Aspectos técnicos del uso de biocarburantes en automoción

Transcripción

1 Aspectos técnicos del uso de biocarburantes en Prof. Dr. Francisco José Jiménez Espadafor Aguilar Grupo de Motores Térmicos () Universidad de Sevilla E-mai:

2 USO DE BIOETANOL, BIODIESEL Y BIOGÁS EN MOTORES DE AUTOMOCIÓN Indice: 1. Introducción a los motores de combustión interna alternativos 2. Parámetros operativos de los motores de combustión interna alternativos 3. Sobrealimentación en motores de combustión interna alternativos 4. Combustión en motores de encendido por chispa 5. Emisiones contaminantes en motores alternativos 6. Características operativas de los m.c.i.a.

3 1. Introducción a los motores de combustión interna alternativos

7 1. Introducción a los motores de combustión interna alternativos AAA: adelanto apertura admisión RCA: retraso cierre admisión AAE: adelanto apertura escape RCE: retraso cierre escape

8 1. Introducción a los motores de combustión interna alternativos w CICLO = Q aportado Q cedido [ trabajo neto por ciclo] W η CICLO = Q ciclo aportado [ rendim iento ]

9 1. Introducción a los motores de combustión interna alternativos CICLO IDEAL DE AIRE

10 1. Introducción a los motores de combustión interna alternativos CICLO A VOLUMEN CTE.

11 2. Parámetros operativos de los motores de combustión interna alternativos Rendimiento volumétrico η = v ρ aire m& aire, refvdn/ 2 F = m& m& f a Presión media efectiva Pme =η η F ρ v e aire, ref Hp Hp = poder calorífico inferior

12 2. Parámetros operativos de los motores de combustión interna alternativos

13 2. Parámetros operativos de los motores de combustión interna alternativos VEHÍCULO 4πM Pme= zv motor a = aceleración vehículo ; R=radio rueda motriz ; g=aceleración gravedad ; fr=coeficiente de resistencia a rodadura m=masa vehículo ; ρ=densidad del aire ; Cd=coeficiente aerodinámico ; α=ángulo de inclinación del terreno A=sección transversal vehículo ; v=velociad del vehículo ; Z= número de cilindros ; V=volumen de un cilindro ; i=relación transmisión global 2 [ mg( sinα + frcosα ) + ½ ACdv + ma ] Mfricción cadenac. M = R ρ + M = M i VEHÍCULO EMBRAGUE VEHÍCULO

14 3. Sobrealimentación en motores de combustión interna alternativos Pme =η η F ρ v e aire, ref Hp

15 3. Sobrealimentación en motores de combustión interna alternativos Consiste en incrementar la masa de aire en el cilindro respecto a la máxima alcanzable con aspiración natural, y por tanto, para un dosado máximo asociado a cada combustible, incrementar la energía liberada en el cilindro. Es la solución más utilizada para elevar la potencia por litro. Hay diversos sistemas para sobrealimentar. Los más extendidos son 1 Sobrealimentación mecánica con compresores volumétricos. La relación de compresión no depende de la velocidad de giro El gasto volumétrico es independiente de la presión y casi proporcional a RPM Gran estabilidad de operación dentro de su rango operativo Pme =η η F ρ v e aire, ref Hp

16 3. Sobrealimentación en motores de combustión interna alternativos 2 Sobrealimentación con Turbocompresor y turbina accionada por los gases de escape. La relación de compresión depende de la velocidad de giro No tiene vinculación mecánica con el motor Problemas de estabilidad en cierto rango Requiere sistema de regulación

17 3. Sobrealimentación en motores de combustión interna alternativos 3 Sobrealimentación secuencial. Elevado par a bajo régimen Mejora del consumo a baja carga Gran reducción de humos a baja carga

18 4. Combustión en motores de encendido por chispa COMBUSTIÓN NORMAL La mezcla aire-combustible se distribuye homogéneamente en la cámara de combustión. La chispa salta cuando el pistón se sitúa cerca del PMS (20º-30º antes) Se forma un frente de llama que de forma progresiva consume la carga, hasta agotar el masa airecombustible. Al mismo tiempo varía la presión y la temperatura del gas y se realiza trabajo sobre el pistón.

