Evaluación global del funcionamiento de un motor con un sistema de combustible dual

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(1)Evaluación global del funcionamiento de un motor con un sistema de combustible dual. CAMILO IDARRAGA MANRIQUE. Asesor RAFAEL BELTRAN ME, MSc JOSE IGNACIO HUERTAS ME, MSc, Phd. Tesis presentada a La Universidad de los Andes como requisito parcial de grado Programa de Pregrado en Ingeniería Mecánica. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTA MAYO 2003.

(2) A mis padres por su incondicional apoyo e infinita paciencia...........

(3) IM-2003-I-22. Las pruebas mencionadas en este trabajo fueron llevadas a cabo por el grupo de investigación en combustión y conversión de energía del CITEC, bajo la dirección de José Ignacio Huertas ME, MSc, PhD. Como autor de la presente tesis participé activamente durante el desarrollo y posterior análisis de los resultados de estas pruebas. Autorizo a la Universidad de los Andes para que esta tesis sea prestada a otras instituciones o personas para propósitos de investigación solamente. También autorizo a la Universidad de los Andes para que este documento sea fotocopiado en su totalidad o en parte por otras instituciones o personas con fines de investigación solamente.. ii.

(4) IM-2003-I-22. Agradecimientos Deseo agradecer a las siguientes personas que me brindaron su apoyo para la realización de este trabajo de tesis. José Ignacio Huertas ME, MSc, PhD, por su decidido envolvimiento en este proyecto desde su comienzo y por guiarme siempre durante su desarrollo y análisis. Rafael Beltrán ME, MSc, por darme la oportunidad de involucrarme con este interesante tema y ofrecerme las herramientas para hacer un buen trabajo. Alexander Valencia ME, MSc, porque gracias a su gran disposición y amplios conocimientos se llevaron a cabo con éxito las pruebas y fue posible el análisis de los resultados. Todos los integrantes del Grupo de Investigación en Combustión y Conversión de Energía, por su y amable colaboración e incondicional disposición. Mauricio Ramos ME y todo el departamento de mantenimiento de Ciudad Limpia E.S.P., por poner a nuestra disposición todo lo necesario para las pruebas y por su gran paciencia.. iii.

(5) IM-2003-I-22. Resumen Este trabajo se centra en la realización de la evaluación de los aspectos más importantes para el correcto funcionamiento de un motor de un vehículo de recolección de basura que puede funcionar exclusivamente con combustible diesel o con una mezcla de diesel y gas natural. Este por lo tanto es un motor con un sistema de combustible dual. Entre los aspectos más importantes para el correcto funcionamiento del motor se encuentran su capacidad de aceleración, la cantidad y calidad de emisiones contaminantes que arroja al ambiente, tanto en los gases de escape como de ruido, su consumo de combustible y costos de operación relacionados con el consumo de combustible e intervalos de cambio de aceite lubricante de motor. Adicionalmente, fue necesario investigar sobre la trayectoria de este tipo de vehículos en el país, visitar a sus representantes comerciales, revisar la normativa vigente propuesta por las autoridades ambientales de la ciudad, el país y el mundo, analizar el daño producido al ambiente y a la salud humana por parte de los gases de las emisiones contaminantes, así como las composiciones del gas natural para vehículos, el efecto que esto produce en el funcionamiento de los motores, los posibles modos de almacenamiento del gas natural en los vehículos y las características de los sistemas de combustible duales y los motores dedicados a gas natural. Por ultimo, se hicieron recomendaciones y se sacaron conclusiones acerca de lo observado durante la ejecución del proyecto.. iv.

(6) IM-2003-I-22. Tabla de Contenido Agradecimientos ........................................................................................................iii Resumen .................................................................................................................. iv Tabla de Contenido.................................................................................................... v Tabla de Fotos .......................................................................................................... ix Lista de Figuras ......................................................................................................... x Lista de Tablas.......................................................................................................... xi Lista de Gráficas ......................................................................................................xiv Capítulo 1 Introducción y Objetivos ......................................................................... 19 1.1. Introducción ................................................................................................ 18. 1.2. Objetivos.......................................................................................................21. 1.2.1. Objetivo General........................................................................................21. 1.2.2. Objetivos Específicos............................................................................... 21. Capítulo 2 Generalidades del Gas Natural y la Contaminación Ambiental...............22 2.1. El gas natural y el sector transporte en Colombia........................................ 22. 2.2. Efectos de los gases contaminantes en la salud humana y el medio ambiente.........................................................................................................25. 2.2.1. Monóxido de Carbono.................................................................................25. 2.2.2. Oxidos de Nitrógeno....................................................................................25. 2.2.3. Dióxido de Azufre ....................................................................................... 26. 2.2.4. Material Particulado .................................................................................... 27. 2.2.5. Ozono ......................................................................................................... 27. 2.2.6. Hidrocarburos no-metánicos....................................................................... 28. 2.3. Normativa vigente ......................................................................................... 28. 2.3.1. Normativa vigente en Colombia.................................................................. 29. 2.3.2. Normativa vigente en el mundo ................................................................. 35. 2.3.2.1. Normativa de Estados Unidos..................................................................35. 2.3.2.2. Normativa de la Unión Europea .............................................................. 38. 2.3.2.3. Normativa de Japón ................................................................................ 40 v.

(7) IM-2003-I-22. 2.4. Motores con sistema de combustible duales y motores dedicados...............42. 2.4.1. Sistemas de combustible duales................................................................42. 2.4.1.1. Sistema de combustible dual del vehículo a evaluar................................45. 2.4.2. Motores dedicados.....................................................................................48. 2.4.3. Comparación sistema de combustible dual vs. motor dedicado..................49. 2.5. Efectos de las variaciones de composición del gas natural sobre la operación, rendimiento y emisiones contaminantes de los NGVs...................................50. 2.5.1. Estándares y pruebas disponibles para el gas natural................................52. 2.5.2. Efectos de la calidad del gas natural en motores........................................53. 2.6. Almacenamiento de gas natural a bordo de los NGVs...................................53. 2.7. Ventajas e incentivos económicos para los NGVs .......................................56. Capítulo 3 Estudio Basado en el Vehículo Recolector de Basura............................58 3.1. Pruebas realizadas........................................................................................58. 3.2. Características técnicas del vehículo recolector de basura...........................59. 3.3. Condiciones ambientales y tipo de combustible en Bogotá...........................60. 3.4. Organización de las pruebas realizadas........................................................63. Capítulo 4 Desempeño..............................................................................................64 4.1. Prueba de aceleración en plano....................................................................65. 4.1.1. Objetivo .......................................................................................................65. 4.1.2. Descripción de la prueba ............................................................................65. 4.1.3. Equipo de medición.....................................................................................66. 4.1.4. Resultados obtenidos .................................................................................66. 4.2. Prueba de aceleración en pendiente.............................................................69. 4.2.1. Objetivo ......................................................................................................69. 4.2.2. Descripción de la prueba ............................................................................69. 4.2.3. Equipo de medición....................................................................................71. 4.2.4. Resultados obtenidos..................................................................................71. 4.3 4.3.1. Temperatura del motor..................................................................................74 Objetivo ......................................................................................................74 vi.

