12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA
Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015
ANÁLISIS DEL INCREMENTO DEL ETANOL EN LA COMPOSICIÓN DE LA
GASOLINA PERUANA Y SU INCIDENCIA EN EL DESEMPEÑO Y EMISIONES DE
UN MOTOR DE ENCENDIDO PROVOCADO
Cuisano Egúsquiza, J. C.*, Tipián Tipián, G.°
*Pontificia Universidad Católica del Perú, Av. Universitaria 1801, San Miguel, Lima 32, Perú *e-mail: [email protected]
° e-mail: [email protected]
Palabras claves: etanol, gasolina, emisiones, motores de encendido provocado
RESUMEN
La industria del bioetanol en el Perú es relativamente nueva, las operaciones comenzaron en el 2009. Actualmente, el país cuenta con dos plantas modernas de producción del bioetanol que utilizan la caña de azúcar como materia prima. En el año 2014, la producción nacional de etanol fue de 245 millones de litros, de los cuales 130 millones de litros fueron consumidos en el mercado interno y el excedente fue exportado. En el mercado interno, el bioetanol es utilizado en la mezcla con la gasolina, donde su aporte volumétrico representa el 7.8%, definiendo la mezcla que comercialmente se conoce como gasohol. Sin embargo, el aumento paulatino de un mayor porcentaje del etanol en la mezcla con la gasolina sería una opción energética interesante, ya que esta medida contribuiría, en parte, a reducir la fuerte dependencia de la gasolina y aminorar algunas emisiones contaminantes del parque automotor. Por tal motivo, en el presente estudio fueron realizadas diferentes pruebas de un motor de encendido provocado, consumiendo 6 mezclas distintas de gasolina-etanol, donde la composición volumétrica del etanol fue variada desde 7.8% a 20%. Los resultados fueron evaluados en términos de parámetros de rendimiento y emisiones, obteniéndose características y tendencias bien definidas.
UNIDADES Y NOMENCLATURA
E7.8 mezcla combustible conteniendo 7.8% de etanol y 92.2% de gasolina, en volumen
E10 mezcla combustible conteniendo 10% de etanol y 90% de gasolina, en volumen
E12.5 mezcla combustible conteniendo 12.5% de etanol y 87.5% de gasolina, en volumen
E15 mezcla combustible conteniendo 15% de etanol y 85% de gasolina, en volumen
E17.5 mezcla combustible conteniendo 17.5% de etanol y 82.5% de gasolina, en volumen
E20 mezcla combustible conteniendo 7.8% de etanol y 92.2% de gasolina, en volumen
P potencia observada (kW)
T torque observado (kW)
n régimen de giro del motor (rpm)
g
m flujo másico de gasolina (kg/h)
e
m flujo másico de etanol (kg)
PCI poder calorífico inferior (kJ/kg K)
CEC consumo específico de combustible
CO monóxido de carbono (%)
HC hidrocarburos no quemados o parcialmente quemados (ppm) v rendimiento volumétrico (adimensional)
a
m flujo másico de aire admitido al motor (m3)
a densidad del aire en las condiciones de la sala de pruebas (kg/m3)
VT cilindrada total del motor (m3)
INTRODUCCIÓN
La industria del bioetanol en el Perú es relativamente nueva, las operaciones comenzaron en el año 2009. Actualmente, el país cuenta con dos plantas modernas de producción del bioetanol localizadas en el departamento de Piura, norte del Perú. Ambas empresas productoras son de capital privado y utilizan la caña de azúcar como materia prima. En el año 2014, la producción nacional de etanol fue de 245 millones de litros, de los cuales 130 millones de litros fue consumido en el mercado interno y el excedente fue exportado, principalmente, hacia la Unión Europea [1]. En el mercado interno, el bioetanol es utilizado en la mezcla con la gasolina, donde su aporte volumétrico representa el 7.8%, definiendo la mezcla que comercialmente se conoce como gasohol.
En estas condiciones de producción, el aumento paulatino de un mayor porcentaje del bioetanol en la mezcla con la gasolina sería una opción energética interesante para el Perú, ya que esta medida contribuiría, en parte, a reducir la fuerte dependencia de los derivados del petróleo y aminorar algunas emisiones contaminantes del sector transporte que circula en los principales centros urbanos. Sin embargo, los productores locales de gasolina podrían impedir la incorporación de este tipo de medida, ya que el volumen de la gasolina, la cual sería sustituida por el etanol, tendría que exportarse a un costo inferior al obtenido en el mercado interno [1].
La literatura internacional sobre el uso de mezclas gasolina-etanol es muy amplia, destacando los beneficios y viabilidad técnica sobre el uso de mezclas conteniendo desde 0% a 100% de etanol en la composición con la gasolina [2-6].
