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Thermodynamic Evaluation of Using Ethanol-Gasoline Blends in Spark Ignition Engine

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias

On-line version ISSN 2071-0054

Rev Cie Téc Agr vol.29 no.2 San José de las Lajas Apr.-June 2020  Epub June 01, 2020

 

ARTÍCULO ORIGINAL

Evaluación termodinámica del empleo de mezclas etanol-gasolina en motores de encendido por chispa

Ing. Yarian Reyes Suarez2  * 

Dr.C. Yanoy Morejon Mesa2 

Est. Abel Hernández Herranz2 

2Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

RESUMEN

La presente investigación se desarrolló en el Laboratorio de Motores de la Facultad de Ciencias Técnicas, Universidad Agraria de la Habana (UNAH). Para su desarrollo se utilizó un motor de encendido por chispa de dos tiempos, modelo Jacto. El objetivo de esta investigación fue evaluar termodinámicamente el empleo de mezclas etanol-gasolina en motores de encendido por chispa. Para lograr el objetivo planteado, se añadieron diferentes porcientos de etanol a la gasolina (E-10%; E-15%; E-20%; E-25%), realizándose una combustión incompleta con coeficiente de exceso de aire =0,85 y una combustión completa con coeficiente de exceso de aire =1,5 , para los distintos porcentajes de etanol. Entre los principales resultados obtenidos se evidenció que, al emplear gasolina pura, la relación aire-combustible necesaria para lograr la combustión, es mayor que cuando se emplean mezclas con etanol, lo cual está dado, a que el etanol contiene oxígeno, aspecto que empobrece la mezcla y garantiza una mejor calidad en el proceso de combustión. Por otro lado, se pudo constatar que para las mezclas E-10 y E-15, se obtuvo un mejor comportamiento ambiental y energético, lo cual se debe, al incremento del octanaje, o sea, la capacidad antidetonante de la mezcla combustible empleada, aspecto que mejora la calidad de la combustión, aunque se reduce el poder energético durante la explosión (detonación).

Palabras clave: Combustión; energía interna; mezclas combustibles; relación aire-combustible

INTRODUCCIÓN

Para producir una combustión optima en un motor de combustión interna, es necesario la vaporización combustible (Kozlov et al., 2019). Las temperaturas de vaporización del etanol puro son muy altas, debido a su baja presión de vapor y a su alto calor latente de vaporización, por lo que es necesario implementar algún sistema de ayuda al encendido. La forma más sencilla es la mezcla con gasolina en diferentes porcentajes según las necesidades (Mantilla et al., 2016).

Los biocombustibles responden a las políticas gubernamentales en cuánto seguridad energética, reemplazando estos, parcialmente los limitados combustibles fósiles y reduciendo la amenaza al medio ambiente por el escape emisiones y calentamiento global. El uso de alcoholes, que se consideran formas importantes de biocombustibles, producido a partir de biomasa (por ejemplo, alcohol, biodiésel, bio-queroseno, H2, etc.); mezclado con gasolina como combustible para motores, fue un tema de investigación científica desde 1980 (Gravalos et al., 2011; Guarieiro y Guarieiro, 2013).

Entre los diferentes alcoholes el etanol y el metanol son reconocidos como los biocombustibles renovables más adecuados para motores de combustión interna de encendido por chispa (Kamboj y Karimi, 2014).

El uso de mezclas etanol-gasolina con bajo porcentaje de etanol como es el caso del E-5 (5% etanol, 95% gasolina), puede utilizarse en cualquier tipo de vehículo de gasolina, sin ninguna modificación mecánica (Kheiralla et al., 2017).

Según Kozak (2019), el alcohol etílico se ha utilizado durante muchos años como un aditivo a la gasolina normal por lo que en Polonia y la mayoría de los demás países de Europa, el mercado de vehículos alimentados con etanol puro o mezclas con un alto contenido de etanol no se desarrollan, teniendo una cuota de mercado significativa.

