EMISIONES EN REGÍMENES DE ESTADO ESTABLE DE DOS SISTEMAS QUE OPERAN CON MEZCLA E20 DE ETANOL-GASOLINA.

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1 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM EMISIONES EN REGÍMENES DE ESTADO ESTABLE DE DOS SISTEMAS QUE OPERAN CON MEZCLA E20 DE ETANOL-GASOLINA. Steady state emissions from two systems operating with E20 ethanol-gasoline blend. RESUMEN Este documento contiene información acerca del comportamiento de las emisiones y las prestaciones de un motor de combustión interna y un vehículo liviano, operados con mezcla etanol-gasolina en 15 estados estables de operación; también se presentan los resultados del cálculo de los índices de emisión en g/kw y g/kwh, a partir de las mediciones realizadas. Los estados estables de operación se establecieron conforme a combinaciones de la velocidad angular del motor y los porcentajes de carga a partir de la posición del acelerador. Esta metodología se plantea como alternativa para estudios sobre el comportamiento de distintas variables en motores de combustión interna. Palabras clave: emisiones, etanol, gasolina, índices de emisión, motores de combustión interna. ABSTRACT This document contains information about the behavior of emissions and performance of an internal combustion engine and a light vehicle operated with ethanol-gasoline blends in 15 steady states of operation. The emission rates are calculated in g/kw and g/kwh, from the measurements obtained in lab stable operating conditions established at different combinations of the RPM of the motor and the percentages of the engine load. This methodology is an alternative in studies of the performance of different variables on internal combustion engines. Keywords: emissions, ethanol, gasoline, emission index, internal combustion engines. JUAN ESTEBAN TIBAQUIRÁ Ingeniero mecánico, Ph.D. Profesor titular Universidad Tecnológica de Pereira juantiba@utp.edu.co JOSÉ IGNACIO HUERTAS Ingeniero mecánico, Ph.D. Profesor titular Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey - ITESM jhuertas@itesm.mx SEBASTIÁN OSPINA CASTRO Ingeniero mecánico Estudiante de Maestría en IM. Profesor catedrático Universidad Tecnológica de Pereira sebaospina@utp.edu.co LUIS FELIPE QUIRAMA Ingeniero mecánico, M.Sc. Profesor catedrático Universidad Tecnológica de Pereira luisfelipequirama@utp.edu.co 1. INTRODUCCIÓN Este trabajo muestra los resultados del proyecto de investigación Determinación de las emisiones en regímenes de estado estable de un vehículo liviano operando con mezcla E20 de etanol y gasolina, desarrollado conjuntamente por el Grupo de Investigación en Gestión Energética (Genergética), de la Universidad Tecnológica de Pereira, y el Centro de Investigación en Mecatrónica Automotriz (CIMA) del Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (Itesm), campus Toluca. Índice de emisión es un factor que permite determinar la cantidad en gramos de determinada emisión cuando se genera una unidad de energía en kwh o se recorre 1 kilómetro en un vehículo con motor de combustión interna; de tal forma, las unidades de un índice de emisión son g/kwh o g/km. En este proyecto se determinaron las emisiones contaminantes en regímenes de estado estable, resultantes de la operación de un motor de combustión interna GM Z16SE y de un vehículo liviano Chevrolet Sail con motor de 1400 cc, que operaban, ambos, con una mezcla E20 de etanolgasolina. Se realizaron pruebas en 15 diferentes estados estables de operación. Las pruebas se realizaron bajo dos condiciones atmosféricas distintas, a 2660 msnm, en Toluca (México), y a 1410 msnm en Pereira (Colombia), representativas de las condiciones de operación de los vehículos que funcionan en centros poblados ubicados en alturas entre los 1000 y los 2000 msnm, como ocurre en gran parte de los territorios colombiano y mexicano. Las pruebas en Toluca se realizaron en el laboratorio del CIMA, usando el motor de combustión interna, mientras en Pereira fueron realizadas en el Laboratorio de Pruebas Dinámicas Automotrices (LPDA) adscrito al grupo Genergética. El etanol, también denominado alcohol etílico, es una sustancia con fórmula molecular C 2 H 5 OH, que puede ser utilizado como combustible en motores de combustión interna con ignición de chispa (ciclo Otto): mezclas de gasolina, etanol anhidro y etanol puro, generalmente hidratado. En comparación con la gasolina, esta mezcla requiere un 16,5% más de calor para vaporizarse totalmente, lo que representa una dificultad en el momento de operar los motores a temperaturas muy bajas. Se espera que la eficiencia del motor aumente entre Fecha de recepción: 22 de septiembre de 2014 Fecha de aceptación: 1 de octubre de 2014

