UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ESTUDIO COMPARATIVO DE LA CONTAMINACIÓN DEL
MOTOR DIÉSEL, UTILIZANDO COMBUSTIBLE
ECUATORIANO Y EXTRANJERO EN UNA RUTA DE MAYOR
TRÁFICO EN LA CIUDAD DE QUITO.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
CARLOS ALEXANDER CÁCERES PADILLA
DIRECTOR: ING. TAMAYO ÁVALOS EDWIN RAMIRO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO CÉDULA DE IDENTIDAD: 1719623348
APELLIDO Y NOMBRES: CÁCERES PADILLA CARLOS ALEXANDER
DIRECCIÓN: Cdl. Batallón Chimborazo calle “J”
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 2-621-076
TELÉFONO MOVIL: 0999890487
DATOS DE LA OBRA
TÍTULO: “Estudio comparativo de la contaminación del motor diésel, utilizando combustible ecuatoriano y extranjero en una ruta de mayor tráfico en la ciudad de Quito.”
AUTOR O AUTORES: CÁCERES PADILLA CARLOS ALEXANDER
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Quito, agosto 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
ING. EDWIN RAMIRO TAMAYO ÁVALOS
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras
propiedades, de tal manera el estudio involucró conocer la información teórica de los motores diésel, emisiones de gases de escape y protocolos de pruebas normalizados para medir gases contaminados de motores de combustión interna, así como el análisis de las propiedades de los combustibles diésel (nacional y extranjero) en relación a las emisiones de gases de escape, que se rigió a metodologías planteadas para la emisión de gases contaminantes, que luego de haber sido seleccionadas, se estableció los procedimientos y equipos para la ejecución de las pruebas de medición. Para el presente estudio se realizó las pruebas en ruta, en un vehículo con motor diésel usando combustible nacional y extranjero en una ruta de mayor tráfico en la ciudad de Quito, que debido al porcentaje de error se tomó tres medidas en los diferentes puntos de la ruta, con el objetivo de ver el aumento y disminución del porcentaje de opacidad en base a la medida estándar. Para lo cual se utilizó un equipo de medición de fuentes móviles (opacímetro), que permitió medir la opacidad de las emisiones de gases en el vehículo diésel, en el cual se realizaron las pruebas con el quipo a bordo, después se procedió a desarrollar la comparación, donde se obtuvo mediante diagramas de dispersión y variación porcentual, que el combustible diésel colombiano generó menor contaminación en relación al combustible diésel ecuatoriano, ya que en los componentes de dicho combustible (extranjero) existió el 10% de biodiesel de palma, el cual generó una variación considerable en su caracterización.
PALABRAS CLAVES:
Estudio Contaminación Diésel
Opacímetro Comparativo Fuentes móviles
ABSTRACT:
know the theoretical information diesel engines, emission of exhaust gases and protocols standard to measure contaminated internal combustion gases testing and analyzing the properties of diesel fuels (domestic and foreign) in relation to emissions of exhaust gases, which it was guided to raised methodologies for greenhouse gas emissions, which after being selected, procedures and equipment for carrying out measurement tests was established. For the present study tests were conducted on route in a vehicle with a diesel engine using domestic and foreig n fuel on a route busiest in the city of Quito, which due to the error rate three measures were taken at different points of the route in order to see the increase and decrease in the percentage of opacity based on the standard measure. For which a measuring mobile sources (opacimeter) which allowed to measure the opacity of gas emissions in diesel vehicle, in which testing equip on board were conducted was used, then he proceeded to develop the comparison , which was obtained by scatterplots and percentage change, the diesel Colombian generated less pollution compared to diesel Ecuadorian, because in the components of the fuel (foreign) existed 10% of palm biodiesel, which generated considerable variation in their characterization.
KEYWORDS Study Contamination Diesel Opacimeter Comparative
Mobile sources
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, CÁCERES PADILLA CARLOS ALEXANDER, CI 1719623348 autor del
proyecto titulado: ESTUDIO COMPARATIVO DE LA CONTAMINACIÓN DEL MOTOR DIÉSEL, UTILIZANDO COMBUSTIBLE ECUATORIANO Y EXTRANJERO EN UNA RUTA DE MAYOR TRÁFICO EN LA CIUDAD DE QUITO previo a la obtención del título de GRADO ACADÉMICO COMO
APRECE EN EL CERTIFICADO DE EGRESAMIENTO en la Universidad
Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
DECLARACIÓN
Yo CARLOS ALEXANDER CÁCERES PADILLA, declaro que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Estudio comparativo de la contaminación del motor diésel, utilizando combustible ecuatoriano y extranjero en una ruta de mayor tráfico en la ciudad de Quito”, que, para
DEDICATORIA
Este proyecto, va dedicado primeramente a Dios, que ha sido mi guía durante todo este camino de lucha constante, quien a pesar de mis errores me ha ido forjando día tras día.
A mi familia quienes siempre han estado a mí lado apoyándome, a mi madre Jacqueline quien ha sido mi motor y eje para seguir adelante, que con su ejemplo me ha dado el valor para no desmayar.
A mis abuelitos Mariana y José que han sido como mis padres y me han brindado ese calor de hogar, de igual manera que con su experiencia vivida me han ido brindado su amor a lo largo de estos años.
A mis hermanos Camila y Jonathan, que a pesar de las caídas hemos sabido darnos la mano, levantarnos y continuar en esta gran lucha que se llama vida.
AGRADECIMIENTO
Agradezco de manera especial a mis ingenieros quienes han ido guiándome, para poder avanzar en la realización de este proyecto, de igual manera a mis amigos quienes colaboraron con la realización del estudio, al igual que todas las personas quienes me dieron la mano para no rendirme y seguir adelante.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... x
ABSTRACT ...xi
1. INTRODUCCIÓN. ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 3
2.1. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 3
2.2. MOTOR DIÉSEL ... 3
2.2.1. CICLOS DE OPERACIÓN DEL MOTOR DIÉSEL... 4
2.2.1.1. Admisión. ... 4
2.2.1.2. Compresión... 4
2.2.1.3. Combustión. ... 5
2.2.1.4. Escape o Expulsión. ... 6
2.2.2. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE DIÉSEL. .. 6
2.2.2.1. Circuito de baja presión. ... 7
2.2.2.2. Circuito de alta presión. ...10
2.2.3 DESEMPENO MECANICO DEL MOTOR DIESEL. ...15
2.2.3.1. Par motor [Mm]...15
2.2.3.2. Potencia...15
2.2.3.3. Consumo de combustible. ...18
2.2.3.4. Rendimiento térmico...19
2.2.3.5. Rendimiento Mecánico...20
2.2.3.6. Rendimiento Total. ...20
2.2.3.7. Rendimiento volumétrico. ...21
2.2.3.8. Entalpia. ...22
2.2.4. EMISIONES DE GASES DE ESCAPE. ...23
ii 2.2.4.2. Descripción de los componentes que integran las
emisiones del motor diésel. ...24
2.2.5. EL COMBUSTIBLE DIÉSEL...27
2.2.5.1 Propiedades del combustible diésel. ...27
3. METODOLOGÍA. ...31
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...34
4.1 COMBUSTIBLE DIESEL DE USO AUTOMOTRIZ EN EL DISTRITO METROPOLITANO DE QUITO. ...34
4.1.1. ORDENANZA 213 DEL DISTRITO METROPOLITANO DE QUITO – CAPÍTULO VI. ...35