Las tecnologías para la producción de etanol a partir de materias primas no alimentarias, principalmente a partir de complejos lignocelulósicos, todavía no han tenido un impacto significativo en este mercado de producción de combustible. Aunque el etanol continúa siendo un componente muy importante para motores de encendido por chispa.

El etanol tiene un gran impacto debido a sus propiedades físicas y químicas, dado que contiene oxígeno, lo cual propicia efectos obvios en la oxidación de las partículas, en el caso de la presión en un motor de combustión interna con etanol mezclado con gasolina es un 36% superior a los alcanzados con sólo esta última, el proceso de combustión se acorta con el aumento del etanol y hace que el proceso de combustión sea más corto, acercándose esta combustión a una combustión ideal a volumen constante, el aumento de proporción de etanol puede suprimir la formación y emisión de acumulación de partículas, con un 100% de etanol el aumento del régimen del motor puede reducir la acumulación de partículas hasta en un 72% no siendo afectada esta con el aumento de la velocidad, mientras que con el aumento de la gasolina en la mezcla la acumulación de partícula aumenta bruscamente.

Por otro lado, el avance de la sincronización de la inyección directa puede reducir efectivamente el número total de partículas y los efectos de la inyección directa temprana sobre la disminución de partículas son más obvios a altas temperaturas en la velocidad del motor, a baja velocidad, el retraso en el tiempo de ignición hace que las partículas disminuyan (Sun et al., 2019).

El motor de inyección combinado, está totalmente cualificado para la inyección de etanol y gasolina, también puede controlar la relación de los dos combustibles en tiempo real y obtener un buen rendimiento del motor para cumplir los requisitos de ahorro de energía y de reducción de emisiones (Gutiérrez, 2013). Para la producción de un motor de este tipo, se añade un conjunto de dispositivos de inyección de combustible (Sun et al., 2019).

METODOS

Fundamentos teóricos para el análisis del proceso de combustión

Los fundamentos teóricos para el análisis del proceso de combustión, se consideraron a partir de las bases planteadas por Anojin y Sajarov (1970); Gurevych y Sorokin (1978); Pancratov (1979); Kralob y Antonov (1980); Vzorov et al. (1981); Jovarj (1982), los que establecieron:

La cantidad teórica de aire necesaria para oxidar un combustible, se determina mediante la expresión siguiente:

Lo=10,21C12+H4-Oo32  (1)

Los componentes elementales medios del combustible se pueden tomar: para las gasolinas: C=0,85; H= 0,15; Oo =0 y para los diéseles: C=0,86; H=0,13; Oo =0,01.

La cantidad de moles de la carga fresca para los motores de gasolina:

M1=α*Lo+1μc  (2)

donde: μc: masa molecular del combustible, para las gasolinas μc=110…120 kg/kmol.

Para los diéseles, la cantidad de carga fresca se calcula mediante la expresión:

M1=α*Lo  (3)

Cantidad de productos de la combustión:

Si  α>1

M2=C12+H2+0,79*α*Lo  (4)

Si α1 entonces

M2=M2α=1=1+J  (5)

donde:

M2α=1=C12+H2+0,79*Lo (6)

Además, existe una cantidad de aire que está en exceso, que es igual a:

α-1L0=J (7)

El coeficiente teórico de variación molecular:

μo=M2M1 (8)

El coeficiente real de variación molecular:

β=M2+MrM1+Mr=M2+M1*σrM1+(1+σr)=μo+σr1+σr (9)

El valor de β oscila para: motores de gasolina β=1,021,12 , motores diésel β=1,011,06

El calor de combustión inferior del combustible se forma: para los motores de gasolina   Hu=44 000 kJ/kg , para los diésel Hu=42 500 kJ/kg , y para los gasohol (Flex fuel)   Hu=26 279 kJ/kg .

Para motores de gasolina que trabajan con mezclas ricas α>1 , se le determina la perdida de calor a consecuencia de la combustión incompleta.

