ESTUDIO DE LOS EFECTOS REDUCTIVOS DE

MEMORIAS DEL 14 CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM
17 al 19 DE SEPTIEMBRE, 2008 PUEBLA, MÉXICO
ESTUDIO DE LOS EFECTOS REDUCTIVOS DE EMISIONES GASEOSAS COMO: HC, CO,
CO2, O2 Y NOx DURANTE LA COMBUSTIÓN GASOLINA-ETANOL EN UN MOTOR DE
COMBUSTIÓN INTERNA
Simón Martínez-Martínez, Fausto A. Sánchez Cruz, Gustavo Rodríguez Morales y Miguel García
Yera
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León,
Pedro de Alba s/n, Apdo. Postal 076 Suc. F, CP. 66450, San Nicolás de los Garza, N.L., México.
Teléfono: (01-81)14920362. Fax: 83-32-09-04.
simartin@gama.fime.uanl.mx ; fasanchez@gama.fime.uanl.mx, grodriguez@gama.fime.uanl.mx ;
mgcia@gama.fime.uanl.mx
José M. Riesco-Ávila, Armando Gallegos-Muñoz
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica y Electrónica, Universidad de Guanajuato,
Tampico Nº 912, CP. 36730, Salamanca, Guanajuato, México.
Teléfono: (464) 648 091. Fax: (464) 647 2400.
riesco@salamanca.ugto.mx ; gallegos@salamanca.ugto.mx
RESUMEN
En el presente trabajo se estudian los efectos reductivos en las emisiones contaminantes de un
motor de combustión interna alternativo de encendido provocado, empleando mezclas de gasolina-etanol
en concentraciones de 5%, 10% y 15% en volumen de etanol anhidro. Se analizaron los gases de escape
emitidos por el motor a carburación fija con el objeto de evaluar el efecto del contenido de etanol en la
gasolina sobre las emisiones contaminantes CO2, CO, HC y O2. Con estos resultados se pretende definir
la relación gasolina-etanol más apropiada para la reducción de las emisiones contaminantes en los
motores de combustión interna alternativos sin afectar sobremanera el funcionamiento de los mismos.
Palabras clave:
Motor de combustión interna alternativo, etanol anhidro, emisiones contaminantes.
ABSTRACT
In this paper we study the abatement of polluting emissions from an internal combustion engine
with spark ignition using mixtures of conventional gasoline and anhydrous ethanol which concentrations
are 5%, 10% and 15% in volume. We analyzed the exhaust gases emitted from the engine when operating
with fixed carburation to assess the effect of ethanol content in gasoline on polluting emission such as
CO2, CO, HC, O2 and NOx. These results define the most suitable gasoline-ethanol ratio for diminishing
the pollutant emissions from the internal combustion engine with negligible effects on the performance
engine.
Keywords:
Internal combustion engine, anhydrous ethanol, polluting emissions.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad diversos factores han ocasionado cambios en las políticas sobre la diversidad en
la oferta de fuentes de energía a nivel nacional e internacional. Algunos de ellos son: la importancia en la
reducción de emisiones de gases con efecto invernadero, la disminución de las reservas de petróleo a
nivel mundial, la volatilidad en los precios del petróleo [1], así como, la contaminación ambiental en las
ciudades con grandes concentraciones de población. A nivel mundial se han hecho pruebas con
combustibles y mezclas de alcohol, metanol y etanol [2-4] los cuales son presentados como
biocombustibles con capacidad para ser sustituto o aditivo de los combustibles fósiles.
Brasil es el líder mundial en el uso de etanol; en los 1970's el gobierno brasileño decidió crear su
propio programa de investigación, producción y uso de biocombustibles en el país, con lo cual creó el
Proalcool, programa desarrollado con el objetivo fundamental de hacer frente a las sucesivas y recurrentes
crisis del petróleo. Con la aparición del Proalcool, Brasil introdujo el uso del alcohol combustible de
forma pionera, hecho que significó y representó una gran innovación en el campo energético y en la
tecnología automotriz [5]. El etanol se puede utilizar como un combustible alternativo para vehículos
automotores. Éste se produce al procesar y fermentar diversos tipos de productos agrícolas y materias
primas, puede utilizarse como aditivo para la gasolina en motores convencionales o en mezclas con alto
contenido de etanol en motores diseñados especialmente para este fin. En la Tabla 1 [6] se presenta la
comparación de algunas propiedades de la gasolina y el etanol.
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El etanol se presenta como una alternativa sobre los combustibles fósiles, principalmente porque
se produce a partir de recursos naturales renovables, adicionalmente el etanol presenta un mejor índice
antidetonante en comparación a la gasolina y se logra una reducción en las emisiones contaminantes.
