DESARROLLO DE UN MOTOR ECOLÓGICO DE COMBUSTIÓN INTERNA DE CARBURANTE ALTERNO

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1 XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002 DESARROLLO DE UN MOTOR ECOLÓGICO DE COMBUSTIÓN INTERNA DE CARBURANTE ALTERNO Ing. Myrna Aguilar Solís Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapozalco Lic Benjamín Camacho MOPESA S.A. Ing. Fernando Hinojosa MOPESA S.A. Ing. Nereo Hernández MOPESA S.A. Dr. Miguel Torres Rodríguez Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapozalco Dra. Violeta Mugica Alvarez* Maestría y doctorado en Ingeniería Ambiental por la Universidad Nacional Autónoma de México y Licenciatura en Química por la misma institución. Profesora-investigadora desde 1984 en la Universidad Autónoma Metropolitana- Azcapotzalco. Ha trabajado principalmente en el área de calidad del aire y control de la contaminación atmosférica publicando alrededor de 20 artículos especializados en el tema. Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapozalco. (*): Av. San pablo 180, Col. Reynoza Tamaulipas, Fax , vma@correo.azc.uam.mx RESUMEN En la actualidad se requiere la participación y esfuerzo conjunto de todos los sectores para resolver los problemas de contaminación atmosférica que presentan las grandes ciudades debidos principalmente al gran volumen de emisiones vehiculares. En este trabajo, se presentan los resultados de un esfuerzo de colaboración entre la empresa MOPESA Motores Power S.A y la Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco cuyo objetivo principal ha sido la creación y optimización de un motor a gas, diseñado de origen con bajas emisiones contaminantes que sustituya motores diesel en vehículos de transporte de las clases 6 y 7, es decir, con pesos brutos de a libras (10 a 14 toneladas). Con el fin de conservar las características de los motores diesel en cuanto a par torsional y potencia, se utilizó como plataforma un motor diesel para generar un prototipo de motor turbocompensado postenfriado capaz de trabajar en altitudes superiores a los 1500 metros. Para ello, fue necesario modificar la cámara de combustión, generar los programas de inyección por computadora, seleccionar los accesorios adecuados, como alternador, válvulas, etc., muchos de los cuales no se encontraban en el mercado por lo que hubo que trabajar con distintos proveedores para que modificaran algunas de sus piezas. Asimismo, se proporcionaron especificaciones a proveedores de convertidores catalíticos para que construyeran estos accesorios de acuerdo a relaciones de platino/rodio adecuadas. Después de varias etapas de modificación, se tiene un prototipo cuyas emisiones son menores a las requeridas por la normatividad mexicana, sin menoscabo de la potencia y torque que requiere un vehículo pesado. Finalmente, utilizando los valores reportados por el Inventario de Emisiones de la ZMVM de 1998, se realizaron estimaciones de las emisiones a la atmósfera por los vehículos pesados suponiendo varios escenarios en el caso de que un número determinado de vehículos considerados en el inventario se sustituyera por vehículos con los motores a gas LP propuestos. Los resultados son muy satisfactorios ya que suponiendo una sustitución del 20% de los vehículos a diesel con peso bruto mayor a 3 toneladas se tendría una disminución anual de emisiones de PM 10 de 509 ton, de SO 2 de 85 ton, de CO de 3686 ton, de NOx de 4555 y de hidrocarburos de 1756 ton, lo que representaría un 17% de las emisiones totales de este tipo de vehículos. Palabras Clave: motor a gas, emisiones vehiculares. México

2 INTRODUCCION Los motores diesel han sido utilizados principalmente en vehículos pesados y semipesados desde hace varias décadas debido a que son más eficientes que los motores a gasolina que utilizan ciclo Otto, llegándolos a superar hasta en un 40%. Como el grado de compresión de los motores diesel se encuentra en rangos de a 1 son por lo general más pesados que los motores ciclo Otto, pero esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de que utilizan un combustible más económico (Kenneth, 1984). Por otra parte, la eficiencia de los motores ciclo Otto o de encendido por chispa depende del grado de compresión que suele ser de 7 a 1 aunque puede ser incrementado con combustibles con mayor octanaje. Los motores de ciclo Otto trabajan de 2500 a 7000 rpm. a su máxima potencia y pueden utilizar gasolina o gas, ya sea natural o gas licuado de petróleo. Estos dos gases son combustibles que al quemarse emiten una cantidad sustancialmente menor de contaminantes que los motores diesel. (Bailey, 1993, Whitney, 1994). De acuerdo al Inventario de Emisiones de la ZMVM, los vehículos a diesel emiten anualmente a la atmósfera alrededor de 5859 toneladas de partículas, 1069 toneladas de dióxido