2 2 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM el 1% y el 2% en relación con el desempeño con gasolina sin aditivo oxigenante, debido al mayor calor de vaporización de la mezcla E10 [1]. Para bajas concentraciones de etanol en la gasolina (<10%), se prevé un leve efecto sobre el consumo de combustible, pero para concentraciones más elevadas, del orden de 25% de etanol, que corresponde a un contenido energético 10% menor en volumen, se observa un aumento promedio del consumo entre el 3% y el 5%, si se le compara con la gasolina sin etanol. La combustión de las mezclas etanol-gasolina y del etanol puro, en comparación con las gasolinas sin aditivo oxigenante, produce menores emisiones de monóxido de carbono (CO), óxidos de azufre (SO x ), hidrocarburos no quemados (HC) y otros compuestos contaminantes, como resultado de una combustión más completa. Sin embargo, al mismo tiempo se elevan los aldehídos (compuestos del tipo R-CHO) y, dependiendo de las características del motor, los óxidos de nitrógeno (NO x ) [2, 3]. Las pruebas dinámicas de medición de emisiones con ciclos de manejo se realizan bajo condiciones controladas para obtener los valores en g/km de cada contaminante, luego de cumplir con el recorrido del ciclo. Como alternativa a las pruebas dinámicas, surgen los ciclos de estado estable que permiten tener períodos prolongados en puntos de operación del motor a velocidad y carga constantes, con lo que se le resta importancia a los períodos de transición de una velocidad a otra, en los cuales las emisiones y algunas variables de operación del motor no presentan tendencias claras. Mundialmente, se reconocen ciclos de estado estable para probar motores diésel, y se les clasifica según la cantidad de modos de operación de cada ciclo. Los ciclos japoneses de 6 o 13 modos están entre algunos de los que primero se tiene registro; posteriormente el ECE R49 de 13 modos planteado por la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa, y que fue reemplazado por el European Steady-state Cycle (ESC), es el ciclo de estado estable más reciente del cual se tiene conocimiento [3]. El ESC consiste en un conjunto de 13 modos de estado estable de operación corridos consecutivamente durante un tiempo preestablecido y empleando un factor de ponderación en cada modo; al final, se agrupan los resultados obtenidos en la medición de emisiones en cada modo de operación y se tratan para ser reportados en g/km. Los ciclos de estado estable reconocidos mundialmente, además de ser sugeridos para el análisis de motores diésel, son una prueba dinámica de emisiones y no reportan información sobre las emisiones en cada estado estable de operación. Por lo anterior, en esta investigación se estableció una nueva matriz de puntos de prueba, que cubra varias velocidades y condiciones de carga y permita obtener resultados del comportamiento del vehículo en cada uno de los modos de estado estable de operación. Figura 1. Ciclo ESC en estado estable, según norma europea[4]. 2. METODOLOGÍA Los montajes experimentales difieren dependiendo del laboratorio en el cual se realicen las pruebas, debido a los equipos con los que cuenta cada centro de investigación. En las Figura 2 y 3 se presentan los esquemas de los dos montajes experimentales realizados. Figura 2. Montaje experimental LPDA, en la UTP de Pereira. Con el fin de cubrir varios puntos de estado estable del rango de funcionamiento del motor de combustión interna, se realizaron pruebas en cuatro regímenes de revoluciones, medidos con el tacómetro del motor, así como en igual número de puntos de carga del motor, estimados según la posición del acelerador, que en este estudio fue controlada a partir de las señales del sensor TPS (Throttle Position Sensor, sensor de posición de la mariposa de aceleración). La Tabla 1 muestra los regímenes de estado estable que se evaluaron para los dos sistemas (motor y vehículo). TPS RPM % x x x % x x x x 75% x x x x 100% x x x x Tabla 1. Matriz de pruebas.

