DESARROLLO DEL COMBUSTIBLE HÍBRIDO GASEOSO (GNC + H 2 ) EN MOTORES DE TRANSPORTE PÚBLICO Y DE CARGA

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1 DESARROLLO DEL COMBUSTIBLE HÍBRIDO GASEOSO ( + H 2 ) EN MOTORES DE TRANSPORTE PÚBLICO Y DE CARGA Ing. Horacio Trigubó 1, Ing. Nicolás Galante 2, Ing. Sergio Macchello 3, Ing. Roberto Franzi 4, Ing. Carlos Baglioni 5 (1) UTN FRBA, Medrano 951, C.A.B.A., Argentina (2) UTN FRBA, Medrano 951, C.A.B.A., Argentina (3) UTN FRBA, Medrano 951, C.A.B.A., Argentina (4) UTN FRBA, Medrano 951, C.A.B.A., Argentina (5) UTN FRBA, Medrano 951, C.A.B.A., Argentina htrigubo@cedi.frba.utn.edu.ar RESUMEN La creciente motorización global vehicular, unida a la disminución mundial de las reservas de petróleo y la imperiosa necesidad de restringir la emisión de gases contaminantes, han impulsado el desarrollo de combustibles alternativos en reemplazo de los tradicionales. Por lo mencionado, en el Laboratorio de Máquinas Térmicas de la FRBA/UTN y promocionado por CNEA-IEDS, se trabajó en el proyecto de utilizar en motores ciclo OTTO un nuevo combustible gaseoso constituido al mezclar con porcentajes variables de H 2 (5 al 30%). El programa de investigación en el Laboratorio consiste en el ensayo comparativo en dinamómetro de un motor actual normal de producción al funcionar con combustibles líquido y gaseosos (, GLP y +H 2 ), verificándose su performance, consumo y emisiones contaminantes, con la premisa de que en el motor para optimizar los resultados se podrán únicamente realizar modificaciones en la calibración original de los sistemas: encendido, alimentación de combustibles gaseosos y riqueza de mezcla. Palabras Claves: combustibles alternativos gaseosos, combustible híbrido + H 2, mezcla pobre, emisiones contaminantes, motor original. 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Combustibles alternativos COMBUSTIBLES MOTORES USUALES ALTERNATIVOS OTTO Líquidos Nafta Líquidos Alcohol * Gaseosos GLP H 2 * DIESEL Gasoil Biodiesel * Tabla 1. Combustibles alternativos : Gas Natural Comprimido GLP: Gas Licuado de Petróleo * Renovables En la tabla 1 se observa como se ha potenciado la utilización de recursos energéticos renovables y no contaminantes. De los combustibles alternativos mencionados, se considera al H 2 como el combustible del futuro por su posibilidad de obtenerlo a partir de recursos renovables y por sus excelentes propiedades físico-químicas (ver Tabla 2). Sin embargo, para lograr su uso masivo en los motores vehiculares, se deberán superar: - el mayor costo de producción respecto de los combustibles fósiles y en el que habrá que incluir la ponderación económica de la mejora ambiental. - las dificultades que permitan facilitar su distribución y almacenamiento.