19 4. Combustión en motores de encendido por chispa

20 4. Combustión en motores de encendido por chispa θ θ0 x b = 1 exp a θ m+1 a, m = factores de forma (valores típicos 5 y 2) θ=ángulo giro cigüeñal θ 0 =ángulo inicio combustión θ=duración de la combustión

21 4. Combustión en motores de encendido por chispa EFECTO DEL PUNTO DE ENCENDIDO EN LA PME Al adelantar el ángulo en el que salta la chispa, aumenta la masa quemada antes del PMS y por tanto las presiones. Por otro lado, sube la presión durante la carrera de compresión, lo que supone un trabajo negativo. Existe un punto de compromiso donde se maximiza la PME para cada carga

22 4. Combustión en motores de encendido por chispa COMBUSTIÓN DETONANTE. Se produce por la autoinflamación violenta de la mezcla no quemada antes de ser alcanzada por el frente de llama. Se controla atrasando el punto de encendido

23 4. Combustión en motores de encendido por compresión

28 5. Emisiones contaminantes en motores alternativos COMPOSICIÓN GASES DE ESCAPE MOTORES ENCENDIDO POR CHISPA (sin catalizador) Combustión completa (λ = A/F ~ 1) 1 kg combustible + 14,9 kg Aire 3,1 kg CO 2 + 1,3 kg H 2 O + 11,5 kg N 2 (motor sin post tratamiento) ESPECIE QUÍMICA Kg ESPECIE/ kg COMBUSTIBLE % EN PESO CO 2 2,710 17,0 H 2 O 1,330 8,3 COMBUSTIÓN O 2 0,175 1,1 N 2 11,500 72,0 Σ 98,4 CO 22, ,40 HC 20, ,13 NO x 1, ,11 Σ 1,64 (16400 ppm) EMISIONES LEGISLADAS SO 2 0, , SO 4 2-2, , Aldeidos (RCHO) 3, , EMISIONES NO LEGISLADAS NH 3 1, ,0 10-5

29 5. Emisiones contaminantes en motores alternativos COMPOSICIÓN GASES DE ESCAPE MOTORES DIESEL Combustión completa (λ = A/F ~ 3) 1 kg gasoil + 43,7 kg Aire (10,0 kg O ,7 kg N 2 ) 3,1 kg CO 2 + 1,3 kg H 2 O + 6,6 kg O ,7 kg N 2 Combustión típica con λ = A/F ~ 3 (motor sin post tratamiento) ESPECIE QUÍMICA Kg ESPECIE/ kg COMBUSTIBLE % EN PESO CO 2 3,147 7,10 H 2 O 1,170 2,60 O 2 6,680 15,00 N 2 33,540 75,20 Σ 99,90 COMBUSTIÓN COMPLETA CO 1, , HC 3, , NO x 1, , EMISIONES LEGISLADAS PARTÍCULAS (PM) 2, , Σ 0,073 (730 ppm) SO 2 4, , SO 4 2-7, , Aldeidos (RCHO) 6, , EMISIONES NO LEGISLADAS NH 3 2, , H 2 9, ,0 10-3

30 DISTRIBUCIÓN POR SECTORES DE GASES CONTAMINANTES EN EU 15 (2000) Fuente: ACEA 2001 y EEA 2002

31 5. Emisiones contaminantes en motores alternativos: motor de encendido por compresión

32 5. Emisiones contaminantes en motores alternativos: motor de encendido por chispa

38 5. Emisiones contaminantes en motores alternativos: motor de encendido por compresión LA FORMACIÓN DE NOx DEPENDE DE: Temperatura del proceso, inicio 1300ºC, fuerte incremento 1900 ºC * Concentración de O 2

39 5. Emisiones contaminantes en motores alternativos: motor de encendido por compresión