4.1.2. PORCENTAJE DE OPACIDAD EN EL DISTRITO METROPOLITANO DE QUITO (DMQ)...36
4.2. COMBUSTIBLE DIESEL DE USO AUTOMOTRIZ EN EL EXTRANJERO. ...37
4.2.1. GEOGRAFÍA DEL CRUDO. ...37
4.2.2. COMPONENTES QUÍMICOS DEL PETRÓLEO CRUDO. ...38
4.2.3. LAS CARACTERÍSTICAS DEL PETRÓLEO CRUDO. ...39
4.2.3.1. LA GRAVEDAD API. ...39
4.2.4. EL PROCESO DE REFINACIÓN DEL PETRÓLEO CRUDO...40
4.2.5. NORMATIVA EUROPEA DE CONTROL DE EMISIONES PARA MOTORES DIESEL. ...43
4.3. COMBUSTIBLE DIESEL DE USO AUTOMOTRIZ EN LA REPÚBLICA DE COLOMBIA. ...44
4.3.1 PORCENTAJE DE OPACIDAD EN LA REPUBLICA DE COLOMBIA...45
4.4 EQUIPOS DE MEDICION PARA EVALUACIÓN RÁPIDA DE CONTAMINANTES DE FUENTES MÓVILES. ...46
4.4.1 COMPROBADOR DE GASES DE ESCAPE DIÉSEL...46
iii
4.4.3 OPACÍMETRO. ...48
4.5. EQUIPO EMPLEADO EN LA REALIZACIÓN DE LAS PRUEBAS EN RUTA. ...51
4.6. VEHÍCULO DE PRUEBA...52
4.6.1. IMPLEMENTACION DEL EQUIPO A BORDO...54
4.7. PROTOLOCOLOS DE PRUEBAS PARA RUTAS DE ALTO TRÁFICO. ...55
4.7.1 RUTAS DE PRUEBA. ...56
4.7.1.1. Ruta 1 (sur). ...56
4.7.1.2. Ruta 2 (Norte). ...57
4.8. REALIZACION DE PRUEBAS EN RUTA. ...60
4.8.1. RUTA NORTE-SUR (COMBUSTIBLE ECUATORIANO). ...61
4.8.2. RUTA SUR-NORTE (COMBUSTIBLE ECUATORIANO). ...63
4.8.3. RUTA NORTE-SUR (COMBUSTIBLE COLOMBIANO). ...65
4.6.4. RUTA SUR-NORTE (COMBUSTIBLE COLOMBIANO). ...67
4.9. ÁNALISIS COMPARATIVO DE LAS CONDICIONES DE MANEJO Y LA OPACIDAD ENTRE COMBUSTIBLES DIESEL. ...69
4.9.1 PARÁMETROS DE MANEJO (COMBUSTIBLE ECUATORIANO, RUTA NORTE). ...69
4.9.2. PARÁMETROS DE MANEJO DE MANEJO (COMBUSTIBLE COLOMBIANO, RUTA NORTE). ...70
4.9.3. ANÁLISIS COMPARATIVO DE RESULTADOS (PARÁMETROS DE MANEJO Y CONSUMO DE COMBUSTIBLE UTILIZADOS EN LA RUTA NORTE). ...70
4.9.4. ANÁLISIS COMPARATIVO (PORCENTAJE DE OPACIDAD EN LA RUTA NORTE-SUR. ...72
4.9.5. ANÁLISIS COMPARATIVO (PORCENTAJE DE OPACIDAD EN LA RUTA SUR-NORTE. ...73
4.9.6. ANALISIS COMPRARATIVO (VARIACION PORCENTUAL EN LA RUTA NORTE-SUR). ...75
iv
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...82
5.1 CONCLUSIONES. ...82
5.2 RECOMENDACIONES. ...83
BIBLIOGRAFÍA ...84
v
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Densidad de los combustibles diésel ecuatoriano y colombiano….29 Tabla 2. Requerimientos de lubricidad para el diésel………... 30 Tabla 3. Requisitos del diésel n° 2 de bajo contenido de azufre……….35 Tabla 4. Límites máximos de opacidad de emisiones para fuentes móviles con motor de diésel (prueba de aceleración libre)………. 37
Tabla 5. Normas EN 590 para la refinación del diésel en europa 2010…….41 Tabla 6. Requisitos del diésel para uso automotriz en el extranjero, norma EN 590 y norma ASTM D 975………...42
Tabla 7. Estándares de emisiones para vehículos con motor diésel………. 44 Tabla 8. Requisitos de calidad del combustible diésel y sus mezclas con biocombustibles………... 45
Tabla 9. Límites máximos de opacidad permisibles para vehículos
accionados con diésel (acpm) en aceleración libre………... 46
Tabla 10. Ficha técnica camioneta toyota hilux diésel………..53
Tabla 11. Análisis de resultados (error porcentual y porcentaje de
opacidad en la ruta norte-sur) con combustible ecuatoriano………63
Tabla 12. Análisis de resultados (error porcentual y porcentaje de
opacidad en la ruta sur-norte) con combustible ecuatoriano………64
Tabla 13. Análisis de resultados (error porcentual y porcentaje de
opacidad en la ruta norte-sur) con combustible colombiano……… 66
Tabla 14. Análisis de resultados (error porcentual y porcentaje de
opacidad en la ruta sur-norte) con combustible colombiano……… 68
Tabla 15. Análisis comparativo de resultados (parámetros de manejo y consumo de combustible utilizados en la ruta norte con combustible
ecuatoriano y colombiano)………. 71
vi
Tabla 17. Análisis comparativo (porcentaje de opacidad en la ruta sur-norte entre combustibles diésel ecuatoriano y colombiano)………..74
Tabla 18. Análisis comparativo (diferencia de porcentaje de opacidad en la ruta norte-sur, utilizando combustible ecuatoriano y colombiano)………..75
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Motor diésel……….. 3
Figura 2. Admisión (el pistón baja y aspira aire seco)……… 4
Figura 3. Compresión (ambas válvulas cerradas, el aire aspirado es ahora comprimido)……….5
Figura 4. Combustión (el pistón produce trabajo al empujar la biela contra el cigüeñal)………..5
Figura 5. Escape (la válvula de escape está abierta)………. 6
Figura 6. Circuito de alimentación de combustible………..7
Figura 7. Circuito de baja presión diésel (componentes)………...7
Figura 8. Tuberías de baja presión……… 8
Figura 9. Estructura interna de una bomba de alimentación (simple y doble efecto)……… 9
Figura 10. Circuito de alta presión diésel del sistema common rail (componentes)………. 10
Figura 11. Bomba de inyección en línea……….11
Figura 12. Bomba de inyección rotativa de embolo axial……….12
Figura 13. Inyector de combustible………..13
Figura 14. Modelos de los orificios de las toberas……… 13
Figura 15. Sistema common rail……….. 14
Figura 16. Curvas características del motor……….. 16
Figura 17. Componentes de los gases de escape motores diésel………….24
Figura 18. Clases de hidrocarburos……….39
Figura 19. Producción natural de crudos livianos y pesados……….. 40
Figura 20. Analizador de gases diésel (MET 6.2)………. 47
Figura 21. Analizador de gases diésel (MDO 2 E xport)………...48
Figura 22. Principio de medición del opacímetro……….. 49
Figura 23. Interpretación del porcentaje de opacidad……….. 49
viii
Figura 25. Vehículo de prueba (Toyota Hilux turbo diésel 2.5l)………..52 Figura 26. Procedimiento para medir el voltaje en la fuente de energía…...54
Figura 27. Conexión de la sonda a la unidad de medición………..55
Figura 28. Conexión de la unidad de medición a la unidad de control……..55
Figura 29. Grafico ruta sur……… 56
Figura 30. Concentración vehicular. 57
Figura 31. Gráfico de la ruta norte la cual comprende la avenida
occidental………..58
Figura 32. Concentración vehicular………. 59
Figura 33. Gráfico de inclinación de la ruta (2) sentido norte -sur…………...60 Figura 34. Gráfico de inclinación de la ruta (2) sentido sur-norte…………...60 Figura 35. Análisis estadístico del porcentaje de opacidad en la ruta norte-sur con combustible ecuatoriano……… 63
Figura 36. Análisis estadístico del porcentaje de opacidad en la ruta sur-norte con combustible ecuatoriano………... 65
Figura 37. Análisis estadístico del porcentaje de opacidad en la ruta norte-sur con combustible colombiano……… 67
Figura 38. Análisis estadístico del porcentaje de opacidad en la ruta sur-norte con combustible colombiano……… 68
Figura 39. Análisis estadístico del porcentaje de opacidad en la ruta norte-sur entre combustibles diésel ecuatoriano y colombiano……….. 73
Figura 40. Análisis estadístico del porcentaje de opacidad en la ruta sur-norte entre combustibles diésel (ecuatoriano y colombiano)……… 74
Figura 41. Análisis estadístico (diferencia de porcentaje de opacidad en la ruta norte-sur, utilizando combustible ecuatoriano y colombiano)………..76
Figura 42. Análisis porcentual (variación de porcentaje de opacidad en la ruta norte-sur, utilizando combustible ecuatoriano y colombiano)………..77
Figura 43. Análisis estadístico (variación de porcentaje de opacidad en la ruta sur-norte, utilizando combustible ecuatoriano y colombiano)………..79
ix
ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1.