3 3 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM Figura 3. Montaje experimental CIMA Itesm - Toluca La Tabla 2 muestra las características de los sistemas probados. Característica Chevrolet Sail / LPDA Pereira Chevy / CIMA Toluca Tipo de motor 1,4 litros DOHC GM Z16SE Desplazamiento [cm 3 ] Orientación Transversal Longitudinal Relación de compresión Diámetro de cilindro / Carrera Distribución Sistema de combustible Tipo de combustible 10,2 a 1 9,4 a 1 79,8 mm / 81,8 mm - 4 válvulas por cilindro / 2 árboles de levas en la culata Inyección electrónica indirecta Gasolina 2 válvulas por cilindro / 1 árbol de levas en la culata Inyección electrónica secuencial multipunto Gasolina Potencia máxima 76 kw / 6000 rpm 74,5 kw / 5600 rpm Par torsor 130 Nm / 4200 rpm 135,6 Nm / 3200 rpm Tabla 2. Motores probados Para contar con un punto de comparación entre la teoría y los resultados prácticos, se adoptó una metodología de cálculo de los índices de emisión en g/km y g/kwh. La comparación teórica se dividió en tres partes: Recopilación de la información necesaria producto de experiencias anteriores. Cálculo de las emisiones en concentración volumétrica y valores de las prestaciones del motor bajo el modelo generado por el CIMA. Cálculo de los índices de emisión en g/km y g/kwh, apoyados en la metodología generada por el grupo de investigación Genergética de la UTP. La recopilación de la información necesaria producto de experiencias anteriores aportó datos importantes para el cálculo teórico de los índices de emisión como: Presión de admisión para cada estado estable de operación del motor. Dimensiones de la cámara de combustión y relación de compresión del motor de pruebas. Condiciones ambientales (presión y temperatura). Poder calorífico inferior de los combustibles de prueba. Relación estequiométrica aire-combustible para el combustible de pruebas. Exceso de aire (λ), medido para cada estado estable de operación. Con los datos anteriores se empleó un modelo simulador de combustión, generado por el grupo de investigadores del CIMA, cuyo objetivo es predecir el desempeño mecánico, energético y ambiental del motor de combustión interna cuando opera con diferentes combustibles. Este modelo surge como una alternativa a los supuestos comunes del ciclo Otto, que normalmente se emplean para realizar análisis teóricos de la combustión. Apoyados en los cálculos de los modelos teóricos del ciclo Otto, en la adaptación desarrollada por el CIMA, y cuando se les compara con los resultados experimentales adquiridos por medio de un sensor de presión tipo bujía instalado en la cámara de combustión, se obtuvo la siguiente gráfica Pvs.V del ciclo Otto, en la cual se puede apreciar la aproximación del ciclo que representa al modelo CIMA, con el ciclo graficado a partir de los datos obtenidos experimentalmentefigura 4). Figura 4. Diagrama P-V que compara el ciclo teórico Otto con el modelo CIMA. Los cálculos teóricos de las prestaciones del motor se realizaron utilizando el programa Engineering Equation Solver (EES), mientras que la temperatura de combustión T 3, al igual que la concentración volumétrica de los gases producto de la combustión, se obtuvieron utilizando el programa de equilibrio químico Gaseq, el cual se alimenta con las fracciones molares de los reactivos de la combustión y las condiciones iniciales para obtener T 3 ; posteriormente se ingresan las condiciones ambientales de salida de los gases producto de la combustión, y este programa calcula las fracciones volumétricas de las emisiones. De esta forma se obtuvieron los datos teóricos de la concentración de CO, CO 2, O 2 y NO (para el caso de los NO x), y de CH 4 en representación de los HC que se reportaron en este estudio. Luego de la obtención con Gaseq de las concentraciones volumétricas de los gases, y con EES del flujo másico de combustible, de la potencia y las demás variables necesarias, se procedió a calcular los índices de emisión a partir del balance de materia, con una herramienta diseñada en EES por el Grupo de Investigación en Gestión Energética (Genergética) de la UTP. En esta parte se procedió de

