Adquisición de datos de un motor de combustión interna operando con combustible mezcla de gasolina y etanol

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(1)Adquisición de Datos de un Motor de Combustión Interna Operando con Combustible Mezcla de Gasolina y Etanol Presentado por:. Camilo Grillo Gálvez Asesor:. Rafael G. Beltrán P. M.Sc.. Proyecto de grado presentado como requisito para el titulo de Ingeniero Mecánico. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Facultad De Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá Colombia Junio, 2005.

(2) IMEC-2005-І-15. AGRADECIMIENTOS. A mi familia por el apoyo que me dieron durante mis estudios. Al personal del laboratorio de Ingeniería Mecánica. Al profesor Luís Carlos Belalcazar Cerón y la Ingeniero Liliana Giraldo, por facilitarme el equipo analizador de gases, propiedad del departamento de Ingeniería Ambiental. Al ingeniero Javier Eduardo Rodríguez Bonilla, por brindarme su ayuda en la realización de este proyecto.. II.

(3) IMEC-2005-І-15. RESUMEN. En septiembre del presente año, será obligatoria la mezcla de un 10% de alcohol carburante en la gasolina que se vende en algunas de las ciudades más importantes del país, se pretende que esta medida continúe ampliando su cobertura de manera gradual, hasta que sea efectiva en todo el territorio nacional. A pesar de que este tipo de combustibles han sido utilizados en vehículos prácticamente desde el inicio de la existencia de estos, diferentes razones han impedido que se utilicen de manera totalmente masiva, sin embargo la preocupación mundial que existe actualmente por el medio ambiente, y el deseo de reducir las emisiones de gases contaminantes, han motivado la masificación de los llamados biocombustibles. Con esta idea en mente se realizo este proyecto, se deseaba conocer como se comportarían estos combustibles en la ciudad de Bogotá, comparados con la gasolina que se comercializa en este momento, se tomaron dos combustibles con porcentajes distintos de mezcla de gasolina y alcohol, y se compararon con los resultados obtenidos con el uso de gasolina. Las variables que se midieron fueron potencia, y emisiones, con especial preocupación en las emisiones de monóxido de carbono, y óxidos de nitrógeno ya que son los gases más contaminantes que se producen durante un proceso de combustión. Los resultados obtenidos, indican que para las condiciones de operación y combustibles evaluados, la diferencia en rendimiento es mínima, existiendo solo una pequeña disminución en el valor máximo de potencia obtenida, por otra parte, las emisiones de monóxido de carbono, si se vieron disminuidas de manera considerable con la adición del alcohol en el combustible, no así las de óxidos de nitrógeno, que no parecieron tener un cambio significativo.. III.

(4) IMEC-2005-І-15. CONTENIDO. AGRADECIMIENTOS...................................................................................................... II RESUMEN ........................................................................................................................III CONTENIDO......................................................................................................................4 LISTA DE FIGURAS .........................................................................................................7 LISTA DE TABLAS ...........................................................................................................8 CONVENCIONES Y ABREVIATURAS ..........................................................................9 1. INTRODUCCIÓN.........................................................................................................10 2. MARCO TEÓRICO ......................................................................................................13 2.1 MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA..........................................................13 2.1.1 El Ciclo de Otto ................................................................................................14 2.2 EL PROCESO DE COMBUSTIÓN .......................................................................16 2.3 ALCOHOL CARBURANTE ..................................................................................18 2.3.1 Ley 693 de 2001 ...............................................................................................19 2.4 EMISIONES DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA .............................19 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.......................................................................21 3.1 MOTOR...................................................................................................................21 3.2 DINAMÓMETRO...................................................................................................22 3.2.1 Medición de Torque .........................................................................................22 3.2.2 Medición de R.P.M...........................................................................................23 3.2.3 Cálculo de la potencia ......................................................................................24 3.3 ESCAPE DE GASES ..............................................................................................24 3.4 MEDICIÓN DE GASES .........................................................................................25. 4.

(5) IMEC-2005-І-15. 3.4.1 Sonda ................................................................................................................26 3.4.2 Bomba y Sensores ............................................................................................26 3.4.2.1 Sensores de Temperatura ...................................................................27 3.4.2.2 Sensores de Gases...............................................................................27 4. MEZCLAS EVALUADAS ...........................................................................................29 4.1 MATERIAS PRIMAS.............................................................................................29 4.1.1 Etanol Anhidro .................................................................................................29 4.1.2 Gasolina Corriente............................................................................................30 4.2 MEZCLAS PREPARADAS ...................................................................................31 4.3 PREPARACIÓN DE LAS MEZCLAS...................................................................31 5. PRUEBAS EN MOTOR ...............................................................................................33 5.1 PRUEBAS DE RENDIMIENTO ............................................................................33 5.1.1 Pruebas con gasolina ........................................................................................33 5.1.1.1 Procedimiento preliminar......................................................................34 5.1.1.2 Procedimiento de Prueba.....................................................................34 5.1.2 Pruebas con combustible mezcla de gasolina y etanol .....................................35 5.1.2.1 Procedimiento preliminar......................................................................35 5.1.2.2 Procedimiento de Prueba.....................................................................35 5.2 PRUEBAS DE EMISIONES ..................................................................................36 5.2.1 Procedimiento preliminar .................................................................................36 5.2.2 Procedimiento de prueba ..................................................................................37 6. RESULTADOS .............................................................................................................39 6.1 RESULTADOS DE RENDIMIENTO ....................................................................39 6.1.1 Torque...............................................................................................................39 6.1.2 Potencia ............................................................................................................40 6.2 RESULTADOS DE EMISIÓN DE GASES ...........................................................41 6.2.1 Oxígeno ............................................................................................................41 6.2.2 Nitrógeno..........................................................................................................42 6.2.3 Monóxido de carbono.......................................................................................42 6.2.4 Dióxido de Carbono .........................................................................................42. 5.

(6) IMEC-2005-І-15. 6.2.5 Óxidos de Nitrógeno.........................................................................................43 6.3 TEMPERATURA DE LOS GASES DE ESCAPE.................................................43 6.4 GRAFICAS .............................................................................................................44 7. CONCLUSIONES.........................................................................................................48 BIBLIOGRAFIA ...............................................................................................................51 ANEXO A. DATOS OBTENIDOS DE LAS PRUEBAS DE RENDIMIENTO .............53 ANEXO B. DATOS OBTENIDOS DE LAS PRUEBAS DE EMISIÓN DE GASES.....54 ANEXO C. CURVAS DE RENDIMIENTO DEL FABRICANTE .................................55 ANEXO D. ECUACIONES DE COMBUSTIÓN DE LOS COMBUSTIBLES..............56 ANEXO E. OPERACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL ANALIZADOR DE GASES..........57 ANEXO F. ESTIMACIÓN DE LA INCERTIDUMBRE DE LOS DATOS. ..................67 ANEXO G. CALIBRACIÓN DE LOS EQUIPOS DE MEDICIÓN................................68. 6.

(7) IMEC-2005-І-15. LISTA DE FIGURAS. Figura 1. Fuentes de CO, tomado y modificado de .............................................................. 11 Figura 2. Diagrama P-v y T-s del ciclo de Otto.................................................................... 14 Figura 3. Dinamómetro utilizado. ........................................................................................ 21 Figura 4. Esquema de un Freno Hidráulico.......................................................................... 23 Figura 5. Tacómetro. ............................................................................................................ 23 Figura 6. Escape de gases acoplado al motor. ...................................................................... 25 Figura 7. Analizador de gases ENERAC modelo 500 ......................................................... 25 Figura 8. Sonda del equipo analizador de gases................................................................... 26 Figura 9. Preparación de los combustibles. .......................................................................... 32 Figura 10. Combustible preparado. ...................................................................................... 32 Figura 11. Medición de los gases de escape......................................................................... 37 Figura 12. Diferentes pantallas de datos del equipo analizador de gases............................. 38 Figura 13. Torque Vs. Velocidad ......................................................................................... 45 Figura 14. Potencia Vs. Velocidad. ...................................................................................... 45 Figura 15. Emisiones de oxígeno. ........................................................................................ 46 Figura 16. Emisiones de Nitrógeno. ..................................................................................... 47 Figura 17. Emisiones de monóxido de carbono. .................................................................. 47 Figura 18. Emisiones de dióxido de carbono. ...................................................................... 47 Figura 19. Emisiones de óxidos de nitrógeno. ..................................................................... 48 Figura 20. Temperatura de los gases de escape a la salida del escape de gases................... 48 Figura 21. Registros impresos por el equipo analizador de gases ENERAC 500. ............... 54 Figura 22. Curvas de rendimiento del fabricante. ................................................................ 55 Figura 23. Calibración del dinamómetro.............................................................................. 68 Figura 24. Curva de calibración del dinamómetro. .............................................................. 68 Figura 25. Medición con el equipo SUN ELECTRIC COPRPORATION. ......................... 69 Figura 26. Equipo SUN ELECTRIC CORPORATION....................................................... 69. 7.

