UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ESTUDIO COMPARATIVO DE LAS EMISIONES DE GASES
PRODUCIDAS POR UN VEHÍCULO HÍBRIDO Y UN NORMAL
DE LA MISMA POTENCIA EN UNA RUTA DETERMINADA DE
LA CIUDAD DE QUITO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
GEOVANNY SEBASTIÁN REINOSO SÁNCHEZ
DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 0603944737
APELLIDO Y NOMBRES: Reinoso Sánchez Geovanny Sebastián
DIRECCIÓN: Jardines del Bosque
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022290085
TELÉFONO MOVIL: 0984433318
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Estudio comparativo de las emisiones de
gases producidas por un vehículo híbrido y un normal de la misma potencia en una ruta
determinada de la ciudad de Quito
AUTOR O AUTORES: Geovanny Reinoso
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
07/06/2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Edwin Tamayo
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Este proyecto de investigación se realizó para conocer el impacto ambiental que tiene un automóvil híbrido y uno convencional en condiciones normales de funcionamiento dentro de la ciudad de Quito, su emisión de gases contaminantes y como afecta esto al medio ambiente. Por lo cual fue necesario realizar un estudio bibliográfico acerca de la historia y evolución que han tenido estos dos automóviles para entender el funcionamiento de sus partes y sistemas.
exactas de las emisiones de gases de escape de ambos vehículos, al igual que las herramientas adecuadas para facilitarnos el trabajo y obtener los resultados deseados en el tiempo propuesto.
Un punto muy importante para la realización de esta investigación fue seleccionar la ruta adecuada, por tal motivo se decidió hacer la prueba en la avenida Occidental, al noroeste de la ciudad de Quito, ya que es una avenida muy irregular con cuestas y declives en los cual los vehículos pueden alcanzar la velocidad deseada para el análisis.
Después de concluir las pruebas y recolectar los datos necesarios se determinó, mediante tablas, la cantidad de gases que emanan los dos automóviles analizados en cada tramo da la ruta seleccionada y se comparó los resultados.
Este proyecto se realizó con el fin de crear conciencia en los estudiantes al dar a conocer la cantidad de gases contaminantes que estos dos tipos de vehículos producen, y así buscar la manera de desarrollar nuevos proyectos para disminuir los efectos de esta contaminación.
PALABRAS CLAVES: Hibridación, adiabático, residual, ralentí, lambda, estequiométrica, hidrocarburo.
ABSTRACT: This research project was carried out to know the environmental impact that have a hybrid car and one conventional in normal operating conditions within the city of Quito, its emission of polluting gases and how it affects the environment. So, it was necessary to perform a literature review about the history and evolution that have had these two cars to understand the operation of their parts and systems.
exhaust gases from both vehicles, as well as the tools to provide work and obtain the desired results in the proposed time.
A very important point for the realization of this research was to select the appropriate path, for this reason it was decided to take the test in Occidental Avenue, Northwest of the city of Quito, which is a very irregular Avenue with slopes and inclines in which vehicles can reach the desired analysis speed.
After completing tests and collect the necessary data it was determined, using tables, the amount of gases that emanate two cars tested in each section gives the selected route and compared the results.
This project was carried out in order to raise awareness in students to give to know the amount of polluting gases that produce these two types of vehicles, and thus find a way to develop new projects to decrease the effects of this pollution.
KEYWORDS Hybridization, adiabatic, residual, slow motion, lambda, stoichiometric, hydrocarbon.
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
f:__________________________________________ REINOSO SÁNCHEZ GEOVANNY SEBASTIAN
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, GEOVANNY SEBASTIÁN REINOSO SÁNCHEZ CI 0603944737 autor del proyecto titulado: Estudio comparativo de las emisiones de gases producidas por un vehículo híbrido y un normal de la misma potencia en una ruta determinada de la ciudad de Quito
previo a la obtención del título de Ingeniero Automotriz en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 20 de junio de 2016
f:__________________________________________ REINOSO SÁNCHEZ GEOVANNY SEBASTIÁN
DECLARACIÓN
Yo GEOVANNY SEBASTIÁN REINOSO SÁNCHEZ, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________
GEOVANNY SEBASTIÁN REINOSO SÁNCHEZ
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Estudio comparativo
de las emisiones de gases producidas por un vehículo híbrido y un
normal de la misma potencia en una ruta determinada de la ciudad de Quito”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue
desarrollado por Geovanny Sebastián Reinoso Sánchez, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
DEDICATORIA
Dedico el presente trabajo a las tres personas más importantes en mi vida. A mi padre que con su esfuerzo, coraje y sabiduría me ha guiado y apoyado en todo momento, impulsándome a culminar las metas que me he propuesto.
A mi madre, que con su sacrificio, fortaleza y amor, ha sido mi ejemplo para alcanzar el éxito y mi razón para no rendirme y siempre seguir luchando día
a día.
A mi hermana, que con sus palabras y actos ha llenado de luz y alegría
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por iluminarme y darme la fortaleza necesaria para concluir esta etapa de mi vida. A mis padres Geovanny Reinoso e Indira Sánchez y mi hermana Indira Reinoso, por el apoyo que me han brindado a lo largo de mi carrera estudiantil. A mi abuelita Lali, por estar siempre pendiente de que este bien y a todos mi familiares por sus palabras de ánimo.
Agradezco de corazón al Ing. Edwin Tamayo, que me ha ayudado y guiado para poder concluir de la mejor manera este proyecto.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN... ix
ABSTRACT ... xi
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 4
2.1. EL AUTOMÓVIL ... 4
2.1.1. EL MOTOR DE COMBUSTIÓN Y SU CONTAMINACIÓN ... 6
2.2. HISTORIA DEL MOTOR OTTO ... 7
2.3. CICLO OTTO... 8
2.3.1. CICLO TEÓRICO DEL MOTOR OTTO ... 9
2.4. CICLO REAL OTTO ... 11
2.4.1. ADMISIÓN (1-2) ... 12
2.4.2. COMPRESIÓN (2-3) ... 12
2.4.3. COMBUSTIÓN (3-4)... 12
2.4.4. EXPANSIÓN (4-5) ... 12
2.4.5. PRINCIPIO DE ESCAPE (5-6) ... 13
2.4.6. EXPULSIÓN DE LOS GASES (6-1) ... 13
2.5. RELACIÓN ESTEQUIOMÉTRICA ... 13
2.6. HISTORIA DEL AUTOMÓVIL HÍBRIDO. ... 14
2.7. VEHÍCULO HÍBRIDO ... 16
2.7.1. DEFINICIÓN... 16
2.7.2. COMPONENTES DE LOS AUTOS HIBRIDOS ... 17
2.8. TIPOS DE SISTEMAS AUTOMOVILES HIBRIDOS ... 19
2.8.1. SISTEMA EN SERIE ... 19
2.8.2. SISTEMA EN PARALELO ... 20
ii
2.9. CONTAMINACIÓN AMBIENTAL ... 22
2.9.1. PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN ... 22
2.9.2. TIPOS DE COMBUSTIÓN... 23
2.9.3. GASES DE ESCAPE... 24
2.9.3.1. Mezcla pobre ... 25
2.9.3.2. Mezcla rica ... 25
2.9.4. GASES PRODUCIDOS EN LA COMBUSTIÓN ... 25
2.9.4.1. Monóxido de carbono ... 25
2.9.4.2. Hidrocarburos ... 26
2.9.4.3. Óxidos de nitrógeno ... 26
2.9.4.4. Oxidantes ... 26
2.10. NORMA EUROPEA DE EMISIONES CONTAMINANTES ... 27
2.11. CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA ... 27
2.11.1. CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA EN QUITO ... 29
3. METODOLOGÍA ... 30
