RESUMEN

Este artículo tiene como propósito presentar la implementación de un ciclo de prueba transitorio para motores de combustión interna, particularmente el ciclo de conducción modo 10 japonés sobre un banco de pruebas en un laboratorio. Este ciclo transitorio se realizó con el fin de comparar las emisiones másicas de CO y CO₂ para gasolina corriente E0 y gasohol E10 en condiciones similares a las de operación real de un vehículo, siendo utilizados un motor con alimentación por carburador y un motor con alimentación por inyección. Adicionalmente, se reporta el consumo de combustible de cada motor durante el ciclo utilizando gasolina E0 y E10.  En este trabajo se utilizaron dos metodologías diferentes para medición de emisiones contaminantes, con el fin de contrastar y validar los resultados obtenidos. Las pruebas se realizaron en el Laboratorio de Motores de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá.

Palabras clave: Ciclo de conducción transitorio, Biogasolina, Emisiones, CO, CO₂.

ABSTRACT

This article has the objective to present the implementation of a transient cycle test for internal combustion engines, particularly the Japanese urban driving cycle 10-Mode on a test bench in a laboratory. This transient cycle was realized in order to compare the mass emissions of CO and CO₂ for current E0 fuel and E10 gasohol in similar conditions to the real operation of a vehicle, being used an engine whit carburetor and an engine whit injection fuel. Additionally, fuel consumption of each engine during the driving cycle is reported using gasoline E0 and E10.  In this project two different measurement methodologies were used to measure the pollutant emissions, in order to compare and validate the results obtained. The tests were realized in the Engines Laboratory of the Universidad Nacional de Colombia.

Key words: Transient driving cycle, Biogas, Emissions, CO, CO2.

INTRODUCCION

Desde comienzos de la segunda mitad del siglo XX, la utilización de aditivos y mezclas de diferentes combustibles, con el fin de mejorar la eficiencia y desempeño de los motores de combustión interna, se convirtió en un área importante en la investigación.

Esto se debe a la actual necesidad de buscar combustibles alternativos que puedan ser obtenidos de fuentes renovables, mejorando el desempeño y reduciendo tanto las emisiones de contaminantes como de gases efecto invernadero.

Una de las soluciones más utilizadas hasta la fecha ha sido la selección del etanol como aditivo para la gasolina, debido a sus propiedades como oxigenado y por la posibilidad de su obtención a partir de fuentes naturales o desechos [1].

Desde la etapa de desarrollo del motor de combustión ha existido la discusión sobre la concepción del etanol como un combustible opcional. Sin embargo, sólo hasta 1970, la utilización del etanol como aditivo a la gasolina comenzó  a tomar fuerza, comenzando en  Brasil, seguido de USA y Canadá [1].   En 1992 con la ley de Políticas energéticas (Energy Policy Act), se definen las mezclas de gasolina y etanol (E10) y (E85), (mezclas con contenidos de 10% v/v y 85% v/v etanol) como combustibles alternativos, reduciendo además impuestos para los usuarios que compraran vehículos capaces de utilizar este tipo de combustibles.  En Colombia se promulgó la ley 693 de 2001, en la cual se estableció que las ciudades con más de 500 mil habitantes, como Bogotá, Cali, Medellín y Barranquilla, deberían utilizar una mezcla de 92% v/v de gasolina y 8% v/v de etanol.