de azufre, toneladas de monóxido de carbono, toneladas de óxidos de nitrógeno y toneladas de hidrocarburos (SEMARNAT, 2002). Todos estos contaminantes tienen efectos adversos en la salud de los habitantes, provocando principalmente enfermedades respiratorias (Mugica y Figueroa, 1996). Estudios recientes reportan que algunos compuestos presentes en las emisiones producidas por los vehículos a diesel son cancerígenos y mutagénicos, además de que se ha encontrado correlaciones importantes entre la morbilidad y mortalidad y las partículas PM 2.5 producidas por motores a diesel (Cohen y Nikula, 1999; Lloyd y Cackette, 2001). En la Zona Metropolitana del Valle de México (ZMVM), al igual que en otras ciudades del país, se ha promovido la conversión de vehículos a gasolina por vehículos a gas LP por medio de un proceso de conversión relativamente simple; sin embargo, algunos estudios realizados indican que los resultados en cuanto a disminución de emisiones son muy pobres y en su mayoría estos vehículos convertidos no son capaces de cumplir con la norma NOM-050- ECOL-1993, además de tener fallas en la combustión del combustible originando ineficiencia y grave deterioro al motor (Schifter et al, 2000). De lo anterior se deriva la importancia de que exista un motor a gas diseñado de origen (dedicado), de forma tal que puedan obtenerse bajos niveles de contaminación y cumplir tanto las normas nacionales como las internacionales y ofrecer características de funcionamiento semejantes a los que ofrecen los motores diesel de la misma capacidad. En este trabajo se presenta la metodología llevada a cabo por una empresa en colaboración con una Universidad mexicana para el desarrollo de un motor turbocompensado que sin menoscabo de las propiedades de potencia y par torsional disminuya el impacto de las emisiones que provocan los vehículos pesados. Asimismo, utilizando los factores de emisión estimados por el programa MOBILE5 y utilizados en la generación del Inventario de Emisiones de la ZMVM se realizó la simulación de varios escenarios suponiendo la sustitución de motores diesel por motores a gas LP en diversos porcentajes de la flotilla de la Ciudad de México. OBJETIVO: Optimizar un motor de combustión interna de carburante gaseoso que minimice las emisiones contaminantes y cumpla la norma mexicana, conservando la potencia y par torsional de un motor diesel con aplicación entre las 10 y 15 toneladas de peso bruto vehicular. METODOLOGÍA: 1. Modificaciones al motor. Considerando que se partió de una plataforma diesel, hubo que realizar una serie de modificaciones y probar diversos accesorios. Las principales modificaciones que se realizaron fueron: Cambio en la relación de compresión de 16.1 a 10:1 Diseño de cámara de compresión (mezcla homogénea) Cambio de múltiple de admisión (entrada de gas) Encendido de chispa electrónica Sistema de carburación computarizada Modificación de cabeza de motor para incorporar bujías

3 Selección de bujías de rápida disociación de calor Desarrollo de sistema de postenfriamiento Desarrollo de turbocargador con control de presión Desarrollo de circuito cerrado de combustión para disminuir emisiones Selección de especificaciones para el convertidor catalítico 2. Pruebas en motor de banco para medir los parámetros de funcionamiento y las emisiones. Estas pruebas se realizaron en dos cabinas de prueba equipadas con: un dinamómetro de banco marca Schenk modelo D360 de 225 BHP. Se diseñó una matriz de experimentos en la cual se determinaron para cada cambio curvas de potencia, de combustible, de gobernación y de confiabilidad general, además de medir las emisiones de CO, HC y NOx. 3. Determinación de la emisión de gases contaminantes productos de la combustión. Realizados en el Instituto Mexicano del Petróleo. 4. Simulación de escenarios para determinar el impacto que tendría el uso de vehículos equipados con el motor propuesto. RESULTADOS: Para lograr el prototipo, fue necesario modificar varias veces el motor y probar distintos accesorios de los cuatro sistemas del motor: 1. Sistema de combustión, 2. Sistema de carburación, 3. Sistema de admisión y 4. Sistema de ignición. 1. El diseño de una cámara de combustión que lograra una mezcla homogénea fue una de las partes más complejas ya que la disposición original del puerto de admisión provoca una alta turbulencia que a su vez inducía la separación del gas y el aire debido al diseño original de ciclo diesel. Por otra parte se reubicó la entrada de la mezcla de aire y combustible con el objeto de alimentar cada uno de los cilindros a la misma distancia para eliminar la posibilidad de que hubiera mezclas pobres en alguno de ellos. Se acondicionó la cabeza del motor para sustituir los inyectores de combustible (usados en el ciclo diesel) por las bujías (que requiere el ciclo Otto). Asimismo, se redujo la altura del pistón para conservar el volumen de la cámara y mantener la misma relación de compresión. 