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS ... 33
4.1. SELECCIÓN DE LOS VEHÍCULOS ... 33
4.2. SELECCIÓN DE EQUIPOS. ... 39
4.2.1. ANALIZADOR DE GASES ... 39
4.2.2. INVERSOR DE CORRIENTE ... 40
4.2.3. SOFTWARE PARA ANALIZADOR DE GASES ... 41
4.3. SELECCIÓN DE RUTA ... 44
4.4. PROTOCOLO DE PRUEBAS ... 46
4.5. REALIZACIÓN DE LA PRUEBA DE RUTA ... 50
4.5.1. PRUEBAS EN VOLKSWAGEN GOL ... 51
4.5.2. PRUEBAS TOYOTA PRIUS ... 70
4.6. CÁLCULO DE LOS RESULTADOS EN LAS PRUEBAS. ... 82
iii
4.7.1. MEDIDAS DE GASES DE ESCAPE EN LAS PRUEBAS. ... 92
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 94
5.1. CONCLUSIONES ... 94
5.2. RECOMENDACIONES. ... 95
BIBLIOGRAFÍA……..……………………..………..97
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Componentes de los gases de escape motor Otto ... 25
Tabla 2 Composición de los gases de escape Diesel ... 26
Tabla 3. Fecha de vigencia de la norma Euro ... 27
Tabla 4. Ficha técnica Volkswagen Gol ... 33
Tabla 5. Ficha técnica Chevrolet Aveo ... 34
Tabla 6. Ficha técnica Nissan Tiida ……….………34
Tabla 7. Ficha técnica Kia Rio R ……….……….35
Tabla 8. Ficha técnica Hyundai Accent ……….………..35
Tabla 9. Ficha técnica Toyota Prius ……….………..….36
Tabla 10. Comparación de fichas técnicas ... 37
Tabla 11. Ficha técnica Analizador NGA 6000 ... 40
Tabla 12. Protocolo de pruebas... 46
Tabla 13. Rangos establecidos vs medición real Volkswagen Gol ... 52
Tabla 14. Masa real de los gases de VW Gol en el primer tramo. ... 83
Tabla 15. Masa real de los gases de VW Gol en el segundo tramo. ... 85
Tabla 16. Masa real de los gases de VW Gol en el tercer tramo ... 85
Tabla 17. Masa real de los gases de VW Gol en el cuarto tramo. ... 85
Tabla 18. Masa real de los gases de VW Gol en el quinto tramo... 86
Tabla 19. Masa real de los gases de VW Gol en el sexto tramo. ... 86
Tabla 20. Sumatoria total de los gases de escape VW Gol. ... 87
Tabla 21. Masa real de los gases Toyota Prius en el primer tramo. ... 89
Tabla 22. Masa real de los gases Toyota Prius en el segundo tramo. ... 89
Tabla 23. Masa real de los gases Toyota Prius en el tercer tramo. ... 90
Tabla 24. Masa real de los gases Toyota Prius en el cuarto tramo. ... 90
Tabla 25. Masa real de los gases Toyota Prius en el quinto tramo. ... 90
Tabla 26. Masa real de los gases Toyota Prius en el sexto tramo. ... 91
Tabla 27. Total de gases de escape Toyota Prius. ... .91
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Motor Otto ... 7
Figura 2. Motor Wankel ... 8
Figura 3. Motor Diesel ... 5
Figura 4. Proceso de emisión de contaminantes en vehículos ... 6
Figura 5. Patente motor Otto 1867 ... 7
Figura 6. Carburador Vaurs 1900 ... 8
Figura 7. Ciclo teórico de cuatro tiempos ... 9
Figura 8. Fases de un motor de 4 tiempos ... 11
Figura 9. Diagrama real del ciclo Otto ... 11
Figura 10. Lohner-Porsche Electromobile, primer automóvil híbrido. ... 15
Figura 11. Toyota Prius 1997. ... 16
Figura 12. Motor Chevrolet Malibu híbrido 2015 ... 17
Figura 13. Partes principales de un automóvil híbrido ... 18
Figura 14. Automóvil híbrido en serie ... 19
Figura 15. Vehículo híbrido en paralelo ... 21
Figura 16. Vehículo híbrido mixto ... 22
Figura 17. Triángulo de la combustión ... 23
Figura 18. Principales fuentes de emisiones de gases ... 24
Figura 19. Contaminación atmosférica. ... 28
Figura 20. Contaminación atmosférica ciudad de Quito ... 29
Figura 21. Volkswagen Gol para pruebas ... 38
Figura 22. Toyota Prius para pruebas ... 38
Figura 23. Analizador de gases NGA 6000 ... 39
Figura 24. Inversor de corriente ... 40
Figura 25. Ventana inicial Nextech NGA 6000 ... 41
Figura 26. Ventana medición Nextech NGA 6000 ... 42
Figura 27. Ventana gráficos de barra Nextech NGA 6000... 42
Figura 28. Ventana gráficos de líneas Nextech NGA 6000 ... 43
vi
Figura 30. Ventana set up Nextech NGA 6000 ... 44
Figura 31. Barra de herramientas Nextech NGA 6000 ... 44
Figura 32. Mapa de ruta para pruebas. ... 45
Figura 33. Sujeción de la sonda en el escape VW………..……….48
Figura 34. Toma de 12 voltios Toyota Prius………..48
Figura 35. Montaje del analizador de gases………..49
Figura 36. Adaptador USB DB-9………..49
Figura 37. Motor, radiador y depósitos de Volkswagen Gol. ... 50
Figura 38. Motor, filtro de aire y depósitos de Toyota Prius. ... 50
Figura 39. Valor porcentual de los gases en ralentí. ... 52
Figura 40. Primer tramo de prueba de ruta ... 53
Figura 41. Análisis de gases, primer tramo de ruta. ... 54
Figura 42. Gráfico de líneas, primer tramo de ruta. ... 54
Figura 43. Segundo tramo de prueba de ruta... 55
Figura 44. Análisis de gases, segundo tramo de ruta. ... 55
Figura 45. Gráfico de barras segundo tramo de ruta ... 56
Figura 46. Tercer tramo de prueba de ruta ... 56
Figura 47. Análisis de gases, tercer tramo de ruta ... 57
Figura 48. Gráfico de barras tercer tramo de ruta. ... 57
Figura 49. Cuarto tramo de prueba de ruta ... 58
Figura 50. Análisis de gases, cuarto tramo de ruta ... 59
Figura 51. Gráfico de barras, cuarto tramo de ruta... 59
Figura 52. Quinto tramo de prueba de ruta ... 60
Figura 53. Análisis de gases, quinto tramo de ruta... 60
Figura 54. Gráfico de barras, quinto tramo de ruta ... 61
Figura 55. Sexto tramo prueba de ruta ... 61
Figura 56. Análisis de gases, sexto tramo de ruta ... 62
Figura 57. Gráfico de barras, sexto tramo de ruta ... 62
Figura 58. Primer tramo, segunda etapa de prueba de ruta ... 64
Figura 59. Análisis de gases, primer tramo de ruta segunda etapa. ... 65
Figura 60. Gráfico de barras, primer tramo de ruta segunda etapa. ... 65
vii
Figura 62. Gráfico de barras, segundo tramo de ruta segunda etapa. ... 66
Figura 63. Análisis de gases, tercer tramo de ruta segunda etapa. ... 67
Figura 64. Gráfico de líneas, tercer tramo de ruta, segunda etapa. ... 67
Figura 65. Análisis de gases, cuarto tramo de ruta segunda etapa. ... 68
Figura 66. Gráfico de barras, cuarto tramo de ruta segunda etapa. ... 68
Figura 67. Análisis de gases, quinto tramo de ruta segunda etapa. ... 69
Figura 68. Gráfico de barras, quinto tramo de ruta segunda etapa. ... 69
Figura 69. Valor porcentual de los gases en ralentí Toyota Prius... 70
Figura 70. Gráfico de barras, gases de escape en ralentí. ... 70
Figura 71. Análisis de gases, primer tramo de ruta. ... 71
Figura 72. Gráfico de barras, primer tramo de ruta. ... 72
Figura 73. Análisis de gases, segundo tramo de ruta. ... 72
Figura 74. Gráfico de barras, segundo tramo de ruta. ... 73
Figura 75. Análisis de gases, tercer tramo de ruta. ... 73
Figura 76. Gráfico de barras, tercer tramo de ruta. ... 74
Figura 77. Análisis de gases, cuarto tramo de ruta. ... 74
Figura 78. Gráfico de barras, cuarto tramo de ruta... 75
Figura 79. Análisis de gases, quinto tramo de ruta... 75
Figura 80. Gráfico de barras, quinto tramo de ruta. ... 76
Figura 81. Análisis de gases, sexto tramo de ruta. ... 76
Figura 82. Gráfico de barras, sexto tramo de ruta. ... 77
Figura 83. Análisis de gases, primer tramo de ruta segunda etapa. ... 78
Figura 84. Análisis de gases, segundo tramo de ruta segunda etapa. ... 78
Figura 85. Gráfico de barras, segundo tramo de ruta segunda etapa. ... 79
Figura 86. Análisis de gases, tercer tramo de ruta segunda etapa. ... 79
Figura 87. Gráfico de barras, tercer tramo de ruta segunda etapa. ... 80
Figura 88. Análisis de gases, cuarto tramo de ruta segunda etapa. ... 80
Figura 89. Gráfico de barras, cuarto tramo de ruta segunda etapa. ... 81
Figura 90. Análisis de gases, quinto tramo de ruta segunda etapa. ... 81
Figura 91. Gráfico de barras, quinto tramo de ruta segunda etapa. ... 82
viii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1.