(8) IMEC-2005-І-15. LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Características del Motor Tecumseh H30. ............................................................. 21 Tabla 2. Características de los sensores del equipo analizador de gases.............................. 28 Tabla 3. Características del etanol........................................................................................ 29 Tabla 4. Características de la gasolina, tomado de http://www.ecopetrol.com.co/especiales/catalogo05/gasolinacorriente.htm........................ 31 Tabla 5. Datos de rendimiento del motor operando con 100% de gasolina. ........................ 53 Tabla 6. Datos de rendimiento del motor operando con 95% de Gasolina y 5% de Etanol. 53 Tabla 7. Datos de rendimiento del motor operando con 95% de Gasolina y 5% de Etanol. 53 Tabla 8. Tabla de calibración del dinamómetro. .................................................................. 68. 8.

(9) IMEC-2005-І-15. CONVENCIONES Y ABREVIATURAS. AF...........................................................................................Relación Aire / Combustible Cυ ………………………………………………………………Calor especifico del aire a volumen constante F.................................................................................................................................Fuerza H.P.........................................................................................................Caballos de fuerza k .......................................................Relación de calores específicos del aire Cp / Cv = 1.4 m .................................................................................................................................Masa n ......................................................................................................................No. de moles P...............................................................................................................................Presión Pot..........................................................................................................................Potencia PMI...................................................................................................Punto Muerto Inferior PMS................................................................................................Punto Muerto Superior QH.................................................................................................................................................................Energía que entra QL.....................................................................................................Energía que se pierde r ...................................................................................................................................radio R.P.M..........................................................................................Revoluciones por minuto s ..............................................................................................................................Entropía T...............................................................................................................................Torque T1...................................................................................Temperatura en la entrada de aire T2...........................................................................Temperatura después de la compresión T3.......................................................................Temperatura al final del ciclo de potencia T4..............................................................................Temperatura en la salida de los gases V1 = V4..............................................................................Volumen de cilindro en el PMI V2 = V3..............................................................................Volumen de cilindro en el PMS ηth .............................................................................................................Eficiencia térmica ω ...............................................................................................................Velocidad angular. 9.

(10) IMEC-2005-І-15. 1. INTRODUCCIÓN La idea de utilizar como combustible para motores de combustión interna no es nueva, desde antes de la primera guerra mundial, los fabricantes de automóviles conocían el potencial del alcohol como combustible, algunos modelos de vehículos populares como el Ford modelo T, tenían motores de baja compresión, un carburador ajustable, y un sistema de avance de la ignición, que hacían posible cambiar la operación de gasolina a alcohol o kerosén (Kovarik). Las capacidades antidetonantes de este combustible, eran conocidas, desde antes de el descubrimiento del tetraetil plomo, el cual todavía es usado para aumentar la capacidad antidetonante de la gasolina. A mediados de las décadas de 1920 y 1930, General Motors, DuPont Corp. y Standard Oil, formaron una alianza para producir tetraetil plomo, la cual tuvo tanto éxito, que el 90% de la gasolina que se utilizaba en los Estados Unidos, contenía plomo. En Francia, la incertidumbre de poder mantener los proveedores de petróleo durante la primera guerra mundial, condujo a un programa de investigación por parte del Instituto Pasteur, para encontrar fuentes de producción de alcohol, incluyendo biomasa marina, los resultados de esta investigación, recomendaban utilizar la gasolina mezclada con porcentajes de 40 a 50% de alcohol. En Inglaterra, a pesar de que en el año 1905 el Comité Departamental de Alcohol Industrial, declaró que el alcohol producido a partir de papas, no era económicamente viable, posteriores estudios en la década de 1920, encontraron fuentes económicas para la producción de este combustible con frutos de algunas colonias inglesas lejanas. En Alemania a principios del siglo XX existía una prometedora industria productora de alcohol a partir del carbón, pero esta se desintegro tras los estragos de la primera guerra mundial. Posteriormente, y durante la guerra aumentó nuevamente la producción de alcohol en ese país. En Italia, el Primer Congreso de la Química Industrial, celebrado en abril de 1924, volvió obligatorio el uso de mezclas de alcohol y gasolina, y aunque inicialmente encontró resistencia por parte de la industria petrolera, posteriormente. 10.

(11) IMEC-2005-І-15. esta cedió a la utilización de este combustible. Otros países como Hungría, Polonia y Brasil, siguieron el ejemplo de Francia e Italia, haciendo obligatorio el uso de mezclas de alcohol y gasolina en las décadas de 1920 y 1930, mientras que otras naciones como Suiza, Suecia y Checoslovaquia, adoptaron el método de incentivar estos combustibles mediante una reducción en impuestos. En 1973, la organización de países exportadores de petróleo OPEP, bloqueo el envío de petróleo crudo a los Estados Unidos, generando un aumento en los precios de los combustibles, y prendió las alarmas en los países que dependen de las importaciones de este combustible fósil. Esto produjo un nuevo interés en el uso combustibles alternativos como el alcohol. Posteriormente cuando el mercado mundial del petróleo se normalizó se siguió incentivando la utilización de alcohol por sus capacidades antidetonantes. De manera más reciente, la atención mundial se ha enfocado en otra de las ventajas del alcohol como combustible, algunas emisiones de los motores de combustión interna, y en especial de los vehículos, contribuyen al deterioro del medio ambiente, gases como el monóxido de carbono, contribuyen al calentamiento global debido al efecto invernadero, y a la formación de smog.. Figura 1. Fuentes de CO, tomado y modificado de http://www.epa.gov/air/urbanair/co/what1.html. 11.

(12) IMEC-2005-І-15. En el país, también se han adelantado estudios sobre la utilización del alcohol como combustible, en noviembre de 1981, se llevo a cabo en Bogotá, el Foro Nacional para el diagnostico y recomendaciones sobre el potencial de alcohol carburante en Colombia. De manera más reciente, la ley 693 de 2001, establece, que a partir del 27 de septiembre de 2005 será obligatorio el uso de la mezcla de gasolina con un 10% de alcohol carburante en las ciudades y áreas metropolitanas de Barranquilla, Bogotá, Cali y Medellín, y a partir de septiembre 16 de 2006, será obligatorio en las ciudades y áreas metropolitanas de Bucaramanga, Cartagena, Cúcuta y Pereira. De esta manera, por el reciente interés en las emisiones de los motores de combustión interna operando con combustible mezcla de gasolina y alcohol, y por la pronta implementación de estos en la ciudad de Bogotá, la cual por sus condiciones atmosféricas, genera unas condiciones de rendimiento inferiores a las de aquellas ciudades cuya elevación sobre el nivel del mar es menor, surge la idea de realizar este proyecto, utilizando un motor monocilíndrico de 3 H.P. y preparando combustibles con diferentes proporciones de alcohol y gasolina, se buscó comparar las emisiones de gases y el rendimiento obtenido, con aquellos datos adquiridos al utilizar únicamente gasolina. Los objetivos generales que se desearon cumplir con este proyecto fueron: •. Diseñar el experimento necesario para realizar las mediciones y posterior comparación entre algunos combustibles mezcla de gasolina y alcohol.. •. Comparar la potencia entregada por un motor de combustión interna al operar con diferentes combustibles mezcla de gasolina y alcohol, con los datos obtenidos en el mismo motor funcionando únicamente con gasolina.. •. Medir las emisiones de gases de combustión, de un motor de combustión interna, al funcionar con combustibles mezcla de gasolina y alcohol, y compararlas con las emisiones del mismo motor operando con gasolina.. 12.