Como resultado del creciente interés por el etanol como aditivo para combustibles, se han realizado diferentes estudios, donde se evalúan las características de motores con la utilización de estos combustibles.  Al-Hasan  (2002) y Koç (2009) estudiaron diferentes mezclas de gasolina, reportando  que la utilización de etanol incrementa el torque, la potencia de frenado y disminuye el consumo específico de combustible, junto con las emisiones de CO y HC  [2-3] . Mencionando también el potencial de mejorar las relaciones de compresión del motor debido a sus excelentes propiedades anti-knock. La reducción de las emisiones de CO se debe a las características de flamabilidad y oxigenación del etanol; presentando adicionalmente una mejora en la potencia de salida, eficiencia y economía del combustible [4].  Sin embargo, debido a las constantes modificaciones en la tecnología, composición de los combustibles y condiciones de operación, se requiere de una constante evaluación del impacto en el rendimiento y las emisiones de este tipo de combustibles. Como por ejemplo, Suarez-Bertoa y Zerdini (2015) evalúan las emisiones de un vehículo Euro 5ª con 9 diferentes mezclas de gasolina y etanol bajo el ciclo de prueba WLTC (World harmonized Light-duty vehicule Test Cycle) [5], reportando una reducción en las emisiones de NO_x y un incremento en las emisiones de CO, CH₄ y carbonilos en las mezclas con altos contenidos de etanol, mientras queClairotte (2013) y Lodice (2016) estudiaron los efectos  en las emisiones de las bajas temperaturas durante el encendido en frío utilizando diferentes mezclas de gasolina y etanol para motores de últimas generaciones, reportando un incremento de las emisiones de carbonilos y acetaldehídos a bajas temperaturas[6-7]. En varias ocasiones, los resultados reportados por la literatura, frente a los efectos del etanol sobre los parámetros de operación y emisión de contaminantes, suelen presentar algunas contrariedades. Por esta razón, en [8], se realiza un análisis multivariable de desempeño y emisiones en dos tipos diferentes de motores, utilizando diferentes mezclas de gasolina y etanol, reportando que los efectos en el torque, duración de la combustión y emisión de contaminantes son altamente dependientes de variables como la velocidad del cigüeñal, avance en el tiempo de encendido, relación de equivalencia, relación de compresión, carga aplicada, entre otros.

En Colombia, el parque automotor de vehículos presenta una distribución de edades muy variada. Según las estadísticas del Ministerio de Transporte del 2015 se registró que el 43% de los vehículos tienen edades mayores a 13 años, mientras que el 25% de los vehículos son modelos entre el 2002 y 2009, y el 32% de los vehículos son modelos entre 2010 y 2015. Esta situación presenta un escenario interesante para analizar desde el punto de vista de los variados tipos de motores y su relación con el combustible que se utiliza.  Es por ello que en este trabajo se analiza el efecto de la utilización de 10% de etanol en la gasolina en dos motores con diferente sistema de alimentación, observando cómo afecta en la curva de potencia máxima y emisiones de CO, CO₂ y O₂ durante un ciclo dinámico característico. Como metodología principal de análisis, se utilizaron dos tipos diferentes de obtención de datos: por medición directa y por medio de extracción de muestra en bolsa tedlar.

MATERIALES Y MÉTODOS

• Prueba de potencia bajo la norma NTC 1930.
• Prueba de caracterización del freno

El objetivo de esta prueba es obtener un caudal y una graduación fija del volante de carga del freno hidráulico, que produzca un rango de potencia que esté dentro del intervalo de revoluciones que maneja el ciclo. Para el ciclo calculado del motor 1 las rpm oscilan entre 600 rpm –1260rpm, que corresponde a una potencia entre 2.1 kW y 9.07 kW.  Para el motor 2 entre 600 rpm 1380 rpm que corresponden a una potencia entre 2.1 kW y 6.45 kW. Los ciclos en términos de potencia se muestran en las figuras 6 y 14.

• Prueba de ciclos transitorio

En esta práctica se busca obtener las emisiones contaminantes en el ciclo de calle elegido. Se hicieron dos tipos de prueba. La primera toma las medidas por medio del equipo analizador de gases (SUN Gas Analyzer 1400 resolución ± 0.2 % v/v). La sonda de este equipo se ubica en el tubo de escape y se graban los datos que arroja a medida que se realiza el ciclo de trabajo. Posteriormente se ajustan los datos del tiempo de ciclo de acuerdo con el retraso de medición que tiene el equipo analizador. La segunda forma consiste en depositar los gases de escape en las bolsas de Tedlar, utilizando una bomba de vacío y el sistema de extracción mostrados en la figura 1.

El sistema de extracción de gases tiene los siguientes componentes:

1. Bomba de vacío
]]> Mangueras
2. Filtro de humedad
3. Bolsa Tedlar.
4. Equipo para el análisis de gases

La recolección de los gases se hace desde el ducto de escape, en donde se introduce el tubo de cobre que está sujeto a una manguera de alta temperatura que es punto de entrada a la bomba de vacío. A la salida de la bomba hay una manguera de alta temperatura, que conecta con la trampa de humedad compuesta por gel de sílice depositada en un recipiente. La salida es graduable para controlar el flujo que entra a la bolsa a través de una manguera de uso neumático. Una vez la bolsa está llena, se conecta el analizador de gases para realizar la toma de las medidas. El tiempo de estabilización del analizador es de aproximadamente 2 minutos para la toma de la medida inicial, después de alrededor de 7 minutos se procede a la segunda toma de medidas que es aproximadamente la mitad del contenido de gas que había inicialmente en la bolsa. La diferencia entre la toma de las medidas debe ser mínima, ya que un cambio grande podría indicar que hay filtraciones de aire en la sonda. Para evitar esto, la sonda del equipo SUN es recubierta con una manguera que ayuda a que el equipo sólo succione el contenido de la bolsa. A la izquierda de la figura 1, se puede observar la disposición de los elementos para la toma de estas medidas.