2 En la actualidad, debido a la magnitud de las reservas de Gas Natural, como así también su menor precio de venta, está en pleno auge la utilización mundial del. Así, en nuestro país, con 1,8 millones de vehículos que lo utilizan, ha generado el desarrollo de una industria de primer nivel en la fabricación de equipos. Por las posibilidades y ventajas de su mezcla con H 2 para constituir el nuevo combustible híbrido (+H 2 ), describiremos las características fundamentales de ambos: Gas Natural Sus ventajas son: - el bajo costo de la conversión de los motores ciclo Otto para funcionar con ; - la posibilidad de los motores de trabajar con relaciones de compresión del orden 13:1, debido a su elevado número de octano; - por tener 1 C, el CH 4 resulta menos contaminante en CO y HC, que el iso-octano, con 8C. - considerando su densidad y poder calorífico inferior: 1,2 lt Nafta ~ 1 N m 3 ~ 3 N m 3 H 2 Sus desventajas: - por la menor velocidad de propagación de la llama respecto de la nafta, requiere mayor avance al encendido originando mayor emisión de NOx; - por su menor densidad, el gas ocupa más volumen en el cilindro del motor que la nafta, ocasionando una pérdida de potencia de alrededor de un 15% Hidrógeno Es considerado el combustible más promisorio por: - su obtención a partir de recursos renovables; - elevado poder calorífico (120 Mj/kg); - velocidad de llama cinco veces mayor que la nafta; - mínimo valor de energía para su ignición; - amplio rango de inflamación que permite que los motores de CI funcionen con mezclas pobres, disminuyendo el consumo de combustible y las emisiones contaminantes. - la combustión del H 2, se genera vapor de agua y NOx. - el menor poder calorífico inferior en volumen, genera menos potencia que los combustibles nafta y. Propiedades Unidad H 2 Metano Nafta GLP Densidad kg/dm 3 0,73-0,07 0,423 (líquido) 0,74 0,54 Densidad (gas 25 C kg/ m 3 2,25 0,083 0, (0ºC) 1 atm) Aire/Comb. Estequiomét v/v 2,37 4,75 49,2 27,5 (vol.) Aire/Comb. Estequiomét m/m 34,3 17,4 14,7 15,6 (masa) Poder Calorífico MJ/kg ,5 46 Inferior Límites de inflamab. Energía mínima de encendido Velocidad de llama laminar (NPT) Número Octano Research % vol , ,6 1,5 15 mj 0,02 0,29 0, cm/seg RON Tabla 2*. Propiedades de Hidrógeno, Metano, Nafta y GLP * Bosch, Manual de la Técnica del Automóvil Mezclas Gas Natural (Metano) + Hidrógeno Frente a la futura utilización de celdas de H 2 para el accionamiento de vehículos, el combustible híbrido presenta un mayor potencial de aplicación en los motores actuales. El uso de estas mezclas (comercialmente, denominadas Hythane : Hy-drogen, Me-thane) tiene como objetivo aprovechar las ventajas complementarias de ambos combustibles. Éstas son: Para obtener buenos resultados en emisiones y potencia, se agregan cantidades reducidas de hidrógeno (la experiencia internacional indica del 20 al 30%). Como consecuencia, no incrementa en forma elevada el costo del combustible. Se utiliza el mismo equipamiento del instalado en el vehículo, de probada tecnología y menor costo, lo que posibilita que los motores puedan funcionar con combustibles líquidos y gaseosos. 2

3 Se considera como una transición hacia el uso masivo del hidrógeno en vehículos de transporte. Al incrementar el H 2 la velocidad de llama en la mezcla de combustible, disminuyen las emisiones de HC, de CO y CO 2. Por el gran rango de inflamabilidad del H 2, el motor puede funcionar con mezclas pobres, emitiendo menor NO x y disminuyendo su consumo. 2. PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN El Grupo de Investigación de la FRBA planificó el ensayo en dinamómetro de un motor actual de producción -Volkswagen modelo Gol- con todos los combustibles existentes en nuestro ámbito con el que se efectuaron pruebas comparativas para obtener potencia, par motor, consumo específico y emisiones contaminantes Consideraciones y Programa de Ensayos - Los ensayos en dinamómetro se efectuaron según la norma CETIA 3-1 (Comisión Estudios Técnicos Industria Automotriz Argentina). - La medición de las emisiones contaminantes se realizó antes del catalizador para tener una lectura real. - La temperatura de los gases de escape se midió antes del catalizador. - Los ensayos de los combustibles líquidos fueron realizados en el motor con la calibración de fábrica. - Para los combustibles gaseosos, se utilizarán los sistemas de alimentación de combustible por aspiración e inyección gaseosa. - Hasta el presente, se ensayaron los siguientes combustibles: Naftas Súper YPF y Shell ; Alconafta YPF al 5% y 10% de alcohol (E5; E10); GLP (Gas Licuado de Petróleo); (Gas Natural Comprimido); CH 4 (Metano); [CH 4 + H 2 (5%)] (Metano + 5% Hidrógeno). 