(13) IMEC-2005-І-15. 2. MARCO TEÓRICO. En este capitulo, se especificarán las características generales de los motores de combustión interna, de uno de los combustibles utilizados en la actualidad para este tipo de motores, y de las emisiones que estos producen.. 2.1 MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA El motor de Combustión interna ha estado con nosotros desde 1876, cuando a Nikolaus August Otto se le otorgó la patente de un motor de combustión interna de 4 tiempos. En esa época la máquina de vapor ya tenía 178 años de utilizarse. El primer motor de vapor realmente útil fue construido por Thomas Newcomen en 1698. Sin embargo, no llegó a tener una eficiencia aceptable hasta que James Watt la perfeccionó y obtuvo la patente correspondiente en 1769 (Wasdyke y Snyder, 1993). En comparación con el motor de vapor, la máquina de combustión interna de Otto, era pequeña y liviana, por lo tanto se impuso como sustituto para impulsar los coches movidos por caballos; La necesidad de transporte, incentivo el desarrollo de esta nueva fuente de poder. En 1890 se hicieron mejoras en las maquinas de vapor, haciéndose estas más compactas, y competitivas con respecto a la maquina de combustión interna, pero no lograron superarla de manera eficiente, posteriormente, con el desarrollo de los motores eléctricos, la máquina de Otto, tuvo un nuevo rival, pero hasta este momento, esta fuente de poder no ha podido superar el motor de combustión interna, en su utilización en vehículos autopropulsados. Actualmente, se encuentran motores de combustión interna operando no solo en automóviles, sino también en barcos, aviones, podadoras de césped, bombas, generadores. 13.

(14) IMEC-2005-І-15. eléctricos, y una gran cantidad de equipo agrícola y de construcción, es decir, en casi cualquier aplicación en la que se requiera una fuente de poder.. 2.1.1 El Ciclo de Otto El ciclo de Otto es un ciclo ideal que se aproxima al de un motor de combustión interna. Este ciclo se representa en diagramas P-υ y T-s como los de la figura 1. El proceso de 1 a 2 es un proceso isentrópico de compresión y ocurre cuando el pistón del motor de combustión interna se desplaza del punto muerto inferior o PMI, hasta el punto muerto superior o PMS. En este punto se añade calor manteniendo el volumen constante, mientras el pistón esta en el PMS (esto corresponde a la ignición de la mezcla aire combustible por parte de la bujía). El proceso de 3 a 4, es un proceso de expansión isentrópica, y el proceso de 4 a 1 es la expulsión del calor del aire, mientras el pistón está en el PMI.. Figura 2. Diagrama P-v y T-s del ciclo de Otto.. La eficiencia térmica de este ciclo, asumiendo que el calor específico del aire permanece constante es:. η th =. mCυ (T4 − T1 ) QH − QL Q = 1− L = 1− QH QH mCυ (T3 − T2 ). 14.

(15) IMEC-2005-І-15. = 1−. T1 (T4 / T1 − 1) T2 (T3 / T2 − 1). Además,. T2  V1  =  T1  V2 . k −1. V =  4  V3.   . k −1. =. T3 T4. Por lo tanto: T3 T4 = T2 T1. y como se puede observar de la figura 1, la relación de compresión es:. rυ =. V1 V4 = V2 V3. Combinando las ecuaciones anteriores obtenemos la eficiencia térmica. η th = 1 −. T1 1 = 1 − (rυ )1− k = 1 − k −1 T2 rυ. Donde:. QH = Energía que entra QL = Energía que se pierde Cυ = Calor especifico del aire a volumen constante T1 = Temperatura en la entrada de aire T2 = Temperatura después de la compresión T3 = Temperatura al final del ciclo de potencia T4 = Temperatura en la salida de los gases k = relación de calores específicos del aire Cp / Cv = 1.4 V1 = V4 = Volumen de cilindro en el PMI V2 = V3 = Volumen de cilindro en el PMS ηth = Eficiencia térmica. 15.

(16) IMEC-2005-І-15. Cabe notar que la eficiencia térmica es función de la relación de compresión del motor, por lo tanto entre más comprima este la mezcla aire combustible, será más eficiente, sin embargo, la compresión esta limitada por la capacidad antidetonante del combustible.. 2.2 EL PROCESO DE COMBUSTIÓN El proceso de combustión consiste en la oxidación de los componente en el combustible que pueden ser oxidados y puede ser representado por una ecuación química. Durante el proceso de combustión la masa de cada elemento permanece constante. Entonces, encontrar la ecuación química de una combustión, involucra la conservación de masa de cada elemento. Consideremos la reacción del carbono con el oxigeno.. C + O2 → CO2 En esta ecuación un kmol de carbono reacciona con un kmol de oxigeno para formar un kmol de dióxido de carbono. Esto significa también que 12 Kg. de carbono reaccionan con 32 Kg. de4 oxigeno para formar 44 Kg. de dióxido de carbono. Todas las sustancias que llevan a cabo el proceso e combustión son llamadas los reactantes, y las sustancias que resultan del proceso son llamadas los productos. Cuando el combustible que se quema es un hidrocarburo, se oxidan el carbono y el hidrogeno. En la combustión del metano, los productos incluyen dióxido de carbono y agua. El agua puede estar en estado sólido, líquido o gaseoso, dependiendo de la temperatura y presión de los productos de combustión.. 16.

(17) IMEC-2005-І-15. CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O En la mayoría de procesos de combustión, el oxigeno se suministra del aire, la composición de este en base molar es de aproximadamente 21% oxigeno, 78% nitrógeno y 1% argón. Normalmente se asume que el nitrógeno y el argón no reaccionan durante el proceso de combustión, sin embargo, a las altas temperaturas logradas en los motores de combustión interna el nitrógeno puede reaccionar con el oxigeno, formando óxidos de nitrógeno. En los cálculos de combustión, que involucran aire, normalmente el argón es despreciado debido a su baja presencia, y el aire es considerado como 21 % oxigeno y 79 % nitrógeno en volumen, esto lleva a la conclusión que por cada mol de oxigeno hay presentes 3.76 moles de nitrógeno (79.0/21). La combustión del metano, en la cual el oxigeno es suministrado del aire, la ecuación correspondiente puede ser representada de la siguiente forma:. CH4 + 2O2 + 2(3.76)N2 → CO2 + 2H2O + 7.52 N2 La mínima cantidad de aire, que brinda la cantidad oxigeno suficiente para la combustión de todo el carbono, hidrogeno, o cualquier otro elemento presente en el combustible que se pueda oxidar, es llamado el aire teórico. Cuando se logra una combustión completa con aire teórico, los productos no contienen oxigeno. Una ecuación general para la combustión de hidrocarburos y aire se puede escribir de la siguiente forma:. CxHy + νO2(O2 + 3.76N2) → νCO2CO2 + νH2OH2O + νN2N2. 17.

(18) IMEC-2005-І-15. balanceando los átomos en la cantidad de aire teórico nos da los coeficientes estequiométricos para cada sustancia.. C:. νCO2 = x. H:. 2νH2O = y. N2:. νN2 = 3.76 x νO2. O2:. νO2 = νCO2 + νH2O / 2 = x + y / 4. y la cantidad de moles de aire por cada mol de combustible es:. naire = νO2 x 4.76 = 4.76(x + y / 4) Esta cantidad de aire es igual al 100% del aire teórico, en la práctica, para lograr una combustión completa se debe suministrar más aire que el teórico. Para representar la relación entre la cantidad de aire y combustible se utiliza la relación aire combustible AF esta puede estar dada en base masa o base molar.. AFmasa = AFmolar =. maire mcombustible n aire ncombustible. 2.3 ALCOHOL CARBURANTE El etanol, también conocido con alcohol etílico es un compuesto químico incoloro e inflamable y es utilizado frecuentemente en bebidas alcohólicas, su formula química es C2H5OH.. 18.

(19) IMEC-2005-І-15. El etanol es producido por fermentación, cuando algunas levaduras metabolizan el azúcar en ausencia de oxígeno, estas levaduras pueden producir un etanol con hasta un 14% de pureza, para aumentar la concentración del etanol, es necesaria una destilación. Además, para obtener un etanol puro es necesario adicionar un solvente, generalmente benceno, con el fin de romper el azeótropo, y posteriormente realizar una nueva destilación. El etanol para uso industrial es normalmente desnaturalizado, es decir, no es apto para el consumo humano, esto se logra mediante la adición de sustancias toxicas o desagradables. En el caso del alcohol carburante, este debe tener un altísimo índice de pureza, del orden del 99.5%.. 2.3.1 Ley 693 de 2001 El gobierno colombiano, con el ánimo de dictar normas sobre el uso de alcoholes carburantes como combustible para vehículos, además de crear estímulos para su producción, comercialización y consumo, redactó el 19 de septiembre de 2001 la ley 693. Esta ley establece, que a partir del 27 de septiembre de 2005 será obligatorio el uso de la mezcla de gasolina con un 10% de alcohol carburante en las ciudades y áreas metropolitanas de Barranquilla, Bogotá, Cali y Medellín, y a partir de septiembre 16 de 2006, será obligatorio en las ciudades y áreas metropolitanas de Bucaramanga, Cartagena, Cúcuta y Pereira.. 2.4 EMISIONES DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA En la mayoría de los procesos de combustión, el oxigeno esta presente como uno de los constituyentes del aire, más que como oxigeno puro, la composición del aire en base molal, es aproximadamente 21% de oxígeno, 78% de nitrógeno y 1% de argón, sin embargo, en cálculos de combustión empleando aire, este se considera constituido simplemente como 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno en volumen.. 19.