Aspecto del combustible diésel colombiano………88
Anexo 2.
Finalización de la ruta sur-norte con combustible colombiano……… 88
Anexo 3.
Obtención de datos de la unidad de control (opacímetro)………... 89
Anexo 4.
Menú principal de la unidad de control (opacímetro)……… 89
Anexo 5.
Menú principal de la unidad de control (opacímetro)……… 90
Anexo 6.
x
RESUMEN
xi
ABSTRACT
1
1. INTRODUCCIÓN.
El problema se presenta al momento de la refinación del crudo y como producto de esa refinación es el combustible diésel, en el Ecuador dicho combustible no cumple con las normas de calidad para la obtención de un producto con determinadas propiedades, por eso es necesario un estudio comparativo de los residuos de la combustión entre combustibles diésel tanto extranjero como ecuatoriano mediante un equipo de medición de gases que ayudará a encontrar determinados parámetros que se requiere analizar comprobando la diferencia de propiedades entre los mismos.
2 material particulado, hidrocarburos no combustionados y otros componentes en el caso del vehículo ciclo diésel, que en determinadas cantidades afecta a la salud de las personas que están expuestas a este tipo de tecnologías. («Estándares de emisión de la Unión Europea - ACEA - Aditivos para aceites de motor - The Lubrizol Corporation», s. f.).
El propósito del proyecto será determinar un estudio comparativo de la contaminación del motor diésel, utilizando combustible ecuatoriano y extranjero en una ruta de mayor tráfico en la ciudad de Quito. De igual forma se va a conocer la información teórica de los motores diésel, emisiones de gases de escape y protocolos de pruebas normalizados para medir gases contaminados de motores de combustión interna; Así como también, se va analizar las propiedades de los combustibles diésel (nacional y extranjero) en relación a las emisiones de gases de escape. De la misma manera se procederá a realizar las pruebas en ruta en un vehículo con motor diésel usando combustible nacional y extranjero, en el cual se va a desarrollar un estudio comparativo de la contaminación del motor diésel utilizando combustible nacional y extranjero. Finalmente se va analizar los resultados obtenido en el estudio para dar un juicio de valor.
3
2. MARCO TEÓRICO
En esta sección se hablara principalmente de la información teórica de los vehículos ciclo diésel, así como de sus emisiones de gases contaminantes y protocolos de prueba normalizados para medir gases contaminados de motores de combustión interna.
2.1. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
EL motor de combustión interna es una máquina, cuyo principio de funcionamiento se basa en el quemado de la mezcla aire y combustible dentro de un cilindro o cámara, para generar una fuerza adecuada que permita el movimiento lineal alternativo del pistón (Sánchez, 2008).
2.2. MOTOR DIÉSEL
El principio de funcionamiento del motor diésel se basa en el autoencendido. El aire es aspirado por el motor y luego es comprimido dentro de la cámara de compresión entre 14 y 24 veces, alcanzando temperaturas del orden de los 900 grados centígrados. En ese momento el combustible es inyectado finamente pulverizado a presiones que pueden alcanzar los 2000 bar. El combustible inyectado se inflama al mezclarse con el aire caliente y se produce la explosión que impulsa el pistón hacia abajo. A continuación en la figura 1 se puede observar el motor diésel (Sánchez, 2008).
Figura 1. Motor diésel
4
2.2.1. CICLOS DE OPERACIÓN DEL MOTOR DIÉSEL.
El motor Diésel trabaja en ciclos de dos y cuatro tiempos, siendo esta ultima la más empleada. En esta configuración, las válvulas de cada cilindro coordinan el ingreso del aire y la salida de los gases de manera adecuada para cada uno de los tiempos. Los cuatro tiempos se denominan de manera idéntica que en los motores de gasolina, pero lo que sucede en ellos es parcialmente diferente (Sánchez, 2008).
2.2.1.1. Admisión.
El pistón dentro del cilindro inicia su descenso por la acción de la inercia completa del motor, es decir, los otros pistones, el cigüeñal, el volante de inercia y el sistema que se esté impulsando con el motor. A continuación en la figura 2 se presenta el ciclo de admisión (Sánchez, 2008).
Figura 2. Admisión (el pistón baja y aspira aire seco).
(Sánchez, 2008).
2.2.1.2. Compresión.
5 inyector. La razón por la cual el combustible ingresa antes de que el pistón alcance el punto más alto, que se denomina PMS (punto muerto superior), radica en el tiempo que le toma al combustible inflamarse y liberar el máximo de energía. La presión de inyección varía mucho según los diseños, pero su rango esta entre los 350 y los 2000 bar de presión, esta presión es necesaria para que el combustible ingrese a la cámara, se pulverice y se disperse; En la siguiente figura 3 se presenta el ciclo de compresión (Sánchez, 2008).
Figura 3. Compresión (ambas válvulas cerradas, el aire aspirado es ahora comprimido).
(Sánchez, 2008).
2.2.1.3. Combustión.
En el tercer tiempo, denominado combustión, explosión o expansión, el combustible se inflama por autoencendido; En la siguiente figura 4 se presenta el ciclo de combustión (Sánchez, 2008).
Figura 4. Combustión (el pistón produce trabajo al empujar la biela contra el cigüeñal).
6
2.2.1.4. Escape o Expulsión.
Por ultimo durante el tiempo denominado escape o expulsión, el cilindro inicia nuevamente su ascenso. Al inicio de este tiempo, la válvula de escape se abre, permitiendo la salida de gases calientes sin oponer mayor resistencia. Hacia el final de este tiempo, la válvula de escape se cierra. Al inicio del nuevo ciclo, cuando se produce nuevamente la admisión, la válvula de admisión se abre y el cilindro se llena de aire fresco. Durante un ciclo motor, que cubre los cuatro tiempos, el cigüeñal ha dado dos vueltas; En la siguiente figura 5 se presenta el ciclo de escape (Sánchez, 2008).
Figura 5. Escape (la válvula de escape está abierta).
(Sánchez, 2008).
2.2.2. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE DIÉSEL.
Es el encargado de suministrar el combustible necesario para el funcionamiento del motor, pudiéndose diferenciar dos apartados fundamentales; Para el sistema de alimentación de combustible diésel existen dos partes principales:
- Circuito de baja presión.
- Circuito de alta presión.
7
Figura 6. Circuito de alimentación de combustible.
(Juan Pérez, 2011).