3. ENSAYOS EN DINAMÓMETRO A continuación, se presentan los resultados energéticos y ambientales de algunos de los combustibles ensayados. 3.1 Comparación Curvas de Potencia de Nafta, GLP y Nafta Súper --- GLP Figura 1 Comparación curvas de potencia Nafta Súper, GLP y Aclaración: Los combustibles gaseosos y GLP fueron ensayados con el sistema por depresión ( o aspiración) por lazo cerrado para el cual. se mantiene (λ) = 1 En el siguiente cuadro (Tabla 3), presentamos un resumen de los resultados más significativos de los ensayos efectuados, con características de los combustibles utilizados. Asimismo, adoptando como base (100%) los resultados obtenidos de la Nafta para el consumo específico mínimo (3500 RPM), efectuamos la comparación con los obtenidos para el GLP y, calculando el rendimiento térmico total. Valores NAFTA "SÚPER" GLP PCI (kj / kg) N Octano λ 0, N máxima (kw) ( ,45 63,98 56,71 RPM) Ce mínimo (gr / kwh) 287,68 234,45 211,52 (3500 RPM) ηtt (Ce mínimo) 100% +18% +21% Tabla 3 Valores comparativos de los ensayos Nafta, GLP y N = Potencia Ce = Consumo específico NAFTA, GLP * Y GN Comparación de Pote Nafta Súper YPF GLP *Sistema depresión 3

4 En la tabla anterior se observa: - No obstante que el número de octano del es muy elevado, se utiliza, en general, en motores con relación de compresión rc = 10:1. Se podrían disminuir las emisiones y el consumo de combustible al utilizarse en motores dedicados con rc = 13:1. - Al utilizar un sistema de alimentación de combustible gaseoso más moderno (λ = 1), disminuyen el consumo específico y las emisiones, mientras aumenta el rendimiento térmico total gr / h CH Curvas Ca Potenc Consu Par m 3.2 Sistema por inyección de gases Es el sistema más moderno utilizado en la actualidad, por el cual la cantidad de combustible está determinada por el cálculo que efectúa una central electrónica independiente de la original del motor. Así se logra un mejor llenado de los cilindros y un control continuo de la mezcla aire-gas para disminuir las emisiones. Con el sistema de inyección de combustibles gaseosos, se efectuó el siguiente programa de ensayos: - Gas Natural Comprimido () - Metano (CH 4 ) Proveedor: Air Liquide - [Metano + Hidrógeno (5%)] [CH 4 + H 2 (5%)] Air Liquide Para cada uno de estos combustibles, se efectuó la determinación de la mejor curva de potencia a través de la modificación del avance inicial al encendido (APMS), verificándose que con 18 se obtenía el valor óptimo, optimizándose después los tiempos de inyección de los combustibles gaseosos Curvas características CH 4 Inyección Figura 2 Curvas características CH Potencia () --- Consumo Específico (gr/ h) --- Par motor (Nm) Curvas características [CH 4 + H2 (5%)] - Inyección Con el fin de adquirir confianza en el manejo de un gas de alta reactividad, como el H 2, se comenzaron a ensayar mezclas al 5% en volumen, por lo cual las propiedades de la mezcla son, principalmente, las del CH 4. Al funcionar el motor con este combustible híbrido, se verificó nuevamente que 18 APMS era el valor óptimo para las curvas características. Nm *Sistema in Recordemos que en el varían los porcentajes de sus componentes según el yacimiento del que proviene (mezclas de Metano ~ 90%, Etano, Propano, Butano). Por ello y dado que en la mezcla del combustible híbrido provista por la empresa Air Liquide, se utilizaba Gas Metano, se ensayó el motor con este combustible, para utilizarlo como referencia respecto a los ensayos con mezclas de [CH 4 + H 2 ], y el. 4