2. El sistema de carburación consta de un solenoide que tiene la función de regular con impulsos eléctricos la entrada del combustible; un mezclador que tiene la función de proporcionar mezclas adecuadas de gas y aire para que una vez calentada y encendida culmine en el proceso de combustión; un regulador/evaporador que convierte el líquido en vapor y reduce la presión por debajo de la presión atmosférica, permitiendo la salida al motor únicamente, cuando recibe una señal de vacío desde el mezclador. El sistema de carburación trabaja con un circuito cerrado de control de mezcla buscando siempre la relación aire-combustible estequiométrica mediante un sensor de oxígeno en el tubo de escape y conectado a una computadora para dosificar electrónicamente la cantidad de combustible adecuada en función de las RPM y la carga del motor. 3. Para el sistema de admisión, se adaptó el múltiple para motor diesel a la garganta del sistema del mezclador. Se modificó la profundidad de las válvulas de admisión y escape. De a (especificadas para Diesel) a a Inicialmente se trabajó con un sistema de encendido que incluía una bobina capaz de generar una chispa de 12,000 a 15,000 volts, pero se observó que para una lograr una buena combustión óptima era importante la buena quema de la mezcla de aire combustible, por lo que se buscó tener la chispa adecuada para el encendido. Después de diversas pruebas se le agrego un elevador de voltaje, lo que permitió generar una chispa de 40,000 volts. Posteriormente se encontró una bobina que por si sola sería capaz de generarnos los 40,000 volts aunque estos cambios repercutieron en otras partes puesto que que había que acoplarse al nuevo voltaje como lo fue en el caso de un cableado y las bujías. Dado que es muy usual que los motores trabajen a altitudes como es el altiplano mexicano arriba de los 2000 mts sobre nivel del mar y que los motores a esa altitud pierden su eficiencia hasta en un 22%, consideramos conveniente

4 compensar esa pérdida y eficientar el motor mediante un turbocargador. Para complementar el paquete incorporamos también un postenfriador para lograr la temperatura, cantidad de aire y presión adecuada a la entrada del motor de la mezcla aire combustible, y así controlar la rápida expansión y detonación anticipada en la cámara de combustión. Una vez obtenido un buen desempeño se le instaló un convertidor catalítico tipo panal de cordierita con platino y rodio como metales activos. Se realizaron las pruebas de ciclo estacionario de prueba europeo trece modos el cual es equivalente al de la EPA. En esta prueba el motor se opera a través de tiempos establecidos en cada modo, completando los cambios de velocidad y carga de los primeros 20 segundos. Las emisiones se determinan en cada modo y se promedian durante todo el ciclo usando un conjunto de factores de peso. En las figuras 1, 2 y 3 se muestran ejemplos del desempeño del motor y las curvas de potencia y torque, temperaturas y rendimiento. En la figura 1 se presenta la curva que muestra el funcionamiento del motor en cuanto a potencia y torque a diferentes velocidades y donde puede apreciarse que la potencia máxima alcanzada es de 145 BHP a las 2800 RPM y un torque de más de 300 libra-pie a 1600 RPM. En la curva 2 el motor no llega alcanzar inclusive en las mayores velocidades temperaturas arriba de 850 o C que dañarían los materiales del motor. POTENCIA BHP TORQUE libra-pie RPM POTENCIA TORQUE Figura 1. Curva de potencia y torque GRADOS CENTIGRADOS TEMPERATURA MULTIPLE ESCAPE R.P.M Figura 2. Curva de temperatura

5 En la figura 3 se aprecia cómo varía la presión del turbo la cual debe ir aumentando con la finalidad de que haya suficiente aire para la combustión a medida que se incrementa la velocidad, mientras que la figura 4 muestra como se mantiene casi constante la relación aire/combustible durante la prueba y pueden localizarse las velocidades a las cuales se tiene el menor consumo de combustible psi RPM PRESION TURBO Figura 3. Curva de presión RPM Consumo Esp gr/hp-h AIRE/COMB Figura 4. Curva de rendimiento Se realizaron las pruebas de certificación de la norma mexicana NOM-076-ECOL-1995 en el Instituto Mexicano del Petróleo y se determinó que se cumplían normas nacionales e internacionales. En la figura 5 se presenta la comparación de los valores máximos permisibles por la norma mexicana NOM-076-ECOL-1995 y los factores de emisión determinados para el motor prototipo a gas LP, donde puede apreciarse que las emisiones del motor son muy inferiores a los límites de emisión permitidos. La norma EPA 1998 tiene valores idénticos a los de la norma mexicana para los tres contaminantes.

