UNIVERSIDAD VERACRUZANA - Recursos Académicos · PDF fileÍndice Camarillo, 2011 Página vi Página Índice de tablas Tabla 1. Estimación de las reservas de energéticos en el mundo

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

MAESTRÍA EN INGENIERÍA ENERGÉTICA

“ESTUDIO DE LA COMBUSTIÓN DE UN MOTOR

MONOCILÍNDRICO DE IGNICIÓN ALIMENTADO CON

MEZCLAS GASOLINA-ETANOL ANHIDRO E

HIDRATADO A DISTINTAS CONCENTRACIONES”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN INGENIERÍA ENERGÉTICA

PRESENTA

JESÚS ANTONIO CAMARILLO MONTERO

DIRECTOR DE TESIS

DR. JUAN JOSÉ MARÍN HERNÁNDEZ

XALAPA EQUEZ., VER. AGOSTO DE 2011

.

Síntesis

SÍNTESIS

En el presente trabajo se realizaron pruebas de miscibilidad, densidad relativa, relación

estequiométrica A/F y olor y aspecto físico para obtener la caracterización fisicoquímica

de mezclas gasolina-etanol hidratado y anhidro (0-40% v/v), utilizándose como

combustibles para un motor monocilíndrico de ignición por chispa marca AVL modelo

5401, al cual se le realizaron pruebas de rendimiento y análisis de gases de escape.

Las pruebas de rendimiento fueron elaboradas a un régimen constante de velocidad de

2,000 RPM, variando lambda dentro de los valores típicos de funcionamiento de un

automotor. Las variables medidas fueron: los consumos específicos y de combustible,

temperaturas del aire de admisión y gases de escape y la potencia indicada; y en los

gases emitidos, el monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos

no quemados (HC) y óxidos de nitrógeno (NOx). Los resultados muestran un efecto de

empobrecimiento en el combustible al aumentar el contenido de etanol tanto anhidro

como hidratado, causando una pequeña reducción de la potencia indicada (menor al

2%) y aumentando considerablemente el consumo de combustible. Las mezclas E20 y

HE20 presentan los mejores resultados en el análisis de los gases de escape,

reduciendo notablemente las emisiones de CO (4-6%), HC (3-9%) y NOx (8-9%),

respectivamente, manteniéndose prácticamente constante la emisión de CO2

(reducciones menores al 1%). Se observó que la tolerancia al agua por parte de la

gasolina, aumenta significativamente al incrementar el contenido de etanol en la

mezcla, donde también se concluyó que a una temperatura mayor de 10°C, no hubo

separación de fases para las mezclas de gasolina y el etanol hidratado, mientras que

las mezclas con etanol anhidro no presentan este problema a temperaturas bajas.

Índice

Camarillo, 2011 Página iii

CONTENIDO

Página 1. Introducción………………...…………………………………………………….

01

1.1 Planteamiento del problema………………………………………………..

03

1.2 Justificación…………………………………………………………………..

03

2. Antecedentes……………………………………………………………………..

05

2.1 Contexto internacional…..………………..…………………………………

05

2.1.1 Uso del etanol como combustible en Brasil…………………..

10

2.1.2 Uso del etanol como combustible en Estados Unidos….......

13

2.1.3 Uso del etanol como combustible en América latina………...

19

2.2 Contexto nacional……………………………………………………………

22

3. Objetivos…….…………….…….……………………...…...……………………

27

3.1 Objetivo general………………….....…………...……….………………….

27

3.2 Objetivos específicos……………….…………...…………….……………

27

4. Hipótesis……..…………………………….……………………………………...

28

5. Marco teórico………………………….……………….…………………………

29

5.1 Caracterización de combustibles…………………………………………..

29

5.2 Características del etanol….……….…………………………………..…..

31

5.3 Características de la gasolina……………………………….……………..

34

5.4 Mezclas gasolina-etanol anhidro…….……………………..……………...

36

5.5 Mezclas gasolina-etanol hidratado……...…………………………....…...

39

5.6 El motor de ignición por chispa………………………………………...…..

41

5.6.1 Parámetros de operación………………………..………………

42

5.7 Pruebas de combustión……………………………………………………..

45

Índice

Camarillo, 2011 Página iv

5.8 Efectos negativos del etanol en el ambiente…………………..…………

47

6. Metodología……..……………………………………………………………..….

51

6.1 Elaboración de las mezclas combustible………………………………….

52

6.1.1 Descripción de las mezclas combustibles.……......…………… 52

6.1.2 Caracterización fisicoquímica parcial de las mezclas……....................................................................................…….………