(8) IM-2003-I-22. 4.3.2. Descripción de la prueba ........................................................................... 74. 4.3.3. Equipo de medición .................................................................................... 74. 4.3.4. Resultados obtenidos ................................................................................. 74. 4.4. Conclusiones ................................................................................................. 77. Capítulo 5 Emisiones................................................................................................79 5.1. Opacidad........................................................................................................ 81. 5.1.1. Objetivo...................................................................................................... 81. 5.1.2. Descripción de la prueba ........................................................................... 81. 5.1.3. Equipo de medición ................................................................................... 81. 5.1.4. Normativa vigente ...................................................................................... 83. 5.1.5. Resultados obtenidos ................................................................................ 83. 5.2. Emisiones gasesosas en condiciones dinamicas .......................................... 84. 5.2.1. Objetivo...................................................................................................... 84. 5.2.2. Descripción de la prueba ........................................................................... 85. 5.2.3. Ciclo de trabajo .......................................................................................... 85. 5.2.4. Medición del flujo de gases......................................................................... 87. 5.2.5. Equipo de medición .................................................................................... 89. 5.2.6. Normativa vigente ....................................................................................... 90. 5.2.7. Resultados obtenidos con el sistema de alimentación diesel ..................... 91. 5.2.8. Resultados obtenidos con el sistema de alimentación dual........................ 94. 5.2.9. Emisiones en ralentí ................................................................................... 96. 5.2.10 Indices de emisión ...................................................................................... 97 5.3. Emisiones sonoras....................................................................................... 100. 5.3.1. Objetivo..................................................................................................... 101. 5.3.2. Descripción de la prueba .......................................................................... 101. 5.3.3. Equipo de medición .................................................................................. 102. 5.3.4. Normativa vigente ..................................................................................... 103. 5.3.5. Resultados obtenidos ............................................................................... 103. 5.4. Conclusiones ............................................................................................... 107 vii.

(9) IM-2003-I-22. Capítulo 6 Costos de Operación…………………………………..……………………109 6.1. Prueba de consumo de combustible ...........................................................110. 6.1.1. Objetivo .....................................................................................................110. 6.1.2. Descripción de la prueba...........................................................................110. 6.1.3. Medición del consumo de combustible......................................................110. 6.2. Consumo de combustible con el sistema diesel...........................................113. 6.3. Consumo de combustible con el sistema dual .............................................113. 6.4. Comparación sistema diesel vs. sistema dual..............................................116. 6.5. Costos de mantenimiento.............................................................................119. 6.6. Conclusiones................................................................................................120. Capítulo 7 Importancia del Aceite Lubricante..........................................................122 7.1. Generalidades del aceite lubricante.............................................................122. 7.2. Análisis pertinentes......................................................................................124. 7.2.1. Viscosidad cinemática................................................................................124. 7.2.2. Número básico total....................................................................................124. 7.2.3. Contenido de cenizas.................................................................................125. 7.3. Análisis del aceite como herramienta en el mantenimiento preventivo........126. Capítulo 8 Conclusiones y Recomendaciones........................................................130 8.1. Sistemas de alimentación de combustible .................................................130. 8.2. Aceleración en plano..................................................................................131. 8.3. Aceleración en pendiente ...........................................................................132. 8.4. Temperatura de operación del motor .........................................................132. 8.5. Opacidad ....................................................................................................133. 8.6. Emisión de gases contaminantes en condiciones dinámicas.....................133. 8.7. Nivel de ruido en el vehículo ......................................................................134. 8.8. Consumo de combustible ...........................................................................135. 8.10. Recomendaciones......................................................................................136. Referencias ............................................................................................................138. viii.

(10) IM-2003-I-22. Lista de Fotos Foto. Título. 1a,b,c Cilindros de almacenamiento de GasNatural Comprimido (CNG) a. Página 46. bordo del vehículo. 2. Regulador de presión mecánico.. 47. 3. Roceador de gas.. 48. 4. Panorámica del camión de recolección de basura dual de Ciudad. 60. Limpia. 5. Emisión de gases contaminantes del camión de Ciudad Limpia. 87. cuando inicia la aceleración. 6. Medición de ruido dinámico realizado al camión de recolección de. 102. basura de Ciudad Limpia. B1. Proceso de desmontaje de la culata del motor.. B1. B2. Leva y seguidor averiados.. B1. B3. Culata desmontada.. B2. B4. Detalle de la leva “picada”, cuando el eje de levas permanecía. B2. montado en el motor. B5. Detalle de la leva “picada”.. B3. ix.

(11) IM-2003-I-22. Lista de Figuras. Figura. Título. Página. 1. Motor Caterpillar con sistema de combustible dual.. 45. 2. Motor Cummins dedicado a gas natural.. 49. 3. Esquema del método utilizado para medir la pendiente de la. 70. carretera. 4. Datos utilizados para encontrar la pendiente de la carretera.. 70. 5. Ilustración del opacímetro utilizado en las pruebas de. 70. opacidad. 6. Ilustración del montaje del tubo de Pitot y sonda de muestreo. 88. del analizador de gases. A1. Ilustración del sistema de conexiones. x. A3.

(12) IM-2003-I-22. Lista de Tablas. Tabla 1. Título Normas de emisión permisibles para fuentes móviles a Diesel. Página 31. importadas a partir del año 1997. 2. Normas de emisión de fuentes móviles a gasolina y diesel a partir. 32. del año modelo 1998. 3. Niveles permisibles de opacidad de humos para fuentes móviles a. 33. Diesel. 4. Niveles de ruido máximos permisibles para vehículos.. 34. 5. Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga. 36. pesada año modelo 1988-2003, gr/bhp-hr. 6. Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga. 37. pesada año modelo 2004-2007, gr/bhp-hr. 7. Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga. 37. pesada año modelo 2007 y posteriores, gr/bhp-hr. 8. Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga. 38. pesada que utilizan combustibles limpios. 9. Estándares de emisiones de la Unión Europea para motores diesel. 38. de carga pesada, gr/kW-hr. 10. Estándares de emisión para motores diesel y gas natural de carga. 39. pesada, ciclo ETC, gr/kW-hr. 11. Estándares de emisiones para vehículos de carga pesada con. 41. motores diesel, peso bruto vehicular (GVW) > 2500 Kg (>3500 Kg a partir de 2005). 12. Comparación entre las dos posibilidades de uso de gas natural en vehículos de carga pesada. xi. 49.

(13) IM-2003-I-22. 13. Conjunto de pruebas para evaluar el desempeño mecánico del. 58. vehículo. 14. Conjunto de pruebas para verificar el desempeño ambiental del. 59. vehículo. 15. Prueba para determinar los consumos de combustible del. 59. vehículo. 16. Características técnicas del camión de Ciudad Limpia.. 59. 16ª. Características ambientales de Bogotá, lugar donde se realizaron. 61. las pruebas. 17. Composición volumétrica en porcentaje del gas natural en Colombia según. 61. ruel ROL.. 18. Propiedades del gas natural en Colombia según. ruel ROL.. 62. 19. Composición volumétrica del gas natural utilizado en las pruebas.. 62. 20. Propiedades del gas natural usado en las pruebas.. 62. 21. Características técnicas de la quinta rueda utilizada.. 66. 22. Comparación de resultados obtenidos durante las pruebas de. 68. aceleración en plano. 23. Características del lugar donde se llevaron a cabo las pruebas de. 69. capacidad de aceleración en pendiente del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia. 24. Comparación de resultados obtenidos durante las pruebas de. 71. aceleración en pendiente. 25. Características técnicas del sensor de temperatura LM35.. 74. 26. Temperatura en el múltiple de admisión del motor del camión de. 77. Ciudad Limpia durante las pruebas de aceleración en plano y en pendiente. 27. Pruebas realizadas al vehículo para evaluar su desempeño ambiental. xii. 80.

(14) IM-2003-I-22. 28. Características técnicas del opacímetro Lucas YDA 309.. 82. 29. Comparación de resultados obtenidos durante las pruebas de. 84. opacidad. 30. Características del ciclo de trabajo para determinar el consumo de. 86. combustible del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia. 31. Características técnicas del analizador de gases Testo 300 M-I.. 89. 32. Valores promedio de las emisiones contaminantes en ralentí del. 97. camión. 33. Indices de emisión obtenidos durante la prueba dinámica de. 99. emisiones. 34. Especificaciones técnicas del sonómetro. ruel & Kjaer Tipo 2231.. 35. Comparación entre los valores promedio de emisiones sonoras. 102 106. obtenidas según el tipo de alimentación de combustible y de prueba realizada. 36. Especificaciones técnicas de la balanza Toledo KCC100-2.. 111. 37. Densidad de los combustibles utilizados.. 112. 38. Características de los combustibles utilizados durante las pruebas. 115. de consumo de combustible. 39. Comparación en consumo de combustible de los sistemas de. 117. alimentación. 40. Propiedades del aceite Mobil Delvac MX 15W/40.. 128. 41. Pruebas propuestas para el aceite usado.. 128. 42. Intervalos de kilometraje propuestos para realizar las pruebas.. 129. A1. Ciclo para la prueba de consumo de combustible.. A4. xiii.