Gráfico comparativo del CO, Volkswagen Gol-Toyota Prius………. 99
Anexo 2.
Gráfico comparativo del HC, Volkswagen Gol-Toyota Prius………..100
Anexo 3.
Gráfico comparativo del CO2, Volkswagen Gol-Toyota Prius……… 101
Anexo 4.
Gráfico comparativo del O2, Volkswagen Gol-Toyota Prius………...102
Anexo 5.
ix
RESUMEN
Este proyecto de investigación se realizó para conocer el impacto ambiental que tiene un automóvil híbrido y uno convencional en condiciones normales de funcionamiento dentro de la ciudad de Quito, su emisión de gases contaminantes y como afecta esto al medio ambiente. Por lo cual fue necesario realizar un estudio bibliográfico acerca de la historia y evolución que han tenido estos dos automóviles para entender el funcionamiento de sus partes y sistemas.
Antes de realizar la prueba de ruta fue necesario escoger los automóviles en
los que se iba a realizar los análisis, por tal motivo se examinó las fichas técnicas de varios vehículos, y se seleccionó los que cumplen con los
parámetros establecidos, la característica más impórtate fue que debían tener similar potencia la cual fue de 98 hp. Después se eligió el equipo apropiado para tener mediciones exactas de las emisiones de gases de escape de ambos vehículos, al igual que las herramientas adecuadas para facilitarnos el trabajo y obtener los resultados deseados en el tiempo propuesto.
Un punto muy importante para la realización de esta investigación fue seleccionar la ruta adecuada, por tal motivo se decidió hacer la prueba en la avenida Occidental, al noroeste de la ciudad de Quito, ya que es una avenida muy irregular con cuestas y declives en los cual los vehículos pueden alcanzar la velocidad deseada para el análisis.
Después de concluir las pruebas y recolectar los datos necesarios se determinó, mediante tablas, la cantidad de gases que emanan los dos automóviles analizados en cada tramo da la ruta lo que indicó que el Volkswagen Gol produjo cuatro veces mayor cantidad de gases de escape
con 2801.51 gramos en relación al Toyota Prius que solo produjo 643.08 gramos en los mismos 16.2 Km., recorridos.
x cantidad de oxígeno y la irregularidad de las calles obliga a utilizar el motor de
combustión en mayor cantidad.
xi
ABSTRACT
This research project was carried out to know the environmental impact that
have a hybrid car and one conventional in normal operating conditions within the city of Quito, its emission of polluting gases and how it affects the
environment. So, it was necessary to perform a literature review about the history and evolution that have had these two cars to understand the operation of their parts and systems.
Prior to testing of route it was necessary to choose cars that was going to perform the analysis therefore examined the technical specifications of various vehicles, selected which comply with the established parameters, and feature more important was that they should have similar power, it was of 98 hp. It then chose equipment appropriate to have accurate measurements of the emissions of exhaust gases from both vehicles, as well as the tools to provide work and obtain the desired results in the proposed time.
A very important point for the realization of this research was to select the appropriate path, for this reason it was decided to take the test in Occidental Avenue, Northwest of the city of Quito, which is a very irregular Avenue with slopes and inclines in which vehicles can reach the desired analysis speed. After completing tests and collect the necessary data it was determined, using tables, the amount of gases that emanate two cars tested in each section gives the selected route indicating that the Volkswagen Gol produced four times more exhaust with 2801.51 grams in relation to the Toyota Prius only produced 643.08 grams in the same 16.2 Km, tours.
1
1. INTRODUCCIÓN
El automóvil es uno de los inventos más trascendentales para el desarrollo de la humanidad, el cual ha tenido varios cambios para mejorar su fuerza y potencia, partiendo de que en sus inicios fueron impulsados a vapor hasta llegar al uso de motores de combustión interna que funcionan con combustibles fósiles, este gran cambio permitió un gran progreso en el campo automotriz ya que ahora se tiene autos de alta velocidad o que pueden transportan grandes pesos (Puente, 2015).
Pero todo esto ha tenido graves consecuencias con el medio ambiente, ya que la contaminación por emanación de gases de escape y residuos sólidos ha ido en aumento en los últimos años. Para frenar el deterioro ambiental se
ha desarrollado nuevas tecnologías como es el caso de los vehículos híbridos eléctricos, que combina un motor de combustión interna y uno o varios
motores eléctricos, lastimosamente no han tenido la aceptación total de parte de los usuarios (Puente, 2015).
Por esto, para empezar este estudio se determinará los tipos de motores y sistemas que posee un automóvil híbrido, así como sus partes, funcionamiento e impacto ambiental que generan (Ecuador Inmediato, 2008). Y se partirá de que en Ecuador el aire que se respira está en un nivel aceptable, ya que a pesar de que existen contaminante como el ozono troposférico, el NO2, NOx, CO, CO2, SOx, etc; estos están por debajo de las
normas permitidas. Pese a todo esto la calidad del aire de la ciudad de Quito ha sufrido un deterioro en los últimos años debido a las emisiones contaminantes provenientes de las fuentes móviles (Williams, 1990).
Ya que el parque automotor ha experimentado un acelerado crecimiento y Quito concentra el 45% del parque automotor del país lo cual ha generado gran congestión en las calles y avenidas de la ciudad que por su accidentada
geografía no cuenta con vías de descongestión necesarias para evadir este problema (Ecuador Inmediato, 2008).
Los automóviles con motores a gasolina que producen gases contaminantes
2 hidrocarburos residuales, lo cual afecta considerablemente al medio ambiente
y a la salud de los seres humanos (Ecuador Inmediato, 2008).
Se tiene claro cuáles son los contaminantes producidos por un motor de combustión interna. Ahora será comparado con las emisiones producidas por un automóvil híbrido para saber cuál es su variación en la altura de la ciudad de Quito (Cajamarca, 2010).
La altitud de la ciudad de Quito en promedio es 2810 metros sobre el nivel del mar, esto implica una condición limitante en los procesos de combustión por la deficiencia de oxígeno que desenlaza en reacciones incompletas propiciando la producción de contaminantes atmosféricos. La irregular topografía de la ciudad constituye otro obstáculo, pues no permite el fácil transporte de los contaminantes en la atmósfera (Cajamarca, 2010).