53

6.2 Pruebas de combustión…………....………………………………………

57

6.2.1 Medición del consumo de combustible…………..…….………

64

6.2.2 Medición de la temperatura de admisión de aire....……...…..

65

6.2.3 Medición de la temperatura de gases de escape..…….……..

65

6.2.4 Medición de potencia y torque………………………………….

66

6.3 Análisis de gases de escape………………..……...….……….………….

66

6.3.1 Preparación y calibración del equipo….………...……………..

67

6.3.2 Medición de las emisiones del escape….……….…………….

68

6.4 Análisis de resultados……………….……….……………………………..

68

6.4.1 Determinación del método de análisis……...………………….

69

6.4.2 Comparación de valores de consumo de combustible……….

70

6.4.3 Comparación de valores de temperatura de admisión y escape…………………………………………………………………………….......

70

6.4.4 Comparación de valores de potencia y torque…..……………

71

6.4.5 Comparación de valores de emisión de gases………………..

71

7. Resultados y discusión……..…………………………………………...……..

72

7.1 Pruebas de caracterización fisicoquímica……………………………….

72

7.1.1 Miscibilidad……………..………………………………………....

72

7.1.2 Densidad relativa…………………....…………………………… 73

Índice

Camarillo, 2011 Página v

7.1.3 Relación estequiométrica A/F…….……………………………..

74

7.1.4 Olor y aspecto físico……………………………………………...

75

7.2 Pruebas de combustión……………………………………………………

76

7.2.1 Medición del consumo de combustible………………..………

76

7.2.2 Medición de la temperatura de admisión de aire…….……….

79

7.2.3 Medición de temperatura de gases de escape………..………

81

7.2.4 Medición de torque y potencia indicados……………………...

84

7.2.5 Comparación de valores de emisión de gases…….………….

89

8. Conclusiones……………………………………………………………………..

98

9. Referencias………….………………………...………………………………….

101

10. Anexos……………………………………………………………………………

110

Índice

Camarillo, 2011 Página vi

Página

Índice de tablas

Tabla 1. Estimación de las reservas de energéticos en el mundo……………...

05

Tabla 2. Consumo de distintos combustibles en Estados Unidos (miles de galones)………………………………………………………………………………..

16

Tabla 3. Estándares norteamericanos para el uso de etanol mezclado con gasolina como combustible………………………………………………………….

17

Tabla 4. Producción de etanol por estado…………………………………………

18

Tabla 5. Producción de etanol por ingenio………………………………………...

23

Tabla 6. Características fisicoquímicas del etanol anhidro…………………….

32

Tabla 7. Características fisicoquímicas del etanol hidratado………...………….

34

Tabla 8. Características fisicoquímicas de la gasolina magna………………….

35

Tabla 9. Modificaciones necesarias en motores para mezclas > E20………….

38

Tabla 10. Concentraciones en el aire atmosférico y niveles de riesgo carcinogénico por inhalación para aldehídos……………………………………..

49

Tabla 11. Reporte de las emisiones de gases no regulados para combustibles E0 y E10………………………………………………………………

49

Tabla 12. Volumen de gasolina y etanol utilizado para las mezclas……………

53

Tabla 13. Características del motor monocilíndrico………………………………

59

Tabla 14. Condiciones de operación del motor durante la prueba……………..

62

Tabla 15. Densidad relativa de los combustibles utilizados……………………..

73

Tabla 16. Resultados de la relación estequiométrica A/F……………………….

75

Tabla 17. Porcentaje de incremento en el consumo de combustible…………..

78

Tabla 18. Porcentaje de variación en la potencia y el torque……………………

87

Tabla 19. Porcentaje de variación de las emisiones para las mezclas combustibles…………………………………………………………………………..

94

Índice

Camarillo, 2011 Página vii

Página

Índice de figuras

Figura 1. Precio promedio del petróleo…………………………………………….

07

Figura 2. Producción anual de etanol en los Estados Unidos, 1980-2009…….

14

Figura 3. Resultados de la prueba de laboratorio………………………………...