40 6. COMBUSTIBLES: gasolina y gasóleo

41 6. COMBUSTIBLES: especificaciones para gasolina y gasóleo Gasóleo, según EN 590 Propiedad mínimo máximo Densidad a 15 ºC (kg/l) 0,820 0,845 Viscosidad (cst. a 40 ºC) 2,0 4,5 Azufre (mg/kg) 350 (2004) 50 ( ) 10 (2009) Número de cetano Índice de cetano Agua (mg/kg) Lubricidad (µm) 460 CFPP (ºC) Número de cetano: % n-cetano + 0,15 (% heptametil nonano) Poder calorífico: 42,5 MJ/kg Composición en peso: 86% C ; 13% H

42 6. COMBUSTIBLES: especificaciones para gasolina y gasóleo Gasolina (sin plomo), según EN 228 Propiedad mínimo máximo Densidad a 15 ºC (kg/l) 0,720 0,775 Azufre (mg/kg) 150 (2004) 50 ( ) 10 (2009) Calidad anti-knock Premium (RON/MON) 95/85 -- Calidad anti-knock Super Plus (RON/MON) 98/88 -- Plomo (mg/l) -- 5 Benceno (% volumen) 1 Volatilidad, presión vapor verano (kpa) Volatilidad, presión vapor invierno (kpa) Número de octano: % iso-octano en una mezcla de iso-octano y n-heptano Poder calorífico: 43,1 MJ/kg Composición en peso: 86 % C ; 14 % H

43 6. COMBUSTIBLES: Marco Normativo EU-25 para la promoción de los combustibles LEGISLACIÓN EU ( I ) Directiva 2003/30/CE, del Parlamento Europeo y del Consejo, de 8 de mayo de 2003, relativa al fomento el transporte (transpuesta en España mediante el Real Decreto 1700/2003, de 15 de diciembre). ANTECENDENTES El sector del transporte es responsable de más del 30% del consumo energético de la EU 15, situación agravada en la EU 25, con el incremento de las emisiones asociadas de CO 2 En el período , las emisiones de CO 2 se incrementarán en un 50%. El transporte por carretera es el responsable del 84% de éstas emisiones. La utilización de los biocombustibles es una vía para reducir la dependencia del petróleo y una ayuda para el cumplimiento de Kyoto. Las flotas cautivas de transporte urbano tienen, al usar biocombustibles, un elevado potencial para mejorar la calidad del aire de las ciudades donde operan Los biodiesel deben cumplir pren14213 DIRECTIVA Los estados miembros deben fijar objetivos racionales de penetración del biocombustible Referencia en base a la energía consumida en todos los transportes que utilizan gasoil y gasolina : penetración del 2,00% para el penetración del 5,75% para el Los biodiesel deben cumplir, puros o en mezclas, EN590 * Los países miembros deben estudiar los efectos del uso de biocombustibles en mezclas de gasóleo superiores al 5 % en vehículos no modificados.

44 6. COMBUSTIBLES: Marco Normativo EU-25 para la promoción de los biocombustibles LEGISLACIÓN EU ( I I ) Directiva 2003/96/CE, del Parlamento Europeo y del Consejo, de 27 de octubre de 2003, relativa a la fijación de tasas de productos energéticos y electricidad DIRECTIVA (en su artículo 16: biocombustibles y otros productos procedentes de la biomasa). Se establece la posibilidad de aplicar una exención o bien una reducción de los impuestos de una lista de productos (códigos CN) La exención o reducción de impuestos no puede ser mayor que los impuestos que se abonan por el volumen de biocombustible presente en el producto final. Aplicación del control fiscal Las compensaciones deberán ajustarse para contemplar los cambios que se produzcan en el precio de las materias primas, evitando una sobre compensación por los productos derivados de la biomasa LEGISLACIÓN ESPAÑOLA; Ley 53/2002, de Medidas Fiscales, Administrativas y del Orden Social : exención total de impuestos hasta el 2012 y subvenciones para inversiones

45 6. COMBUSTIBLES: Especificaciones biodiesel Definición n Biodiesel: mezcla de ésteres metílicos de ácidos grasos (conocido también como FAME, fatty acids methyl esters ) producido a partir de un aceite vegetal o grasa animal. ACEITE GRASO + METANOL ESTER METÍLICO + GLICERINA (90 %) (10 %) (90%) (10%) En la práctica es un carburante compatible con el gasóleo comercial. Este producto se obtiene a partir de la reacción con alcoholes (procesos de esterificación y transesterificación) de los glicéridos de los aceites vegetales, tanto refinados como usados. Cuando se utiliza aceite vegetal usado como materia prima, se eliminan residuos que o bien reducen las eficiencias de los tratamientos secundarios en las EDAR, o bien se destinan a la fabricación de piensos para alimentación animal, introduciendo potenciales contaminantes en la cadena trófica. Especificaciones fijadas por EN pr (2003) Materias primas para su producción: Girasol; Colza; Soja; Palma; Palmiste; Aceites vegetales reciclados; Grasas animales.