5 gr/kw h CH4 + H2 (5 %) * Curvas 500 Características gr / h * - Comparació Potencia () Consumo 300 Específico (gr/kw h) Par motor (Nm) 250 CH4 CH Figura 3 Curvas características [CH 4 +H 2 (5%)] --- Potencia () --- Consumo Específico (gr/ h) --- Par motor (Nm) Comparación de potencias y consumos específico - CH 4 - CH 4 + H 2 (5%) - Inyección De la comparación se observa que no existen diferencias apreciables entre el CH 4 y el combustible híbrido CH 4 + H 2 (5%), ya que este porcentaje de H 2 no influye. Con el, se verifica un menor valor en la potencia y en el consumo específico Nm *Sistema inyección 50 18º APMS 0 * - CH4 * - CH4 + H2(5% ) * Comparación de Potencia CH [CH 4 + H 2 (5%)] Figura 5 Comparación consumo específico CH 4 [CH 4 + H 2 (5%)] 3.3 Medición de temperatura de gases de escape y emisiones contaminantes a 3000 RPM para todos los combustibles ensayados De la tabla 4, surge: - Las temperaturas de gases de escape aumentan al pasar de los combustibles líquidos a los gaseosos por aspiración, incrementándose cuando se utiliza el sistema de inyección por la variación λ (de 1 a 0,85). - De manera coincidente con el incremento de la temperatura, aumenta el valor de NO x (no pudieron medirse por exceder el rango del instrumento) - Las emisiones contaminantes (CO y HC) disminuyen al utilizar el combustible hibrido. *Sistema in CH4 CH4 + H2 (5%) CH [CH 4 + H 2 (5%)] 5.00 *Sistema inyección Figura 4 Comparación potencias CH 4 [CH 4 + H 2 (5%)] 5

6 Combustible λ Nafta Súper YPF Temperatura de gases de escape ºC CO % HC (ppm) NOx ** (ppm) 0, ,68 69 >2000 E 5 YPF 0, ,8 54 >2000 E 10 YPF 0, ,96 60 >2000 GLP (Aspiración) ,46 48 >2000 (Aspiración) ,11 40 >2000 (Inyección) 0, ,13 54 >2000 CH 4 (Inyección) 0, ,08 48 >2000 CH 4 + H 2 (5%) (Inyección) 0, ,88 44 >2000 Tabla 4 Temperatura de gases de escape y emisiones contaminantes* a 3000 RPM * Mediciones antes del catalizador ** 2000 ppm límite medición del instrumento 4. CONCLUSIONES Los resultados de los diferentes ensayos efectuados con los combustibles líquidos y gaseosos indican: - Con los combustibles gaseosos, se logra disminuir el consumo de combustible y las emisiones contaminantes, a excepción de los NO x. - Las experiencias efectuadas con el combustible híbrido al 5% de H 2 incentivan efectuar ensayos con mayores porcentajes de H 2, para así poner en evidencia la potencialidad de las características que presenta este combustible al ser combinado con. Las mediciones que habría que efectuar son: a) Determinar la concentración de H 2 para lograr el punto de equilibrio entre rendimiento energético y emisiones contaminantes. b) Investigar la relación λ, para la cual se logra la menor emisión de contaminantes, con un correcto funcionamiento del motor para diferentes relaciones de la mezcla ( + H 2.) - Para lo mencionado, el Laboratorio de Máquinas Térmicas de la FRBA cuenta con el equipamiento que permite modificar las variables λ y curva de avance al encendido, independientemente de la computadora del motor (ECU), y así optimizar el funcionamiento del motor con el combustible híbrido. También permitirá - luego de la nueva calibración- que el motor pueda funcionar con combustible líquido en su calibración original 5. REFERENCIAS [1] Lean Burn Natural Gas Spark Ignition Engines, SAE, EE. UU., [2] Esteban Estévez y otros, Effects of hydrogen supplementation in the combustion of natural gas fuelled engines, Hydrogen Research Institute, Universite du Quebec, Canadá, [3] Jesús Kindelan, El hidrógeno, combustible en motores, Politécnica de Valencia, España, [4] G. Karim, Hydrogen an additive to methane for spark ignition engine applications, Pergamon, EE. UU., [5] Roger Sierens, Hydrogen fuelled internal combustion engines, Universiteit Gent, Holanda, Agradecimientos Los autores de este trabajo desean agradecer al Dr. Daniel Pasquevich y a la Dra. Cristina Fernández de Giorgi, de la CNEA-IEDS (Instituto de Energía y Desarrollo Sustentable), a los docentes y alumnos del Laboratorio de Máquinas Térmicas 1, y a los integrantes de los departamentos de Mecánica y de Ciencia y Técnica de la FRBA/UTN, que han participado con nosotros en la realización del trabajo de investigación 1 Ing. Francisco Hubana, Ing. Martín Rodríguez, Ing. Oscar Varela, Sr. Néstor Frangi. Alumnos: Germán De Acetis, Ignacio Corro, Javier González. 6