2.2.2.1. Circuito de baja presión.
El circuito de baja presión es el encargado de enviar el combustible desde el depósito en que se encuentra almacenado hasta el interior de la bomba de inyección; En la siguiente figura 7 se presenta el esquema del circuito de baja presión diésel (Vicente, 1987).
Figura 7. Circuito de baja presión diésel (componentes)
8
Depósito de combustible.
El depósito de combustible es el elemento donde se almacena el combustible diésel depende de su tamaño de acuerdo al vehículo, un depósito de combustible generalmente son fabricados de acero o aluminio; Constan de una cubierta, un tubo de recolección de combustible y un respiradero del tanque (Vicente, 1987).
Filtro de combustible diésel.
El combustible diésel antes de ingresar a la bomba de inyección debe estar completamente limpio; El filtro de combustible diésel tiene como objetivo principal proteger dicho sistema de inyección eliminando las impurezas presentes en el combustible que provienen de diferentes fuentes (Vicente, 1987).
Cañerías de combustible de baja presión.
Las tuberías de baja presión son fabricadas de latón o cobre, y van sujetas al chasis para evitar las vibraciones que pueden agrietarlas, se colocan de tal forma que no reciban el calor del tubo de escape; Para proteger la bomba de impurezas que contiene el gasoil, es necesario que el tubo que va del depósito a la bomba de alimentación este ligeramente inclinado hacia el deposito; Los tubos de baja presión llevan un diámetro de 8x10 o de 12x14 [mm]. A continuación en la figura 8 se presenta las tuberías de baja presión (Vicente, 1987).
Figura 8. Tuberías de baja presión.
9
Bombas de alimentación.
Sirve para aspirar combustible del depósito y suministrarlo a presión a la cámara de admisión de la bomba de inyección a través de un filtro de combustible; En la siguiente figura 9 se presenta la estructura interna de las bombas de alimentación, de doble y simple efecto («Bombas de inyección en línea», s. f.).
Figura 9. Estructura interna de una bomba de alimentación (simple y doble efecto).
(«Bombas de inyección en línea», s. f.)
Bomba de alimentación de simple efecto.
10
Bomba de alimentación de doble efecto.
Esta bomba cuenta con dos válvulas de retención adicionales que convierten la cámara de admisión y la cámara de presión de la bomba de alimentación de simple efecto, en una cámara de admisión y de presión combinadas, es decir al mismo tiempo que hace la admisión, hace también la alimentación. A cada carrera de la bomba de alimentación de doble efecto, el combustible es aspirado a una cámara, siendo impulsado simultáneamente desde la otra cámara hacia la bomba de inyección («Bombas de inyección en línea», s. f.).
2.2.2.2. Circuito de alta presión.
Este circuito recibe el combustible que proviene del circuito de baja presión; Por medio de una bomba de inyección, eleva el combustible a una presión determinada, que pasa por los inyectores que se encuentran en cada uno de los cilindros, donde son pulverizados e introducen el combustible a alta presión en las cámaras de combustión; Como se puede observar en la figura 10 (Vicente, 1987).
Figura 10. Circuito de alta presión diésel del sistema Common Rail (componentes).
(Juan Pérez, 2011).
11
Bombas de inyección.
Las bombas de inyección son un mecanismo que eleva la presión del combustible y lo envía a los inyectores, los cuales inyectan el combustible a alta presión, con la cantidad necesaria y en su determinado tiempo en los cilindros del motor; Las bombas de inyección dependen su tamaño y diseño de acuerdo a la operación del automotor ya sea tanto una bomba de inyección en línea como rotativa (Vicente, 1987) .
Bomba de inyección en línea.Las bombas de inyección en línea están formadas por un elemento de bombeo con un cilindro y un embolo de bomba por cada cilindro del motor. El embolo de bomba se mueve en la dirección de suministro por el árbol de levas accionando por el motor, y retrocede empujado por el muelle del embolo; En la figura 11, se puede observar la bomba de inyección en línea (Vicente, 1987).
Figura 11. . Bomba de inyección en línea.
12
Bomba de inyección rotativa.
La bomba de inyección rotativa de embolo axial consiste en una bomba de aletas que aspira el combustible del depósito y lo introduce en el interior de la cámara de bomba. El embolo realiza tantas carreras como cilindros del motor a de abastecer y dispone de una corredera de regulación que determina la carrera útil y dosifica el caudal de inyección; En la siguiente figura 12, se puede observar la bomba de inyección rotativa (Vicente, 1987).
Figura 12. Bomba de inyección rotativa de embolo axial.
(Bernal, 2010).
Cañerías de combustible de alta presión.
Las cañerías de combustible diésel son fabricadas con tubería de metal de alta resistencia para soportar las altas presiones de trabajo y su grosor depende del régimen de consumo del motor. (Sánchez, 2008)
Inyectores de combustible diésel.
13 de toberas determinan el tamaño de las gotas que entran en el cilindro, de forma que a mayor presión y a menor diámetro de orificio más pequeñas son las gotas pulverizadas, y mientras más pequeñas sea el tamaño de las gotas, menor es la relación de combustión a presión constante; En la siguiente figura 13, se puede observar el esquema del inyector de combustible diésel (Juan Pérez, 2011).
Figura 13. Inyector de combustible.
(Rodríguez, 2008).
Patrón de atomización.
La forma de la descarga en los orificios de la tobera del inyector se llama patrón de atomización, el cual se determina por características como el número, tamaño, longitud y ángulo de los orificios, así como también por la presión del combustible dentro del inyector; Como se puede observar en la figura 14 (Vicente, 1987)
Figura 14. Modelos de los orificios de las toberas.
(Torres, 2010).
Tobera de inyector.
14 finamente el combustible en la cámara de combustión, mientras mejor sea la pulverización, mayor es el rendimiento del motor; Existen diferentes tipos de tobera que depende de los requisitos particulares de sus cámaras de combustión, así como mantener estables las emisiones de gases y de material particulado; Los principales tipos de tobera son:
- Tobera de espiga (para motores de inyección indirecta).
- Tobera de espiga de estrangulación (donde el control del caudal depende de la carrera de la aguja).
- Toberas de orificios (para motores de inyección directa pueden tener entre 4 hasta 8 agujeros).
Alimentación common rail (crs).
Es un avance tecnológico en sistemas de alimentación ciclo diésel de inyección directa, ya que este sistema suministra a través de una bomba de inyección el combustible, por medio de una riel común a los electro inyectores, cada sistema cuenta con una bomba de alta presión, inyectores, un rail y una unidad de control electrónica, permitiendo que la presión en el common rail este siempre disponible para cualquier estado del motor, incluso a bajas revoluciones; En la figura 15 se puede observar el sistema common rail (Vicente, 1987).
Figura 15. Sistema common rail.
15
2.2.3 DESEMPENO MECANICO DEL MOTOR DIESEL.
El motor ejerce de una manera importante en el desarrollo del vehículo, en el cual se ven influenciados dos parámetros indispensables que son: el peso de la carga máxima y la pendiente critica; Debido a esto es indispensable determinar el estado mecánico y físico en el que se encuentra, mediante tres puntos claves con respecto a su análisis que son:
- Par motor y potencia.
- Consumo de combustible.
2.2.3.1. Par motor [Mm].
Es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia. En la ecuación 1 se presenta el torque que se obtendría en el volante motor sin ningún tipo de multiplicación:
𝑀𝑚 =
𝑁𝑒∙955𝑛
[1]
Donde:
Ne: potencia efectiva en CV n: régimen de giro en rpm
2.2.3.2. Potencia.
16
Potencia indicada [Ni].
En la ecuación 2 se expresa la potencia desarrollada por el fluido de trabajo en el interior del cilindro; En la figura 16 se puede observar las curvas características con respecto a la potencia.