Pese a que la Corporación Municipal de Mejoramiento de la Calidad de Aire de Quito señala que se ha logrado disminuir en estos años más de 40 mil toneladas de emisiones de contaminantes, sigue existiendo esta contaminación, por lo que se hace énfasis en el uso de los automóviles híbridos sin saber exactamente qué tipo de gases contaminantes expulsan
estos automóviles y en qué cantidad lo hacen teniendo en cuanta las características de la ciudad de Quito (Ecuador Inmediato, 2008).
3 Como objetivos específicos se debe determinar los tipos de motores que
posee un automóvil híbrido, así como sus partes, funcionamiento e impacto ambiental que generan.
Identificar las partes y funcionamiento de los sistemas de los vehículos híbridos y convencionales.
Establecer que emisiones contaminantes produce el motor y los sistemas de un automóvil híbrido en comparación con las emisiones de un automóvil convencional, como emisiones de gases del motor, sistema de alimentación de combustible, frenos, baterías, etc.
Determinar el protocolo y equipos para realizar las pruebas en la ciudad de Quito para los dos tipos de automóviles.
4
2.
MARCO TEÓRICO
2.1. EL AUTOMÓVIL
El automóvil es un vehículo autopropulsado destinado al transporte de personas o mercancías, el cual utiliza un motor de combustión interna como
generador de movimiento el cual se transmite al tren motriz. (Aneto-Etai , 2010)
El automóvil, ha evolucionado en su estructura y funcionamiento, por lo cual su motor también ha variado, y actualmente se tiene en el mercado vehículos con estos motores:
Motor Otto: máquina térmica que transforma energía química en energía
mecánica a través del intercambio de calor entre dos focos de temperatura, lleva su nombre debido a que su creador fue August Otto, el cual basa el funcionamiento de su motor en cuatro ciclos que son: admisión compresión, combustión y escape (Aneto-Etai , 2010).
En la figura 1 se observa el esquema de un motor Otto.
Figura 1. Motor Otto
(Bartsch, 2005)
Motor Wankel: En la década de 1950, el ingeniero alemán Félix Wankel
5 en la figura 2 este motor utiliza un rotor triangular-lobular dentro de una
cámara ovalada, en lugar de un pistón y un cilindro (Giraldi, 1985).
Figura 2. Motor Wankel
(MotorGiga, 2010)
Motor Diesel: como se observa en la figura 3, el motor diésel es un motor
térmico que tiene combustión interna alternativa que se produce por el autoencendido del combustible debido a altas temperaturas derivadas de la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del diésel. Se diferencia del motor de gasolina en usar gasóleo como combustible (Bartsch, 2005).
Figura 3. Motor Diesel.
6 2.1.1. EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Y SU CONTAMINACIÓN
Según (Sanz, 2005) los equipos energéticos que más aceptación han tenido son los motores de combustión interna, a ellos corresponde más de un 80% de la totalidad de la energía producida en el mundo. Aunque los medios de locomoción son responsables únicamente de un 5 % de las emisiones de dióxido de azufre (SO2), del 25 % de las emisiones de dióxido de carbono (CO2), del 87 % de las de monóxido de carbono (CO) y del 66 % de las de óxidos de nitrógeno (NOx). En la figura 4 se observa un esquema de las emisiones contaminantes de un automóvil.
Figura 4. Proceso de emisión de contaminantes en vehículos automotores
(Sanz, 2005)
El impacto ambiental del motor de combustión está estrechamente relacionado con un problema social surgido por la utilización creciente del mismo: la reducción de los niveles de emisión de sustancias tóxicas y de los llamados "gases de invernadero", y la reducción de los niveles de ruido
(Bosch, 2003).
Las discusiones internacionales acerca de las causas e implicaciones para la humanidad del llamado "efecto invernadero", provocado por las crecientes
7
2.2. HISTORIA DEL MOTOR OTTO
El funcionamiento del motor Otto es prácticamente el mismo desde su creación en 1867 hasta ahora, sin dejar de lado el mejoramiento de su fiabilidad y eficiencia. Este motor lleva su nombre en honor de su inventor, el ingeniero alemán Nicolaus August Otto (Williams, 1990).
En la figura 5 se observa la patente presentada por Nicolaus Otto de su motor de combustión interna.
En un inicio el motor Otto no funcionaba con combustible derivado de petróleo, sino con gas de hulla, que era un gas destilado del carbón, fue Gottlieb Daimles quien adapto este motor para que funcionara con gasolina en 1882 (Williams, 1990).
Según (Williams, 1990) en 1885 Wilhelm Maybach creó el primer carburador para realizar la mezcla aire-combustible y así alimentar al motor Otto y 1893 Karl Benz fabricó un encendido eléctrico que funcionaba con una bujía muy
Figura 5. Patente motor Otto 1867
8 similar a las bujías convencionales que hoy se tiene, con esto se mejoró
notablemente la combustión en el cilindro del motor.
En la figura 6 se observa el carburador Vaurs de 1900 que es muy similar en partes y funcionamiento al carburador creado por Maybach.
A la par se introdujeron nuevos sistemas como el de refrigeración, que ya empleaba agua que fluía a través de un radiador convencional encargado de disipar el calor. Por último F. Kettering creó un motor de arranque en 1911, que funcionaba con la misma batería que daba energía al resto de sistemas, con esto se eliminó el arranque manual, que consistía en dar los primeros giros al motor con una manivela (Williams, 1990).
2.3. CICLO OTTO
El motor Otto es una máquina térmica que transforma energía química en energía mecánica a través del intercambio de calor entre dos focos de temperatura, esto produce trabajo el cual es continuo gracias a un ciclo termodinámico conocido como ciclo Otto. (González D. , 2015)
Figura 6. Carburador Vaurs 1900
9 2.3.1. CICLO TEÓRICO DEL MOTOR OTTO
En el ciclo teórico cada fase (tiempo) se desarrolla en condiciones ideales por tal se genera un máximo trabajo con la menor perdida de energía. En la figura 7 se presenta un diagrama de los cuatro tiempos de un ciclo teórico Otto (González D. , 2015).
En cada fase de trabajo el pistón se desplaza de arriba hacia abajo en el cilindro, entre el Punto Muerto Superior (PMS) y el Punto Muerto Inferior (PMI), las bielas junto con el cigüeñal transforman este movimiento lineal en movimiento rotativo (González D. , 2015).
2.3.1.1. Tiempo de admisión o primera fase
En esta fase la válvula de admisión se abre mientras que la de escape se cierra por completo, el pistón desciende hacia punto muerto inferior aumentando el volumen dentro del cilindro que es ocupado por la mezcla aire-combustible que ingresa a gran velocidad, el momento que el pistón llega al
Figura 7. Ciclo teórico de cuatro tiempos
10 PMI la válvula de admisión se cierra quedando totalmente hermético el cilindro
mientras que el cigüeñal ha dado medio giro (González D. , 2015).
2.3.1.2. Tiempo de compresión o segunda fase
Para el inicio de la compresión las válvulas de admisión y escape se
encuentran cerradas y el pistón asciende hacia el PMS comprimiendo la mezcla aire-combustible elevando la presión entre 10 y 15 bares dependiendo
la relación de compresión que tenga el motor. El cigüeñal vuelve a dar medio giro (González D. , 2015).
2.3.1.3. Tiempo de combustión y trabajo o tercera fase
Mediante el salto de chispa, la mezcla comprimida explota, debido a la alta temperatura y al aumento de presión ejercida en la cabeza del pistón, este
desciende de forma violenta hacia el PMI, transformando la energía química del combustible en energía mecánica, el cigüeñal da me giro de nuevo por segunda vez.
Esta fase es la única que produce trabajo en todo el proceso de combustión del motor (González D. , 2015).