(15) IM-2003-I-22. Lista de Gráficas Gráfica. Título. Página. 1. Evolución de la velocidad durante las pruebas de aceleración. 67. en plano, con el vehículo operando en ambas modalidades y con la primera calibración realizada. 2. Evolución de la velocidad durante las pruebas de aceleración. 67. en plano, con el vehículo operando en ambas modalidades y con la segunda calibración realizada. 3. Evolución de la velocidad durante las pruebas de aceleración. 72. en la pendiente 2, operando en ambas modalidades y con la primera calibración. 4. Evolución de la velocidad durante las pruebas de aceleración. 72. en la pendiente 4, operando en ambas modalidades y con la segunda calibración. 5. Comportamiento de la temperatura en el múltiple de admisión. 75. del camión de Ciudad Limpia durante las pruebas de aceleración en plano. 6. Comportamiento de la temperatura en el múltiple de admisión. 76. del camión de Ciudad Limpia durante las pruebas de aceleración en pendiente. 7. Porcentaje de opacidad medido en el camión de recolección. 83. de basura de Ciudad Limpia. 8. Ciclo de trabajo bajo el cual se determinó el consumo de. 86. combustible del vehículo. 9. Evolución típica de la temperatura de los gases de escape durante el desarrollo de las pruebas de emisiones con el sistema diesel. xiv. 91.

(16) IM-2003-I-22. 10. Evolución típica de la velocidad de los gases de escape. 92. durante el desarrollo de las pruebas de emisiones con el sistema diesel. 11. Evolución típica de la concentración de CO en los gases de. 92. escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el sistema diesel. 12. Evolución típica de la concentración de NO en los gases de. 93. escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el sistema diesel. 13. Evolución típica de la concentración de NOx en los gases de. 94. escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el sistema diesel. 14. Evolución típica de la concentración de CO en los gases de. 95. escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el sistema dual. 15. Evolución típica de la concentración de NO en los gases de. 95. escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el sistema dual. 16. Evolución típica de la concentración de NOx en los gases de. 96. escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el sistema dual 17. Indices de emisión de CO del camión de recolección de. 98. basura de Ciudad Limpia cuando opera con los dos sistemas de alimentación de combustible. 18. Indices de emisión de NOx del camión de recolección de. 98. basura de Ciudad Limpia cuando opera con los dos sistemas de alimentación de combustible. 19. Resultados de la prueba de medición de ruido estático en la cabina del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia xv. 104.

(17) IM-2003-I-22. con el “toma-fuerza” desactivado. 20. Resultados de la prueba de medición de ruido estático en la. 104. cabina del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia con el “toma-fuerza” desactivado. 21. Resultados de la prueba de medición de ruido estático al. 105. exterior del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia con el “toma-fuerza” desactivado. 22. Resultados de la prueba de medición de ruido estático al. 105. exterior del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia con el “toma-fuerza” activado 23. Resultados de la prueba de medición de ruido dinámico del. 106. camión de recolección de basura de Ciudad Limpia. 23a. Consumo de combustible del Camión de Ciudad Limpia. 113. durante las pruebas de consumo de combustible con el sistema diesel, expresado en kilómetros recorridos por galón consumido. 24. Consumo de combustible del Camión de Ciudad Limpia. 115. durante las pruebas de consumo de combustible con el sistema. dual,. expresado. en. galones. equivalentes. de. combustible diesel. 25. Consumo de combustible del Camión de Ciudad Limpia. 116. durante las pruebas de consumo de combustible con el sistema dual, expresado en kilómetros recorridos por galón de diesel equivalente consumido. 26. Energía requerida por el camión para realizar el ciclo de. 117. conducción establecido durantes las pruebas de consumo de combustible, con los dos sistemas de alimentación. 27. Comparación en el consumo de combustible del camión cuando. utiliza. los. dos. sistemas xvi. de. alimentación. de. 118.

(18) IM-2003-I-22. combustible, en términos de kilómetros recorridos por galón diesel equivalente. 28. Comparación en el consumo de combustible del camión cuando. utiliza. los. dos. sistemas. de. alimentación. 118. de. combustible, en términos de pesos gastados por kilómetro recorrido. 29. Número TBN contra porcentaje en peso de azufre en el combustible diesel.. xvii. 125.

(19) IM-2003-I-22. Lista de Abreviaciones Utilizadas NGV...........................Abreviatura inglesa para los vehículos que utilizan gas natural. NOx................................................Abreviatura química para los óxidos de nitrógeno. PM..............................Abreviatura inglesa para el material particulado contaminante. CO................................................Abreviatura química para el monóxido de carbono. NMHC................................Abreviatura inglesa para los hidrocarburos no-metánicos. CNG............................................Abreviatura inglesa para el gas natural comprimido. LNG....................................................Abreviatura inglesa para el gas natural licuado. ANG...............................................Abreviatura inglesa para el gas natural adsorbido. SAE........................Abreviatura inglesa para la sociedad de ingenieros automotrices. ISO.................Abreviatura inglesa para la organización internacional de estándares. ASTM......Abreviatura inglesa para la sociedad americana de pruebas de materiales. DAMA..................Abreviatura para el departamento técnico administrativo del medio ambiente. FTP.............................Abreviatura inglesa para el procedimiento federal de pruebas. ECE.....................Abreviatura inglesa para la comisión europea del medio ambiente. EPA...............Abreviatura inglesa para la agencia de protección del medio ambiente. LEV..................................Abreviatura inglesa para los vehículos de bajas emisiones. ECU....................................Abreviatura inglesa para la unidad de control electrónico. TBN......................................….......Abreviatura inglesa para el numero total básico. xviii.

(20) IM-2003-I-22. Capítulo 1 Introducción y Objetivos. 1.1 Introducción La empresa Ciudad Limpia E.S.P. se dedica a la recolección de parte de los desechos que se producen cada día en la ciudad de Bogota. Esta compañía cuenta con una flotilla de vehículos para transportar estos desechos desde sus lugares de origen hasta los basureros y rellenos sanitarios establecidos por el distrito. Un vehículo de recolección de basura, recorre en promedio 170 kilómetros al día, esta distancia es bastante considerable si se tiene en cuenta que estos vehículos al ser clasificados como de carga pesada, no solo consumen grandes cantidades de combustibles sino que a su vez, contribuyen de manera importante a la contaminación del aire de la ciudad. En 1998, la compañía Transgascol S.A. ofreció a Ciudad Limpia, la instalación de un sistema de combustible dual, que permite el uso de gas natural y diesel durante la combustión, en uno de sus vehículos de recolección, para mostrar sus bondades ambientales y económicas. Esa instalación se llevo a cabo en un camión modelo 1995 que contaba en ese momento con 194,000 Km de operación. Luego de su instalación, Transgascol ofreció llevar a cabo unas pruebas que garantizaran la puesta a punto del camión mediante la evaluación de su potencia, torque, capacidad de aceleración, consumo de combustible, tasas de sustitución de 19.