Desde un punto de vista técnico-científico, en el Perú, existe la necesidad de cuantificar los efectos del incremento del bioetanol nacional en la gasolina comercial, al utilizarlo en motores vehiculares de encendido provocado (MEP). Por tal motivo, en el presente estudio fueron realizadas diferentes pruebas de un MEP, instalado en banco dinamométrico, consumiendo 6 mezclas distintas de gasolina-etanol, donde la composición volumétrica del etanol fue variada en 7.8%, 10%, 12.5%, 15%, 17.5% y 20% (identificadas por E7.8, E10, E12.5, E15, E17.5 y E20 respectivamente). Los resultados fueron evaluados en términos de potencia, consumo específico de combustible (CEC), rendimiento volumétrico y emisiones de monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no quemados (HC).
EXPERIMENTACIÓN
durante los ensayos. Este banco cuenta con un dinamómetro de la marca Zöllner y puede probar motores con torque máximo de 300 N.m, con una resolución de ± 0,5 N.m. La máxima velocidad permitida para este equipo es de 10000 rpm, con resolución de ± 1 rpm. El motor de encendido por chispa utilizado fue de la marca Nissan, modelo GA15DS, aplicación vehicular. LaTabla 1presenta los principales datos técnicos del MEP. El banco de prueba dispone de toda la instrumentación necesaria para el monitoreo y adquisición de todos los parámetros relacionados al comportamiento del motor (consumo de combustible, consumo de aire, temperaturas, presiones, emisiones, etc.).
Fig. 1: Esquema experimental utilizado en los ensayos.
Tabla 1: Principales datos técnicos del MEP utilizado en los ensayos.
Marca / Modelo Nissan / GA15DS
Número de cilindros 4 en línea
Carrera / Diámetro 88 mm / 73.6 mm
Cilindrada 1497 cc
Relación de compresión 9.5:1
Potencia máxima 70 kW en 6000 rpm
Torque máximo 126 N.m en 3600 rpm
Sistema de suministro de combustible Carburado Sistema de admisión de aire Aspirado
El consumo másico de combustible fue determinado a través de una balanza electrónica, con resolución ± 1 gramo. En una condición estable de operación del MEP, se medía la masa de combustible consumida durante un intervalo de tiempo (120 segundos). La relación entre la masa y el tiempo para su consumo proporcionó el valor del consumo de combustible. Las propiedades físico-químicas referenciales del etanol y gasolina son mostradas enTabla 2.
La medida del consumo de aire fue obtenida a través de una placa de orificio (diámetro de 76 mm), instalada a la salida de un tanque cilíndrico. El tanque permitió amortiguar las pulsaciones de la presión del aire durante la etapa de admisión del motor, de este modo se garantizaba el flujo permanente en la placa orificio.
Para poder tomar registros de los datos de emisiones se tuvo que colocar una sonda dentro del tubo de escape, y esperar unos segundos para que el analizador de gases de fabricación AVL, modelo DIGAS 4000, leyera los datos respectivos para CO, HC, CO2, O2y factor lambda.
El monitoreo y registro de todas las señales fue realizado a través de un registrador de datos, marca Yokogawa, modelo MV1000.
Tabla 2: Valores de propiedades físico-químicas del etanol y gasolina utilizados en los cálculos del estudio [6].
Propiedad Etanol Gasolina
Fórmula molecular C2H5OH C4-C12
Composición másica de C-H-O, en % 52-13-35 86-14-0 Solubilidad en agua a 20 °C (ml / 100ml de agua) Miscible < 0.1
Poder calorífico inferior (MJ/kg) 26.8 42.9
Densidad a 20 °C (kg/m3) 790 736
Relación aire-combustible estequiométrica 9 14.7
Protocolo de pruebas
Una vez encendido el motor, se tuvo que esperar algunos minutos para que este alcance algunas condiciones adecuadas de operación, tales como, que la temperatura del refrigerante llegue hasta aproximadamente 80°C, lo cual significaba que el motor ya había calentado lo suficiente y se podían iniciar los ensayos.
La matriz de ensayos constó de 12 puntos de funcionamiento“3 velocidades x 4 torques”. Las 3 velocidades fueron 2500 rpm, 3500 rpm y 4500 rpm; mientras que los 4 torques correspondieron al 100%, 75%, 50% y 25% del valor máximo obteniendo en cada velocidad.