2.3.1.4. Tiempo de escape o tercera fase
La válvula de admisión permanece cerrada mientras que la válvula de escape se abre permitiendo que los gases con presión residual y temperatura restante salgan a gran velocidad hacia el sistema de escape para ser direccionados hacia el medio ambiente.
El pistón llega nuevamente al PMS permitiendo que el cigüeñal de su último medio giro y así empezar otro ciclo desde su primera fase que es admisión (González D. , 2015).
11
2.4. CICLO REAL OTTO
En el ciclo teórico del motor Otto se entiende que el motor trabaja bajo condiciones ideales en las que no existe perdidas por desprendimiento de
calor, generación de vibraciones, producción de sonido, pero este tiene muchas diferencias con el ciclo real (Sanz, 2005).
En la figura 9 se observa el diagrama real de funcionamiento de un motor de ciclo Otto.
Figura 8. Fases de un motor de 4 tiempos
(Sanz, 2005)
Figura 9. Diagrama real del ciclo Otto
12 2.4.1. ADMISIÓN (1-2)
La válvula de admisión se abre con anticipación para tener un mejor llenado del cilindro, el pistón desciende hacia el PMI formando una depresión necesaria, es aquí cuando el aire ingresa con una presión menor a la atmosférica debido a la perdida que tiene por su paso por el conjunto de la admisión (Sanz, 2005).
2.4.2. COMPRESIÓN (2-3)
Las dos válvulas se cierran, el pistón asciende al PMS comprimiendo la mezcla, este proceso no es adiabático ya que existe perdidas de calor por el sistema de refrigeración, disminuyendo la presión que en la figura 7 está
representada por (P2) y para compensar el tiempo que lleva la combustión, el
encendido (3) se realiza antes de que el pistón ascienda por completo al PMS (Sanz, 2005).
2.4.3. COMBUSTIÓN (3-4)
Después de la que la combustión inicia en (P3) esta se dispersa rápidamente
pero no de forma instantánea. Este proceso no se realiza con un volumen constante ya que el pistón al realizar su ascenso (3-4) supera un poco el PMS. En esta fase la presión máxima de combustión (P3) es inferior a la teórica
debido al incremento de volumen (Sanz, 2005).
2.4.4. EXPANSIÓN (4-5)
13 2.4.5. PRINCIPIO DE ESCAPE (5-6)
Existe un avance a la apertura de la válvula de escape (AAE) ya que el descenso de la presión (P1) no es inmediata, demora lo que el pistón se
desplaza de (5-6) por tal razón la perdida de calor no es a volumen constante (Sanz, 2005).
2.4.6. EXPULSIÓN DE LOS GASES (6-1)
La presión en el cilindro ha disminuido lo necesario por lo cual el pistón asciende al PMS expulsando los gases residuales con una presión un poco superior a la atmosférica, pese a que los gases encuentran resistencia en el múltiple de escape y el catalizador (Sanz, 2005).
2.5. RELACIÓN ESTEQUIOMÉTRICA
En el proceso de combustión el combustible y el aire deben estar en proporciones adecuadas para que se queme por completo y así aprovechar al máximo su rendimiento. En el caso de la gasolina la proporción ideal es 14,7 gramos de aire y 1 gramo de combustible, y en el diésel es muy similar ya que se requiere 14,5 gramos de aire y 1 de combustible. En la práctica no existe una combustión completa ya que las proporciones no son correctas y para controlar esto en los automóviles existe la sonda lambda. En la ecuación 1 se observa la fórmula de lambda (Dietsche, 2005).
λ =
masa de aire x gramo de combustible realmasa de aire x gramo de combustible teórico [1]
En la siguiente formula se detalla el consumo del combustible según (Volkswagen, 2010) del vehículo Volkswagen Gol.
14 Y según la ley de la conservación de la materia de Antoine Lavoisier que dice
que la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma, en la ecuación 2 se observa la fórmula de la conservación de la materia.
Masa de gasolina + Masa de aire = Masa de gases de combustión [2]
2.6. HISTORIA DEL AUTOMÓVIL HÍBRIDO.
Los automóviles híbridos cada vez ganan más popularidad y son más visibles en el marcado mediante compañas en la televisión e internet y circulan cada día más unidades por nuestras calles y carreteras. Cada día son más los fabricantes de automóviles que se deciden a fabricar autos híbridos, debido a que el precio de la producción de gasolina y diésel va en aumento (Ibáñez, 2012).
Desde varias décadas atrás ya se conocía acerca de la hibridación de motores en los automóviles, los inventores británicos H. J. Dowsing y L. Epstein
tuvieron ideas de la tecnología hibrida las cuales fueron patentadas en el año 1896 usadas en Estados Unidos para mover vehículos de gran tamaño (González, 2010).
En 1899 los hermanos Pieper, fabricaron un vehículo llamado Voiturette que tenía un motor eléctrico ubicado bajo el asiento y un motor de gasolina. Las baterías de este automóvil eran recargadas por el motor eléctrico y en condiciones de aceleración aumentaba la potencia generada por el motor de gasolina (Medina, 2012).
Antes del siglo xx la tecnología híbrida solo fue utilizado en submarinos los cuales eran impulsados por motores diésel y eléctricos. En 1889 F. Este automóvil hibrido llegaba a tener una autonomía de 64 kilómetros funcionando solo con baterías y es considerado el primer automóvil híbrido de la historia (Martínez J., 2009).
15 En los años 60 en Estados Unidos hubo 2 eventos que impulsaron el desarrollo de los automóviles híbridos. El ingeniero eléctrico V. Wouk construyó un vehículo híbrido, esto fue 3 décadas antes de que el Toyota Prius gane popularidad en el mercado, así también, la compañía General Motors realizó pruebas a distintos prototipos donde se concluyó que el prototipo eléctrico tenía fallas de autonomía y el prototipo híbrido tenía mejores características con respecto a su funcionamiento lo cual ayudaría a reducir la contaminación ambiental (Martínez A, 2008).
A final de los años 80, Audi crea un automóvil híbrido que tenía un motor eléctrico de 12,6 CV., para el eje trasero y un motor de gasolina de cinco cilindros con baterías de níquel-cadmio, esto sirvió para que en 1997 lance al mercado el Audi Duo lll, el cual fue el primer híbrido de producción europea, pero lastimosamente por su alto precio solo se vendieron 60 unidades, lo cual
fue considerado un fracaso comercial (Costas, 2009).
Según un estudio, los japoneses tomaron parte de la fabricación de autos
híbridos en 1997 y fue la fábrica Toyota quien presento su modelo Prius, el que tenía varias soluciones técnicas innovadoras, lo que dio como resultado que el primer año se vendiera más de 18 mil unidades (Costas, 2009).
En la figura 11 se presenta un diagrama de lo que fue el Toyota Prius 1997. Figura 10. Lohner-Porsche Electromobile, primer automóvil
híbrido.
16 Una vez que Toyota dominaba el mercado con su modelo híbrido, desarrolló una nueva versión llamada Toyota Hybrid System ll o Toyota Híbrido de segunda generación, que aparte de tener mejor estética, tenía un motor eléctrico repotenciado que generaba 23 CV., más a comparación de su
antecesor (Martinez, 2000).
2.7. VEHÍCULO HÍBRIDO
2.7.1. DEFINICIÓN
Es un vehículo que cuenta con dos motores, uno eléctrico y otro de combustión interna, el que permite utilizar combustibles alternativos como el metano o alcohol destilado del maíz, con el fin de disminuir el consumo de combustible, aumentar la potencia y reducir la emisión de gases contaminante (Dijck, 2012).
La figura 12, corresponde al diagrama de un motor Chevrolet Malibú híbrido del 2015 donde se diferencia al motor eléctrico (1) y al motor de combustión
interna (2).
Figura 11. Toyota Prius 1997.