(20) IMEC-2005-І-15. Los gases emitidos por los motores de combustión interna, son formados cuando el combustible es quemado con el oxigeno presente en el aire, y generalmente son una mezcla de monóxido de carbono, dióxido de carbono, oxígeno, nitrógeno y vapor de agua. La cantidad de estos depende principalmente del combustible que se este quemando, y de que tan completa se la combustión de este. Algunos otros gases como diferentes óxidos de nitrógeno (NOx), y dióxidos de azufre (SO2), pueden estar presentes en menor medida, cuando las elevadas temperaturas de las cámaras de combustión de un motor de combustión interna, logran hacer que el nitrógeno del aire reaccione con el oxigeno, o cuando el combustible contiene azufre. Estos gases son altamente contaminantes, en el caso del dióxido de nitrógeno (NO2) es el mayor constituyente del smog que se forma sobre las ciudades, y el dióxido de azufre, esta relacionado a efectos patológicos como enfermedades respiratorias y cardiovasculares en individuos sometidos a altos niveles de exposición, además de contribuir a la formación de la lluvia acida.. 20.

(21) IMEC-2005-І-15. 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para realizar las pruebas de rendimiento y emisiones de un motor, operando con diferentes combustibles mezcla de gasolina y etanol, es necesario hacer uso de un banco de pruebas, debidamente instrumentado para realizar las mediciones tanto de las RPM, como de la carga aplicada. La figura 2 muestra el dinamómetro empleado en este proyecto. Figura 3. Dinamómetro utilizado.. 3.1 MOTOR El motor Utilizado en este proyecto es un Tecumseh a gasolina, modelo H30 de 3,0 caballos y cuatro tiempos, este motor cuenta con un dispositivo mecánico, del tipo gobernador que mantiene las RPM constantes. Las características de este motor se observan en la tabla 1. Tecumseh Marca H30 Modelo 3,0 H.P. Potencia Diámetro del Cilindro 63,5 mm 46,83 mm Carrera del Pistón 148,31 cm3 Desplazamiento 11,34 Kg Peso Aproximado Relación de 8,5:1 Compresión Tabla 1. Características del Motor Tecumseh H30.. 21.

(22) IMEC-2005-І-15. 3.2 DINAMÓMETRO La medición de torque esta asociada generalmente a la determinación de potencia mecánica, ya sea la potencia requerida para operar una máquina o la potencia entregada por una máquina. Los aparatos usados para medir torque son normalmente conocidos como dinamómetros.. 3.2.1 Medición de Torque Existen básicamente tres tipos de sistemas de medición de torque, estos son: dinamómetros de absorción los cuales disipan la energía mecánica mientras miden el torque, dinamómetros conductores que entregan energía para mover el aparato que se desea medir, al tiempo que efectúan la medición y dinamómetros de transmisión son objetos pasivos, ubicados en el lugar apropiado para sentir el torque en una ubicación. El dinamómetro utilizado para este proyecto fue de tipo de absorción, el cual es el más adecuado para medir el torque en un motor de combustión interna, debido a que disipa la energía mecánica, mientras mide el torque. Este dinamómetro contaba con un freno hidráulico, el cual disipa la energía de entrada. La capacidad es función de dos factores, la velocidad y el nivel del agua. La absorción de potencia es función aproximada de la velocidad elevada al cubo, y la absorción a una velocidad determinada puede ser controlada ajustando el nivel de agua en el interior del freno.. 22.

(23) IMEC-2005-І-15. Figura 4. Esquema de un Freno Hidráulico.. 3.2.2 Medición de R.P.M. Para la medición de las R.P.M. se utilizó un tacómetro análogo marca Go Power Systems, modelo DY-7D, el cual estaba conectado a través de una guaya al eje de salida del motor, este nos permitía conocer de manera instantánea la velocidad en R.P.M. en este eje, el rango de operación del tacómetro, permite trabajar hasta 6000.. Figura 5. Tacómetro.. 23.

(24) IMEC-2005-І-15. 3.2.3 Cálculo de la potencia En el caso de los dinamómetros de absorción con freno hidráulico, los elementos que absorben la potencia tienden a rotar con el eje de la maquina que se esta midiendo, esta rotación está restringida por un aparato de medición de fuerza tal como una celda de carga ubicada en un elemento que impide la rotación y de brazo r. Midiendo la fuerza aplicada en el radio conocido r el torque se puede computar con la siguiente ecuación:. T = F.r Como conocemos la velocidad angular del motor, podemos determinar la potencia con la siguiente ecuación:. Pot = 2.π.(T).ω donde. Pot = Potencia F = Fuerza aplicada en el radio r ω = Velocidad angular. 3.3 ESCAPE DE GASES Para la segura extracción de los gases de escape al exterior del taller, se adaptó un tubo de acero, de ½ pulgada de diámetro a la salida de gases del motor Ver figura 5), el otro extremo de este tubo se dirigió a la campana de extracción, la cual dirige los gases de escape al exterior.. 24.

(25) IMEC-2005-І-15. Figura 6. Escape de gases acoplado al motor.. 3.4 MEDICIÓN DE GASES La medición de la composición de los gases de escape en el motor, se realizaron utilizando un equipo marca ENERAC modelo 500, (ver figura 6) este contaba con una sonda, la cual se introducía en el escape de gases del motor, para recoger la muestras de los gases de escape y un ensamble que contaba con la bomba y los diferentes sensores.. Figura 7. Analizador de gases ENERAC modelo 500. 25.

(26) IMEC-2005-І-15. 3.4.1 Sonda La sonda del equipo de medición de gases contaba con los siguientes elementos: a) Un segmento de tubo de 13 pulgadas de largo y 3/8 de pulgada de diámetro, el cual poseía una termocupla en su interior, y un mango en aluminio que facilitaba el agarre. b) Una manguera de 10 pies de largo y ¼ de pulgada de diámetro la cual además de transportar los gases, tenía un cable para la termocupla, esta manguera se podía desconectar en los dos extremos para ser guardada. c) Una trama de condensación y un filtro de partículas, que removía el exceso de agua y limpiaba la muestra.. Figura 8. Sonda del equipo analizador de gases.. 3.4.2 Bomba y Sensores El analizador de gases contiene una pequeña bomba de diafragma ubicada en su interior, la cual absorbe una pequeña cantidad de los gases (1200 – 1600 cm3/min). Los gases son conducidos a los diferentes sensores y posteriormente desalojados al exterior del aparato.. 26.

(27) IMEC-2005-І-15. 3.4.2.1 Sensores de Temperatura Este instrumento utiliza dos sensores de temperatura, uno monitorea los gases de entrada, y el otro la temperatura ambiente. a) Termocupla: La termocupla está ubicada en el extremo de la sonda, esta mide la temperatura de los gases de entrada menos la temperatura ambiente y tiene una capacidad de medir temperaturas hasta de 1100°C. b) Sensor de temperatura ambiente: Este sensor, esta ubicado en el interior de la unidad y es utilizado para medir la temperatura ambiente en el interior de la unidad.. 3.4.2.2 Sensores de Gases Este aparato cuenta con diferentes sensores ubicados en su interior, los cuales medien la concentración de los gases adquiridos a través de la sonda. a) Sensor de monóxido de carbono: Es una celda electroquímica sellada, que incorpora un filtro de larga duración, consiste en tres electrodos de platino en un electrolito. El monóxido de carbono se difunde a través de un pequeño agujero en una cara del sensor, este reacciona con el oxigeno presente en el interior de la celda, formando dióxido de carbono, esta reacción produce una corriente eléctrica proporcional a la concentración del gas. b) Sensor de oxigeno: Es una celda electroquímica de dos electrodos. Posee un cátodo de plata y un ánodo de plomo. El oxigeno se difunde a través de un pequeño agujero y reacciona con el ánodo de plomo, esta reacción produce una corriente eléctrica que el software integrado en el equipo interpreta para conocerla concentración de este gas. c) Sensor de oxido de nitrógeno: Es una celda electroquímica sellada, que incorpora un filtro de larga duración, consiste en tres electrodos de metales nobles en un electrolito, el oxido de nitrógeno se difunde a través de pequeños capilares ubicados en la cara del. 27.