𝑁𝑖 =𝑃𝑚𝑖 ∙𝑉ℎ ∙𝑛
30 [2]
Donde:
Pmi: presión media indicada en [Mpa]. Vh: volumen unitario en litro L
n: régimen en RPM
, l
Figura 16. Curvas características del motor.
(Juan Pérez, 2011).
Potencia en función del poder calorífico.
17 proceso de flujo estacionario y los productos se regresan al estado de los reactivos; En la ecuación 3 se presenta el poder calorífico de un combustible , que es igual al valor absoluto de la entalpia de combustión del combustible (Çengel, 2012).
𝑃𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 = ǀℎ𝑐ǀ (KJ/kg de combustible) [3]
Analizando el ciclo diésel, la potencia se genera en el tiempo de expansión de los gases, es decir a volumen constante; Es decir, el calor generado en la combustión se genera a volumen constante, como se observa en la ecuación 4 y 5 (Çengel, 2012).
Entonces:
𝑄𝑣 = 𝑊
[4]𝑃 =𝑊
𝑡 [5]
Reemplazando la ecuación 4 en 5, obtenemos:
𝑃 =𝑄𝑣
𝑡
[6]
𝑄𝑣 = 𝑛𝑥𝐶ᵥ𝑥𝛥𝑇
[7]Reemplazando la ecuación 7 en 6, obtenemos:
𝑃 =
𝑛𝑥𝐶ᵥ𝑥𝛥𝑇𝑡
[8]
Donde:
𝑃:
Potencia.18
𝐶ᵥ:
Poder calorífico del combustible.𝛥𝑇:
Variación de la temperatura.𝑡:
Tiempo2.2.3.3. Consumo de combustible.
El consumo de combustible diésel se define como la cantidad de combustible necesario para desplazarse en una longitud de vía determinada (Guzmán, 2011).
Los gases contaminantes, así como el modelo de inyector y el tipo de sistema de inyección de combustible están relacionadas con el consumo de combustible en motores diésel, el cual dependerá de los siguientes parámetros:
- Condiciones de Trabajo.
- Rendimiento del motor.
- Acoplamiento motor- transmisión.
- Resistencias externas del vehículo.
La fuerza longitudinal de las ruedas, fuerza de arrastre aerodinámico, fuerza de resistencia a la rodadura y fuerzas gravitacionales son los factores que están directamente relacionados con el consumo de combustible en los motores de combustión interna de manera dinámica y para su respectivo análisis se debe tomar muy en cuenta las resistencias externas del vehículo. (Juan Pérez, 2011).
Cabe destacar otros factores que también intervienen en el consumo de combustible que son:
- Diseño y construcción.
19 Existen dos tipos de pruebas para determinar el consumo de combustible:
- La primera es mediante pruebas dinámicas en dinamómetro, donde el valor obtenido se denomina consumo específico de combustible, el mismo que es determinado en función de las revoluciones de giro del motor (rpm).
- La segunda prueba es mediante el recorrido en ruta en función de la distancia de la ruta (vía) experimental recorrida.
El consumo cc utilizado para recorrer una distancia determinada de una vía experimental. En la siguiente ecuación 9 se puede expresar el consumo de combustible:
𝐶𝐶 = 𝑄
𝑆 [Litros/km] [9]
Donde:
Q: Consumo de combustible [litros]. S: Distancia recorrido [Km].
2.2.3.4. Rendimiento térmico.
En la ecuación 10 se presenta el rendimiento térmico, como el cociente entre la potencia indicada y la potencia térmica del combustible (Filgueira, 2015).
𝜂
𝑡𝑖=
𝑃𝑖𝑃𝑡
[10]
𝑃𝑡(𝑘𝑊) =
𝐶ℎ(𝑙 ℎ⁄ )𝜌(𝑘𝑔 𝑙⁄ )𝐸(𝑘𝐽 𝑘𝑐𝑎𝑙⁄ )𝑃𝑐 (𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔⁄ )3600 [11]
20 Donde:
𝐶ℎ: Consumo horario
𝜌: Densidad del combustible
𝐸: Equivalente mecánica del calor
𝑃𝑐: Poder calorífico del combustible
2.2.3.5. Rendimiento Mecánico.
En la ecuación 12 se representa, la potencia perdida en fricción entre las partes mecánicas en movimiento del propio motor y componentes de los distintos sistemas que lo asisten, que expresa la potencia mecánica efectiva, medida en el eje y divida para la potencia indicada. (Filgueira, 2015).
𝜂
𝑚=
𝑃𝑒𝑃𝑖
[12]
2.2.3.6. Rendimiento Total.
El rendimiento total se lo conoce como rendimiento térmico-mecánico, en la ecuación 13 se representa el producto de ambos rendimientos:
𝜂 = 𝜂
𝑚𝜂
𝑡𝑖 [13]De igual manera es la relación entre el trabajo útil en el eje motor (al volante) y aquel equivalente a la energía calorífica del combustible consumido, indica el rendimiento total. (Filgueira, 2015).
Tomando en cuenta que 1 CV h = 75 [kgm/s] x 3600 [s] = 270000 [kgm]; El consumo específico de combustible Ce [g/CVh], es el gasto de combustible para generar un trabajo efectivo de 1 CV h; En la ecuación 14 se presenta el trabajo equivalente al consumo de combustible por cada CV h vale, en [kgm]. (Filgueira, 2015).
21
- E (equivalente mecánico del calor) : 427 [kgm/kcal]
- Pc : poder calorífico del combustible [kcal/kg]
𝑊𝑒𝑞 = 427 𝐶𝑒
1000 (𝑔 𝑘𝑔)⁄ 𝑃𝑐 [14]
Rendimiento total.
𝜂 =
(270000)(1000)𝐶𝑒 𝑃𝑐 427
=
632310
𝐶𝑒 𝑃𝑐
[15]
De tal manera que el rendimiento total del motor alcanzará su valor máximo cuando el consumo específico sea mínimo.
2.2.3.7. Rendimiento volumétrico.
En la ecuación 16 se expresa el rendimiento volumétrico como la razón entre la masa de aire que está entrando en el motor en una unidad de tiempo y la masa de aire que debería entrar hasta completar el volumen de cilindrada total en las mismas condiciones atmosféricas del momento (Filgueira, 2015).
𝜂
𝑣=
𝑚𝑎𝑟𝑚𝑎𝑡
[16]
𝑚
𝑎𝑡(𝑘𝑔 ℎ
⁄ ) = 𝑉𝑐𝑖𝑙𝜌
𝑎𝑖𝑟𝑒𝑛
𝑎𝑐𝑡[17]
Donde:
𝑛𝑎𝑐𝑡 : Régimen activo que para un motor de 4 tiempos, que necesita 2 vueltas para completar un ciclo vale n/2 (v/min) (Filgueira, 2015).
𝜌
𝑎𝑖𝑟𝑒= 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝜌 =
𝑚𝑉
=
𝑀𝑃𝑅𝑇
[18]
Donde:
22 Para el caso del aire se tiene que M = 0,029 kg/mol y como R = 8.314 J/mol K, la relación M/R = 3.488x10-3 kg K/J. (Filgueira, 2015)
𝜌
𝑎𝑖𝑟𝑒(𝑘𝑔 𝑚
⁄
3) =
𝑃(𝑃𝑎)𝑇(𝐾)
3.488𝑥10
−3
=
𝑃(𝑘𝑃𝑎)𝑇 (𝐾)
3.488 [19]
2.2.3.8. Entalpia.
En un gas ideal la temperatura, volumen y presión específico se relacionan con las siguientes ecuaciones y para un gas ideal la energía interna es solo una función de la temperatura (Filgueira, 2015).