Hu=119 6001-α*Lo; kJ/kg (10)

Si α1 , la ecuación anterior no procede.  

Para determinar la energía interna de los productos de la combustión, se puede utilizar la expresión:

1βξHu-HuM11+σr+Uc-σr*Uc''1+σr=Uz (11)

donde: σr : Coeficiente de gases residuales: para motores de gasolina σr =0,06…0,12 ; para motores diéseles σr =0,02…0,06; ξ : Coeficiente de utilización del calor para diferentes motores en el régimen nominal: para motores de gasolina ξ=0,850,95 ; para motores diésel ξ=0,650,85 ; Uc : Energía interna de los gases (se puede tomar la del aire) para la temperatura al final de la compresión en grados Celsius ( ); Uc'' : Energía interna de los productos de la combustión a la temperatura crítica de los productos de  tc .

Proceso de escape

Los parámetros del proceso de escape Pr y Tr , se toman al comienzo del cálculo del proceso de admisión. Este proceso consiste en el llenado del cilindro con carga fresca. La presión del medio ambiente se considera Po=0,1MPa , mientras que la temperatura del medio ambiente se determina en el lugar donde se desarrolle el experimento.

La presión de los gases residuales en dependencia del tipo del motor, se calcula mediante la ecuación siguiente:

Pr=1,051,25*Po (12)

La temperatura de los gases residuales, se toma en dependencia del tipo del motor. Considerándose que en los motores de gasolina su valor oscila entre Tr=9001 100°K , mientras que para los motores diésel su valor se encuentra entre los rangos Tr=700900°K .

En dependencia del tipo de motor, la temperatura de calentamiento de la carga se encontraría entre T=1030°K .

Para comprobar la correcta selección del valor de Pr y Tr se comprueba por la ecuación:

Tr=TbPbPr3 (13)

El valor seleccionado de Tr y el calculado por la ecuación 13, no debe ser mayor del 10%, de lo contrario el cálculo térmico debe ser corregido.

Los valores aproximados de Tb y Pb aparecen en la Tabla 1.

TABLA 1 Valores de temperaturas y presiones finales de expansión 

Tipo de motor Tb,°K Pb;MPa(kgf/cm2)
Gasolina 2 200…1 700 0,34…0,50 (3,4…5,0)
Diésel 1 800…1 200 0,2…0,4 (2…4)

RESULTADOS Y DISCUSION

Caracterización de las condiciones experimentales

Los experimentos se desarrollaron en el Laboratorio de Motores de la Facultad de Ciencias Técnicas, Universidad Agraria de la Habana (UNAH). Utilizándose un motor monocilíndrico modelo JACTO.

El análisis del proceso de combustión en función de las mezclas etanol-gasolina y gasolina pura, fue realizado en abril del 2019. Antes de realizar las combustiones, se definió el porcentaje de etanol a añadir (10%; 15%; 20% y 25%), y el tipo de mezcla (mezcla rica y mezcla pobre). Como carburante se empleó, etanol hidratado con un 95% de pureza, y gasolina regular categoría B-85. El motor empleado posee una potencia efectiva de 1,2 kW; una frecuencia de rotación de 580 rev/min, una cilindrada de 34 cm3

Análisis termodinámico del proceso de combustión

Considerándose lo planteado en los materiales y métodos, referente a la influencia de la composición del aire en las ecuaciones químicas a obtener, al emplearse mezclas combustibles, se realizaron los análisis de: relación aire-combustible y combustible-aire, de energía interna, de fracción en masa y molar de los productos de la combustión, de la cantidad de gases emitidos al medio ambiente y del análisis económico.

En el caso particular de la relación aire-combustible y combustible-aire, esta se determinó para coeficientes de exceso de aire de 0,85 y 1,5, para cada una de las mezclas de etanol-gasolina y gasolina pura suministradas al motor.

En el caso de la mezcla rica, o sea, con coeficiente de exceso de aire equivalente a 0,85, los valores de la relación aire-combustible y combustible-aire, se muestran en la Tabla 2.