(28) IMEC-2005-І-15. sensor, el gas reacciona con el oxigeno en el interior de la celda, formando dióxido de nitrógeno, esta reacción produce una corriente eléctrica que es proporcional a la concentración del gas. d) Sensor de dióxido de nitrógeno: Es una celda electroquímica, similar a la del sensor del oxido de nitrógeno. El rango, resolución y exactitud de cada uno de los sensores se puede observar en la tabla 2. Sensor Temperatura Ambiente Temperatura de Gases Monóxido de Carbono Oxigeno Oxido de Nitrógeno Dióxido de Nitrógeno. Rango. Resolución. Exactitud. 0-150°F. 1°F. 3°F. 0-2000°F 0-2000 PPM 0-25% 0-2000 PPM 0-1000 PPM. 1°F. 5°F. 1 PPM 0.10%. 4% 0.20%. 1 PPM. 4%. 1 PPM. 4%. Tabla 2. Características de los sensores del equipo analizador de gases.. 28.

(29) IMEC-2005-І-15. 4. MEZCLAS EVALUADAS. Para la realización de este proyecto, se evaluaron tres mezclas en diferentes proporciones de Etanol Anhidro y Gasolina, las cuales fueron preparadas en el taller de Ingeniería Mecánica.. 4.1 MATERIAS PRIMAS A continuación se describen las materias primas utilizadas para la preparación de las mezclas propuestas.. 4.1.1 Etanol Anhidro El alcohol utilizado para la realización de las mezclas, fue obtenido de las existencias disponibles en el taller de Ingeniería Mecánica y el cual fue donado en semestres anteriores por la empresa Sucromiles S.A. para la realización de un proyecto de grado (Rodríguez, 2004) . Este alcohol cumple con las características, especificadas en la tabla 3, según el reporte que acompañaba el producto. Análisis Pureza Acidez Total Humedad Densidad Relativa 20/20ºC Color Ciclohexano. Unidades % m/m % m/m % m/m. APHA % m/m. Apariencia Olor. Especificaciones 99,5 Mín. 0,002 Máx. 0,5 Máx. 0,7893 - 0,7943 10 Máx. 0,1 Máx. Liquido Transparente Característico. Tabla 3. Características del etanol.. 29.

(30) IMEC-2005-І-15. 4.1.2 Gasolina Corriente La gasolina corriente es una mezcla compleja donde puede haber de 200 a 300 hidrocarburos distintos, formada por fracciones combustibles provenientes de diferentes procesos de refinación del petróleo, tales como destilación atmosférica, ruptura catalítica, ruptura térmica, alquilación, reformado catalítico y polimerización, entre otros. Las fracciones son tratadas químicamente con soda cáustica para eliminar compuestos de azufre tales como sulfuros y mercaptanos que tienen un comportamiento corrosivo y retirar gomas que pueden generar depósitos en los sistemas de admisión de combustibles de los motores. Luego se mezclan de tal forma que el producto final tenga un índice antidetonante IAD (Ron+Mon/2) de 81 octanos como mínimo. El índice es una medida de la capacidad antidetonante de la gasolina y la principal característica que identifica el comportamiento de la combustión dentro del motor. Mayor octanaje indica mejor capacidad antidetonante. Según ECOPETROL, la gasolina corriente distribuida en la ciudad de Bogotá, presenta las características expuestas en la tabla 4.. GASOLINA CORRIENTE Grado:. Regular - Índice Octano 81, Sin Plomo (Unleaded) ASTM 4814 / NTC 1380 (Norma Técnica Colombiana) / Resolución 1565 de Diciembre 27 e 2004. Referencia: Fecha de Actualización: Características Azufre Corrosión al Cobre, 3h a 50ºC Destilación 10% Volumen Evaporado 50% Volumen Evaporado 90% Volumen Evaporado Punto Final de Ebullición Estabilidad a la Oxidación ASTM D-525 Contenido de Gomas Índice de Cierre de Vapor, ICV. Unidades g/100 g. Marzo 1 de 2005 Métodos ASTM D-4294 (1). Clasificación ºC. Mínimo. ASTM D-130 ASTM D-86. 1 (2). 77. minutos mg/100 mL. minutos ASTM D-381. kPa. (3). 30. Máximo 0,10. 70 121 190 225. 240 5 98.

(31) IMEC-2005-І-15. Gravedad API @ 15,6ºC Índice Antidetonante, (RON+MON)/2 Presión e Vapor REID Plomo Benceno Aromáticos Aditivos Dispersantes y Detergentes. ºAPI. ASTM D-4052. Octanos kPa (psia) g/L mL/100 mL mL/100 mL. ASTM D-2699/D-2700 (4) ASTM D-5191 (5) ASTM D-5059 (7) ASTM D-5580 (8) ASTM D-5580 (9). Reportar 81 58 (8,5) (6) 0,013 1,0 28. (10). Tabla 4. Características de la gasolina, tomado de http://www.ecopetrol.com.co/especiales/catalogo05/gasolinacorriente.htm. 4.2 MEZCLAS PREPARADAS Para este proyecto se elaboraron 2 mezclas de etanol y gasolina, las cuales fueron comparadas con gasolina pura. Las mezclas preparadas fueron, una de 95% en volumen de gasolina y 5% de etanol, y la otra elaborada con un 90% en volumen de gasolina, y 10% de etanol.. 4.3 PREPARACIÓN DE LAS MEZCLAS La preparación de las mezclas se llevó a cabo en una relación volumétrica, para esto se utilizaron los equipos disponibles en el taller de Ingeniería Mecánica.. 31.

(32) IMEC-2005-І-15. Figura 9. Preparación de los combustibles. Figura 10. Combustible preparado.. 32.

(33) IMEC-2005-І-15. 5. PRUEBAS EN MOTOR. Las pruebas en el motor se realizaron con el fin de evaluar las diferentes mezclas elaboradas de combustible y compararlas con el funcionamiento del motor operando solamente con gasolina corriente. A continuación se describen las pruebas realizadas al motor en el banco de pruebas.. 5.1 PRUEBAS DE RENDIMIENTO Las pruebas de rendimiento realizadas al motor fueron del tipo acelerador totalmente abierto, ya que esta prueba, en la que se mide el par que entrega el motor a diferentes R.P.M. permite conocer el comportamiento del motor en una gama completa de velocidades. Para esta prueba es necesario controlar de manera precisa la carga que el freno hidráulico impone al motor, midiendo simultáneamente el par aplicado y las R.P.M. y de esta manera conocer la potencia entregada.. 5.1.1 Pruebas con gasolina Debido al excesivo calentamiento que se presenta en el motor al elevar los niveles de carga y prolongar el tiempo de operación en este régimen, se recomienda que cada prueba realizada sea lo más rápida posible para evitar el sobrecalentamiento del motor, no excediendo los 5 minutos al operar con elevados niveles de carga.. 33.

(34) IMEC-2005-І-15. 5.1.1.1 Procedimiento preliminar El procedimiento preliminar a la realización de las pruebas, es el que se describe a continuación.. •. Encender la campana de extracción de los gases de escape.. •. Extraer el combustible presente en el tanque desconectando la manguera de alimentación presente en el inferior de este y envasarlo para su reutilización o desecharlo de manera apropiada, volver a conectar la manguera, asegurando que no se presenten fugas, posteriormente se introduce el combustible en el tanque, esta operación se realiza con el fin de evitar mezclas indeseadas de combustibles que alterarían la prueba.. •. Verificar que la manguera de salida de agua del freno hidráulico se encuentre descargando en el desagüe.. •. Abrir el registro que suministra agua al freno hidráulico mientras se mantiene cerrada la válvula incorporada en el dinamómetro, (la válvula incorporada tiene una mayor precisión de apertura, por lo cual es la que será usada para controlar la carga impuesta al motor). 5.1.1.2 Procedimiento de Prueba El procedimiento para realizar cada prueba se describe a continuación. 1. Seleccionar con la palanca de encendido la posición de marcha, cerrar el choke en su totalidad para obtener una mezcla rica. Halar con fuerza la manija de encendido, repetir esta ultima operación hasta que el motor se encuentre encendido. 2. Cuando el motor se encuentre encendido, permitir su operación durante 5 minutos, esto con el fin de asegurar que se consuma el combustible restante en el carburador. 34.