(21) IM-2003-I-22. diesel por gas natural durante la combustión, costos de operación y análisis de muestras de aceite. [1] Las pruebas fueron realizadas de manera satisfactoria y desde entonces el camión entró a operar nuevamente dentro de su ruta de recolección de basura habitual. Desde entonces se han presentado una serie de averías anormales en el motor, dentro del mantenimiento previsto para un vehículo de estas especificaciones, además el sistema de combustible dual ha sido inspeccionado, mantenido y recalibrado por un taller autorizado por Transgascol. Adicionalmente se han presentado problemas en el abastecimiento del gas natural debido a que no se ha podido tramitar un sistema de crédito con la estación de servicio más cercana, para cancelar el consumo de gas mensualmente y no por tanqueada como se debe hacer en la actualidad. Durante estos intervalos de danos, reparaciones y problemas de abastecimiento, no se tiene la cuenta, ni la duración exacta de las oportunidades en que el vehículo ha dejado de operar con el sistema dual y ha operado exclusivamente con diesel. Por lo tanto el departamento de mantenimiento de Ciudad Limpia, no ha podido comprobar los beneficios económicos propuestos por el instalador del sistema de combustible, ha incurrido en cuantiosas reparaciones y tiene quejas por parte de los conductores del vehículo sobre posibles pérdidas de potencia. Este trabajo se basa en la necesidad de corroborar los resultados mostrados por la empresa instaladora del sistema de combustible dual, mediante una serie de consultas, pruebas, conclusiones y recomendaciones vistas únicamente desde el lado de la ingeniería y que no tienen intereses comerciales.. 20.

(22) IM-2003-I-22. 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo General Observar, evaluar y comparar el desempeño mecánico, energético y ambiental de un motor con un sistema de combustible dual, durante su funcionamiento con combustible diesel y durante su funcionamiento con combustible diesel y gas natural. 1.2.2 Objetivos Específicos •. Determinar los niveles de gases contaminantes emitidos al aire por el motor, tales como oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2), óxidos de nitrógeno (NOx), y monóxido de carbono (CO).. •. Determinar los niveles de opacidad y emisión de ruido.. •. Comparar los resultados obtenidos con la normativa ambiental vigente en Bogota D.C. y comparar normativa vigente en Colombia con la vigente en el mundo.. •. Determinar el consumo de combustible e interpretarlo desde el punto de vista económico y el punto de vista energético.. •. Confirmar la importancia del papel que tiene el aceite lubricante del motor, como herramienta durante el mantenimiento preventivo y como costo fijo durante la vida útil del motor.. 21.

(23) IM-2003-I-22. Capítulo 2 Generalidades del Gas Natural y la Contaminación Ambiental. 2.1. El gas natural y el sector transporte en Colombia. El sector transporte en Colombia ocupa el segundo puesto en importancia sobre el consumo total de energía final y uno de los mas contaminantes a nivel ambiental. [2] Dada esta gran demanda energética por parte de este sector, la cual también tiene una gran incidencia en la economía, se ha buscado durante los últimos años en Colombia métodos para hacer más eficiente el consumo de combustible, combustibles alternativos con mayores eficiencias energéticas que los combustibles tradicionales, reducir la contaminación ambiental y disminuir de manera considerable la importación de energía. Estos aspectos sumados al decrecimiento en las actividades exploratorias en el sector petrolero durante los últimos años y a unas reservas probadas 1de gas natural de casi 7,500 GPC (gigapies cúbicos) que a una tasa estimada de suministro de 595,822 MBtu/día, representarían un tiempo de disponibilidad de reservas de 34 años. [3]. 1. Reservas probadas son aquellas de las que se tiene certeza de ser recuperadas en el futuro de acuerdo a. información geológica, económica y de ingeniería.. 22.

(24) IM-2003-I-22. El gobierno nacional prevé que el programa del gas natural vehicular aumentara su participación en el mercado energético un 800% a dentro de un plazo de 10 años partiendo del año 2001. Los programas de incentivación en el uso del gas natural se han orientado principalmente a vehículos livianos de servicio público y vehículos de carga mediana. Los vehículos que usan gas natural (NGV, natural gas vehicles) como combustible, ya sea parcial o totalmente, ofrecen grandes beneficios, desde mejorar las condiciones para la salud pública arrojando menos contaminantes al ambiente, hasta disminuir los costos de operación de un vehículo. El gas natural es un combustible atractivo para vehículos por ser un combustible de “combustión limpia” al compararlo con los combustibles tradicionales como lo son la gasolina y el diesel. Los vehículos que usan gas natural pueden producir una cantidad de emisiones contaminantes significativamente menores como por ejemplo los óxidos de nitrógeno (NOx), material particulado (PM), y contaminantes tóxicos y cancerígenos. Los NGVs también reducen las emisiones de dióxido de carbono (CO), el principal gas que produce el efecto invernadero. Es de vital importancia para el mercadeo abierto de NGVs, el desarrollo de vehículos de transporte pesado (buses, camiones y tractocamiones) que utilicen gas natural, ya que aparte de tener impactos ambientales significativos, los vehículos de carga mediana y carga pesada, son consumidores de grandes volúmenes de combustible. Durante los últimos cinco años los departamentos de transporte y medio ambiente de los países mas desarrollados en este campo, han aportado considerables sumas de. 23.

(25) IM-2003-I-22. dinero para desarrollos tecnológicos en sistemas de NGVs para soportar el crecimiento de este sector dentro del altamente competitivo mercado del transporte. Las metas consisten en minimizar las emisiones contaminantes y continuar patrocinando experimentos y mejoras en materia de seguridad de los nuevos sistemas. En la actualidad los países que presentan mayor desarrollo frente a la cantidad de NGVs en su parque automotor así como a la cantidad de estaciones de servicio y talleres de mantenimiento son Argentina (926,352 NGVs y 1,068 estaciones de servicio), Brasil (550,000 NGVs y 284 estaciones de servicio) e Italia (380,000 NGVs y 369 estaciones de servicio). Colombia (11,600 NGVs y 32 estaciones de servicio) ocupa el puesto 17 entre 56 países. [4] Estas cifras corresponden casi en su gran mayoría a vehículos con motores a gasolina a los que se les ha instalado sistemas de combustible de gas natural, los vehículos con motores dedicados a gas natural o con sistemas de combustible dual (diesel y gas natural) representan una cantidad muy pequeña en la actualidad. En Colombia, solamente se ha instalado el sistema de combustible dual al vehículo objeto de este estudio. Los mayores obstáculos que impiden un aumento en la demanda de NGVs son el aun pequeño tamaño de la infraestructura de estaciones de servicio y mantenimiento, costos iniciales de los vehículos, autonomía de combustible y la política de precios de los combustibles tradicionales, gasolina y diesel.. Es así, como el gas se convierte en una gran alternativa al petróleo, el cual condiciona el crecimiento económico de un país. Por lo tanto un país como el nuestro que cuenta con suficientes reservas de gas natural, no puede dejar de lado su uso intensivo como combustible alternativo. 24.

(26) IM-2003-I-22. 2.2. Efectos de los gases contaminantes en la salud humana y el medio. ambiente Los compuestos gaseosos y sólidos producto de la combustión en el motor, pueden llegar a ser altamente contaminantes y dañinos dependiendo de las condiciones bajo las cuales esta se lleve a cabo y el combustible utilizado. Aquí son mencionados los seis principales compuestos contaminantes y sus orígenes, para los cuales existen regulaciones contenidas en la normativa ambiental que se mostrara en la siguiente sección. [5] 2.2.1 Monóxido de Carbono (CO) Es un gas incoloro e inodoro, que se forma cuando el combustible no es quemado completamente. Las emisiones contaminantes de los vehículos contribuyen con un 85% a un 95% de las emisiones totales de CO en los centros urbanos. Grandes concentraciones de este gas se pueden encontrar en lugares con alta congestión de trafico. Los niveles mas altos de CO en el aire, se registran cuando el clima es frío. Sus efectos son: •. Es venenoso en grandes cantidades. •. Afecta a personas con problemas cardiacos. •. Afecta el sistema nervioso central. •. Contribuye al calentamiento global. 2.2.2 Oxidos de Nitrógeno (NOx) Es el término genérico que se le da a un grupo de gases altamente reactivos, los cuales contienen hidrogeno y oxigeno en cantidades variables. Muchos de estos. 25.