6 g/bhp-h HC NOx CO MOTOR NOM-076-ECOL Figura 5. Emisiones gaseosas Finalmente el prototipo de motor que tuvo un buen desempeño tiene las siguientes especificaciones de acuerdo a los resultados de las pruebas realizadas: Motor dedicado de Gas LP de 5.8 l de desplazamiento, 6 cilindros en L de RPM y torque RPM. En cuanto a la economía por el uso del combustible, se ha estimado que la sustitución de un motor de diesel por uno a gas LP representaría un ahorro en pesos del 17% por kilómetro recorrido. Cabe mencionar que aunque este motor se diseñó para el uso de gas LP, con mínimas modificaciones puede ser un motor a gas natural el cual tendría emisiones aún menores además de que es un combustible más económico. Sin embargo actualmente no se cuenta en México con estaciones de servicio para gas natural, aunque las autoridades han informado que en un corto plazo se ampliará la red de distribución de este combustible. De los casi 300, 000 camiones a diesel que circulan en la ZMVM, alrededor de 100,000 camiones de carga (de dos ejes) y autobuses de pasajeros serían susceptibles de instalación de los motores a gas LP que se proponen en este proyecto. Estos motores podrían instalarse también en camiones de carga a gasolina los cuales son alrededor de 150,000. La sustitución con motores a gas LP de los motores a diesel instalados en camiones de carga pequeños tales como repartidores de gas, refrescos, víveres, etc. así como autobuses de pasajeros implicaría una sustancial disminución de emisiones a la atmósfera ya que las emisiones de óxidos de azufre y de partículas de estos motores es prácticamente nula. Se realizaron algunas estimaciones para conocer el impacto que habría en la reducción de emisiones contaminantes a la atmósfera, en el caso de realizar pequeñas substituciones de vehículos que se encuentran en circulación por vehículos equipados con los motores a gas LP propuestos. Para ello, se utilizaron los valores y factores de emisión reportados en el inventario de emisiones de la ZMVM de 1998 y los factores de emisión determinados para el motor a gas LP en g/km. Convirtiendo los factores de emisión obtenidos en g/bhp-h a g/km del motor a gas (utilizando la densidad y consumo específico de combustible y el rendimiento Km/l) se tiene para el CO 1.48 g/km; para HC 0.25 g/km y para los NOx 2.86 g/km. En la tabla 1 se presenta la descripción de cada escenario y los resultados de la reducción de emisiones estimada. Aunque esta tabla es muy general, es posible apreciar la magnitud de la disminución de algunos contaminantes como es el caso de CO, hidrocarburos y de NOx que son precursores en la formación de ozono. Considerando que los 1,546,595 vehículos particulares que circulan en la ZMVM emiten 701 ton/año de partículas respirables, una disminución de 509 toneladas estimada en el primer escenario tendría una gran relevancia. En los últimos cuatro escenarios aunque las disminuciones de partículas y SO 2 parecen pequeñas, representan una disminución efectiva del 5, 10, 25 y 25% respectivamente ya que el motor a gas LP prácticamente no emite estos contaminantes. Cabe

7 mencionar que en los dos últimos escenarios se estimó la reducción de emisiones al sustituir un 25% de autobuses a diesel por vehículos con motor a gas LP, pero como algunos autobuses tienen una mayor capacidad que los vehículos que llevarían el motor a gas LP se realizó la estimación suponiendo un aumento en la flotilla del 20% que compensara dicha capacidad. Es posible apreciar que la disminución de emisiones se afecta menos del 4%. Tabla 1. Reducciones estimadas de los contaminantes gaseosos en diferentes escenarios Escenario Reducción de emisiones ton/año PM 10 SO 