CICLOS

El tráfico vehicular es una de las principales causas de contaminación en las ciudades [9]. El incremento en los vehículos de transporte resulta en serios problemas de movilidad que consisten en frecuentes paradas o intensa conducción (aceleración y desaceleración continuas). Las emisiones producidas por los vehículos son afectadas por patrones de conducción, las cuales dependen significativamente de las condiciones del tráfico. Los ciclos han sido desarrollados para entregar un perfil de velocidad contra tiempo, que es representativo de las zonas urbanas. Son usados para asimilar modos de conducción sobre un banco de dinamómetro de chasis para la evaluación del consumo de combustible y las emisiones [10].

El ciclo de trabajo seleccionado para la prueba fue el modo 10 japonés, que simula condiciones de manejo urbanas. Un segmento de este ciclo recorre una distancia de 0.664 km a una velocidad promedio de 17.7 km/h con una duración de 135 s. La máxima velocidad es de 40 km/h.

Tradicionalmente este tipo de pruebas se realiza en un banco de rodillos. Sin embargo, para este caso los motores analizados serán montados en el banco de pruebas con freno hidráulico del laboratorio de. Por ésta razón, se debe hacer una conversión del ciclo original, que tiene un perfil velocidad-tiempo, a un perfil velocidad de giro (rpm)-tiempo, el cual se obtuvo haciendo una relación entre la caja de cambios, diferencial y ruedas, con la velocidad que tiene el perfil original. Los motores sobre los que se realizan las pruebas se presentan en la tabla 1.

RESULTADOS Y ANÁLISIS

MOTOR 1

Potencia

Las pruebas de potencia bajo NTC 1930 para el motor 1 mostraron que, en este equipo con sistema de alimentación por inyección de combustible, la potencia máxima se incrementa 2.9% cuando se emplea combustible E10. Los valores de torque máximo y el consumo específico de combustible, a potencia máxima, aumentan para E10 1.2% y 3.3% respectivamente. Las curvas de potencia, torque y consumo específico de combustible obtenidas en todo el rango de operación del motor muestran en la figura 2, 3 y 4 respectivamente. 

Ciclo Transitorio

Teniendo en cuenta las características técnicas de este motor, se convirtió el ciclo 10-Mode de velocidad – tiempo a un ciclo rpm – tiempo (figura 6 iz.), aplicando una carga de 14 kW a 2500 rpm en el freno hidráulico (Heenan-Froude referencia B47-912, capacidad 112 kW). Se obtiene una trayectoria de carga bajo la línea de potencia máxima mostrada en la figura 5 y el ciclo de potencia tiempo mostrado en la figura 6.

Emisiones

Los datos adquiridos en tiempo real mostraron que el combustible E10 reduce la emisión, en fracción másica, de CO en 33.94%, incrementa la emisión de O₂ en 20.97%, y los valores de CO₂ presentan un cambio de -0.98%. Este comportamiento se muestra en la figura 7 y puede explicarse con el valor de la relación de equivalencia, la cual en promedio fue un 4% menor para E10 con respecto a E0. Esto plantea un escenario donde la mezcla es más pobre, en el cual la combustión mejora un poco con respecto a E0. La figura 8, presenta las emisiones másicas para cada tipo de prueba realizada. Se observa que las diferencias entre las dos técnicas utilizadas son pequeñas, y se encuentran alrededor de 9.13% para el CO, de 0.15% para el CO₂ y 0.8% para el O₂. Así mismo, se ve una tendencia similar para las emisiones de CO y O₂ de ambos combustibles, con cambios respecto a la gasolina E0 de -28.63% y 30.74%, respectivamente. Mientras que la emisión de CO₂ presenta un cambio de 7% mayor para el E10, causado principalmente por el incremento de 7.3% en el consumo de combustible (figura 9). Algo similar se observa en la emisión de CO y CO2 en unidades de gramo por kilómetro (figura 10).