Palmer [7] reportó que las gasolinas oxigenadas presentan un mejor índice antidetonante que las gasolinas
convencionales.
Bata y Roan [8] investigaron experimentalmente los efectos en las emisiones de escape al utilizar
etanol en la gasolina y observaron reducciones de un 40 a un 50 % en las emisiones de CO. Taljaard et
al. [9] Estudió el efecto de la gasolina oxigenada en las emisiones de un motor monocilindrico de cuatro
tiempos de encendido provocado. Concluyendo que existe un decremento significativo en las emisiones
de CO, NOx y HC.
Tabla 1. Propiedades de la gasolina y etanol
Gasolina
Etanol
Fórmula química
C8H15
C2H5OH
Peso molecular
111
46
Oxígeno (% en
---34.7
masa)
Poder calorífico
43
27
inferior (MJ/kg)
Calor latente (kJ/kg)
307
873
Relación
14.6
9
aire/combustible
MON
80-91
89
RON
92-99
107
Taylor et al. [10] utilizando cuatro diferentes mezclas gasolina-etanol encontraron que al añadir
etanol se reducían las emisiones de CO, HC y NOx. Hsieh et al. [11] en su estudio con diferentes mezclas
de gasolina-etanol en un MCIA encontraron que las emisiones de CO y HC disminuían entre un 10 y un
90 % y un 20 y un 80 % respectivamente, asimismo se observó que las emisiones de NOx dependían de
las condiciones de operación del motor. Por otro lado Palmer [7] en sus estudios encontró que el añadir
un 10 % de etanol a la gasolina se reducían las emisiones de CO hasta un 30 %.
En la actualidad en la industria energética norteamericana el etanol ha asumido un papel cada
vez más importante. La industria ha incrementado su capacidad de producción anual a más de 7 mil
millones de galones por año. En 1988 la Alternative Motor Fuel Act propuso un proyecto para la
investigación y desarrollo de vehículos Flexi Fuel (FFVs, por sus siglas en ingles) capaces de operar con mezclas
de 85 % de etanol (E85). En este proyecto se manufacturaron los primeros 20 mil vehículos, y
actualmente operan más de 6 millones de vehículos de estas características en USA. [12]
En México a partir de febrero de 2008 se expide el decreto presidencial para la promoción y
desarrollo de bioenergéticos mediante la producción de insumos provenientes de las industrias
agropecuaria, forestal, uso de algas, procesos biotecnológicos y enzimáticos del campo Mexicano.
Además del uso de este bioenergético como combustible se pretende conseguir la reducción de emisiones
contaminantes y gases de efecto de invernadero emitidos a la atmósfera por la combustión de éste. [13].
La utilización de bioenergéticos en México permitirá tener muchas ventajas para el desarrollo de fuentes
alternas de combustible, lo que permitirá diversificar la oferta en los energéticos. Un combustible alterno
a los combustibles fósiles es el etanol, el cuál ha sido probado con éxito en vehículos automotores cuyas
mezclas han sido de hasta un 10 % en volumen para motores convencionales [1], y para motores
especiales o modificados mecánicamente mezclas de hasta un 85 %.
Una desventaja que puede presentar el uso de etanol en motores convencionales es que es 100 %
misible con el agua. Por lo que es importante definir las concentraciones gasolina-etanol para evitar daños
en el sistema de alimentación de combustible o bien utilizar nuevos materiales resistentes a la corrosión.
[14-15].
TRABAJO EXPERIMENTAL
La realización de este estudio se efectuó en un motor carburado sin modificaciones mecánicas
como modelo representativo de los motores de encendido provocado, cuyas características técnicas se
muestran en la Tabla 2, y en la Figura 1 se muestra el diagrama esquemático de la instalación
experimental utilizada.
El trabajo experimental de este trabajo se realizó en un motor de combustión interna de baja
relación de compresión y de carburación manual, con lo que se evitó el ajuste automático característico
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de los motores controlados electrónicamente. El etanol al tener un valor de octanaje más alto que la
gasolina mejora esta característica de la gasolina, y en un motor de baja relación de compresión esta
característica del combustible no es aprovechada, por lo que se simplifica el análisis de las emisiones
contaminantes sin que sufran alteración alguna por el incremento de octanaje del combustible, motivo por
el cual se utilizó este tipo de instalación experimental.
Figura 1. Diagrama esquemático de la instalación experimental.