(35) IMEC-2005-І-15. y que el motor se alimente del combustible presente en el tanque. Además esta operación previa a la toma de datos, permite alcanzar una temperatura estable en el motor. 3. Abrir manualmente el acelerador hasta alcanzar la posición de apertura total, una ves alcanzado un régimen constante, abrir lentamente la válvula incorporada en el dinamómetro, permitiendo al entrada de agua al freno hidráulico, esto debe hacerse en incrementos, permitiendo una caída de 500 R.P.M. en cada aumento en la apertura de la válvula, para cada valor de R.P.M. se debe tomar también el valor de la carga aplicada en el freno. 4. Cuando se han tomado los datos deseados, se cierra la válvula del dinamómetro y el registro de alimentación de agua, y se permite operar el motor a unas 3000 R.P.M. durante 2 minutos aproximadamente, esto con el fin de permitir la caída de temperatura del motor, posteriormente se selecciona con la palanca de encendido la posición de parada.. 5.1.2 Pruebas con combustible mezcla de gasolina y etanol. 5.1.2.1 Procedimiento preliminar El procedimiento preliminar a la realización de las pruebas, es similar al descrito en 5.1.1.1 Procedimiento preliminar. 5.1.2.2 Procedimiento de Prueba El procedimiento preliminar a la realización de las pruebas, es similar al descrito en 5.1.1.2 Procedimiento de Prueba.. 35.

(36) IMEC-2005-І-15. 5.2 PRUEBAS DE EMISIONES Para realizar las pruebas de emisiones del motor, operando con cada uno de los combustibles que se probaron, se utilizó un equipo analizador de gases portátil, marca ENERAC modelo 500, propiedad del departamento de Ingeniería Ambiental.. 5.2.1 Procedimiento preliminar Antes de realizar cada prueba de emisiones, debe realizarse el siguiente procedimiento preliminar a la prueba.. •. Encender la campana de extracción de los gases de escape.. •. Extraer el combustible presente en el tanque desconectando la manguera de alimentación presente en el inferior de este y envasarlo para su reutilización o desecharlo de manera apropiada, volver a conectar la manguera, asegurando que no se presenten fugas, posteriormente se introduce el combustible en el tanque, esta operación se realiza con el fin de evitar mezclas indeseadas de combustibles que alterarían la prueba.. •. Ensamblar la sonda del equipo analizador de gases con la trampa de agua y conectarla al equipo, introducir el otro extremo de la sonda en el escape de gases del motor.. 36.

(37) IMEC-2005-І-15. Figura 11. Medición de los gases de escape.. 5.2.2 Procedimiento de prueba 1. Seleccionar con la palanca de encendido la posición de marcha, cerrar el choke en su totalidad para obtener una mezcla rica. Halar con fuerza la manija de encendido, repetir esta ultima operación hasta que el motor se encuentre encendido. 2. Cuando el motor se encuentre encendido, permitir su operación durante 5 minutos, esto con el fin de asegurar que se consuma el combustible restante en el carburador y que el motor se alimente del combustible presente en el tanque. Además esta operación previa a la toma de datos, permite alcanzar una temperatura estable en el motor. 3. Encender el equipo analizador de gases, inmediatamente la bomba de diafragma interna se encenderá aspirando los gases hacia el interior del aparato. 4. Desconectar brevemente la sonda del aparato, para que absorba aire limpio y presionar en el teclado del equipo analizador de gases la tecla ZERO, esto se realiza con el fin de ejecutar la función de autozero del equipo, esta función dura aproximadamente 2 minutos, posteriormente se debe reconectar la sonda al equipo, para absorber los gases de escape.. 37.

(38) IMEC-2005-І-15. 5. Presionar la tecla DATA en el equipo analizador de gases para empezar la medición, para pasar de manera alternante entre las pantallas de datos se debe presionar nuevamente la tecla DATA. 6. Si se desea imprimir un registro de los datos, presionar la tecla PRINT del equipo analizador de gases, el registro de los datos mostrará todos los datos medidos. 7. Cuando se hallan tomado los datos deseados, se procede a apagar el motor, seleccionando la palanca de encendido en la posición de parada, se retira la sonda del equipo medidor de gases del escape de gases, permitiendo que tome aire limpio antes de apagarlo, se debe retirar además la condensación presente en la trampa de condensación antes de guardar el equipo.. Figura 12. Diferentes pantallas de datos del equipo analizador de gases.. 38.

(39) IMEC-2005-І-15. 6. RESULTADOS Los resultados obtenidos en las mediciones del rendimiento y de emisiones, se exponen a continuación.. 6.1 RESULTADOS DE RENDIMIENTO Para lograr un funcionamiento adecuado del motor, era necesario lograr una puesta a punto previa a la toma de datos, esto se realizaba variando la mezcla aire combustible que ingresaba a los cilindros y limpiando los depósitos de carbón formados en el electrodo de la bujía, hasta obtener la mayor potencia y el funcionamiento más uniforme. Debido a la alta variabilidad que esto podía presentar entre las pruebas si se alteraban las condiciones bajo las cuales operaba el motor, se procuró realizar las mediciones de rendimiento de manera consecutiva, así se aseguraba que todos los combustibles serian probados bajo condiciones similares, permitiendo la comparación entre ellos.. 6.1.1 Torque Una manera apropiada de observar el comportamiento de un motor es mediante las curvas de torque contra velocidad, ya que este tipo de curvas permite conocer el desempeño del motor en una gama de velocidades, y no solamente su valor máximo, para esto es necesario tomar valores del par entregado por el motor a diferentes velocidades de operación. La curva de torque contra velocidad, se puede ver en la figura 12, de ella podemos observar que el rango de velocidad en que el motor esta entregando el mayor torque es de 3000 a. 39.

(40) IMEC-2005-І-15. 3500 R.P.M esto sin importar el combustible con que estuviera operando. Se observa además que mezclar la gasolina con el alcohol en las proporciones probadas, tiene una muy pequeña incidencia en la entrega de torque por parte del motor; En el rango de mayor entrega de torque, se obtiene un valor ligeramente menor al obtenido operando solamente con gasolina (2.22 Lbf.ft contra 2.19 Lbf.ft). A velocidades en el rango de 4000 a 5000 R.P.M. no parece existir ninguna diferencia en el comportamiento del motor, si embargo a velocidades altas por encima de 5000 R.P.M, se observa también, que cuando el combustible es una mezcla de gasolina y alcohol existe una ligera caída en los valores de torque entregados por el motor, obteniéndose valores de 1.4 Lbf.ft contra 1.35 Lbf.ft a 6000 R.P.M. la cual es la velocidad máxima de operación del motor.. 6.1.2 Potencia La potencia esta relacionada con el torque según la siguiente ecuación. Pot = 2.π.(T).ω donde. Pot = Potencia F = Fuerza aplicada en el radio r ω = Velocidad angular así que se puede esperar un comportamiento de la potencia análogo al del torque. Si observamos la figura 13 observamos que efectivamente, al igual que con la curva de torque, se presenta una comportamiento inferior a los valores obtenidos operando el motor con 100 % de gasolina, con las mezclas de gasolina y alcohol en los rangos de velocidades de 2000 R.P.M. a 4000 R.P.M. y de 5000 R.P.M. a 6000 R.P.M. mientras que en el rango de 4000 R.P.M. a 5000 R.P.M no hay diferencia entre los combustibles.. 40.

(41) IMEC-2005-І-15. La potencia máxima entregada es de 1.79 H.P. para el motor operando con gasolina 100%, 1.71 H.P. para el motor con 10% de etanol, y 1.63 para el motor operando con 5% de etanol. En los tres casos la potencia máxima se entrego en el rango de 5000 a 5500 R.P.M. Cabe anotar que la potencia máxima obtenida fue siempre inferior (alrededor de un 57%) a los 3 H.P indicados por el fabricante, esto era de esperarse, ya que ese valor corresponde a la potencia esperada operando a nivel del mar. Otro factor que puede haber influido negativamente en la entrega de potencia, fue el hecho de haber acoplado al motor un escape de gases, considerablemente más largo que el original, esto con el fin de extraer los gases de escape del taller de ingeniería mecánica.. 6.2 RESULTADOS DE EMISIÓN DE GASES Los gases tenidos en cuenta en el análisis de gases fueron Oxígeno, Nitrógeno, Monóxido de Carbono, Dióxido de Carbono y Óxidos de Nitrógeno. 6.2.1 Oxígeno Cuando se obtiene la combustión completa quemando únicamente el aire teórico, no puede haber oxigeno en los productos de combustión. Sin embargo, en la practica no es posible obtener una combustión absolutamente completa, a menos que se emplee una cantidad mayor de aire que el aire teórico, por esta razón encontramos oxígeno en los gases de escape. Si observamos la figura 14 observamos que en los gases de combustión de motor, operando con gasolina 100% hay una menor presencia de oxígeno que en las de las pruebas utilizando 5% y 10% de etanol (11.7% contra 12.3% y 12.7% respectivamente).. 41.