TABLA 2 Análisis de la ra/c y rc/a para el proceso de combustión para mezcla rica ( =1,5

Mezclas ra/c, kg(aire)/kg(combustible) rc/a, kg(combustible)/kg(aire)
E-0 16,049 0,062
E-10 12,599 0,079
E-15 13,048 0,077
E-20 12,592 0,079
E-25 12,587 0,079

Como se puede observar en tabla antes mencionada, para la mezcla con E-0, la relación aire-combustible necesaria para lograr la combustión, alcanza un valor de 16,049 kg (aire)/ kg (combustible). Siendo este valor superior a los valores obtenidos en el resto de las mezclas, llegando a alcanzar una diferencia máxima de 3,462 kg (aire)/kg (combustible) respecto a la mezcla con E-25 y una diferencia mínima de 3,001 kg (aire)/ kg (combustible) respecto a la mezcla con E-15.

Al analizarse la relación combustible-aire representada en la Tabla 2, se puede constatar que, para las mezclas con E-10, E-20 y E-25, se alcanzan valores iguales, siendo estos equivalentes a 0,079 kg (combustible)/ kg (aire). Observándose que este valor es superior a la mezcla con E-0 en 0,017 kg (combustible)/kg (aire), sin embargo, al emplearse una mezcla con E-15, se evidencia una diferencia de 0,015 kg (combustible)/kg (aire) respecto a la de E-0.

A su vez, se determinó mediante la expresión (11) la energía interna de los productos de la combustión para cada una de las mezclas analizadas. Evidenciándose, que el máximo valor de energía interna en los productos de la combustión, se alcanza en la mezcla con E-0, lo cual está dado por el poder calórico que se desprende al emplearse gasolina pura solamente (Tabla 3).

TABLA 3 Energía interna de los productos de la combustión para mezcla rica ( =1,5

Mezcla/Parámetros termodinámicos M1, kg/kmol M2, kg/kmol M0 β Uz, kJ/kmol
E-0 36,970 28,943 0,783 0,806 22 516,084
E-10 37,723 30,718 0,814 0,834 16 499,621
E-15 37,661 31,074 0,825 0,844 17 346,729
E-20 37,737 30,732 0,814 0,834 16 393,280
E-25 37,737 30,497 0,808 0,829 17 667,364

Como se puede observar en la tabla anterior, al emplear la mezcla E-0, se obtiene una energía interna superior a las mezclas restantes, alcanzando un valor de 22 516,084 kJ/kmol, obteniéndose una diferencia máxima de 6 122,804 kJ/kmol respecto a la mezcla con E-25, y una diferencia mínima de 4 848,72 kJ/kmol al emplearse una mezcla con E-20.

El descenso de la energía interna de los productos de la combustión, se debe fundamentalmente, al incremento del octanaje, o sea, la capacidad antidetonante del carburante o mezcla combustible empleada, aspecto que mejora la calidad de la combustión, aunque se reduce el poder energético durante la explosión (detonación).

Al emplearse una mezcla pobre con coeficiente de exceso de aire equivalente a 1,5, se observa que los valores de la relación aire-combustible y combustible-aire difieren de los que se obtienen al emplearse una mezcla rica, lo cual está dado por el exceso de aire que se suministra a la cámara de combustión. Estos valores se muestran en la Tabla 4.

TABLA 4 Análisis de la ra/c y rc/a para el proceso de combustión para mezcla pobre ( =1,5

Mezclas ra/c, kg(aire)/kg(combustible) rc/a, kg(combustible)/kg(aire)
E-0 28,329 0,035
E-10 23,171 0,043
E-15 22,225 0,045
E-20 22,212 0,045
E-25 22,205 0,045

Según la Tabla 4, se observa que los valores de las mezclas E-15; E-20 y E-25, presentan valores similares, siendo la mezcla E-25, la que alcanza el valor mínimo con 22,205 kg(aire)/kg(combustible), manifestándose una diferencia máxima respecto a la mezcla E-0 de 6,124 kg(aire)/kg(combustible). Mientras que para la mezcla E-10, se observa una diferencia mínima respecto a dicha mezcla de 5,158 kg(aire)/kg(combustible).

