Características del funcionamiento y emisiones de motores que operan con mezclas diesel­metanol 

El  metanol  es  el  alcohol  más  sencillo  que  existe  y  puede  obtenerse  a  partir  de  diversas  fuentes  (gas  natural,  lignito,  madera,  biomasa,  etc.).  Gracias a su estructura química, que no contiene enlaces C‐C y al contenido  en  oxígeno,  esta  molécula  presenta  una  baja  tendencia  a  la  formación  de  hollín y además se ha demostrado que puede reducir las emisiones de NOx  procedentes de motores diesel (Chao y cols., 2001; Najafi y Yusaf, 2009). Por  estas razones, el uso de este alcohol como combustible en motores diesel fue  estudiado  por  distintos  expertos  en  las  décadas  de  los  80  y  los  90  (Kidd  y  Kreeb,  1984;  Heinrich  y  cols.,  1986;  Neitz,  1988;  Milller  y  Savonen,  1990;  Ryan  y  cols.,  1994).  Debido  a  problemas  operacionales,  el  desarrollo  de  estudios  sobre  este  alcohol  como  combustible  en  motores  diesel  se  vio  ralentizado, aunque recientemente, ha crecido el interés en la aplicación de  este  compuesto  a  motores  diesel  utilizando  mezclas  diesel‐metanol  (Yao  y  cols., 2008). 

Los distintos estudios en motores diesel que operan con mezclas diesel‐ metanol  se  centran  en  el  análisis  del  funcionamiento,  rendimiento  y  emisiones del motor. La presencia de metanol en la mezcla mejora el proceso  de combustión debido al mayor contenido en oxígeno en el combustible. Sin  embargo,  el  rendimiento  del  motor  diesel  disminuye,  lo  que  en  general  se  atribuye al bajo poder calorífico del metanol (Canakci y cols., 2008; Najafi y  Yusaf, 2009; Zhang y cols., 2011). 

Efecto del metanol sobre las emisiones de materia particulada 

La  mayoría  de  los  estudios  que  analizan  las  emisiones  procedentes  de  motores  diesel  operando  con  mezclas  diesel‐metanol,  concluyen  que  la  presencia de metanol en la mezcla combustible tiene un efecto positivo sobre  las  emisiones  de  materia  particulada  y  cuanto  mayor  es  la  cantidad  de  metanol,  mayor  es  la  reducción  de  materia  particulada  conseguida  (Chao  y  cols.,  2001;  Saravanan  y  cols.,  2002;  Udayakumar  y  cols.,  2004;  Canakci  y  cols., 2008; Cheng y cols., 2008; Yao y cols., 2008; Cheung y cols., 2009; Sayin,  2010;  Guo  y  cols.,  2011;  Zhang  y  cols.,  2011).  Esta  disminución  se  debe 

especialmente  a  la  disminución  de  la  formación  de  hollín,  que  se  asocia  al  oxígeno  presente  en  el  metanol  y  al  menor  contenido  en  carbono  del  combustible.  Esta  variación  en  la  composición  del  combustible  dificulta  la  formación  de  zonas  reductoras  en  las  que  suelen  formarse  los  precursores  del hollín y además facilita la oxidación de los mismos (Zhu y cols., 2010). 

Sin  embargo,  existe  cierta  controversia  sobre  el  efecto  que  tiene  el  metanol  sobre  otras  emisiones  procedentes  del  motor  como  óxidos  de  nitrógeno,  hidrocarburos  inquemados  o  CO,  que  presentan  una  mayor  dependencia  de  la  cantidad  de  alcohol  adicionada  y  de  las  condiciones  del  sistema de combustión. 

Efecto  del  metanol  sobre  las  emisiones  de  CO  e  hidrocarburos  inquemados 

La  adición  de  metanol  al  combustible  puede  presentar  efectos  contrapuestos sobre la emisión de CO e hidrocarburos inquemados:   Disminución de la emisión de hidrocarburos inquemados y/o CO,  al aumentar la presencia de oxígeno en el motor, lo que favorece  la combustión completa de dichos compuestos (Sayin, 2010; Sayin  y cols., 2010).   Disminución de la emisión de hidrocarburos inquemados y/o CO,  dado  que  la  baja  viscosidad  y  densidad  del  metanol  mejoran  la  mezcla  aire‐combustible  dando  a  lugar  a  una  combustión  más  eficaz (Sayin, 2010; Sayin y cols., 2010).  