(42) IMEC-2005-І-15. 6.2.2 Nitrógeno El aire contiene aproximadamente un 79% en volumen de nitrógeno, este es un gas inerte el cual no reacciona muy fácilmente con otros elementos, así que teóricamente se asume que todo el nitrógeno que entra al motor, sale completo en los gases de escape, siendo el principal constituyente de estos. En la figura 15 observamos que en el caso del motor operando con 100% de gasolina, la cantidad de nitrógeno en los gases de escape fue de un 82,1%, mientras que con un 5% de etanol se obtuvo un 70,6% y con un 10% de etanol el contenido de nitrógeno en los gases de escape fue de 71.4%.. 6.2.3 Monóxido de carbono El monóxido de carbono se forma cuando la combustión es incompleta, es decir que no todo el combustible se quema, y el carbono de este reacciona con el oxigeno del aire. Es un gas altamente contaminante, razón por la cual se desea minimizar en los residuos de la combustión. La figura 16 nos muestra la concentración de CO en los gases de escape, para el 100% de gasolina se obtuvo 15200 ppm, para el 5% de etanol se obtuvo 9400 ppm y para 10% de etanol se obtuvo 9200 ppm.. 6.2.4 Dióxido de Carbono El dióxido de carbono se forma siempre que se quema un hidrocarburo, cuando el oxigeno del aire, reacciona con el carbono del combustible, en una combustión completa, todo el carbono reacciona para formar dióxido de carbono.. 42.

(43) IMEC-2005-І-15. Podemos observar del a figura 17 que en el caso del motor operando con gasolina únicamente, obtuvimos un 4.7% de dióxido de carbono, mientras que con un 5% de etanol obtuvimos un 16.2% y con 10% de etanol el 15% de los gases de escape son constituidos por este gas.. 6.2.5 Óxidos de Nitrógeno Los óxidos de nitrógeno o NOx son un grupo de gases altamente reactivos formados por nitrógeno y oxigeno en diferentes proporciones, muchos de estos gases son incoloros e inodoros, sin embargo, el dióxido de nitrógeno, que compone la mayor parte de los óxidos de nitrógeno emitidos por los motores de combustión interna, tiene una coloración rojiza, y es causante de una gran contaminación atmosférica o smog. Para que el nitrógeno reaccione con el oxigeno en un proceso de combustión, esta debe ocurrir a muy altas temperaturas (mayores a 1800 K), y tiempos prolongados de combustión. Debido al carácter contaminante de este gas, es deseable minimizar estos dos factores en cualquier proceso de combustión, especialmente, en los de los motores de combustión interna.. 6.3 TEMPERATURA DE LOS GASES DE ESCAPE Como se comentó en el numeral anterior, para que ocurra la formación de algunos gases en los procesos de combustión como los óxidos de nitrógeno, es necesario que esta ocurra a muy alta temperatura, es por esto es importante tener alguna medida de la temperatura a la cual se esta presentando la combustión. Un buen indicador de esta medida, es la temperatura de los gases de escape cuyos valores se pueden observar en la figura 20. Para este proyecto los datos se tomaron a la salida del escape de gases, el cual tenía 2 metros de longitud, razón por la cual las temperaturas son inferiores a aquellas que tienen los gases de. 43.

(44) IMEC-2005-І-15. combustión recién expulsados por el pistón, sin embargo, para el propósito por el cual se realizó esta medición, continúan siendo validos. Las valores obtenidos para la temperatura de los gases de escape del motor, operando con 100% gasolina, y mezclas con 5% de alcohol y 10% de alcohol fueron de 90°C, 87°C y 86°C respectivamente.. 6.4 GRAFICAS A continuación, se muestran las gráficas obtenidas de las pruebas de rendimiento y emisión de gases.. 44.

(45) IMEC-2005-І-15. Diagrama Torque vs. Velocidad. Torque (lbf.ft). 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 20. 30. 40. 50. 60. Velocidad (RPM / 100). 5% Etanol. 100% Gasolina. 10% Etanol. Figura 13. Torque Vs. Velocidad. Diagrama Potencia vs. Velocidad. Potencia (HP). 2 1,7 1,4 1,1 0,8 20. 30. 40. 50. Velocidad (RPM / 100) 100% Gasolina. 5% Etanol. 10% Etanol. Figura 14. Potencia Vs. Velocidad.. 45. 60.

(46) IMEC-2005-І-15. Concentración de O2 12.8 12.6 12.4 12.2. %. 12 11.8 11.6 11.4 11.2 100% Gasolina. 5% Etanol. 10% Etanol. Figura 15. Emisiones de oxígeno.. Concentración de N2 84 82 80 78 76 % 74 72 70 68 66 64 100% Gasolina. 5% Etanol. 46. 10% Etanol.

(47) IMEC-2005-І-15. Figura 16. Emisiones de Nitrógeno.. Concentración de CO 16000 14000. ppm. 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 100% Gasolina. 5% Etanol. 10% Etanol. Figura 17. Emisiones de monóxido de carbono.. %. Concentración de CO2 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 100% Gasolina. 5% Etanol. Figura 18. Emisiones de dióxido de carbono.. 47. 10% Etanol.

(48) IMEC-2005-І-15. Concentración de NOx 100. ppm. 80 60 40 20 0 100% Gasolina. 5% Etanol. 10% Etanol. Figura 19. Emisiones de óxidos de nitrógeno.. Temperatura de los Gases de Escape 91 90 89. °C 88 87 86 85 84 100% Gasolina. 5% Etanol. 10% Etanol. Figura 20. Temperatura de los gases de escape a la salida del escape de gases.. 48.

(49) IMEC-2005-І-15. 7. CONCLUSIONES. Al observar los datos de rendimiento obtenidos, se puede comprobar el efecto negativo que tienen sobre este, las condiciones atmosféricas de Bogotá, el motor Tecumseh H30, entrego, una potencia máxima de 1.79 H.P, la cual corresponde a un 59.7% del valor de la potencia nominal de 3.0 H.P, especificada por el fabricante. Otro factor que pudo haber influido en el rendimiento del motor, es el acople de un tubo de escape de 2 metros de longitud, el cual dificulta la expulsión de los gases de escape. De la figura 14, observamos el comportamiento comparativo del motor con los 3 combustibles utilizados, la forma como entrega la potencia le motor, es similar en los tres casos, obteniendo la mayor potencia en el rango de 5000 a 5500 R.P.M. sin embargo, hay diferencia entre los valores máximos obtenidos, la máxima potencia se obtuvo con la gasolina, (1,79 H.P.), mientras que con 10% de etanol y 5% de etanol se obtuvieron valores ligeramente inferiores (1.71 H.P. y 1.63 H.P. respectivamente). El motor utilizado para estas pruebas, esta diseñado para operar a una velocidad constante de 3000 R.P.M., a esta velocidad la diferencia en rendimiento es menor, operando con gasolina el motor entrega una potencia de 1.27 H.P. mientras que con 10% y 5% de etanol entrega 1.23 H.P. La estimación de la incertidumbre de los valores obtenidos de potencia se puede ver en el APÉNDICE F. Los gases de escape de mayor importancia, son aquellos que producen un efecto nocivo sobre la atmósfera, ya que son los que se desean producir en menor medida, en este caso, el CO, y los NOx, de la figura 17 podemos ver una clara relación entre la disminución de CO, con la adición de etanol en la gasolina, esto es un conclusión que podía esperarse, ya que este gas se produce cuando no hay suficiente oxigeno para quemar el combustible, el etanol posee oxígeno en su molécula, razón por la cual actúa como agente oxidante, permitiendo. 49.

(50) IMEC-2005-І-15. que la combustión sea más completa, y por consiguiente, generando una disminución en el CO. Las emisiones de NOx están presentes en muy baja medida, de la figura 19 la primera impresión que se tiene es, que con la adición del etanol, se aumenta la producción de estos, sin embargo, dada la poca cantidad presente (70 – 95 ppm) y la exactitud que posee el equipo analizador de gases (4%), no se puede concluir con certeza que la producción de estos gases haya aumentado con la adición de etanol en la gasolina. Una medición, que nos puede dar otros indicios sobre la relación ente la formación de NOx en los gases de combustión y la adición de etanol en las proporciones evaluadas, es la temperatura de la combustión, la cual se ve reflejada en la temperatura de los gases de escape de la figura 20. Operando con gasolina, los gases de escape tenían una temperatura de 90°C, con 5% de etanol en el combustible tenían una temperatura de 87°C y con 10% de etanol, el valor fue de 86°C. Estas temperaturas, son bastante parecidas, por lo tanto nos confirman que no podemos concluir que exista un cambio en la emisión de NOx entre los diferentes combustibles probados.. 50.