Al analizarse la relación combustible-aire, se evidencia que al emplear mezclas E-15; E-20 y E-25, se obtienen valores iguales a 0,045 kg(combustible)/kg(aire), evidenciándose una diferencia máxima respecto a la mezcla E-0 de 0,010 kg(combustible)/kg(aire), en tanto la mezcla E-10, alcanza un valor de 0,043 kg(combustible)/kg(aire), evidenciándose una diferencia mínima respecto a la mezcla E-0 de 0,008 kg(combustible)/kg (aire).

Empleándose la expresión (11) se determinó la energía interna de los productos de la combustión para cada una de las mezclas analizadas, evidenciándose que el máximo valor de energía interna en los productos de la combustión se alcanza en mezclas con E-0 (Tabla 5).

TABLA 5 Energía interna de los productos de la combustión para mezcla pobre ( =1,5

Mezcla/Parámetros termodinámicos M1, kg/kmol M2, kg/kmol M0 β Uz, kJ/kmol
E-0 36,371 33,370 0,908 0,913 21 928,776
E-10 36,372 33,070 0,909 0,914 16 315,053
E-15 36,802 33,318 0,905 0,910 16 305,665
E-20 36,802 33,307 0,905 0,910 16 305,665
E-25 36,800 32,740 0,890 0,896 16 557,925

En la Tabla 5, se observa que al emplear mezclas E-0 la energía interna es de 21 928,776 kJ/kmol, alcanzando un valor superior a las restantes mezclas estudiadas, evidenciándose una diferencia mínima respecto a la mezcla E-25 de 5 370,851 kJ/kmol, mientras que la diferencia máxima es de 5 623,111 kJ/kmol, respecto a las mezclas E-15 y E-20.

A modo de resumen, en las combustiones analizadas, el mayor valor de energía interna de los productos de la combustión se alcanza al emplearse la mezcla E-0, independientemente del coeficiente de exceso de aire. Sin embargo, es válido señalar, que en la mayoría de los experimentos se evidencia, que los mejores valores respecto al comportamiento energético de los productos obtenidos, se obtienen, al emplearse las mezclas E-10 y E-15. Este comportamiento se debe al incremento del octanaje, o sea, a la capacidad antidetonante del carburante o mezcla combustible empleada, aspecto que mejora la calidad de la combustión, aunque se reduce el poder energético durante la explosión (detonación).

En la investigación desarrollada por Pikūnas et al. (2003), se refleja, que al adicionarse etanol, el calor desprendido por las mezclas etanol-gasolina disminuye, sin embargo, se observa que el grado de octanaje aumenta, aspectos que coinciden con los resultados obtenidos en la presente investigación.

CONCLUSIONES

  • Los fundamentos teóricos planteados fueron validados al evaluarse el comportamiento termodinámico del empleo de mezclas etanol-gasolina en motores de encendido por chispa de dos tiempos.

  • Al emplear gasolina pura, la relación aire-combustible necesaria para lograr la combustión, es mayor que cuando se emplean mezclas con etanol. Esto se debe, a que el etanol contiene oxígeno, aspecto que empobrece la mezcla y garantiza una mejor calidad en el proceso de combustión.

  • Las mezclas E-10 y E-15, fueron las que mejor comportamiento ambiental y energético experimentaron, lo cual se debe, al incremento del octanaje, o sea, la capacidad antidetonante de la mezcla combustible empleada, aspecto que mejora la calidad de la combustión, aunque se reduce el poder energético durante la explosión (detonación).

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Recibido: 10 de Septiembre de 2019; Aprobado: 13 de Marzo de 2020

*Autor para correspondencia: Yarian Reyes Suarez, e-mail: yarian@unah.edu.cu

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