46 6. COMBUSTIBLES: Ciclo del CO 2 del biodiesel 3,1 kgco 2 /litro CO 2 2,3 kgco 2 /litro Ciclo inferior a 100 años BIOMASA (FOTOSÍNTESIS) TRANSFORMACIÓN COMBUSTIBLE QUEMA DEL COMBUSTIBLE Ej; Residuos Agrícolas Ej: Glicerina ENERGÍA OBTENIDA EN LA COMBUSTIÓN (MJ) ENERGÍA NO RENOVABLE UTILIZADA (MJ) Gasolina: 0,87 Gasóleo: 0,91 Éster de Colza: 2,99 Éster de Girasol: 3,16

47 6. COMBUSTIBLES: Biodiesel, comparativa de algunas propiedades con gasóleo CARACTERÍSTICAS ESPECIFICACIONES GASÓLEO (EN 590) en 2005 ESTER DE COLZA Azufre (ppm) Densidad (kg/m 3 ) Número de cetano T95 (ºC)( CFPP (ºC)( PCI (kj/l) Lubricidad 50/ Verano 0 / Invierno -15 / Extremo frío Con aditivos < A partir del 2%

48 6. COMBUSTIBLES: Biodiesel, Biodiesel, EN (2003) Propiedad mínimo máximo Densidad a 15 ºC (kg/l) 0,860 0,900 Viscosidad (cst. a 40 ºC) 3,5 5,0 Azufre (mg/kg) 10 Estabilidad oxidación (a 110 ºC) 6 horas Índice de cetano Agua (mg/kg) Na+K max. (mg/kg) 5,0 CFPP (ºC) -20 5

49 6. COMBUSTIBLES: Biodiesel, efecto sobre las emisiones contaminantes I

50 6. COMBUSTIBLES: Biodiesel, efecto sobre las emisiones contaminantes II

51 6. COMBUSTIBLES: Implicaciones del uso del biodiesel en la logística y el mantenimiento I Consumo de combustible: Al tener menor PCI, el consumo por litro tiende a crecer, aunque se compensa ligeramente por su mayor densidad frente al gasóleo. En porcentajes de hasta 5 % no se aprecia efecto alguno y en el B20 los incrementos son del orden del 2%. Lubricidad: Flash point : Carácter biodegradable: Tratamiento contra incendios: Tienen una lubricidad elevada (ASTM D 2783) superior al del gasóleo, incluso con porcentajes en la mezcla muy reducidos (2%). Esto hace que disminuya la fricción y en algunos casos se ha reducido el nivel de ruido. Superior a la del gasóleo. En mezclas con gasóleo se incrementa con la proporción del biodiesel, por lo que resulta más seguro en operaciones de trasvase y almacenamiento. La velocidad de degradación es cuatro veces mayor que la del gasóleo, en las mezclas al 20% se duplica. Incendios con biodiesel se pueden extinguir con los mismos productos que se emplean para el gasóleo.

52 6. COMBUSTIBLES: Implicaciones del uso del biodiesel en la logística y el mantenimiento II Plásticos: Punto de congelación: Metales: Efecto sobre el sistema de almacenamiento de combustible en vehículo: Puede provocar el deterioro prematuro de plásticos de base polietileno y polipropileno Presentan un punto de enturbiamiento a temperaturas relativamente altas, que dependiendo del origen puede estar entre 3ºC y 12 ºC lo que puede dificultar el almacenamiento y trasvase de biodiesel y la propia inyección en el motor, así como la colmatación de los filtros de combustible Reaccionan con algunos metales, como el cobre el zinc el plomo o el estaño generando residuos que colmatan los filtros Acortan la vida de ciertos elastómeros a base de nitrilo y gomas de origen natural, pero con porcentajes de biodiesel inferior al 5% no hay efecto alguno. Actúan como disolventes, por lo que al utilizarlo en depósitos con residuos pueden hacer que pasen al motor.