(51) IMEC-2005-І-15. BIBLIOGRAFIA. ASTM STANDARDS: WK6363 (2004) Standard Practice for Calibration of TorqueMeasuring Instruments for Verifying the Torque Indication of Torque-Testing Machines Bacca P. Daniel A. Relación De La Proporción Combustible-Aire y Rendimiento De Motores De Combustión Interna (2004), Tesis, Universidad de los Andes Brekelbaum Trudy, Julio Cesar Toro & Victoliano Izquierdo. (1980), Memorias [del] I Simposio colombiano sobre alcohol carburante, Cali, Colombia: CIAT. Campbell, Ashley. (1979), Thermodynamic Analysis of Combustion Engines: John Wiley & Sons Campodónico Mario (1984), Experiencia y perspectivas en América Latina sobre Alcohol Carburante México: Editorial Geplacea Cárdenas Gutiérrez Jorge, Bendeck Olivilla Jorge J, Acosta Medina Amylkar, (2004) ABC de los Alcoholes Carburantes Bogotá: Corporación Escenarios Charles F. Taylor. (1986) The Internal Combustion Engine in Theory and Practice:The MIT Press, 2nd Edition,. Ethanol, consultado el jueves 9 de junio de 2005 de http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol Gasolina Corriente consultado el jueves 2 de junio de 2005 de http://www.ecopetrol.com.co/especiales/catalogo05/gasolinacorriente.htm Jiménez, Víctor Raúl, (1973) Banco de pruebas para muestreo de motores en producción, Bogotá: Uniandes Kovarik Hill (1998) Henry Ford, Charles Kettering and the "Fuel of the Future", consultado el martes 14 de junio de 2005 de http://www.runet.edu/~wkovarik/papers/fuel.html Ley 693 De Septiembre 19 De 2001, Ministerio de Minas y Energía. Mathewson S.W. The Manual for the Home and Farm Production of Alcohol Fuel. consultado el viernes 1 de junio de 2005 de http://journeytoforever.org/biofuel_library/ethanol_manual/manual1-2.html Navarro Alfredo (1984),Bosquejo para un programa de alcohol carburante en Colombia: Cuadernos técnicos ECOPETROL.. 51.

(52) IMEC-2005-І-15. NOx: What is it? Where does it come from? consultado el miércoles 8 de junio de 2005 de http://www.epa.gov/air/urbanair/nox/what.html Obert, Edward. (1999 ), Motores de Combustión Interna – Análisis y Aplicaciones: Editorial CECSA, , Reimpr No. 20. Programa de Comercio Internacional y Turismo / OEA, Cámara de Comercio de Bogotá, Asociación Iberoamericana de Cámaras de Comercio(1981): Diagnóstico y recomendaciones sobre potencial de alcohol carburante en Colombia Rodríguez B. Javier E, Montaje de Banco de Pruebas y Evaluación de Mezclas EB-Diesel como Combustible para Motores de Ignición por Compresión. (2004) Tesis, Universidad de los Andes Resolución No. 18 0687 De Junio 17 De 2003, Ministerio de Minas y Energía. Smith J.L. y Workman J.P. Alcohol for Motor Fuels. consultado el jueves 2 de junio de 2005 de http://www.ext.colostate.edu/pubs/farmmgt/05010.html Sonntag Richard E, Borgnakke Claus & Van Wylen Gordon J. (2003) Fundamentals of thermodynamics 6th Ed. John Wiley & Sons, Inc. U.S. EPA, (2000), CO, How carbon monoxide affects the way we live and breathe, consultado el martes 14 de junio de 2005 de http://www.epa.gov/air/urbanair/co/index.html Wang, Michael, Saricks, Chris, & Lee, Hanjie. (2003) Fuel-Cycle Energy and Emission Impacts of Ethanol-Diesel Blends in Urban Buses and Farming Tractors. Argonne, IL.: Center for Transportation Research Argonne National Laboratory. Wasdyke Raymond G & Snyder Gerald D, (1993) Motor de Gasolina de dos tiempos, operación, prueba y evaluación: Limusa Noriega editores p.III Weber Rex, Ethanol Blended Fuels, consultado el martes 14 de junio de 2005 de http://www.ethanol.org/pdfs/EthanolCurriculum.pdf. 52.

(53) IMEC-2005-І-15. ANEXO A. DATOS OBTENIDOS DE LAS PRUEBAS DE RENDIMIENTO. 100% Gasolina Potencia (HP) ω (rpm) p (psi) Torque (lb/ft) 60 4,75 1,410275 1,611742857 55 5,75 1,707175 1,788469048 50 6,25 1,855625 1,767261905 45 6,75 2,004075 1,717778571 40 7 2,0783 1,583466667 35 7,5 2,22675 1,4845 30 7,5 2,22675 1,272428571 25 6,5 1,92985 0,91897619 Tabla 5. Datos de rendimiento del motor operando con 100% de gasolina. 5% Alcohol Potencia (HP) ω (rpm) p (psi) Torque (lb/ft) 60 4,5 1,33605 1,526914286 55 5,25 1,558725 1,63295 50 6,25 1,855625 1,767261905 45 6,75 2,004075 1,717778571 40 7 2,0783 1,583466667 35 7,25 2,152525 1,435016667 30 7,25 2,152525 1,230014286 25 6,5 1,92985 0,91897619 Tabla 6. Datos de rendimiento del motor operando con 95% de Gasolina y 5% de Etanol. 10% Alcohol Potencia (HP) ω (rpm) p (psi) Torque (lb/ft) 60 4,5 1,33605 1,526914286 55 5,5 1,63295 1,710709524 50 6,25 1,855625 1,767261905 45 6,75 2,004075 1,717778571 40 7 2,0783 1,583466667 35 7,25 2,152525 1,435016667 30 7,25 2,152525 1,230014286 25 6,5 1,92985 0,91897619 Tabla 7. Datos de rendimiento del motor operando con 95% de Gasolina y 5% de Etanol.. 53.

(54) IMEC-2005-І-15. ANEXO B. DATOS OBTENIDOS DE LAS PRUEBAS DE EMISIÓN DE GASES. Figura 21. Registros impresos por el equipo analizador de gases ENERAC 500.. 54.

(55) IMEC-2005-І-15. ANEXO C. CURVAS DE RENDIMIENTO DEL FABRICANTE. Figura 22. Curvas de rendimiento del fabricante.. 55.

(56) IMEC-2005-І-15. ANEXO D. ECUACIONES DE COMBUSTIÓN DE LOS COMBUSTIBLES Ecuación de combustión 100% Gasolina C8H18 + 12.5 (O2 + 3.76 N2) → 8 CO2 + 9 H2O + 47 N2. AC molar =. 12.5 + 47 = 59.5 moles de aire / mol de combustible 1. La relación aire / combustible en masa, la obtenemos insertando los pesos moleculares del aire y del combustible. AC masa =. 59.5 ⋅ (28.95) = 15 kg de aire / kg de combustible 114.2. Ecuación de combustión 95% Gasolina y 5% de Etanol. 0.95 C8H18 + 0.05 C2H5OH + 12.05 (O2 + 3.76 N2) → 7.7 CO2 + 8.7 H2O + 45.308 N2 AC molar =. 12.05 + 45.308 = 57.358 moles de aire / mol de combustible 1. AC masa =. 57.358 ⋅ (28.95) = 15.0137 kg de aire / kg de combustible 110.6. Ecuación de combustión 90% Gasolina y 10% de Etanol. 0.9 C8H18 + 0.1 C2H5OH + 11.6 (O2 + 3.76 N2) → 7.4 CO2 + 8.4 H2O + 43.616 N2 AC molar =. 11.6 + 43.616 = 55.216 moles de aire / mol de combustible 1. AC masa =. 55.216 ⋅ (28.95) = 14.911 kg de aire / kg de combustible 107.2. 56.

(57) IMEC-2005-І-15. ANEXO E. OPERACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL ANALIZADOR DE GASES. 57.

(58) IMEC-2005-І-15. 58.

(59) IMEC-2005-І-15. 59.

(60) IMEC-2005-І-15. 60.

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