(27) IM-2003-I-22. óxidos son incoloros e inodoros, sin embargo el dióxido de carbono (NO2) en el aire puede ser visto como una capa rojiza-marrón sobre las áreas urbanas. Estos óxidos son formados cuando el combustible es quemado a altas temperaturas, como en el proceso de combustión. Sus efectos son: •. Es uno de los ingredientes principales para la formación de ozono a nivel del suelo. •. Reacciona para formar partículas de nitratos y aerosoles ácidos. •. En la forma de NO2 causa problemas respiratorios. •. Contribuye a la formación de lluvia ácida. •. Activa la eutrofización del agua. •. Reduce la visibilidad. •. Reacciona para formar compuestos tóxicos. •. Contribuye al calentamiento global. 2.2.3 Dióxido de Azufre (SO2). Pertenece a la familia de óxidos de azufre (SOx), los cuales, se disuelven fácilmente en el agua. El azufre esta presente en los combustibles. Es producido al quemar estos combustibles. Sus efectos son: •. Contribuye a la formación de lluvia ácida. •. Acidifica suelos, depósitos y corrientes de agua. •. Reacciona para formar partículas que reducen la visibilidad. •. Causa enfermedades respiratorias y agrava danos previos en los pulmones y el corazón. 26.

(28) IM-2003-I-22. 2.2.4 Material Particulado (PM) Es la denominación dada a las partículas que se encuentran en el aire, incluyendo polvo, hollín, humo y líquidos en suspensión. Estas partículas pueden estar suspendidas en el aire por largos periodos. Algunas de estas son suficientemente grandes y oscuras para ser vistas como humo u hollín. Otras son tan pequeñas que solamente pueden ser detectadas con un microscopio de electrones. Algunas partículas pueden ser emitidas directamente al aire y otras son el producto de reacciones químicas entre los gases la luz del sol y el vapor de agua. Sus efectos mas significativos son: •. Causa complicaciones respiratorias y cardiacas, cuya gravedad se incrementa debido a constante exposición.. •. Reduce la visibilidad. •. Cambia el balance de los nutrientes y químicos del suelo y el agua mediante su asentamiento en estos.. •. Causa erosión y corrosión en las estructuras, estatuas y monumentos.. 2.2.5 Ozono (O3) Gas compuesto por tres átomos de oxigeno, el cual no es emitido directamente al aire, sino que a nivel del suelo es creado por la reacción química entre los óxidos de nitrógeno (NOx), los hidrocarburos no-metánicos (NMHC) y los compuestos volátiles orgánicos (VOC), derivados de químicos orgánicos de uso doméstico (pinturas, aerosoles y solventes), en la presencia de calor y luz solar. El ozono tiene la misma estructura química miles de metros sobre la tierra o a nivel del suelo y puede tener efectos nocivos o benéficos dependiendo de su ubicación en la atmósfera. El ozono que produce efectos benéficos se encuentra en la estratosfera, aproximadamente 16 a 45 kilómetros sobre la superficie de la tierra, forma una capa que protege a la tierra 27.

(29) IM-2003-I-22. de los rayos ultravioleta del sol. A nivel del suelo sus efectos son dañinos cuando la luz del sol y el calor propician las condiciones para que este se forme en grandes cantidades. Sus efectos principales son: •. Activa una gran cantidad de problemas en la salud humana aun en bajas concentraciones.. •. Puede causar daños permanentes en los pulmones después de exposiciones prolongadas.. •. Danos en las plantas y los ecosistemas.. 2.2.6 Hidrocarburos no-metánicos (NMHC). Son todos los hidrocarburos que contaminan el aire con excepción del metano. Sus efectos principales son: •. Precursores significativos en la formación de ozono.. 2.3 Normativa vigente Es de particular interés para el desarrollo de este trabajo, el conocimiento de las normas y regulaciones ambientales concernientes a los vehículos de carga pesada en Colombia y el mundo para así tener un patrón de comparación con los resultados que se obtengan en las pruebas del vehículo de recolección de basura. A continuación se presenta un resumen de los aspectos más relevantes.. 28.

(30) IM-2003-I-22. 2.3.1 Normativa vigente en Colombia El Departamento Técnico Administrativo del Medio Ambiente (DAMA), es la autoridad que rige la política ambiental y coordina su ejecución dentro del perímetro urbano del Distrito Capital. Esta entidad debe garantizar el derecho de los ciudadanos a un ambiente sano, y a su vez administrar los recursos naturales. El DAMA fue creado en 1990 como una entidad de carácter científico y técnico, años mas tarde el Ministerio del Medio Ambiente creó las corporaciones autónomas regionales y la autoridad ambiental urbana (dentro de las ciudades con población superior a un millón de habitantes) y a partir de 1995 el DAMA asumió sus competencias como autoridad ambiental. Dentro de su gestión jurídica y administrativa, el DAMA ha creado una legislación que regula la contaminación del aire, dentro de la cual estipula reglamentación internacional (tratados internacionales), calidad del aire y niveles permisibles de contaminantes, contaminación del aire, ruido y contaminación visual. En el área de calidad del aire y niveles permisibles de contaminantes, se han creado unas resoluciones que adoptan decretos expedidos por el ministerio de medio ambiente y de transporte que reglamentan este tema para las fuentes móviles terrestres que utilizan gasolina y diesel como combustible para su propulsión así como se definen los equipos y procedimientos de medición de dichas emisiones. Como la realización de este trabajo se centra en la evaluación de un camión que utiliza gas natural y diesel como combustibles, se mostrara en breve resumen los. temas que trata cada resolución haciendo énfasis especial en las áreas que corresponden a fuentes móviles a diesel. Estas resoluciones son: 29.

(31) IM-2003-I-22. Resolución 0005 de 1996: Incluye definiciones de términos técnicos involucrados en la redacción de los artículos, áreas de aplicación de las normas en donde se especifica que las fuentes móviles terrestres que utilicen combustibles limpios como el gas natural, gas licuado del petróleo, alcoholes o electricidad están exentas de cumplir con esta resolución, normas de emisión permisibles para fuentes móviles a gasolina: en condiciones estáticas y dinámicas, procedimientos de. evaluación de gases de escape para fuentes móviles a gasolina, normas de emisión permisibles para fuentes móviles a diesel: Opacidad en condiciones de prueba estática •. Niveles permisibles de opacidad de humos para fuentes móviles a Diesel (redefinidos por la resolución 160 de 1996 para el Distrito Capital). •. Procedimiento de evaluación de opacidad. •. Procedimiento previo a la evaluación (revisiones y calibraciones del motor a evaluar). •. Procedimiento para medir emisiones de humo (instrumentación necesaria, intervalos de calibración de la instrumentación e inspección de danos al tubo de escape). •. Especificaciones técnicas sobre criterios de funcionamiento y diseño para equipos de medición de opacidad.. Normas de emisión en condiciones dinámicas (modificado por la resolución 909 de 1996) •. Niveles permisibles para vehículos importados y vehículos ensamblados en el país. 30.

(32) IM-2003-I-22. Tabla 1 Normas de emisión permisibles para fuentes móviles a Diesel importadas a partir del año 1997. Año Modelo Tipo de Emisión Permisible Vehículo (gr/Km) CO HC NOx 1997 Liviano 2.1 0.25 0.62 Mediano 11.2 1.05 1.43 Pesado* 25 10.0** * **. •. emisión en gr/hp-hr emisión correspondiente a NOx+HC. Tipo de certificación de emisiones requerida para los motores de los vehículos importados y ensamblados en el país. Disposiciones sobre las certificaciones de las emisiones contaminantes de las fuentes móviles (modificado por la resolución 909 de 1996) Proceso de verificación obligatoria •. Obligatoriedad de la verificación y procedimiento para la autorización de centros de diagnostico (modificado por la resolución 909 de 1996). •. Aprobación para realizar la verificación de las emisiones de fuentes móviles (modificado por la resolución 909 de 1996). •. Vigilancia y control de los centros de diagnostico. •. Vigilancia y control de las fuentes móviles.. Resolución 0909 de 1996: modifica parcialmente la resolución 005 de 1996, incluye definiciones de términos técnicos involucrados en la redacción de los artículos, establece categorías de vehículos de transporte de pasajeros (M) y de carga (N), las cuales tienen subcategorías dependiendo de la cantidad de pasajeros (M1, M2, M3) de tonelaje a transportar (N1, N2, N3), modificaciones a las normas requeridas para fuentes móviles a diesel: 31.