53 6. COMBUSTIBLES: Especificaciones bioetanol y ETBE Definición n Bioetanol: El bioetanol se obtiene por fermentación de medios azucarados. Después de la fermentación se consigue un contenido alcohólico del 10%-15%. Posteriormente se concentra por destilación para obtener "alcohol hidratado" (4-5% de agua) o alcohol absoluto (99,4% mínimo de riqueza) tras un proceso dedicado de deshidratación (mediante la adición de benceno). Esta última calidad es la requerida para su utilización en mezclas con gasolina para alimentar vehículos convencionales de encendido por chispa. Se utiliza hasta un 5% mezclado con gasolina sin ajuste alguno del motor y el E15 y E85 en los FFV. Definición n ETBE: (etil terciario butil eter): Se obtiene a partir de mezclas de etanol e isobuteno con aplicación de calor en un soporte catalítico. Este producto se utiliza como aditivo de las gasolinas para elevar el número de octano y mejorar en pequeño porcentaje su poder calorífico. Se admite hasta un 10 % de ETBE en las gasolinas sin que se requiera especificación. 55% Isobuteno + 45% Etanol ETBE Materias primas para su producción: Caña de azucar, cereal, remolacha, sorgo dulce, maiz

54 6. COMBUSTIBLES: Comparativa especificaciones bioetanol y gasolina Gasolina (sin plomo), según EN 228 Propiedad gasolina etanol Densidad a 15 ºC (kg/l) 0,720-0,775 0,788 Azufre (% en peso) 0,02 -- Calidad anti-knock (RON) 95/ Composición en peso 86 C 14 H 52 C 13 H 35 O Relación aire/combustible estequiométrica 14,6 9,0 Benceno (% volumen) 1 -- Poder Calorífico (MJ/kg) 43,1 26,7 Calor latente de vaporización (kj/kg) Temperatura de inflamabilidad (ºC) -42,8 21,1

55 6. COMBUSTIBLES: Implicaciones del uso del etanol en la operación y el mantenimiento Consumo de combustible: Relación de compresión: Al tener un PCI un 30% inferior al de la gasolina, el consumo por litro crece. Al tener un número de octano superior al de la gasolina, permite utilizarse en motores con mayores relaciones de compresión y, por lo tanto, con mejora del rendimiento. Emisiones de CO: Emisiones de CO 2 : Emisiones de NOx: Emisiones de aldehidos: La presencia de oxígeno en la molécula de etanol supone un oxidante adicional al oxígeno del aire. Esto se traduce en una reducción en las emisiones de CO respecto a las de los motores alimentados con gasolina. Por su origen vegetal, la emisión global de CO 2 es muy reducida y en función del proceso de fabricación y de la materia prima puede ser hasta negativa. Disminuyen respecto a las de los motores alimentados con gasolina Son emisiones no legisladas que sí emiten los motores alimentados con etanol

56 6. COMBUSTIBLES: Implicaciones del uso del etanol en la operación y el mantenimiento Formación de etanol: Corrosión: Volatilidad: Tensión de vapor: Afinidad con el agua: Arranque: Transformación motor: El proceso de transformación de la materia prima en etanol produce CO 2 Ataca ciertos metales y juntas, por lo que los motores alimentados con etanol en elevado porcentaje tienen que estar adaptados. Tiene una elevada volatilidad, lo que incrementa las pérdidas evaporativas frente a la gasolina. Elevada tensión de vapor que puede originar vapor lock en períodos cálidos. Muy elevada, lo que facilita la inestabilidad de la mezcla con gasolina. Presenta dificultades para arrancar en climas fríos cuando se utiliza etanol en elevado porcentaje por su elevado calor latente de vaporización. Para mezclas con más de un 5% de bioetanol, se requieren algunas adaptaciones en el motor en juntas, sistema de distribución, sistema de gestión electrónica, FFV