 Aumento de la emisión de hidrocarburos inquemados y/o CO ya  que  el  bajo  poder  calorífico  y  elevado  calor  de  vaporización  del  metanol hacen que disminuya la temperatura en el motor, lo que  da lugar a una combustión más ineficaz (Chao y cols., 2001; Cheng  y cols., 2008; Zhang y cols., 2011)  Algunos autores (Cheung y cols., 2009; Zhu y cols., 2010; Zhang y cols.,  2011) identifican un porcentaje óptimo (5 % en volumen) de metanol en la  mezcla combustible y establecen que por debajo de este límite predomina el  efecto  beneficioso  de  la  adición  de  metanol  sobre  las  emisiones  de  CO  e  inquemados.  Por  otro  lado,  al  aumentar  el  porcentaje  de  metanol,  la  temperatura de los gases de escape disminuye y por tanto, las emisiones de  CO  e  hidrocarburos  inquemados  son  mayores  que  las  registradas  en  las  emisiones procedentes de un motor que opera con diesel. De todo lo anterior 

se deduce la importancia de la cantidad de metanol que puede ser adicionada  a la mezcla para que tenga un efecto óptimo sobre todas las emisiones. 

Efecto del metanol sobre las emisiones de NOx 

Existe  también  desacuerdo  sobre  el  efecto  que  tiene  el  metanol  en  las  emisiones  de  NOx.  La  ruta  dominante  de  formación  de  NOx  en  este  tipo  de  procesos es la formación de NO térmico, que se ve favorecida en condiciones  oxidantes, a altas temperaturas y para elevados tiempos de residencia y son  éstos  los  factores  a  los  que  se  atribuye  el  aumento  o  disminución  de  las  emisiones de NOx (Zhu y cols., 2010). 

La  presencia  de  metanol  en  el  combustible  puede  tener  dos  efectos  contrapuestos sobre las emisiones de NOx: 

 Disminución  de  las  emisiones  de  NO  debido  al  bajo  poder  calorífico  y  elevado  calor  de  vaporización  del  metanol  que  repercute en un descenso de la temperatura en el motor y por ello  en  una  menor  formación  de  NO  térmico,  lo  que  resulta  en  una  disminución  de  las  emisiones  de  NOx  (Chao  y  cols.,  2001;  Saravanan y cols., 2002; Udayakumar y cols., 2004; Cheng y cols.,  2008; Najafi y Yusaf, 2009; Yao y cols., 2010; Anand y cols., 2011).   Aumento de las emisiones de NO dado que el oxígeno presente en 

la  molécula  de  metanol  podría  favorecer  la  formación  de  estos  óxidos de nitrógeno.  

 Aumento de las emisiones de NO ya que el bajo índice de cetano  del metanol reduce el índice de cetano de la mezcla, lo que supone  un  retraso  de  la  ignición  de  la  misma.  Por  esto,  se  favorece  una  buena mezcla combustible‐comburente, que provoca un aumento  de  la  temperatura  en  el  sistema,  lo  que  se  traduce  en  un  incremento  de  las  emisiones  de  NOx  (Sayin,  2010;  Sayin  y  cols.,  2010). 

Es  importante,  por  tanto,  identificar  las  condiciones  que  permitan  optimizar  el  proceso  de  combustión  de  mezclas  diesel‐metanol  y  las  emisiones  derivadas  de  dicho  proceso.  Dado  que  los  estudios  en  motores  dependen de numerosos factores, como son el tipo de motor y su historia o  las  condiciones  del  ensayo,  es  conveniente  estudiar  el  proceso  en  sistemas  más sencillos (llamas o reactores) en condiciones bien controladas. Este tipo  de  estudios  pueden  complementar  los  estudios  realizados  en  motores,  ya  que  permiten  estudiar  los  procesos  físico‐químico  elementales  que  tienen  lugar  en  la  combustión  de  mezclas  de  combustibles  con  metanol.  Estos 

estudios son la herramienta adecuada para dilucidar los mecanismos por los  cuales  transcurre  la  reacción  en  las  mezclas  y  se  forman  o  destruyen  los  distintos contaminantes. 

2.2.2.2 Estudios  fundamentales  de  laboratorio  sobre  la  combustión