(33) IM-2003-I-22. Normas de emisiones dinámicas permisibles para vehículos año modelo 1998 y posteriores •. Dependiendo del el ciclo de evaluación utilizado para certificar los motores de los vehículos se establecieron las normas de emisión permisibles: Ciclos FTP-75 y USA-13: normas de emisión permisibles mostradas en la tabla 1. Ciclos ECE-15+EUDC Y ECE-13: normas de emisión permisibles mostradas en la tabla 2.. Tabla 2 Normas de emisión de fuentes móviles a gasolina y diesel a partir del año modelo 1998. Categoría Peso de CO HC NOx Ciclos referencia (gr/Km) (gr/Km) (gr/Km) (kg) M1(1) 2.72 0.97(4) ECE15+EUDC M1, N1(2). N2, N3, M2, M3(3). <1250. 2.72. 0.97(4). ECE15+EUDC. >1250 <1700 >1700. 5.17. 1.4(4). 6.9. 1.7(4). -. 11.2. ECE15+EUDC ECE15+EUDC ECE 13. 2.4. 14.4. (1) Vehículos que transportan hasta 5 pasajeros más el conductor y con un peso bruto vehicular menor o igual a 2.5 toneladas. (2) Vehículos que transportan más de 5 pasajeros más el conductor o cuyo peso bruto vehicular exceda de 2.5 toneladas. (3) g/kW-h. (4) HC+NOx.. 32.

(34) IM-2003-I-22. Resolución 0160 de 1996: ejerciendo la autonomía del DAMA para adoptar medidas eficaces para impedir la degradación del medio ambiente del Distrito Capital y argumentando el aumento de la contaminación del aire debido en su mayor parte por fuentes móviles y su incidencia en la salud publica, se reestablecieron los niveles permisibles de CO y HC para fuentes móviles a gasolina y los niveles permisibles de opacidad de humos para fuentes móviles:. Tabla 3 Niveles permisibles de opacidad de humos para fuentes móviles a Diesel. Año Vehículo Vehículo Vehículo Modelo Liviano Mediano Pesado Opacidad Opacidad Opacidad 2001 y 40% 40% 40% posteriores 1996 50% 50% 50% 2000 1991 50% 50% 50% 1995 1986 55% 55% 55% 1990 1981 60% 60% 60% 1985 1980 y 65% 65% 65% anteriores Resolución 0378 de 1997: especifica las condiciones de expedición del certificado de emisiones por prueba dinámica, y emisiones evaporativas para vehículos importados y ensamblados en el país desde 1998 en adelante. Resolución 1103 de 1999: reglamenta los requisitos para ser Centro de Diagnóstico Reconocido para realizar la revisión de emisiones de fuentes móviles a gasolina y diesel. Después de la expedición de esta resolución, se crearon resoluciones que modifican parcialmente a esta, como lo son: 1225 de 1999, 1809 de 200 y 1337 de 33.

(35) IM-2003-I-22. 2001. En esta ultima resolución se incluye a los vehículos duales dentro del grupo de fuentes móviles que utilizan combustibles limpios, por lo tanto estos vehículos también están exentos de cumplir con lo estipulado en la resolución 0005 de 1996 y las posteriores resoluciones que la modifican. Resolución 0898 de 1995: regula los criterios ambientales de calidad de los combustibles líquidos y sólidos utilizados en fuentes estacionarias y motores de combustión interna de vehículos automotores. Después de la expedición de esta resolución, se crearon resoluciones que modifican parcialmente a esta, como lo son: 0125 de1996, 0623 de 1998 y 0068 de 2002. Resolución 8321 de 1983 (Ministerio de Salud): reglamenta los niveles de ruido admisibles producidos por cualquier fuente sonora, para que no tenga efectos nocivos en la salud publica y sus métodos de medición. Entre estas fuentes sonoras se encuentran los vehículos de motor que transitan en las vías públicas, estos vehículos no deben exceder los niveles máximos permisibles los cuales se muestran a continuación: Tabla 4 Niveles de ruido máximos permisibles para vehículos. Nivel sonoro* Tipo de vehículo dB(A) Menos de 2 toneladas 83 De 2 a 5 toneladas 85 Más de 5 toneladas 92 Motocicletas 86 * dB (decibel): es la unidad utilizada para designar el nivel de sonido, expresa la relación entre las presiones de un sonido cualquiera y un sonido de referencia en escala logarítmica. 1 dB(A) = log (I/Io), donde Io es la intensidad mínima perceptible por el oído humano. Un dB(A) representa el nivel de presión sonora del ruido obtenido con un sonómetro en iteración con filtro de ponderación A.. 34.

(36) IM-2003-I-22. 2.3.2 Normativa vigente en el mundo Es relevante para este trabajo mostrar las normas vigentes y las normas que se establecieron para los años venideros en algunos casos, a nivel internacional. Aquí solo se mostrarán las normas que respectan a las emisiones contaminantes producidas por vehículos diesel de carga pesada para Estados Unidos, Unión Europea y Japón. La mayoría de los demás países del mundo, adopta una o varias de estas legislaciones, ya que estas están basadas en experimentos y desarrollos que demandan grandes presupuestos, instalaciones y tecnología que no se justifica tener cuando los vehículos vendidos dentro de su territorio no son fabricados allí mismo. Ese es el caso de Colombia, en el que se adoptan procedimientos de evaluación de motores bajo pruebas dinámicas de otros países (ciclos FTP-75, USA13, ECE-15+EUDC y ECE-13) aprobados por las autoridades ambientales de Estados Unidos y la Unión Europea y a su vez adopta las normas sobre niveles máximos permisibles dentro los cuales tienen que estar los resultados arrojados por esos procedimientos de evaluación. [6] 2.3.2.1. Normativa de Estados Unidos. La agencia para la protección ambiental (EPA), define las categorías de motores por el ciclo que manejan y no por su mecanismo de ignición, así los motores que operan con diesel y los que operan con gas natural entran dentro de la misma categoría ya que estos controlan por medio del acelerador la cantidad de combustible que entra en los cilindros mientras se mantiene una cantidad de aire fija. también clasifica los motores de los vehículos de carga pesada según el peso del vehículo, de esta manera se tienen LHDDE (light heavy-duty diesel engines) MHDDE (medium heavy-duty diesel engines) y HHDDE (heavy heavy-duty diesel engines. 35.

(37) IM-2003-I-22. Las regulaciones federales no requieren que todo el vehículo sea evaluado y certificado, solamente se requiere una certificación para el motor, de esta manera los estándares especificados en gr/bhp-hr requieren de pruebas de emisiones sobre el ciclo transiente FTP para dinamómetros de motor (o banco). Se establecieron cuatro normas de estándares de emisiones para estos vehículos, una para los vehículos año modelo 1988-2003, otra para vehículos año modelo 20042007, otra para vehículos 2007 y posteriores y otra para vehículos que utilizan combustibles limpios. Tabla 5 Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga pesada año modelo 1988-2003, gr/bhp-hr. Año Modelo HC CO NOx PM 1988 1990 1991 1994 1998 1991 1993 1994 1996 1998 *. Motores diesel de camiones de carga pesada 1.3 15.5 10.7 1.3 15.5 6 1.3 15.5 5 1.3 15.5 5 1.3 15.5 4 Motores de buses urbanos 1.3 15.5 5 1.3 15.5 5 1.3 15.5 5 1.3 15.5 5 1.3 15.5 4. 0.6 0.6 0.25 0.1 0.1 0.25 0.1 0.07 0.05* 0.05*. Actualmente se usa un estándar de PM de 0.07. Esta norma, además regula el contenido de azufre en el combustible diesel que no deberá ser mayor a 500 ppm (en peso).. 36.