2 CO NOx HC Total Substitución del 20% de vehículos > 3 ton Substitución del 20% de microbuses Substitución de 30% de camiones a gasolina Substitución de 5% de autobuses a diesel Substitución de 10% de autobuses a diesel Substitución de 25% de autobuses a diesel Substitución de 25% de autobuses a diesel más un 20% extra de vehículos a gas CONCLUSIONES En México, para reducir las emisiones contaminantes a la atmósfera, se ha promovido la modificación de motores a gasolina por motores a gas, sin embargo dicha conversión ha tenido como consecuencia que en muchos casos las emisiones se hayan incrementado y se tengan vehículos inseguros. En este trabajo se presentó la metodología seguida para la creación de un motor a gas LP con la potencia de un motor a diesel, el cual pueda ser instalado en autobuses y camiones de carga con tasas muy bajas de emisiones contaminantes. Se realizaron modificaciones en el motor a diesel en el diseño de cámara de combustión, en el múltiple de admisión, en el sistema de encendido, en el sistema de carburación, asimismo, se incorporó un convertidor catalítico adecuado al tamaño y tipo de motor. Con el fin de compensar la altitud de ciudades como Toluca y México se instaló un turbocargador al motor. Los resultados obtenidos son muy satisfactorios ya que se logró mantener la potencia y el par torsional del motor disminuyendo las emisiones contaminantes, siendo substancialmente menores que los valores recomendados por las normas nacionales e internacionales. Las emisiones de partículas se reducen prácticamente a cero, lo cual es excelente puesto que se ha demostrado que las partículas provenientes de la combustión de diesel disminuyen la visibilidad y ocasionan un grave daño a la salud. Asimismo, el gas LP al tener un contenido prácticamente despreciable de azufre no produce emisiones de SO2 que produce la lluvia ácida. Como es un motor dedicado no presenta los problemas de los sistemas convertidos en los que hay grandes fallas y se incrementan las emisiones debido a problemas del sistema eléctrico, ignición, calibración, etc. En particular este motor funciona adecuadamente a pesar de las variaciones en la composición del gas LP comercial. Existe un ahorro por kilometraje recorrido, no hay evaporación del combustible y se evita la extracción indebida del mismo, aunque sería necesario el aumento de estaciones de servicio de gas LP. Este motor, con muy pocas modificaciones, es factible de utilizar gas natural, lo cual reduciría aun más las emisiones, así como el costo de combustible por kilometraje. Agradecimientos. A la empresa MOPESA S.A. y al programa PAIDEC-CONACYT por el financiamiento de este proyecto.

8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bailey B.E; Jaeger, S. SAE Paper ; Society of Automotive Engineers: Warrendale, Pa, Cohen A., Nikula K. The health effects of diesel exhaust. Laboratory and epidemiologic studies. Academic press. U.K Kenneth R. Diesel engine service. Ed. Reston, 1984 Lloyd A y Cackette T. Diesel engine: environmental impact and control, Critical review. Journal of the Air and Waste Management Association. 51-June Mugica V. y Figueroa J.. Contaminación Ambiental. Causas y Efectos. Colección de libros de Texto Universidad Autónoma Metropolitana SEMARNAT, GDF, GEM, SSA. Programa para mejorar la calidad del aire de la Zona Metropolitana del Valle de México México, Schifter, I; Díaz, L; López-Salinas, E; Rodríguez, R; Ávalos, S; Guerrero, V; An Evaluation of the LPG Vehicles Program in the Metropolitan Area of Mexico City. Journal of the Air & Waste Management Association, Vol , Whitney, K.A.; Bailey, B.E. SAE Paper ; Society of Automotive Engineers: Warrendale, Pa, 1994.