17 A diferencia de los automóviles eléctricos, hay vehículos híbridos que no necesitan ser conectados a una toma de corriente para recargar las baterías, puesto que el sistema de frenos regenerativos junto con el generador se
encargan de mantener la carga de las mismas (Costas, 2009).
2.7.2. COMPONENTES DE LOS AUTOS HIBRIDOS
Motor de combustión interna: transforma la energía térmica del combustible en energía mecánica. Es llamado así ya que realiza el trabajo dentro del mismo motor en la cámara de combustión (Gil, 2000).
Motor eléctrico: funciona con corriente alterna o continua y haber uno
o más conectados directamente a la transmisión, prácticamente son silenciosos (Aucay, 2011).
Generador: funciona con corriente alterna y gira al doble del régimen que el motor de combustión interna transformando el trabajo realizado
por este en electricidad. Recupera la energía producida al frenar el automóvil (Costas, 2009).
Figura 12. Motor Chevrolet Malibu híbrido 2015
18
Inversor: tiene dos funciones, modificar la corriente continua que
proveen las baterías al motor eléctrico ya que este requiere corriente alterna y transformar la energía generada por los frenos regenerativos que luego es acumulada en las baterías (González L. , 2013).
Baterías: son de varios tipos: plomo-ácido, níquel-cadmio, ion-litio,
etc., y son las encargadas de acumular la energía para luego suministrarla al motor eléctrico. Estas baterías deben proveer 220 v (Costas, 2009).
Freno regenerativo: transforma la energía cinética, producida al frena,
en energía eléctrica para luego almacenarla en las baterías. Para esto no es necesario que el motor de combustión interna esté funcionando, tan solo que el automóvil este en movimiento. El freno regenerativo se activa al desacelerar el auto y también al accionar el pedal de freno (Macías, 2004).
A continuación en la figura 13, se presenta un esquema de las partes principales que conforman un automóvil híbrido como son: motor de combustión interna, inversor, moto generadores, transmisión y batería de alta tensión.
Figura 13. Partes principales de un automóvil híbrido
19
2.8. TIPOS DE SISTEMAS AUTOMOVILES HIBRIDOS
Existen tres tipos de sistemas en automóviles híbridos, los cuales llevan su nombre dependiendo de la forma en que están conectados sus motores, estos son(Dietsche, 2005):
Sistema en serie
Sistema en paralelo
Sistema mixto (serie-paralelo)
2.8.1. SISTEMA EN SERIE
En este tipo de híbrido sus tres componentes principales, motor de combustión interna, generador y motor eléctrico; están conectados en serie y el flujo de la electricidad es en línea recta. En estos vehículos el motor térmico da movimiento al generador, el cual se encarga de producir electricidad para alimentar al motor eléctrico, para así generar el movimiento de las ruedas (Larrodé, 1997).
El motor de combustión interna no está acoplado a las ruedas, solo el motor eléctrico da movimiento a estas. A continuación en la figura 14 se puede ver un diagrama de las partes de un híbrido en serie.
Figura 14. Automóvil híbrido en serie
20 La característica principal de la conexión en serie es que la batería es cargada
por los dos motores, ya que el exceso de energía producida por el motor de combustión interna y que no es utilizada por el generador, es almacenada en la batería. Y el motor eléctrico, al desacelerar el vehículo, puede actuar como freno regenerativo invirtiendo su funcionamiento, generando como resultado electricidad, la que es acumulada en la batería y una vez que está totalmente cargada, el motor térmico es apagado automáticamente y el vehículo se mueve solo de forma eléctrica (FITSA, 2007).
La mayor desventaja de este tipo de vehículo híbrido es que existe mucha perdida de energía, ya que el trabajo realizado por el motor de combustión interna se ve disminuido el momento que el generador produce electricidad, debido al proceso de transformación de energía mecánica a eléctrica (Aucay, 2011).
2.8.2. SISTEMA EN PARALELO
En estos vehículos tanto el motor de combustión interna como el motor eléctrico dan movimiento a las ruedas y dan energía para recargar las baterías, esto es de forma alterna o en conjunto para tener mayor potencia (Dietsche, 2005).
El motor de combustión interna es utilizado cuando el vehículo recorre largas distancias o en altas revoluciones, a diferencia del motor eléctrico que es utilizado en recorridos cortos en especial dentro de la ciudad. Pero debido a que las baterías actuales no tienen una autonomía prolongada para recorrer largas distancias se requiere de la energía proporcionada por el motor térmico (Aucay, 2011).
Una ventaja en esta configuración es que se tiene una mayor eficiencia del motor térmico, gracias a esto se utiliza menos cantidad de combustible
21 En la figura 15 se puede visualizar el diagrama de partes de un híbrido en
paralelo.
2.8.3. SISTEMA MIXTOS
En esta configuración el motor eléctrico es la fuente principal de energía dando el movimiento a las ruedas y el motor de combustión interna acciona tanto al
generador para recargar la batería como un híbrido en serie, o directamente genera movimiento o tracción a las ruedas como un híbrido en paralelo.
También cumple las dos funciones al mismo tiempo, combinándose con el motor eléctrico lo que se conoce como configuración mixta (serie-paralelo) (FITSA, 2007).
“Esta configuración proporciona la posibilidad de propulsar al vehículo
enteramente mediante el motor de combustión, enteramente mediante el motor eléctrico o mediante una combinación de ambos motores” (FITSA,
2007).
Según (Larrodé, 1997) algunos tipos de híbridos mixtos tienen dos motores eléctricos para así aprovechar la velocidad y el par del motor de combustión por separado, mejorando notablemente su rendimiento pero también aumenta el peso del vehículo y vuelve más compleja su mecánica.
Figura 15. Vehículo híbrido en paralelo
22 Otra desventaja es que el diseño se vuelve más complejo debido a que todas
las partes deben tener un acoplamiento mecánico sin importar si tiene o no un generador (Larrodé, 1997).
En la figura 16 se observa el diagrama de un vehículo hibrido mixto.
2.9. CONTAMINACIÓN AMBIENTAL
2.9.1. PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN
La combustión es un proceso de oxidación que transforma energía química, en este caso de la gasolina, en energía mecánica la cual el motor transforma en movimiento giratorio transmitido hacia las ruedas. En este proceso intervienen tres elementos:
Combustible: Es toda sustancia capaz de quemarse y desprender calor.
Comburente: Es una sustancia que genera o contribuye en la
combustión de otras. El comburente más común en este proceso es el oxígeno del aire.
Calor: Este puede ser aportado por chispas, llamas, procesos de
fermentación, etc (Gil, 2000).
Figura 16. Vehículo híbrido mixto
23 Como se observa en la figura 17, son tres los elementos necesarios para el
proceso de la combustión, comburente u oxígeno, combustible y calor que es el que provee la energía de activación.
2.9.2. TIPOS DE COMBUSTIÓN
2.9.2.1. Combustión completa
La combustión completa es la menos contaminante, debido a que existe una combustión ideal entre el combustible y el oxígeno sin reacciones secundarias no deseadas. Al quemarse el combustible de manera adecuada los residuos de este proceso son (López E. , 2012):
Vapor de agua (H2O)
Dióxido de carbono (CO2)
2.9.2.2. Combustión incompleta
Esta se produce debido a que el combustible no arde por completo ya que el oxígeno es insuficiente. Como resultado de este proceso se tiene (López E. , 2012):
Figura 17. Triángulo de la combustión
24
Hidrocarburos quemados parcialmente: Aldehídos, ácidos de carbono,
cetonas.
Hidrocarburos no quemados: compuestos aromáticos, olefinas,
parafinas.
Productos químicos de craqueo: etileno, acetileno, hollín.