4 4 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM igual manera que con el cálculo de los índices de emisión teóricos, utilizando la herramienta EES, diseñada por Genergética, pero en esta oportunidad a partir de los datos de emisiones, flujo de combustible y prestaciones medidos en el motor y el vehículo en cada laboratorio. Para determinar los valores promedio de cada una de las mediciones de emisiones, consumo de combustible y desempeño, en los 15 estados estables de operación bajo los cuales se probaron el motor GM Z16SE en Toluca y el vehículo Chevrolet Sail en Pereira, se realizaron 6 repeticiones. Asumiendo un comportamiento normal en la distribución de los resultados pero teniendo en cuenta lo reducido del tamaño de la muestra, se realizó el análisis estadístico de los resultados por medio de la distribución T de student con un intervalo de confianza del 95%, para probar las hipótesis de esta investigación. Este análisis estadístico exige al menos 6 datos, los cuales permiten tener 5 grados de libertad (n-1) y plantear así el nivel de intervalo de confianza esperado. Para los 15 estados estables de operación con el motor GM Z16SE en el CIMA-Itesm Toluca, se registró en promedio una disminución del 12,89% en el flujo másico de combustible E20 respecto a E0, y a 1500 rpm y 25% de carga se registró la mayor disminución, del 19,63% Figura 6). A su vez, en la Figura 7 se aprecia que, con el motor GM Z16SE ensayado en Toluca, se registró una disminución promedio con E20 respecto a E0 en la concentración volumétrica de CO 2 en las emisiones, así como en los índices de emisión, medidos en g/kwh y g/km, del 4,94%, 18,38% y 20,05% respectivamente, y se aprecia la mayor disminución en los índices de emisión a 1500 rpm y 50% de carga entre todos los 15 puntos de estado estable probados con el motor en Toluca, con una variación cercana al 40% para ambos índices (g/kwh y g/km) de E20 a E0. 3. RESULTADOS 3.1 Resultados de las pruebas en Toluca Figura 5. Potencia en las pruebas CIMA Itesm. En la Figura 5 se aprecia una disminución promedio del 1,9% en la potencia cuando se usa mezcla E20, frente a la gasolina sin etanol. Con el aumento de la velocidad de giro del motor se presenta un incremento en la potencia tanto con E20 como con E0, pero se observa una mayor variación en la potencia entre E20 y E0 a bajos regímenes de giro. Para el motor probado en Toluca, la máxima disminución en la potencia con E0 fue del 3,17% y se presentó a 1500 rpm y 100% de carga. Figura 7. Pruebas de CO 2 en CIMA Itesm: g/kwh, y g/km. La Figura 8 muestra que con el motor de Toluca se registró, con E20, una tendencia al aumento del CO del 1,8%, 15,69% y 17,63% para la concentración volumétrica, así como para los índices de emisión en g/kwh y g/km respectivamente; a 4500 rpm y 75% se presentó la mayor disminución en los índices de emisión con E20 respecto a E0, tanto en g/kwh como en g/km. Figura 6. Flujo másico de combustible en las pruebas CIMA Itesm.

5 5 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM Figura 8. Pruebas de CO en CIMA Itesm: g/kwh, g/km. En promedio se registró una disminución en los HC, tanto en las mediciones en concentración volumétrica como en los índices de emisión en g/kwh y g/km,, del orden de 5,74%, 9,27% y 11,07% respectivamente Figura 9). lo presentado Figura 10, donde se aprecia este descenso en los tres estados de prueba con 25% de carga, debido a la baja cantidad de combustible con que opera el motor del vehículo en esas condiciones. Esto mostraría que, a bajos flujos de combustible, la incidencia del porcentaje de etanol en la mezcla etanol-gasolina es baja con respecto al combustible sin etanol en iguales condiciones de prueba. Figura 11. Flujo másico de combustible pruebas LPDA UTP. Con el vehículo Chevrolet Sail de Pereira se registró en promedio un aumento del flujo másico de combustible del 6,7%, con E20 respecto a E0, al analizar los 15 estados estables de operación ensayados Figura 11). La Figura 12 muestra que, en promedio, para el motor del vehículo Chevrolet Sail probado en Pereira, el CO 2, con E20, aumentó la concentración volumétrica, los índices de emisión en g/kwh y g/km en 3,12%, 7,3% y 8,2% respectivamente, registrando el mayor aumento en los índices de emisión de CO 2 a 1500 rpm y 25% de carga. Figura 9. Pruebas de HC en CIMA Itesm: g/kwh, g/km. 3.2 Resultados de las pruebas en Pereira En Pereira, la potencia del vehículo fue medida con un dinamómetro de cubos Dynapack y se registró en promedio un aumento del 0,9% cuando se utiliza E20 frente al E0 (gasolina sin etanol), tal como se muestra en la Figura 10. Figura 12. Pruebas de CO 2 en LPDA-UTP: g/kwh, g/km. Figura 10. Potencia en las pruebas LPDA-UTP. Solo en 3 de los 15 estados estables de operación se registró una disminución en la potencia, de acuerdo con El Chevrolet Sail registró en promedio, cuando se usa E20 y respecto al E0, una disminución en la emisión de CO del 16,35%, 12,76% y 12,1% en las emisiones medidas en concentración volumétrica (%), así como en los índices de emisión medidos en g/kwh y g/km respectivamente, como se aprecia en la figura 13.