(38) IM-2003-I-22. Tabla 6 Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga pesada año modelo 2004-2007, gr/bhp-hr. Opción NMHC + NOx NMHC 1 2 ND. 2.4 2.5. ND 0.5. no disponible. Los fabricantes de motores tienen la posibilidad de certificar sus motores bajo una de las dos opciones. Tabla 7 Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga pesada año modelo 2007 y posteriores, gr/bhp-hr. NOx NMHC PM Año Modelo 2007 y posteriores 0.20 0.14 0.01 La reglamentación para PM entrara en total vigencia a partir de 2007. Los estándares para NOx y NMHC lo tendrán que cumplir solo el 50% de los motores vendidos por los fabricantes entre el 2007 y el 2009 y a partir del 2010 el 100%. Esta regla además regula el contenido de azufre en el combustible diesel que no deberá ser mayor a 15 ppm (en peso). Esto con la intención de abrir paso para las tecnologías de control de emisiones poscombustión que sean intolerables al azufre, como filtros catalíticos para partículas y catalizadores de NOx, que serán necesarios para cumplir con las normas establecidas para el 2007. Tabla 8 Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga pesada que utilizan combustibles limpios. Categoría* CO NMHC+NOx PM HC LEV 3.8 ILEV. 14.4. 2.5. -. 0.05 37.

(39) IM-2003-I-22. ULEV ZLEV. 7.2 0. 2.5 0. 0.05 0. 0.025 0. *LEV- vehículo de bajas emisiones ILEV - vehículo inherentemente de bajas emisiones ULEV - vehículo de ultra bajas emisiones ZLEV – vehículo de cero emisiones.. 2.3.2.2 Normativa de la Unión Europea Las regulaciones europeas para los motores de vehículos de carga pesada se denominan como Euro I.....V. Los estándares pertenecientes a la Euro I fueron introducidos en 1992. En 1996 entro en vigencia la Euro II, después en 1999 se adopto la Euro III y se estipularon la Euro IV y la Euro V para entrar en vigencia a partir del año 2005 y 2008 respectivamente. Las regulaciones Euro IV y V requerirán para su cumplimiento que todos los vehículos con motores diesel producidos a partir de esas fechas, estén equipados con sistemas de tratamiento de gases poscombustión, como catalizadores y filtros de partículas. Las siguientes tablas presentan los estándares de emisiones para motores diesel y de gas natural. Tabla 9 Estándares de emisiones de la Unión Europea para motores diesel de carga pesada, gr/kW-hr. Regulació Año Modelo Ciclo de CO HC NOx PM Humo* n Evaluación Euro I. Euro II Euro III. 1992, <85 kW 1992, >85 kW 1996.1 1998.1 1999.10, solo EEVs 2000.1. 4.5. 1.1. 8. 0.612. 4.5. 1.1. 8. 0.36. ESC & ELR. 4 4 1.5. 1.1 1.1 0.25. 7 7 2. 0.25 0.15 0.02. ESC & ELR. 2.1. 0.66. 5. 0.1 0.13***. ECE R49. 0.15 0.8. 38.

(40) IM-2003-I-22. Euro IV Euro V * ** ***. 2005.1 2008.1. 1.5 1.5. 0.46 0.46. 3.5 2. 0.02 0.02. 0.5 0.5. Unidades de m-1 Vehículos de extra bajas emisiones Para motores de menos de 0.75 dm3 de volumen barrido por cilindro y régimen de giro superior a 3000 rpm.. Se introdujeron cambios en los ciclos de evaluación de los motores en la regulación Euro III. El antiguo ciclo de evaluación de motores estático ECE R-49, se reemplaza por dos ciclos: un ciclo estacionario ESC y un ciclo dinámico ETC. La opacidad del humo es medida en el test europeo de respuesta a carga ELR. Para la aprobación de los motores, de acuerdo con la Euro III, los fabricantes pueden elegir entre cualquiera de los dos tests (ESC/ELR o ETC). Para la aprobación de motores, de acuerdo con la Euro IV, las emisiones deben ser evaluadas en ambos tests (ESC/ELR y ETC). Los estándares de emisión para motores diesel así como también motores a gas natural que son evaluados mediante el ciclo ETC son presentados en la siguiente tabla. Tabla 10 Estándares de emisión para motores diesel y gas natural de carga pesada, ciclo ETC, gr/kW-hr. Regulación Euro III. Euro IV Euro V * ** ***. Año Modelo. Ciclo de Evaluación. CO. NMHC. CH4*. NOx. PM**. 1999.10, solo EEVs. ETC. 3. 0.4. 0.65. 2. 0.02. 2000.1. ETC. 5.45. 0.78. 1.6. 5. 0.16 0.21***. 4 4. 0.55 0.55. 1.1 1.1. 3.5 2. 0.03 0.03. 2005.1 2008.1. únicamente para motores a gas natural no aplicable para motores a gas entre los años 2000 y 2005 3 para motores de menos de 0.75 dm de volumen barrido por cilindro y régimen de giro superior a 3000 rpm.. 39.

(41) IM-2003-I-22. Los estados miembros de la Unión Europea tienen la posibilidad de aplicar incentivos en impuestos para acelerar el mercadeo de los vehículos que cumplan los nuevos estándares antes de que ellos entren en vigencia. La comisión europea propuso también reglas pertinentes a la introducción de vehículos de carga pesada con sistemas de diagnóstico abordo (OBD), provisiones para asegurar la durabilidad de las tecnologías de control de emisiones poscombustión durante toda la vida útil del vehículo y fijación de limites apropiados para emisiones contaminantes que no están reguladas en la actualidad como consecuencia de la introducción de nuevos combustibles alternativos. 2.3.2.3 Normativa de Japón El concejo central del medio ambiente introdujo en Japón los primeros estándares de emisiones contaminantes a finales de los años 80. Estos estándares permanecieron bastante relajados durante los años 90. En el año 2003 se establecieron normas estrictas para vehículos livianos y de carga pesada que entraran en vigencia a partir de 2005, los estándares para los motores diesel de vehículos de carga pesada de 2005 serán los más estrictos del mundo. Los estándares de emisiones para vehículos carga pesada con motores diesel que se evalúan bajo tests de dinamómetro de motor (o banco), se muestran en la siguiente tabla. Tabla 11 Estándares de emisiones para vehículos de carga pesada con motores diesel, peso bruto vehicular (GVW) > 2500 Kg (>3500 Kg a partir de 2005). Año Test Unidades CO HC NOx PM Modelo promedio promedio promedio promedio (máx.) (máx.) (máx.) (máx.) 1988/89 modo 6 ppm 790 (980) 510 (670) DI: 400 (520) IDI: 260 (350) 1994. modo 13. g/kWh. 7.40 (9.20) 2.90 (3.80). DI: 6.00 (7.80). 0.70 (0.96). 40.

(42) IM-2003-I-22. IDI: 5.00 (6.80) 1997*. 7.40 (9.20) 2.90 (3.80) 4.50 (5.80) 0.25 (0.49). **. 2003. 2005*** * ** *** ****. Nuevo modo HD. 2.22. 0.87. 3.38. 0.18. 2.22. 0.17****. 2. 0.027. 1997: GVW ≤ 3500 Kg; 1998: 3500 < GVW ≤ 12000 Kg; 1999: GVW > 12000 Kg. 2003: GVW ≤ 12000 Kg; 2004: GVW > 12000 Kg. Implementación completa a partir de finales de 2005 hidrocarburos no-metánicos. Se establecen dos tipos de estándares, uno promedio y otro máximo (máx.). Los estándares promedio deben ser cumplidos como un promedio de las emisiones de la producción total de motores. Los estándares máximos son cumplidos usualmente como un limite individual en una producción en serie que no supere ventas de 2000 unidades / año. El ciclo de evaluación para motores de carga pesada es el ciclo modo 13, que reemplazo al ciclo modo 6. La regulación de 2005 introduce un nuevo ciclo de evaluación dinámico para vehículos con GVW>3500 Kg. también se establece que el combustible diesel deberá contener azufre en cantidades no mayores a 50 ppm. Después de revisar las tres legislaciones ambientales más importantes en el mundo, tanto las vigentes como las previstas para un futuro cercano y al considerar que en Colombia no se producen motores para vehículos de ninguna clase, por lo cual, no se justifica destinar recursos ni infraestructura para crear normas propias, se puede prever, que así como hasta el momento se han adoptado las normativas de Estados Unidos y la Unión Europea, esto se siga haciendo en el futuro con el fin de poner en vigencia dentro del territorio nacional normas cada vez mas estrictas sobre las emisiones contaminantes y así fomentar el uso de tecnologías avanzadas y combustibles limpios.. 41.