2.9.3. GASES DE ESCAPE
Para que un vehículo pueda moverse necesita producir energía mecánica, para esto se requiere energía química resultante del proceso de la combustión lo cual deja ciertos residuos que son expulsados al ambiente por medio del tubo de escape. Esta no es la única fuente gaseosa contaminante en el automóvil, también están los gases generados en el motor y vapores del tanque de combustible como se observa en la figura 18 (López E. , 2012).
Al existir una adecuada mezcla aire-combustible los residuos serían inexistentes pero debido a variaciones en la en la combustión y a cambios en la temperatura hacen que una pequeña parte de los gases de escape sean dañinos, el 1.1% en motores Otto y 0.2% en motores Diesel (López E. , 2012). Se conoce como gases de escape al residuo que no puede ser quemado en el proceso de la combustión por lo cual no tiene ninguna utilidad. Los gases
Figura 18. Principales fuentes de emisiones de gases en el automóvil
25 de escape varían dependiendo el tipo de mezcla que ingresa al motor (Saijo,
2011).
2.9.3.1. Mezcla pobre
Es cuando la cantidad de aire supera al combustible, reduciendo las emisiones de hidrocarburos y monóxido de carbono. Como desventaja se tiene que si la mezcla es muy pobre el combustible no arde de la forma correcta lo que hace que el motor se detenga (Saijo, 2011).
2.9.3.2. Mezcla rica
Se conoce como mezcla rica cuando existe un exceso de combustible sobre la cantidad de aire que ingresa al cilindro, lo que hace que el motor llegue a su par máximo pero aumenta la cantidad de contaminación en especial de monóxido de carbono (Saijo, 2011).
A continuación en la tabla 1 se detalla el porcentaje de los gases de escape de un motor Otto.
Tabla 1. Componentes de los gases de escape motor Otto
(López E. , 2012)
2.9.4. GASES PRODUCIDOS EN LA COMBUSTIÓN
2.9.4.1. Monóxido de carbono
Es un gas inodoro, sin sabor e incoloro que es imperceptible para el ser humano, pero al ser respirado en grandes cantidades reduce la capacidad de
Gases no contaminantes (98.9%) Gases contaminantes (1.1%) Nitrógeno (N2) 72.1% Monóxido de carbono (CO)
Oxigeno (O2) 0.7% Hidrocarburos (HC)
26 la sangre de absorber oxígeno y su consecuencia más grave es la muerte por
envenenamiento (Dietsche, 2005).
2.9.4.2. Hidrocarburos
Algunos hidrocarburos (HC) no tienen olor a excepción de los semioxidados como las cetonas y aldehídos que tienen un olor muy desagradable y al estar expuesto prolongadamente produce cáncer (Dietsche, 2005).
2.9.4.3. Óxidos de nitrógeno
Al monóxido de nitrógeno (NO) es un gas tóxico pero no se considera mortal,
pero al transformarse en dióxido de nitrógeno (NO2) es el causante de las
lluvias ácidas e irritan la mucosa humana (Dietsche, 2005).
2.9.4.4. Oxidantes
Los más comunes son los peróxidos orgánicos y el ozono. Este último afecta notablemente las vías respiratorias y forma parte de la niebla contaminante (Dietsche, 2005). En la tabla 2 se detalla la composición de los gases de escape de los motores Diesel.
Tabla 2 Composición de los gases de escape Diesel
(Dietsche, 2005)
Componente del gas de escape En ralentí A potencia máxima Óxidos de nitrógeno (NOX) 50 a 200 ppm 600 a 2500 ppm
Hidrocarburos (HC) 50 a 200 ppm <50 ppm Monóxido de carbono (CO) 100 a 450 ppm 350 a 2000 ppm Dióxido de carbono (CO2) a 3.5% en vol. 12 a 16% en vol.
Vapor de agua (H2O) 2 a 4% en vol. a 11% en vol.
Oxígeno (O2) 18% en vol. 2 a 11% en vol.
Nitrógeno (N2)y otro resto resto
27
2.10. NORMA EUROPEA ACERCA DE LAS EMISIONES
CONTAMINANTES
Es un grupo de requerimientos que indican el límite aceptable de gases contaminantes que puede expulsar un automóvil nuevo al ambiente. Estas
normas rigen a la mayoría de vehículos desde motocicletas hasta aviones comerciales. Existe una norma diferente para cada tipo de vehículo nuevo y los usados no son regidos por esta normativa (Picabea, 2010).
Para controlar de forma electrónica las emisiones contaminantes de un vehículo se instaló un conector OBD I cuya función era verificar la ECU (unidad de control electrónica) y captar la información que indica variación en la composición de los gases de escape. Para los automóviles fabricados a partir de 1997 se instaló el conector OBD II que ya tiene ciertas variaciones (López E. , 2012).
En la tabla 3 se observa las fechas de inicio de vigencia de las diferentes normas Euro.
Tabla 3. Fecha de vigencia de la norma Euro
(López E. , 2012)
2.11. CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
A nivel global la contaminación ambiental ha ido en aumento en los últimos años, en especial porque las grandes ciudades del mundo poseen un gran parque automotor.
Motores gasolina Motores diésel
Norma Implantación Norma Implantación
Euro I 07/1992 Euro I 07/1992
Euro II 01/1997 Euro II 01/1997
Euro III 01/2000 Euro III 01/2000
Euro IV 01/2005 Euro IV 01/2005
Euro V 09/2009 Euro V 09/2009
28 Alrededor de 1980 el mercado era dominado por los automóviles a gasolina
por su bajo costo y simplicidad en el mantenimiento mecánico. Muy poco se preocupaban de la contaminación producida, por ejemplo, el carburador de estos vehículos mezcla la gasolina con el aire para así introducirlo al motor pero no era controlado por lo que ingresaba más combustible de necesario produciendo una mala combustión y en consecuencia mayor contaminación (FITSA, 2007).
“Los vehículos a motor representan una de las principales fuentes de
contaminación ambiental y de emisión de gases responsables del efecto invernadero” (FITSA, 2007).
Por este motivo se ha impulsado la creación de nuevas tecnologías y soluciones innovadoras, entre ellas está el desarrollo de nuevos vehículos entre ellos los híbridos y vehículos eléctricos para así dejar de lado el uso de fuentes de energía no renovables como son los combustibles derivados del petróleo (FITSA, 2007).
En la figura 19 se observa una representación de la contaminación atmosférica por emisiones de gases.
Figura 19. Contaminación atmosférica.
29 2.11.1. CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA EN LA CIUDAD DE QUITO
La ciudad de Quito al tener el parque automotor más grande del Ecuador tiene varios problemas de contaminación atmosférica habiendo en su aire 2.8 millones de toneladas de dióxido de carbono aproximadamente y el 76% de esa contaminación proviene de los gases de escape de los automóviles (Puente, 2015).
La figura 20 es una foto que muestra a los transeúntes cubriéndose la nariz para no respirar la nube de smog en la ciudad de Quito.
Los gases de escape emanados por los vehículos que circulan en la ciudad, son el primer factor de la contaminación en el aire de Quito. Según mediciones realizadas por la Secretaría de Ambiente los niveles de varios gases se mantuvieron fuera de las condiciones deseables en el año 2015 (Puente, 2015).
Figura 20. Contaminación atmosférica ciudad de Quito
30
3. METODOLOGÍA
La metodología se transformó en un pilar fundamental para la realización de
esta investigación ya que se pudo recopilar información necesaria mediante los diferentes métodos lo que ayudo a cumplir todos los objetivos específicos
de este trabajo.
Mediante este método se recopiló toda la información necesaria de fuentes confiables, serias y oficiales para el desarrollo de esta tesis. Se investigó acerca de los problemas ambientales ocasionados por los gases contaminantes emanados por los vehículos de uso diario y los avances tecnológicos que se han implementado en los vehículos buscando reemplazar al motor de combustión interna para reducir este ambiental impacto debido a la emisión de gases de escape, como son los sistemas híbridos y los automóviles eléctrico los cuales buscan reducir la emisión de gases contaminante al medio ambiente.