Como se lo presenta en las siguientes ecuaciones 20 y 21:
𝑃𝑣 = 𝑅𝑇
[20]
𝑢 = 𝑢𝑇
[21]Mediante la ecuación 20 y 21 de estado de gas ideal se relaciona la entalpía:
ℎ = 𝑢 + 𝑃𝑣
[22]𝑃𝑣 = 𝑅𝑇
[23]∴ ℎ = 𝑢 + 𝑅𝑇
[24]En la ecuación 25 se presenta, R como una constante y 𝑢 = 𝑢𝑇 se concluye que la entalpía de un gas ideal es sólo una función de la temperatura (Filgueira, 2015).
ℎ = ℎ(𝑇) [25]
23 a una temperatura dada 𝑢 − ℎ - 𝑐𝑝 𝑦 𝑐𝑣 de un gas ideal tiene valores fijos, no importa la presión ni volumen específico (Filgueira, 2015).
En las ecuaciones 26 y 27 se representan las derivadas:
𝑑𝑢 = 𝑐
𝑣(𝑇)𝑑𝑇
[26]𝑑ℎ = 𝑐
𝑝(𝑇)𝑑𝑇
[27]La entalpía o cambio de energía interna en un gas ideal durante un proceso que lo pasa de estado 1 a 2 (Filgueira, 2015).
Se lo calcula integrando las siguientes ecuaciones 28 y 29:
∆𝑢 = 𝑢
2− 𝑢
1= ∫ 𝑐
𝑣(𝑇)𝑑𝑇
21 [28]
∆ℎ = ℎ
2− ℎ
1= ∫ 𝑐
𝑝(𝑇)𝑑𝑇
21 [29]
Entalpia de Combustión.
Se define entalpia de combustión a la energía calorífica que se produce cuando a presión constante se combustiona en oxigeno una sustancia con la producción de anhídrido carbónico y agua. El conocimiento de las entalpias de combustión aparte de su utilización propia es importante porque provee los datos para calcular la entalpia de una reacción, aun en el caso de que no sea experimentalmente realizable.
La combustión de etanol se representa por la reacción:
𝐶₂𝐻₂𝑂𝐻(𝐼) + 30₂(g) = 2CO₂ (g) + 3H₂O (I)
Cuando se efectúa a 1 atmosfera de presión y se reduce el dato calorímetro a 298°K, pierde una cantidad de calor igual a 326,7 kcal, por tal razón se deduce que la entalpia molar de una combustión de etanol es 𝛥𝐻º298 =
−326,7 [𝐾𝑐𝑎𝑙] (Romo, 1975).
2.2.4. EMISIONES DE GASES DE ESCAPE.
24 azufre (SO2), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx) y en el caso de los vehículos diésel el material particulo (ppm), estas emisiones no solo producen daños prematuros al vehículo, sino que destruyen el medio ambiente, por tal razón se ha fabricado algunos sistemas tecnológicos que controlen el exceso de gases contaminantes y las posibles reducciones de dichos gases. (Vicente, 1987)
2.2.4.1. Componentes de los gases de escape.
Figura 17. Componentes de los gases de escape motores diésel
(Juan Pérez, 2011).
Para comenzar hablar de los componentes de las emisiones de gases tener que partir hablando sobre el aire ya que es el principal componente de la mezcla en la combustión está compuesto básicamente en un volumen determinado: por nitrógeno (N2) en un 79% y oxigeno (O2) en un 21% (Vicente, 1987).
2.2.4.2. Descripción de los componentes que integran las emisiones del motor diésel.
25 expulsadas en las emisiones de gases hacia la atmosfera, las cuales son nocivas para la salud y otras no (Rojas, 2004).
A continuación las emisiones de gases que generan los vehículos diésel:
Nitrógeno (N2).
Se trata de un componente fundamental, que alimenta el proceso de la dosificación de la mezcla en los motores diésel conjuntamente con el aire de admisión; La mayor parte del nitrógeno aspirado vuelve a salir puro en los gases de escape; sólo una parte se combina con el oxígeno para formar el óxido nítrico. (Rojas, 2004)
Oxígeno (O2).
En los motores diésel es imprescindible para el proceso de combustión, con una dosificación de la mezcla ideal, el oxígeno restante es expulsado por el sistema de escape. (Rojas, 2004)
Agua (H2O).
Principalmente es aspirado en el momento de la admisión cuando el vehículo está en la fase de calentamiento o simplemente cuando el vehículo aspira la humedad del aire; Al ser un componente innecesario es expulsado por el sistema de escape del vehículo, se lo puede visualizar sobre todo en los días más fríos, como un humo blanco que sale por el escape. (Rojas, 2004)
Dióxido de carbono (CO2).
26 atmósfera, ya que reduce su estrato, lo que conlleva a los cambios climáticos (Rojas, 2004).
Monóxido de carbono (CO).
Se produce al existir una combustión incompleta, al momento en que no existe oxigeno suficiente para completar la oxidación del carbono de los combustibles; Este componente es peligroso, ya que en bajas concentraciones del aire que respiramos, bloquea el transporte de oxigeno por parte de los glóbulos rojos afectando a la salud y en una concentración normal en el aire, se oxida al corto tiempo formando dióxido de carbono CO2 (Rojas, 2004).
Óxidos nítricos (NOx).
Se producen en los vehículos al existir alta presión, alta temperatura y exceso de oxígeno durante la combustión en el motor; Los NOx se forman mediante combinaciones de nitrógeno N2 y oxígeno O2.
Las nuevas tecnologías automotrices demandan menor consumo de combustible por ende un mayor desempeño a altas temperaturas para una mejor dosificación de la mezcla lo cual genera más ácidos nítricos y problemas a la salud principalmente al sistema respiratorio (Rojas, 2004).
Dióxido de azufre (SO2).
27 en forma de aerosoles y se produce una parte importante del material particulado secundario o fino (PM2.5) («El dióxido de azufre SO2», s. f.).
Hidrocarburos (HC).
Son producto de la combustión incompleta y forma restos no quemados del combustible, debido a la falta de oxígeno durante la combustión (mezcla rica) o también por una baja velocidad de inflamación (mezcla pobre); Se manifiestan de diferentes combinaciones y actúan de diverso modo en el organismo, algunos irritan los órganos sensoriales, mientras que otros son cancerígenos (Rojas, 2004).
Material Particulado (MP).
Son generadas en su mayor parte por los motores ciclo diésel, se presentan en forma de hollín o cenizas, debido a las zonas de baja temperatura o de baja disponibilidad de oxígeno (Rojas, 2004).
2.2.5. EL COMBUSTIBLE DIÉSEL.
El combustible diésel también denominada gasóleo o gasoil es un hidrocarburo líquido, que proviene de una fracción de petróleo que se llamada destilado, tiene una gran importancia debido a sus propiedades lubricantes y al ser más pesado es menos volátil; Está compuesto por el 75% de hidrocarburos saturados y el 25% de hidrocarburos aromáticos, se representa con la fórmula química 𝐶12𝐻23 que tienen entre 10 a 22 carbonos en su cadena (Sánchez, 2008).
2.2.5.1 Propiedades del combustible diésel.
28 físico y químicas que conforman su cuadro característico. A continuación sus propiedades principales:
Índice de cetano.
En el combustible diésel, el cetano es un indicativo de la capacidad o facilidad de ignición que corresponde al porcentaje en volumen de cetano en una mezcla de referencia con igual punto de inflamación que el carburante (hidrocarburo) sometido a prueba, mientras mayor es el porcentaje de cetano, mayor será la facilidad de ignición del combustible e indica mejor calidad (Ciria, 2014).
Punto de inflamación.