Los ensayos se realizaron bajo carga parcial constante del motor a 1000, 1200, 1500, 1800, 2100 y 2400
rpm respectivamente. Los combustibles utilizados fueron gasolina E0 y mezclas de gasolina etanol E5,
E10 y E15. El número que sigue de a la letra E representa el porcentaje en volumen de etanol en la
mezcla.
La medición de las emisiones de escape se realizó mediante un analizador de gases OTC 3710
(Tabla 3) previamente calibrado. Se tomaron 10 medidas para cada condición de operación del motor.
Tabla 2. Características del motor de combustión interna
Analizador de gases
CO
CO2
NOx
HC
O2
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OTC 3710
0-15 % Vol.
0-20 % Vol.
0-9999 ppm
0-9999 ppm
0-25 % Vol.
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Tipo de motor
Cilindrada
N° de cilindros
Diámetro / carrera
Relación de compresión
Potencia / régimen de giro
Sistema de enfriamiento
Aspiración natural – Carburado – 4 Tiempos
1600 cm3
4 (horizontales opuestos)
(85.5/85.5)mm
7.7
48.4 kW @ 4600 rpm
Aire
Tabla 3. Características del analizador de gases
RESULTADOS OBTENIDOS
Emisión de NOx
La investigación sobre la influencia en la reducción de las emisiones de gases de escape al
utilizar mezclas de gasolina-etanol en un MCIA se presentan en las Figuras 2 a la 6, siendo la gasolina
convencional E0 la base del análisis. En la Figura 2 se muestra la influencia que tiene la mezcla gasolinaetanol en la reducción de NOx. En esta grafica se aprecia que no existe una relación clara entre el
contenido de etanol y la reducción de NOx. Esto se debe a que la emisión de NOx depende únicamente de
las condiciones de operación del motor y no del contenido de etanol en la gasolina, resultados similares
han sido encontrados por Wei-Dong et al [16].
140
120
Nox (ppm)
100
80
60
40
20
0
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
RPM
Gasolina
E-5
E-10
E-15
Figura 2. Influencia de la mezcla gasolina-etanol sobre la emisión de NOx en función del régimen de giro
del motor.
Emisión de CO
En la Figura 3, se presenta la influencia de las mezclas de combustible sobre la emisión de CO.
En el estudio se encontró que la emisión de CO disminuye mientras se incrementa el contenido del
etanol, lo que indica que la adición de etanol reduce considerablemente la concentración de emisiones de
CO, alcanzando hasta un 90 % la reducción de emisiones de éste, teniendo sólo una dependencia, las
condiciones de funcionamiento del motor. La reducción de emisiones se debe a que el etanol contiene un
átomo de oxígeno en su forma básica, por lo que puede ser tratado como hidrocarburo parcialmente
oxidado. Cuando el etanol se agrega al combustible mezclado puede proporcionar más oxígeno para el
proceso de combustión, y por consiguiente, reducir la emisión de CO.
3,5
3
CO (% vol)
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
RPM
Gasolina
E-5
E-10
E-15
Figura 3. Influencia de la mezcla gasolina-etanol sobre la emisión de CO en función del régimen de giro
del motor.
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Emisión de CO2
En las ecuaciones 1 y 2 se presenta la combustión ideal para el etanol (C2H5OH) y la gasolina
(C8H15) respectivamente [6].
Etanol
C2 H 5OH + 3 ( O2 + 3.76 N2 ) → 2CO2 + 3H 2O + 11.28N2
(1)
Gasolina
C8 H15 + 11.75 ( O2 + 3.76 N 2 ) → 8CO2 + 7.5 H 2O + 44.18 N 2
(2)
Resolviendo para el CO2 en un análisis seco de gases de combustión:
% CO2 (Etanol)
2
×100% = 15.06%
2 + 11.28
% CO2 (Gasolina)
8
×100% = 15.33%
8 + 44.18
Bajo condiciones ideales la emisión de CO2 en proporción de gases secos de escape es
ligeramente mayor en la gasolina, sin embargo, las condiciones reales de operación del motor se
representan en los gráficos de la Figura 4, en ésta se presenta la influencia del contenido de etanol en la
gasolina respecto a la emisión de CO2. Al tener presencia de oxígeno en la gasolina se mejora el proceso
de combustión, y esto a su vez ocasiona un incremento en la emisión de CO2 debido al exceso de oxígeno
presente en la mezcla. En el gráfico se demuestra que al incrementar el porcentaje de oxígeno se
incrementa la emisión de CO2 hasta cierta proporción (E10). No obstante, se demuestra que al utilizar
E15 en carburación fija se presenta una reducción en la emisión de CO2, atribuible ésta a las condiciones
propias de operación del motor.