Como fuente primaria para el desarrollo de este proyecto se utilizó fuentes que proporcionen teorías completas acerca de un tema específico y se convierte en información de primera mano, la cual se obtuvo de: libros, manuales mecánicos, publicaciones de revistas y normas de control ambiental.
Como fuente secundaria se utilizó textos que se basan en experiencias o hechos reales por lo cual contrasta con la fuente primaria, esta información se obtuvo de: artículos de periódicos, información de internet, videos y normativas vigentes
Para la investigación de campo se eligió 2 automóviles, entre varios vehículos de similares características. Para esto se revisó fichas técnicas dadas por el fabricante de marcas como: Nissan, Chevrolet, Kia, Hyundai, Toyota y Volkswagen las cuales se realiza una comparación detallada en la tabla 10, y se tuvo en cuenta los siguientes parámetros:
31 Se tomó como vehículo híbrido de referencia al Toyota Prius, ya que en el
taller automotriz de la Universidad se cuenta con este automóvil para realizar prácticas.
El vehículo normal debe estar posicionado el mercado ecuatoriano y tener gran circulación en las calles de Quito.
Los dos vehículos deben tener todos sus sistemas en buen funcionamiento en especial el sistema de escape, este debe contar con todas sus partes: múltiple, tubería, silenciador, catalizador y este último en especial debe tener un funcionamiento adecuado ya que es el encargado de tratar a los gases de escape antes de ser expulsados al medio ambiente, y así tendremos una medida exacta en el analizador.
Para seguir realizando esta tesis, la investigación de campo fue un punto muy importante ya que esta se hizo con los automóviles escogidos previamente y los equipos necesarios para realizar las mediciones, comprobando que todo funcione correctamente.
Los automóviles se condujeron bajo condiciones normales de manejo en la ruta como son: irregularidad en el camino como declives y cuestas, aumento
y disminución de velocidad debido al tráfico vehicular que se forma a lo largo de la ruta y a las diferentes señales de tránsito existentes en el camino en
especial semáforos.
La ruta escogida para este proyecto fue tomada de la tesis: “Determinación y
diagnóstico de la eficiencia del biodiesel a través de pruebas de rutas de alto tráfico del Distrito Metropolitano de Quito” del señor Erick Gavela, ya que está
ruta tiene varios declives, curvas cerradas y abiertas, semáforos, zonas residenciales, zonas escolares, por lo que se realizará las pruebas deseadas bajo condiciones de manejo normales en los dos automóviles. Esta ruta fue previamente aprobada en dicha tesis.
32 Al finalizar la recolección de datos en las pruebas de ruta será necesario
33
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS
El principal proceso en el desarrollo de esta tesis es la prueba de ruta, para lo
cual es necesario tener los elementos y equipos adecuados. Estos fueron escogidos de la siguiente manera:
4.1. SELECCIÓN DE LOS VEHÍCULOS
Se eligió automóviles que tengan similar potencia ya que así se aseguraría que sus motores generen la velocidad deseada bajo condiciones iguales, para esto se revisaron varias marcas y modelos como: Chevrolet Aveo, Nissan Tiida, Volkswagen Gol, Kia Rio R y Hyudai Accent, ya que estos modelos son
los más vendidos en Ecuador y con mayor circulación en las calles de la ciudad de Quito.
Estos automóviles se compararon con el Toyota Prius 2010 ya que en el taller de mecánica automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial se cuenta con este vehículo para prácticas de los estudiantes. De estos automóviles se eligió:
Volkswagen Gol
Toyota Prius
En la tabla 4 se detalla los datos técnicos de un Volkswagen Gol 2005.
Tabla 4. Ficha técnica Volkswagen Gol
Año 2005
Cilindraje 1781 cc
Número de cilindros 4 en línea Válvulas por cilindro 2
Potencia 98 hp
Par motor 155 Nm
Relación de compresión 10:1
34 Tabla 4. Ficha técnica Volkswagen Gol (Continuación)
En la tabla 5 se especifica los datos técnicos del segundo automóvil que es un Chevrolet Aveo
Tabla 5. Ficha técnica Chevrolet Aveo
En la tabla 6 se detalla los datos técnicos de un Nissan Tiida 2015.
Tabla 6. Ficha técnica Nissan Tiida
Tracción Delantera
Combustible Gasolina
Tipo Hatchback
Transmisión Manual
Catalizador Si
Año 2015
Cilindraje 1399 cc
Número de cilindros 4 en línea Válvulas por cilindro 4
Potencia 92 hp
Par motor 130 Nm
Relación de compresión 9.5:1
Distribución DOHC
Tracción Delantera
Combustible Gasolina
Tipo Sedán
Transmisión Manual
Catalizador Si
Año 2015
Cilindraje 1598 cc
Número de cilindros 4 en línea Válvulas por cilindro 4
35 Tabla 6. Ficha técnica Nissan Tiida (Continuación)
Par motor 142 Nm
Relación de compresión 9.8:1
Distribución DOHC
Tracción Delantera
Combustible Gasolina
Tipo Sedán
Transmisión Manual
Catalizador Si
En la tabla 7 se puntualiza los datos técnicos de un Kia Rio R.
Tabla 7. Ficha técnica Kia Rio R
En la tabla 8 se detalla los datos técnicos de un Hyundai Accent.
Tabla 8. Ficha técnica Hyundai Accent
Año 2015
Cilindraje 1368 cc
Número de cilindros 4 en línea
Año 2015
Cilindraje 1396 cc
Número de cilindros 4 en línea Válvulas por cilindro 4
Potencia 110 hp
Par motor 137 Nm
Relación de compresión 10.5:1
Distribución DOHC
Tracción Delantera
Combustible Gasolina
Tipo Hatchback
Transmisión Manual
36 Tabla 8. Ficha técnica Hyundai Accent (Continuación)
En la tabla 9 se observa las especificaciones técnicas de un Toyota Prius.
Tabla 9. Ficha técnica Toyota Prius
En la tabla 10 se observa una comparación de todas las fichas técnicas analizadas.
Válvulas por cilindro 4
Potencia 101 hp
Par motor 133 Nm
Relación de compresión 10.5:1
Distribución DOHC
Tracción Delantera
Combustible Gasolina
Tipo Sedán
Transmisión Manual
Catalizador Si
Año 2010
Cilindraje 1798 cc
Número de cilindros 4 Válvulas por cilindro 16
Potencia 98 hp
Par motor 142 Nm
Relación de compresión 13:1
Distribución DOHC
Tracción Delantera
Combustible Gasolina
Tipo Hatchback
Transmisión Automática
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Tabla 10. Comparación de fichas técnicas
TOYOTA PRIUS
VOLKSWAGEN GOL
CHEVROLET AVEO
NISSAN TIIDA KIA RIO R HYUNDAI ACCENT
Año 2010 2005 2015 2015 2015 2015
Cilindraje 1798 cc 1781 cc 1399 cc 1598 cc 1396 cc 1368 cc
Número de cilindros 4 en línea 4 en línea 4 en línea 4 en línea 4 en línea 4 en línea
Válvulas por cilindro 4 2 4 4 4 4
Potencia 98 hp 98 hp 92 hp 106 hp 110 hp 101 hp
Par motor 142 Nm 155 Nm 130 Nm 142 Nm 137 Nm 133 Nm
Relación de compresión 13:1 10:1 9.5:1 9.8:1 10.5:1 10.5:1
Distribución DOHC SOHC DOHC DOHC DOHC DOHC
Tracción Delantera Delantera Delantera Delantera Delantera Delantera Combustible Gasolina Gasolina Gasolina Gasolina Gasolina Gasolina
Tipo Hatchback Hatchback Sedán Sedán Hatchback Sedán
Transmisión Automática Manual Manual Manual Manual Manual