MOTOR 2

Potencia

Las pruebas de potencia bajo NTC 1930 para el Motor 2 mostraron que, en este equipo, que posee un sistema de alimentación por carburador, la potencia máxima se disminuye en 3.5% cuando se emplea combustible E10. Sin embargo, como se muestra en la figura 11, los valores de potencia obtenidos para el combustible E10 son ligeramente mayores en los demás puntos. Los valores de torque máximo y el consumo específico de combustible a potencia máxima aumentan un 4,6% y 0,5% respectivamente. Las curvas de torque y consumo específico de combustible obtenidas en todo el rango de operación del motor se muestran en las figuras 12, 13, respectivamente. La realización de las pruebas de potencia bajo NTC 1930 para el motor 2 de carburador muestra que la curva de potencia empleando gasolina E10 toma valores superiores que la obtenida con gasolina E0 con excepción del punto de potencia máxima. Con la gasolina E10 se obtiene una curva de torque con el punto de potencia máxima a menores rpm y en la mayoría de su extensión toma valores superiores comparados con la curva para gasolina E0. El motor de la prueba tiene un menor consumo específico de combustible a bajas rpm empleando gasolina E10 y una mayor relación A/F.

Ciclo transitorio

Teniendo en cuenta las características técnicas de este motor, se convirtió el ciclo 10-Mode de velocidad-tiempo a velocidad de giro del cigüeñal. Para este caso se aplicaron dos cargas diferentes en el freno hidráulico, la primera, aplicando 4,5 kW a 2500 rpm y, la segunda, aplicando 8,3 kW a 2500 rpm. En la figura 14, se muestran los ciclos de potencia obtenidos, con respecto al ciclo calculado. Adicionalmente, las trayectorias de carga con respecto a la línea de potencia máxima se ilustran en la figura 15.  El ciclo de baja carga se realizó mediante la aplicación de 2 vueltas en el volante de carga del freno, y el ciclo de mayor carga, graduando en 4 vueltas la posición del volante de carga, con el fin de compensar la incapacidad de este equipo de producir una carga significativa a bajas revoluciones.

Emisiones

Los datos adquiridos en tiempo real mostraron que el combustible E10 reduce la emisión, en fracción másica, de CO en 22% y 9% bajo carga baja y alta, respectivamente. La emisión de O₂ presenta un incremento del 88% en el ciclo aplicando una carga baja, sin embargo, bajo la aplicación de cargas altas la emisión de éste se reduce en un 3% al utilizar gasolina E10. A diferencia del motor 1, los valores de CO₂ presentan un aumento del 9% y el 6% bajo cargas bajas y altas, respectivamente. Este comportamiento se evidencia en las figuras 16 y 17. Para este motor la relación de equivalencia fue en promedio un 5% menor para el E10 con respecto al E0, mejorando la combustión y reflejándose en el aumento del contenido de CO₂.  En la figura 17,se muestran las emisiones másicas de los diferentes componentes. Para este caso se presentan mayores desviaciones entre las técnicas aplicadas, en comparación con los resultados obtenidos para el Motor 1, con desviaciones promedio del 10% para el CO, 3% para el CO₂ y 15% para el O₂. Sin embargo, para este motor también se observa la misma tendencia de reducción de las emisiones de CO y O₂ con un cambio promedio de ambas cargas de 19% y 37%, respectivamente. Para la emisión de CO₂ se tiene un incremento promedio de 3% para el E10, reflejando un incremento del 2,6% en el consumo de combustible (figura 18).

Las pruebas de emisiones muestran que durante el ciclo transitorio de baja carga se logra una mayor reducción de CO empleando gasolina E10 en comparación con la gasolina E0. Con el ciclo de mayor carga las concentraciones de CO y O2 toman valores similares para ambas clases de gasolina. Las emisiones instantáneas de CO para el ciclo de mayor carga tienen un comportamiento inestable a altas revoluciones en este motor. El consumo de combustible por kilómetro recorrido para el ciclo es superior utilizando gasolina E10 comparado con la gasolina E0, siendo la diferencia más notoria en el ciclo de baja carga (figura 19).

CONCLUSIONES

REFERENCIAS

Recibido: 1/6/2017

Aprobado: 1/10/2017

Juan Miguel Mantilla G, Ingeniería Mecánica, Profesor Asociado Universidad Nacional de Colombia. Email: jmmantillag@unal.edu.co