El punto de inflamabilidad de una sustancia, generalmente de un combustible, es la temperatura mínima con la que se desprenden vapores del mismo, suficientes para formar la inflamación de la mezcla al mezclarse con el oxígeno del aire, el punto de inflamabilidad del diésel es: 52 °C a 96 °C. (Ciria, 2014).
Contenido de azufre.
La reducción del límite del contenido de azufre en peso en el combustible diésel es del 0.05%; El exceso de azufre puede dañar las condiciones de funcionamiento del motor, por ende su desgate prematuro del mismo y también afectar al funcionamiento del sistema de control de emisiones (Ciria, 2014).
Densidad.
29 una mejor economía en base al combustible, además que influye en los equipos de inyección controlados mecánicamente evitando la fricción entre sus componentes móviles. En la siguiente tabla 1 se puede observar la densidad de los combustibles diésel ecuatoriano y colombiano (Ciria, 2014).
Tabla 1. Densidad de los combustibles diésel ecuatoriano y colombiano.
COMBUSTIBLE DENSIDAD
Diésel ecuatoriano 0,83 (Kg/m3)
Diésel colombiano 0,84 (Kg/m3)
(Boada, 2016).
Viscosidad.
La viscosidad es una propiedad importante al momento de hablar de pérdidas de potencia, ya que esta propiedad debe ser mínima para evitar dichas perdidas, debido a las posibles fugas que se pueden presentar tanto en la bomba de inyección como en el inyector, además también se limita la viscosidad máxima por consideraciones de tamaño del motor y las características del sistema de inyección (Ciria, 2014).
Volatilidad.
La volatilidad en el contexto de la química, la física y la termodinámica es una medida de la tendencia de una sustancia a pasar a vapor. Se ha definido también como una medida de la facilidad con que una sustancia se evapora. A una temperatura dada, las sustancias con mayor presión de vapor se evaporan más fácilmente que las sustancias con una menor presión de vapor (Ciria, 2014).
Aromáticos.
30 anillo de benceno; Los aromáticos forman PM y emisiones de hidrocarburos poli aromáticos, influyen en la temperatura de la llama y en las emisiones de NOx en el momento de la combustión (Ciria, 2014).
Lubricidad.
La lubricidad es la propiedad del diésel para deslizamiento de partes es decir el diésel funciona como lubricante para piezas móviles (bombas de inyección e inyectores) facilitando su funcionamiento y prolongando su vida útil. En la siguiente tabla 2 se puede observar los requerimientos de lubricidad de acuerdo a la normativa de Europa y la ASTM D 975 para Estados Unidos (Ciria, 2014).
Tabla 2. Requerimientos de lubricidad para el diésel. Especificaciones para
diésel
Método de determinación
de lubricidad
Límite máximo (µm)
EN 590 EN ISO 12156-1 460
ASTM D 975 ASTM D 6079 520
(Grupos Energéticos, 2010).
Poder calorífico.
31
3. METODOLOG
Í
A.
34
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En esta sección se determinara las ecuaciones que permitan realizar el análisis comparativo de la contaminación en un motor diésel con combustible ecuatoriano y colombiano en una ruta de mayor tráfico en la ciudad de Quito, se presentara las técnicas de medición del método de evaluación rápida de contaminantes de fuente móviles, su respectivo equipo de medición (opacímetro) y el porcentaje de opacidad permisible en el Distrito Metropolitano de Quito (DMQ), como en el de la Republica de Colombia, de igual manera se presentara los protocolos de prueba en ruta de alto tráfico en la ciudad de Quito; Además se expondrá la tabulación de datos respectiva a las pruebas en la ruta de mayor tráfico con los diferentes tipos de combustibles diésel, así como su porcentaje de error, tablas comparativas y otros factores que determinaran la eficiencia de las pruebas en determinada ruta y la caracterización del diésel colombiano para poder comparar su índice de cetano con el diésel ecuatoriano, de tal manera se procederá a realizar los respectivos análisis comparativos, para lo cual se utilizará un vehículo comercialmente activo como lo es la Toyota Hilux turbo diésel 2.5L año 2011, en el cual se realizaran todos los cálculos pertinentes en base a la ficha técnica emitida por el fabricante.
4.1 COMBUSTIBLE DIESEL DE USO AUTOMOTRIZ EN EL
DISTRITO METROPOLITANO DE QUITO.
35 En la siguiente tabla 3, se indican los requisitos que el Diésel 2 de bajo contenido de azufre debe cumplir (INEN, NORMA TÉCNICA ECUATORIANA Productos derivados del petróleo. Diesel. 2012).
Tabla 3. Requisitos del diésel No 2 de bajo contenido de azufre.
REQUISITOS UNIDAD MÁXIMO MÍNIMO
METODO DE ENSAYO Punto de inflamación ºC - 51 NTE INEN 1
047
Agua y sedimento % en
volumen 0,05 -
NTE INEN 1
047
Residuo carbonoso sobre el 10% del residuo de la
destilación
% en peso 0,15 - NTE INEN 1
047
Ceniza % en peso 0,01 - NTE INEN 1 047
Temperatura de destilación del
90% NTE INEN 1 047 ºC 360 -
NTE INEN 1
047
Viscosidad cinemática a 37,8%
ºC cSt 6 2,5
NTE INEN 1
047
Azufre % en peso 0,05 - NTE INEN 1 047
Corrosión a la lámina de cobre No. 3 NTE INEN 1 047
Índice de cetano calculado - - 45 NTE INEN 1 047
(INEN, NORMA TÉCNICA ECUATORIANA Productos derivados del petróleo. Diesel. 2012).
4.1.1. ORDENANZA 213 DEL DISTRITO METROPOLITANO DE QUITO – CAPÍTULO VI.
CAPÍTULO VI - Del control de la calidad de los combustibles de uso vehicular en el distrito metropolitano y la regulación de su comercialización.
SECCIÓN I
AMBITO DE APLICACIÓN
36
Art. II.382.- Para ejecutar el control en la calidad y la comercialización de los combustibles expendidos en el área de jurisdicción del Distrito Metropolitano de Quito (DMQ) se verificará que las terminales de productos limpios de petróleo (TPL), públicas o privadas, expendan a las Comercializadoras y Estaciones de Servicio ubicadas dentro del Distrito Metropolitano, y éstas a su vez al usuario final, combustibles de uso automotor que cumplan con las Normas y Reglamentos Técnicos Ecuatorianos vigentes y con la normas que emita el Municipio del DMQ:
NTE INEN 935. Derivados del petróleo. Gasolina requisitos, y NTE INEN 1489. Derivados del petróleo. Diésel requisitos. Tabla correspondiente al diésel de Bajo Contenido de Azufre. Lo pertinente de las normas técnicas señaladas se incluye en la Normas Técnicas para la Aplicación de la presente Ordenanza. .
Art. II.382.1.- Se prohíbe por tanto, en el DMQ, el expendio de combustibles de uso automotor que no cumplan con los requisitos contemplados en las Normas Técnicas y Reglamentos Ecuatorianos mencionados en el Art. II.382 (INEN, NORMA TÉCNICA ECUATORIANA Productos derivados del petróleo. Diesel. 2012).
4.1.2. PORCENTAJE DE OPACIDAD EN EL DISTRITO METROPOLITANO DE QUITO (DMQ).
Cuando se inicie luz visible sobre una sustancia y luego de pasar por la misma la intensidad que sale es menor, a esta fracción de luz resultante se le conoce como opacidad. La opacidad es representada como una magnitud derivada de la transmitancia (T) expresada en porcentaje (%). Se expresa también a través del coeficiente de absorción de luz (k) definido por la ley de Beer-Lambert, cuya unidad es m−1. La opacidad es una de las magnitudes
empleadas para evaluar y controlar la emisión de contaminantes (color de humo) de vehículos con motores ciclo diésel (Guzmán, 2011).