Para determinar el torque máximo (100%), se maniobró la palanca del acelerador del MEP (máxima apertura de la válvula mariposa de gases en la admisión); una vez fijada esta posición, se maniobró la perilla de excitación del dinamómetro y se iba aplicando freno paulatinamente hasta encontrar el régimen de giro definido por la matriz de ensayo. Determinado los valores del torque a plena carga, se procedió a calcular los respectivos torques parciales o grados de carga (75%, 50% y 25%) en cada velocidad.
realizar las pruebas con los 6 combustibles (E7.8, E10, E12.5, E15, E17.5 y E20) se garantizó una buena precisión y exactitud de los resultados.
Un análisis completo de todos los puntos de funcionamiento puede ser encontrado en la referencia [x]. Sin embargo, en el presente artículo vamos a centrarnos en los resultados a plena carga para analizar la potencia, consumo específico de combustible y rendimiento volumétrico. Asimismo, para el análisis de las emisiones se considerará solamente los resultados obtenidos 2500 rpm.
Cálculo de parámetros
La potencia efectiva que entrega el motor, depende del torque efectivo (T) y del régimen de giro del motor (n), es dada por la Ec. 1:
60000 /
2 n
T
P (1)
El consumo específico de combustible, CEC, es un parámetro que indica la razón entre el flujo de combustible (mg:gasolina y me:etanol) y la potencia desarrollada (P). Para el uso de mezclas, se determinó el
CEC aparente, donde el consumo del etanol fue corregido por la relación de poderes caloríficos del etanol y gasolina, resultando en la Ec. 2:
P m PCI PCI mCEC g e g e (2)
El rendimiento volumétrico, v,es un indicador de la capacidad de llenado del cilindro, el cual depende del
flujo másico de aire admitido en el cilindro ma y el flujo másico del aire a unas condiciones de referencias (en
nuestro caso fue considerando las condiciones de la sala de pruebas):
5 . 0 n V m a T a v
(3)
RESULTADOS
En laFig. 3se ha representado los resultados de la potencia en la condición de plena carga. La mayor potencia (~22 kW) ocurre en 3500 rpm. Con relación al uso del combustible, se observa que, de modo general, al aumentar el régimen de giro queda evidenciado una pequeña caída de la potencia observada al aumentar el porcentaje de etanol en la composición de la mezcla combustible. En 4500 rpm, por ejemplo, las máximas potencias fueron 21.1 y 19.8 kW para E7.8 y E12.5, respectivamente. Esta diferencia representó una caída de 6,3% de la potencia al usar E12.5 con respecto al E7.8.
El consumo específico de combustible a plena carga (Fig. 4) varía inversamente proporcional a la potencia efectiva generada por el motor y proporcionalmente al consumo de combustible (Ec. 2). Además, en este rango de velocidad, el CEC aumenta con el régimen de giro del motor.
En el caso particular de 2500 rpm, el CEC aumenta de 289 g/kW h para 331 g/kW h al reemplazar E7.8 por E20, con lo que se obtiene un aumento del CEC en 15% para esta velocidad; esto quiere decir, que para generar una misma potencia, los combustibles con mayor contenido de etanol necesitan quemar una mayor masa de combustible, debido al menor poder calorífico inferior del etanol en comparación a la gasolina.
aumentar el contenido de etanol en la mezcla. Al respecto, nuevas mediciones serán necesarios en este punto, con el fin de explorar en mayor detalle este resultado.
Por otro lado, en 4500 rpm, el uso de E10 y E12.5 aumentaron el CEC, mientras que el uso de E15, E17.5 y E20 prácticamente no alteraron el valor del CEC obtenido con E7.8.
Fig. 3: Potencia observada versus RPM para diferentes mezclas gasolina-etanol.
Fig. 4: Consumo específico de combustible versus RPM para diferentes mezclas gasolina-etanol.
LaFig. 5presenta los resultados del rendimiento volumétrico. De esta figura se ve que, en general, existe una tendencia a la caída del rendimiento volumétrico conforme se aumenta el régimen de giro del motor.
64% con E7.8 y E20, respectivamente, conllevando así a un aumento de 4,4% en el rendimiento volumétrico. La tendencia opuesta puede observarse en 4500 rpm, donde el rendimiento volumétrico disminuyó al existir una mayor cantidad de etanol en la mezcla combustible. Los valores del rendimiento volumétrico en este régimen fueron 51% y 49% con E7.8 y E12.5, representando una caída de 4,7 % en la capacidad de llenado del aire del motor. Este último resultado puede explicar por el hecho de que a mayor régimen de giro se hace necesario aumentar la masa de la mezcla que contiene mayor porcentaje de etanol, debido a su menor poder calorífico. Como consecuencia, la masa de aire que ingresa al motor es desplazada en la admisión.