(43) IM-2003-I-22. 2.4 Motores con sistemas de combustible duales y motores dedicados Así como el gas natural se ha venido consolidando durante los últimos años como el combustible alternativo de mayor aceptación y por lo tanto de mayor aplicación, el CNG es el tipo de almacenamiento más común hoy en día. Con base a esto los fabricantes de motores y kits de combustible han trabajado en el desarrollo y construcción de motores con sistemas de combustible duales y dedicados a gas natural.. 2.4.1 Sistemas de combustible duales Estos sistemas permiten la combinación de diesel y gas natural para llevar a cabo la combustión, esta combinación se puede hacer desde 0% gas natural y 100% diesel en el momento de encender el motor o cuando simplemente se agota el gas en los cilindros de almacenamiento, hasta 80% gas natural 20% diesel, durante condiciones de operación de plena carga, obteniendo una curva de torque muy parecida a la establecida para un motor diesel.. Estos sistemas de combustible tienen una mayor trayectoria, alrededor de dos décadas, dada la relativa simplicidad de sus componentes, su facilidad de instalación y bajos costos. Sin embargo, esta aparente simplicidad fue la que llevo a los fabricantes a ofrecer en un principio sistemas muy sencillos pero de baja confiabilidad, los cuales limitaban el paso de combustible diesel al motor de manera abrupta, no tenían en cuenta los problemas de sobrealimentación de combustibles en los motores de esa época, lo cual, tenia como consecuencia más directa los daños producidos por las altas temperaturas de operación.. 42.

(44) IM-2003-I-22. Luego de esto, para proteger el motor de posibles sobrealimentaciones de combustibles se introdujeron controles mecánicos, el problema era que estos sistemas no controlaban la falta de combustible, esto ocasionaba perdidas de potencia y emisiones contaminantes que no eran consecuentes con el uso del gas natural. Mas tarde, se implementaron sistemas de control electrónicos análogos para el sistema de gas y mejoras para los demás componentes de los kits. Entre ellos estaban el uso de un inyector de gas en lugar de un rociador, lo cual dosificaba mejor la entrega al motor, también fueron optimizados los reguladores de presión. Este tipo de desarrollos permitieron que la EPA los aprobara para su implementación en motores diesel vehiculares y que fueran clasificados como LEV. Posteriormente fueron desarrolladas e implementadas unidades de control electrónico (ECU), con esto se pudieron instalar hasta un inyector de gas por cilindro para alcanzar una dosificación más exacta y una menor perdida durante la entrega del gas. También se pudieron programar funciones mas especificas como control en ralentí, seguimiento de la curva de torque preprogramada, control sobre la cantidad de diesel inyectada, control de la presión del gas al momento de ser entregado al cilindro, compensación por aumento de presión en la admisión para determinar si se puede desechar parte del aire admitido por sobrepresión en el gas y control en aplicaciones de toma de fuerza. Hoy en día, los motores diesel son producidos con ECUs que gobiernan todas sus funciones. Con esto se facilita aun más la coordinación entre el sistema de combustible dual y el manejo del motor, para esto se crea una interconexión entre las dos ECUs y así tener una proporción gas natural-diesel infinitamente variable, lo que permite controlar, de mejor manera, las perdidas de potencia que puede llegar a 43.

(45) IM-2003-I-22. generar el uso del gas natural, las emisiones contaminantes, las temperaturas internas para evitar así aumentos de temperatura por encima de lo preestablecido. El formato digital que presentan los sistemas de control también permiten grabar los datos de la operación del motor y así en el caso de una falla, solo se requiere revisar esos datos para encontrarla de manera rápida. [7] Un sistema de combustible dual moderno se compone de: •. Cilindros de almacenamiento de CNG, su numero depende de la capacidad de cada uno (entre 30 y 120 litros), la autonomía de combustible deseada y el espacio disponible.. •. Válvula de carga, válvula tipo cheque que permite el llenado de los cilindros.. •. Manómetro, que permite saber cuando se alcanza la presión máxima de llenado.. •. Regulador de presión electrónico, actuado por una válvula solenoide, para reducir la presión del gas que viene de los cilindros a 3000 psi hasta la presión fijada por el ECU.. •. Tubería de acero inoxidable, para transportar el gas a través del sistema de combustible.. •. ECU, que controla las condiciones necesarias para el correcto funcionamiento del motor con los dos combustibles.. •. Inyectores, que suministran el gas a cada cilindro.. 44.

(46) IM-2003-I-22. Figura 1 Motor Caterpillar con sistema de combustible dual. El precio aproximado de un sistema de combustible dual como el anteriormente descrito, con cilindros que permitan una autonomía de combustible de 160 Km, es de USD 15,000 incluída su instalación. En Colombia existen dos representantes comerciales que ofrecen estos sistemas de combustible, Gecolsa (kits Caterpillar) y Transgascol (kits IMPCO).. 2.4.1.1. Sistema de combustible dual del vehículo a evaluar. El vehículo de recolección de basura que será evaluado, cuenta con un motor diesel turbo alimentado, de inyección mecánica (accionada por un eje de levas al igual que las válvulas de admisión y escape) el cual no tiene ningún tipo de ECU para controlar sus operaciones. El sistema de combustible dual instalado a este motor cuenta con: •. Cuatro cilindros de almacenamiento con capacidad de 50 L para una autonomía de combustible de 160 Km. 45.

(47) IM-2003-I-22. Foto 1a. Foto 1b. Foto 1c Fotos 1a, b, c Cilindros de almacenamiento de Gas Natural Comprimido (CNG) a bordo del vehículo. •. Una válvula de carga y un manómetro.. •. Un regulador de presión mecánico, actuado por diafragmas y diferencias de presión.. 46.

(48) IM-2003-I-22. Foto 2 Regulador de presión mecánico. •. Sistema de control para monitorear las condiciones de operación del motor y así agregar gas natural a la mezcla para la combustión.. •. Un roceador de gas, el cual lo mezcla con el aire que entra por el filtro y que es succionado por efecto de la presión negativa producida por el turbo cargador para ser llevado al múltiple de admisión.. Foto 3 Roceador de gas.. 47.

(49) IM-2003-I-22. 2.4.2 Motores dedicados Estos motores tienen una historia mucho más corta, dado que solo se han podido desarrollar durante los últimos años, gracias a la implementación de los ECUs que gobiernan todas sus operaciones y garantizan su optimo desempeño. Utilizan como mecanismo de ignición las bujías, el sistema es similar al utilizado en los motores comunes de gasolina, excepto que la relación de compresión es usualmente mas alta (sacando ventaja del alto numero de octano del metano), se utilizan sistemas de control diferentes (para mantener de manera estable los bajos niveles de NOx dentro del rango de operación), los motores son más robustos (especialmente para los vehículos de carga pesada) y son muy flexibles respecto al contenido de metano del gas que utilice, el cual puede llegar a ser tan bajo como 65. [8] Varios fabricantes de motores diesel en el mundo cuentan con una línea de motores dedicados a gas natural, y ha sido gracias a la experiencia recopilada con los motores diesel que se han podido desarrollar estos motores de manera tan rápida. Presentan potencias similares a las de los motores diesel convencionales de la misma cilindrada, con menores niveles de contaminantes en sus emisiones, por lo que son una muy buena opción. Un motor dedicado como el mencionado anteriormente cuesta aproximadamente USD 45,000. En la actualidad están disponibles en Colombia solo dos marcas de motores dedicados, Cummins y Caterpillar, pero se debe hacer el pedido especial dado que este mercado no existe en Colombia.. 48.