37 valor está dentro de los valores permisibles de opacidad de la norma NTE INEN 2207. El valor de opacidad máxima para vehículos anteriores al año 2000 es 60% y para vehículos posteriores al año 2000, la opacidad es 50% (Guzmán, 2011).
Toda fuente móvil con motor de diésel, en condición de aceleración libre, no podrá descargar al aire humos en cantidades superiores a las indicadas en la tabla 4 (Norma técnica ecuatoriana NTE INEN 2 056. Metrología. Vocabulario internacional de términos fundamentales y generales. Quito, 1998).
Tabla 4. Límites máximos de opacidad de emisiones para fuentes móviles con motor de diésel (prueba de aceleración libre).
(Norma técnica ecuatoriana NTE INEN 2 056. Metrología. Vocabulario internacional de términos fundamentales y generales. Quito, 1998).
4.2. COMBUSTIBLE DIESEL DE USO AUTOMOTRIZ EN EL
EXTRANJERO.
En esta sección se hablara de la geografía del crudo como materia prima para la refinación del diésel en el extranjero, principalmente tomando en cuenta a dos de los principales productores de crudo a nivel mundial que es el continente americano y europeo, así como también se hablará de los componentes químicos de dicho crudo, sus características, tomando en cuenta una de sus principales que es la gravedad API, al igual que su proceso de refinación y las características experimentales que contiene cada uno de dicho combustibles diésel tanto americano como europeo a nivel mundial.
4.2.1. GEOGRAFÍA DEL CRUDO.
Para entender y analizar la calidad de diésel que se van a utilizar en las diferentes regiones como América y Europa primero se analizará el origen de
Año Modelo % Opacidad
2000 y posteriores 50
38 su petróleo, es decir del petróleo del cual se deriva el diésel como tal de esto dependerá su calidad de composición. El crudo está clasificado en crudo liviano, crudo mediano y crudo pesado donde estos se subdividen en tres clases de petróleo cada uno. Las diferentes clases de crudo se darán en las diferentes regiones del mundo entero, según su geografía el petróleo variara entre pesado medio y liviano y su contenido de carbono proporcional al azufre contenido.
El crudo mientras más liviano sea más fácil será de refinar necesitara menos procesos de refinación por lo tanto menos capital de inversión para hacerlo de mejor calidad, todo lo contrario para con el crudo pesado que al ser más denso tiene cantidades de carbono y azufre en mayor grado, según las normas API (American Petroleum Institute) (DICCIONARIO ENCICLOPEDICO ILUSTRADO. OCEANO 15 EDITORIAL PRINTER COLOMBIANA LTDA. EDICION 2008 PAG: S/N).
4.2.2. COMPONENTES QUÍMICOS DEL PETRÓLEO CRUDO.
La composición principal del petróleo crudo es la molécula de hidrocarburo, y su fórmula es CH4 (metano), seguido por moléculas más grandes y complejas como el carbono hidrogeno y heteroelementos, como el azufre y nitrógeno, y de metales como el níquel y el vanadio; El petróleo crudo está compuesto por la molécula de hidrocarburo más pequeña y simple CH4 (metano) hasta las moléculas más grandes y complejas que contienen 50 o más átomos de carbono.
Las propiedades físicas y químicas de cualquier tipo de hidrocarburo o molécula dependen no sólo de la cantidad de átomos de carbono en la molécula, sino también de la naturaleza de los enlaces químicos entre ellos. Los átomos de carbono se unen fácilmente entre sí con hidrógeno y heteroátomos en diferentes formas siendo enlaces simples, dobles y triples para formar diferentes clases de hidrocarburos.
39
Figura 18. Clases de hidrocarburos.
(Revista Consultoría de HartEnergy, 2010).
4.2.3. LAS CARACTERÍSTICAS DEL PETRÓLEO CRUDO.
La valoración de los costos de refinación del petróleo crudo requiere una descripción completa del crudo y sus componentes, incluida la calificación de sus propiedades. Sin embargo, existen dos propiedades que son especialmente útiles para clasificar y comparar rápidamente los petróleos crudos: la gravedad API (medida de densidad) y el contenido de azufre.
4.2.3.1. LA GRAVEDAD API.
40 Los crudos más pesados tienen proporciones más altas de moléculas grandes, que las refinerías pueden utilizar en combustibles industriales pesados, asfalto y otros productos pesados o procesarlas en moléculas más pequeñas que se pueden utilizar en combustibles para transporte. En la industria de refinación, la densidad de un crudo se expresa generalmente en términos de gravedad API, el parámetro de medición de unidades en grados API se basa en cuanto un material sea más liviano más alto será el grado API; En la Figura 19 se muestra la calidad de un típico crudo liviano 35° API y un típico crudo pesado 25° API, en función de su producción natural de gases livianos, componentes de la gasolina y destilados (principalmente combustible pesado y diésel, y aceites pesados; La figura 19 también muestra el perfil promedio de demanda de estas categorías de productos en los países desarrollados.
Figura 19. Producción natural de crudos livianos y pesados .
(EPA, 2007)
4.2.4. EL PROCESO DE REFINACIÓN DEL PETRÓLEO CRUDO.
41 fundamentales de la refinación del petróleo, se debe empezar con el petróleo crudo.
Por fines de estudio en esta tesis se desarrollará solamente el proceso de refinación del diésel. Bajo la especificación de la norma EN 590 para la extracción del diésel de uso vehicular aprobado bajo la unión europea y la norma y la ASTM D 975 para Estados Unidos, bajo los siguientes parámetros de las siguientes tablas 5 y 6.
Tabla 5. Normas EN 590 para la refinación del Diésel en Europa 2010.
42
Tabla 6. Requisitos del diésel para uso automotriz en el extranjero, norma EN 590 y norma ASTM D 975.
(«AMF - Advanced Motor Fuels», s. f.)
43 diferentes productos en este caso nos interesa el diésel quien junto con las kerosinas y naftas van apareciendo a los 343.3 grados C.
4.2.5. NORMATIVA EUROPEA DE CONTROL DE EMISIONES PARA MOTORES DIESEL.
La normativa europea de control de emisiones para motores diésel: La normativa Europea ha sido implementada para disminuir la contribución maligna de gases de los motores a diésel. Los límites permitidos para los diferentes contaminantes esta diferenciado en dos grandes grupos:
- Ligeros: Son vehículos de pequeña cilindrada utilizados en automoción para turismos. Corresponden a la denominación en ingles de Light Duty o más comúnmente LD.
- Pesados: son vehículos de gran cilindrada utilizados para transporte de mercancías por carretera, denominamos Heavy Duty (HD).
44 claramente entre vehículos ligeros y pesados. Para los vehículos En los ligeros se aplica un único test de homologación en transitorio y para los vehículos pesados están sometidos a pruebas de homologación en transitorio y estacionario.
Tabla 7. Estándares de emisiones para vehículos con motor diésel.
(CEPAL, 2012).
4.3. COMBUSTIBLE DIESEL DE USO AUTOMOTRIZ EN LA
REPÚBLICA DE COLOMBIA.
En la República de Colombia se comercializa combustible diésel corriente y diésel extra, los cuales son de bajo contenido de azufre, se usa principalmente en motores de combustión interna y también para el campo industrial.
Este combustible obedece a la Resolución 898 de 1995, modificada por el artículo 1º de la Resolución 18 2087 de 2007, donde establecen los requisitos de calidad de los combustibles diésel y donde indica que el combustible que se comercialice en la República de Colombia, debe tener máximo 50 ppm de azufre; La mezcla con biocombustibles para uso en motores Diésel es de carácter obligatorio, de conformidad con los Decretos 2629 de Julio 10de 2007 y 4892 del 23 de diciembre de 2011, y es de un valor de 8% al 10% de biocombustible.