6 6 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM En nueve de los 15 estados estables de operación ensayados, se registraron, para el vehículo de pruebas operado con combustible E20, emisiones por debajo del límite establecido por la legislación colombiana, lo cual es un factor favorable para la mezcla de etanol-gasolina probada. Si se compara el E20 con el E0, la mayor disminución de CO con el vehículo Chevrolet Sail ensayado en Pereira se registró a 3500 rpm y 50% de carga. Figura 13. Pruebas de CO en LPDA UTP: g/kwh, g/km. El cálculo de los índices de emisión de HC estableció la disminución de estos, medidos tanto en g/kwh como en g/km, y se acerca a 2,01% y 1,18% respectivamente. A 2500 rpm y 75% de carga se presentó el estado estable de operación con la mayor disminución en estos índices para el E20 respecto al E0. 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Cada uno de los dos motores probados tiene programada su inyección de combustible de modos distintos y la medición de las emisiones se realizó antes de los convertidores catalíticos, lo que puede causar diferentes tendencias en los resultados de las emisiones. La potencia registró un leve cambio con el E20 respecto al E0, con diferente comportamiento en los dos escenarios de prueba. En Pereira, con el motor del Chevrolet Sail se registró un aumento, mientras que en Toluca se presentó una disminución con el motor del Chevy; esto es propio de la programación de cada motor y se debe al trabajo en altura al que es sometido el motor en Toluca. El flujo másico de combustible presentó un aumento con E20 en el vehículo probado en Pereira, mientras que registró una disminución en el motor ensayado en Toluca, lo que está de acuerdo con los resultados de la potencia, dado que para obtener mayor potencia comúnmente es necesario un aumento en el flujo de combustible adicionado a la combustión. El motor del Chevrolet Sail probado en Pereira funciona en la mayoría de estados estables de operación bajo condiciones de mezcla pobre en combustible, debido a su programación de inyección para disminuir el consumo de combustible y regular las emisiones; el aumento de potencia y flujo másico de combustible para la mezcla etanol-gasolina se debe a las características de aditivo oxigenante del etanol, reflejadas en una combustión más completa, que se evidencian en un aumento de las emisiones de CO 2 y en una disminución de las emisiones de CO y HC. El motor del Chevy probado en el CIMA Itesm - Toluca registró una disminución de la potencia y el flujo másico de combustible para la mezcla etanolgasolina, reflejada en una combustión incompleta que se manifiesta en una disminución de las emisiones de CO 2 y el aumento de las emisiones de CO y HC. Todo esto ocurre debido a la programación de la inyección de combustible del motor, diseñada para operar con mezcla rica, así como a la menor presencia de oxígeno debida a la menor presión atmosférica en Toluca respecto a Pereira. 5. BIBLIOGRAFÍA Figura 14. Pruebas de HC en LPDA-UTP: g/kwh, g/km. [1] A.P.I.. API, "Alcohol and ethers, a technical assessment of their application as fuel and fuel components", Washington, [2] T.J.G.L.Q.L.O.S. Rios L.C, "Protocolo E20", Universidad Tecnológica de Pereira, Grupo de Investigación en Gestión Energética (Genergética), Pereira, [3] C. y Bndes, "Bioetanol de caña de azúcar - Energía para el desarrollo sostenible", Rio de Janeiro, 2008.

7 7 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM [4] Dieselnet, "Dieselnet", [En línea]. Tomado de: Último acceso: [5] M. y Goldemberg"The Brasilian Alcohol Program - An overview", Energy for Sustainable Development, vol. 1, nº. 1, 1994.