Fig. 5: Rendimiento volumétrico versus RPM para diferentes mezclas gasolina-etanol.
En las siguientes figuras (Fig. 6yFig. 7) son presentados los resultados comparativos de las emisiones de CO y HC, al utilizar las diferentes mezclas de gasolina y etanol. Debido a las pequeñas variaciones en la potencia a 2500 rpm (Fig. 3) se decidió, por conveniente, representar las emisiones gaseosas en función de los valores medios de la potencia observada, incluyendo sus respectivas desviaciones estándar.
Como era de esperarse, las concentraciones de CO, de modo general, se redujeron considerablemente al aumentar la cantidad de etanol en la mezcla, esto se observa para todos los grados de carga (véaseFig. 6). Este efecto es debido, en parte, a que el etanol contiene más oxígeno en su composición, y por ende, en la combustión existirá mayor oxígeno para quemar combustible, es decir, habrá una combustión más completa con lo que se reduce los porcentajes emitidos de monóxido de carbono. Por ejemplo, para un grado de carga de 25% (4,87 kW) se obtuvo valores de 3.25% y 1.71% del CO con E7.8 y E20, respectivamente, resultando en una reducción del 47% de este contaminante.
Fig. 6: CO versus potencia efectiva a 2500 RPM para diferentes mezclas gasolina-etanol.
LaFig. 7 muestra la reducción de las emisiones de HC conforme se aumentó la proporción de etanol en la mezcla, cuando el régimen fue igual a 2500 rpm. A modo de ejemplo puede verse que para un grado de carga de 25% (4,87 kW) se obtienen valores de 400 ppm y 330 ppm para las mezclas de E7.8 y E20, correspondientemente. Esta diferencia representó una disminución de 18% en las concentraciones de HC.
Las bajas emisiones del CO y HC (Fig. 6 y Fig. 7) al aumentar el contenido de etanol en la gasolina demuestran la mejor eficiencia del proceso de combustión. Sin embargo, tal resultado no se refleja en el mejor aprovechamiento del combustible para producir trabajo útil (Fig. 4) por causa de los altos consumos de combustible necesarios para compensar la menor energía del combustible que posee mayor aporte volumétrico de etanol y la menor cantidad de aire introducida al motor.
CONCLUSIONES
Fue realizado el análisis del incremento del etanol en la composición de la gasolina peruana y su incidencia en el desempeño y emisiones de un motor de encendido por chispa, 4 cilindros, aplicación vehicular.
Se constató que una pequeña caída de la potencia al aumentar el porcentaje de etanol en la composición de la mezcla combustible. Este resultado, junto al mayor consumo de combustible, menor rendimiento volumétrico (menor masa de aire) y menor poder calorífico del etanol, contribuyeron al mayor consumo específico de combustible al usar E10, E15, E17.5 y E20, comparadas al E7.8 (gasolina comercial del Perú).
Por otro lado y en notable destaque, se comprobó que las emisiones de CO y HC se redujeron notoriamente a medida que se aumentó la cantidad de etanol a la mezcla, lo cual es un indicativo del mejor proceso de combustión al aumentar el contenido de etanol en la mezcla combustible.
Agradecimientos
Los autores quieren expresar su agradecimiento al personal administrativo y técnico del Laboratorio de Energía de la Pontificia Universidad Católica del Perú por su apoyo económico y logístico a este trabajo.
REFERENCIAS
1. USDA (United States Department of Agriculture), Peru’s Ethanol Production Up, Biodiesel However Tumbles, GAIN Report, 2014.
2. G. Broustail, F. Halter, Comparison of regulated and non-regulated pollutants with iso-octane/ butanol and iso-octane/ethanol blends in a port-fuel injection Spark-Ignition engine, Fuel, vol. 94, pp. 251-261, 2012. 3. G. Broustail, F. Halter, Biogasoline Options - Possibilities for Achieving High Bio-share and Compatibility
with Conventional Cars, SAE Paper, 2011-24-0111, 2011.
4. W.D. Hsieh, R.H. Chen, T.L. Wu, T.H. Lin, Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol–gasoline blended fuels, Atmospheric Environment, vol. 36, pp. 403-410, 2002.
5. F. Yüksel, The use of ethanol-gasoline blend as a fuel in an SI engine, Renewable Energy, vol. 29, pp. 1181-1191, 2004.
6. MINCETUR (Ministerio de Comercio Exterior y Turismo del Perú), Perfil del Mercado y Competitividad Exportadora de Etanol. Consulta: 27 de septiembre de 2014.
http://www.mincetur.gob.pe/comercio/otros/penx/pdfs/Etanol.pdf