15
14,5
14
CO2 (% vol)
13,5
13
12,5
12
11,5
11
10,5
10
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
RPM
Gasolina
E-5
E-10
E-15
Figura 4. Influencia de la mezcla gasolina-etanol sobre la emisión de CO2 en función del régimen de giro
del motor.
Emisión de O2
En la Figura 5, se muestra la influencia de la mezcla gasolina-etanol sobre la emisión de O2. En
los gráficos presentados en la figura se puede observa que al tener presencia de oxígeno el combustible
hay un incremento en la emisión de O2, esto es debido a que se mejora el proceso de combustión al
incrementar el contenido de oxígeno en la mezcla aire-combustible, observando que para este caso que el
limite se tiene para el E10. Al incrementar el contenido de etanol (E15) se observa un incremento en la
emisión de O2 de hasta un 500 % respecto a la base (E0), no obstante esto no representa que haya una
mejor combustión durante el proceso.
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7
6
O2 (% vol)
5
4
3
2
1
0
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
RPM
Gasolina
E-5
E-10
E-15
Figura 5. Influencia de la mezcla gasolina-etanol sobre la emisión de O2 en función del régimen de giro
del motor.
Emisión de HC
En la Figura 6, se presenta la influencia de la mezcla gasolina-etanol sobre la emisión de HC. En
general, la presencia de hidrocarburos totales no quemados en los gases de escape se debe principalmente
a tres mecanismos: a) una combustión incompleta, que ocurre tanto en mezcla rica como en mezcla pobre,
o cuando la mezcla aire-combustible contiene gran cantidad de gases de escape, lo que ocasiona una
disminución en la propagación de la flama en la cámara de combustión, b) Flama efecto “enfriamiento
rápido”, que tiene lugar cerca de la cámara de combustión y c) a los depósitos de aceite que absorbe el
combustible [17]. En el gráfico se puede observar que se tiene una reducción en la emisión de HC de un
10 % bajo ciertas condiciones de operación del motor, principalmente para los combustibles E5 y E10,
esto se debe a que hay una combustión más completa en el motor por la presencia de oxígeno en el
combustible. El combustible E15 presenta un incremento en la emisión de HC, este incremento es
atribuible a las condiciones específicas de operación del motor bajo condición de carburación fija, el cual
presentaba una operación anormal con dicho combustible.
2400
2000
HC (ppm)
1600
1200
800
400
0
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
RPM
Gasolina
E-5
E-10
E-15
Figura 6. Influencia de la mezcla de etanol en la gasolina, en la emisión de HC en función de las rpm del
motor.
DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
En este estudio se midieron las emisiones contaminantes de los gases de escape (HC, CO, CO2,
O2 y NOx) de un MCIA utilizando diferentes mezclas de gasolina con etanol anhidro (E0, E5, E10 y E15)
en condición de carga parcial bajo carburación fija. Los resultados obtenidos nos permiten determinar la
mezcla óptima para la operación en los MCIA sin modificación mecánica alguna y lograr con ello una
considerable reducción en las emisiones contaminantes sin que se vea afectado el desempeño del motor.
De los resultados de este estudio se obtienen las siguientes conclusiones.
1.
2.
3.
4.
5.
El empleo de mezclas de gasolina-etanol resulta en una reducción considerable en las emisiones
contaminantes de los gases de escape de los MCIA.
Al emplear mezclas de gasolina-etanol se logra una disminución de un 9.56 % y un 38.86 % en
la emisión de HC y CO respectivamente.
Las emisiones de CO2 y O2 se incrementan hasta en un 1.98 % y un 19.88 % respectivamente.
Al tener presencia de oxígeno en el combustible se mejora el proceso de combustión.
Las emisiones de NOx se vieron afectadas por las condiciones de operación del motor.
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De acuerdo a los resultados obtenidos en este trabajo, se concluye que la mezcla gasolina-etanol (E10)
presenta ser la mejor, ya que representa la máxima reducción de las emisiones contaminantes sin afectar
el buen funcionamiento del motor analizado.
RECONOCIMIENTOS
Los autores desean agradecer el apoyo brindado por el CONACYT a través del proyecto 60499 y del
PAICYT CA1701-07, lo que ha hecho posible la realización del presente trabajo. Asimismo a Jhovany
Levy Díaz Dorantes, alumno del XVII Verano de la Investigación Científica de la AMC.
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combustible mezcla de etanol anhidro y gasolina en relación de 10% en volumen E10. 8° Congreso
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fuels. Atmospheric Environment 38 7093–7100
ISBN 978-968-9773-03-8
1208
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