ESTUDIO DE LOS EFECTOS REDUCTIVOS DE EMISIONES GASEOSAS

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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.

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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 masa)

---- 34.7

Poder calorífico inferior (MJ/kg)

43 27

Calor latente (kJ/kg) 307 873

Relación aire/combustible

14.6 9

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 lasemisiones de NOx dependían de

las condiciones de operación del motor. Por otro ladoPalmer [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

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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 OTC 3710

CO 0-15 % Vol.

CO2 0-20 % Vol.

NOx 0-9999 ppm

HC 0-9999 ppm

(4)

Tipo de motor Aspiración natural – Carburado – 4 Tiempos

Cilindrada 1600 cm3

N° de cilindros 4 (horizontales opuestos)

Diámetro / carrera (85.5/85.5)mm

Relación de compresión 7.7

Potencia / régimen de giro 48.4 kW @ 4600 rpm

Sistema de enfriamiento 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

gasolina-etanol 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].

0 20 40 60 80 100 120 140

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 RPM

N

o

x

(

p

p

m

)

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.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 RPM

C

O

(

%

v

o

l)

(5)

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

( )

2 5 3 2 3.76 2 2 2 3 2 11.28 2

C H OH+ O + N → CO+ H O+ N (1)

Gasolina

( )

8 15 11.75 2 3.76 2 8 2 7.5 2 44.18 2

C H + O + N → CO + H O+ N (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.

10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 RPM

C

O

2

(

%

v

o

l)

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

(6)

0 1 2 3 4 5 6 7

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 RPM

O

2

(

%

v

o

l)

Gasolina E-5 E-10 E-15

Figura 5. Influencia de la mezcla gasolina-etanol sobre la emisión de O2en 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 operacióndel motor bajo condición de carburación fija, el cual

presentaba una operación anormal con dicho combustible.

0 400 800 1200 1600 2000 2400

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 RPM

H

C

(

p

p

m

)

Gasolina E-5 E-10 E-15

Figura 6. Influencia de la mezcla de etanol en la gasolina, en la emisión de HCen 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. El empleo de mezclas de gasolina-etanol resulta en una reducción considerable en las emisiones

contaminantes de los gases de escape de los MCIA.

2. 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.

(7)

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

.

REFERENCIAS

[1] Oscar E. Piamba Tulcán, Oscar F. Arias Collazos. Desempeño de motor utilizando como

combustible mezcla de etanol anhidro y gasolina en relación de 10% en volumen E10. 8° Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica; Octubre 2007.

[2] S.H. El-Emam, A.A. Desoky, A study on the combustion of alternative fuels in spark-ignition

engines, International Journal of Hydrogen Energy 10 (7–8) (1985) 497–504.

[3] V.A. Zvonov, Technical, economical, and ecological characteristics of methanol application as a

fuel for internal combustion engines, Fuel and Energy Abstracts 37 (3) (1996).

[4] Fikret Yüksel, Bedri Yüksel, The use of ethanol–gasoline blend as a fuel in an SI engine,

Renewable Energy 29 (7) (2004) 1181–1191.

[5] F. Rosillo-Calle; Cortez L. A. B. Towards Proalcool II a Review of The Brazilian Bioethanol

Programme. Biomass and Bioenergy Vol. 14, No. 2, pp. 115-124, 1998.

[6] Williard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine, 2nd Edition.

2004. Pearson Prentice-Hall.

[7] Palmer FH. Vehicle performance of gasoline containing oxygenates, paper C319/86. In:

International Conference on Petroleum Based Fuels and Automotive Applications. London: I. Mech. E Conf. Publication 1986-11, MEP; 1986.

[8] Bata RV, Roan VP. Effects of ethanol and/or methanol in alcohol–gasoline blends on exhaust

emission. J Engng Gas Turb Power, Trans ASME 1989; 111(3):432–8.

[9] Taljaard HC, Jaardaan CFP, Both JJ. The effect of oxygen content in different oxygenates gasoline

blends on performance and emission in a single cylinder, spark ignition engine. SAE 91037, 1991. [10] Taylor, A.B., Moran, D.P., Bell, A.J., 1996. Gasoline/alcohol blends: exhaust emissions,

performance and burn-rate in a multi-valve production engine. SAE paper 961988, pp. 143–160. [11] Hsieh, W.D., Chen, R.H., Wu, T.L., Lin, T.H., 2002. Engine performance and pollutant emission

of an SI engine using ethanol–gasoline blended fuels. Atmospheric Environment. [12] http://www.ethanolacrossamerica.net/pdfs

[13] http://www.dof.gob.mx. Ley de promoción y desarrollo de los bioenergéticos.

[14] Coelho, E.P.D., Moles, C.W., Marco Santos, A.C., Barwick, M., Chiarelli, P.M., 1996. Fuel injection components developed for Brazilian fuels. SAE Paper 962350.

[15] Naegeli, D.W., Lacey, P.I., Alger, M.J., Endicott, D.L., 1997. Surface corrosion in ethanol fuel pumps. SAE Paper 971648.

[16] Wei-Dong Hsieh, Rong-Hong Chen, Tsung-Lin Wu, Ta-Hui Lin, Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol–gasoline blended fuels. Atmospheric Environment 36 (2002) 403–410

Figure

Tabla 2. Características del motor de combustión interna

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Características del motor de combustión interna p.3
Figura 1. Diagrama esquemático de la instalación experimental.

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Figura 2. Influencia de la mezcla gasolina-etanol sobre la emisión de NO x  en función del régimen de giro

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Tabla 3. Características del analizador de gases

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Figura 4. Influencia de la mezcla gasolina-etanol sobre la emisión de CO 2  en función del régimen de giro

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Figura 5. Influencia de la mezcla gasolina-etanol sobre la emisión de O2 en función del régimen de giro

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Figura 6. Influencia de la mezcla de etanol en la gasolina, en la emisión de HC en función de las rpm del

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Influencia de la mezcla de etanol en la gasolina, en la emisión de HC en función de las rpm del p.6

Referencias

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