formulaciones presentan números de cetano adecuados o elevados. La limitación pertenece al método matemático, no necesariamente al combustible.

Diésel renovable

El diésel renovable hidrotratado es químicamente distinto del biodiésel FAME. Está formado principalmente por hidrocarburos parafínicos y puede presentar un número de cetano real muy elevado.

No obstante, su composición puede encontrarse fuera del conjunto de combustibles petroleros convencionales utilizado para desarrollar determinadas ecuaciones. Por ello, la validez del índice debe comprobarse según el estándar, la formulación y la especificación aplicable.

Esta precaución también se extiende a combustibles sintéticos, productos derivados de gas, biomasa, carbón, aceites de pirólisis y mezclas con componentes oxigenados. Una fórmula empírica solo conserva su precisión cuando la muestra se parece suficientemente a los combustibles utilizados para crearla.

Interpretación del valor

Un índice elevado sugiere que las propiedades físicas del combustible se asocian con una mejor facilidad de autoignición en un diésel convencional. Un valor bajo indica una estimación de mayor retraso de encendido.

Sin embargo, el efecto que experimentará el motor depende del número de cetano real, de la temperatura, la presión de inyección, la atomización, la relación de compresión, la geometría de la cámara y la estrategia electrónica.

Un combustible con baja calidad de encendido puede causar arranque difícil en frío, combustión brusca, ruido, humo blanco e inestabilidad durante el calentamiento. Pero estos síntomas no permiten calcular el índice y también pueden originarse por inyectores defectuosos, baja compresión, bujías de precalentamiento averiadas o presión insuficiente de combustible.

Un índice elevado tampoco implica automáticamente mayor potencia, más energía, mejor lubricidad o mayor limpieza. Cada una de estas propiedades debe evaluarse mediante su propio ensayo.

Relación con el octanaje

El índice se compara a veces con el octanaje de la gasolina, pero la equivalencia es limitada.

El octanaje mide la resistencia de la gasolina a la autoignición no controlada dentro de un motor de encendido por chispa. En el diésel se necesita que el combustible comience a arder de forma predecible por efecto de la compresión.

Por tanto, un octanaje alto representa una mayor resistencia a la autoignición, mientras que un número de cetano elevado representa una mayor facilidad para iniciarla bajo las condiciones propias de un motor diésel.

El índice de cetano añade otra diferencia: no es necesariamente una prueba de combustión, sino una estimación obtenida mediante propiedades físicas. No existe una conversión válida que permita transformar directamente octanos en cetanos o viceversa.

Control de calidad

En una refinería o terminal de combustible, el índice puede utilizarse como una herramienta rápida de control de producción. Cuando se conoce previamente el número de cetano de un producto y su origen y proceso se mantienen sin cambios, el cálculo ayuda a comparar lotes posteriores.

También permite trabajar con muestras demasiado pequeñas para realizar determinados ensayos en motor y reduce el tiempo y costo asociados a una prueba más compleja.

No obstante, si cambia el petróleo de origen, la configuración de la refinería, la proporción de corrientes craqueadas, el contenido renovable o la formulación de aditivos, la correlación histórica puede dejar de ser representativa.

En esos casos es necesario verificar la calidad de encendido mediante un ensayo directo o derivado, en vez de confiar únicamente en una ecuación.

Diagnóstico automotriz

Los vehículos diésel convencionales no poseen un sensor que mida directamente el índice dentro del tanque. La unidad de control tampoco conoce la densidad y toda la curva de destilación necesaria para calcularlo.

Por esta razón, no existe un código DTC genérico específico de “índice de cetano bajo”. El sistema puede detectar combustión irregular, fallos de cilindro, presión de riel incorrecta o desviaciones en la velocidad del cigüeñal, pero esos códigos no identifican directamente la calidad de ignición del combustible.

Cuando un motor comienza a funcionar incorrectamente después de una carga de combustible, puede tomarse una muestra para comprobar contaminación, agua, densidad, destilación y calidad de ignición. El análisis debe elegir el método correcto según el tipo de combustible y la posible presencia de aditivos.

El índice de cetano resulta útil para estimar y controlar combustibles diésel convencionales, pero su valor debe interpretarse como lo que realmente es: una predicción matemática. La combustión efectiva depende de la química completa del combustible, por lo que una evaluación rigurosa debe diferenciar entre el valor calculado, el número medido en motor y el número derivado en una cámara de combustión.

Referencias