25

Figura 4. Tolerancia al agua en función de la temperatura del combustible…..

40

Figura 5. Ciclo Otto de 4 tiempos…………………………………………………..

42

Figura 6. Comportamiento del torque a diferentes valores de velocidad………

43

Figura 7. Diagrama de la metodología……………………………………………..

51

Figura 8. Equipo de baño térmico………………………………………………….. 54

Figura 9. Densímetro y termómetro utilizados en la medición de la densidad relativa………………………………………………………………………………....

55

Figura 10. Banco de pruebas de combustión……………..……………………… 58

Figura 11. Analizador de gases de escape………………………………………..

60

Figura 12. Sistema de suministro de combustible de prueba…………………...

61

Figura 13. Uniformidad deseada del valor de lambda……………………………

63

Figura 14. Homogeneidad de las mezclas E10 y HE10………………………….

72

Figura 15. Resultado de la prueba de densidad relativa para el etanol anhidro...............................................................................................................

74

Figura 16. Consumo másico de combustible……………..……………………….

76

Figura 17. Consumo específico de combustible…………………………………..

77

Figura 18. Temperaturas del aire de admisión……………………………………

80

Figura 19. Temperaturas de gases de escape para valores de lambda de 0.9 a 1.1……………………………………………………………………………………

82

Figura 20. Temperaturas promedio de los gases de escape……………………

83

Índice

Camarillo, 2011 Página viii

Figura 21. Resultados de la prueba de torque indicado………………..………..

85

Figura 22. Resultados de la prueba de potencia indicada……………………….

86

Figura 23. Comportamiento de las emisiones de CO…………………………….

89

Figura 24. Comportamiento de las emisiones de CO2…………………………...

90

Figura 25. Comportamiento de las emisiones de HC…………………………….

91

Figura 26. Comportamiento de las emisiones de NOx.......................................

92

1. Introducción

Ibarra, 2011 Página 1

1. INTRODUCCIÓN

Los sistemas de transporte que utilizan un motor de combustión interna, constituyen

una de las actividades más contaminantes que el hombre realiza todos los días, debido

a los gases emanados hacia el medio ambiente, producto de la combustión de

hidrocarburos. En países como Italia, Alemania, y Estados Unidos, existen un poco más

de 500 autos por cada 1000 habitantes, mientras que México tiene un parque vehicular

de más de 13 millones de autos, lo equivalente a un auto por cada 10 habitantes,

aproximadamente (NationMaster, 2010).

A nivel mundial, los transportes son responsables del 13% de las emisiones de gases

de efecto invernadero, cifra que podría llegar al 30% ó 50% en el año 2050. El

transporte terrestre representa un 74% de estas emisiones, de las cuales el 40%

provienen de vehículos industriales ligeros y de vehículos particulares (Greenpeace,

2010).

En Europa, el transporte es el único sector cuyas emisiones han aumentado desde

1990 (+26%); y sólo los vehículos particulares son responsables del 12% de las

emisiones europeas de gases de efecto invernadero (Greenpeace, 2010).

La cantidad de gases contaminantes emitidos por un automóvil se miden normalmente

en g/km recorrido. De acuerdo al modelo, antigüedad y potencia de los motores, se han

establecido categorías correspondientes a la cantidad de gases que emite cada auto.

Los autos de la clase A, emiten arriba de 100 g CO2/km recorrido, los clase B de 101 a

110, clase C de 111 a 120, clase D de 121 a 130, llegando hasta la categoría M, que

son los que emiten arriba de 256 g/km (COMCAR, 2010).

Idealmente, los automóviles que deberían estar en circulación son los que se

encuentran dentro de la categoría B o C, pero aun así, si esas cantidades emitidas se

multiplican por la cantidad de autos que existen en las grandes ciudades, se obtendría

una cifra muy grande de contaminación por CO2 hacia el medio ambiente.

Aunado a esto, existe otra variedad de gases contaminantes provenientes de la

combustión de un automotor, como NOx, CO, HC y SOx. La formación de estos

1. Introducción

Camarillo, 2011 Página 2

compuestos en mayor o menor proporción indican una combustión completa o

incompleta, es decir, que todo el combustible se quemó de manera ideal o alguna parte

únicamente se evaporó y se expulsó hacia el medio ambiente (UNC, 2010).

Estos gases no pueden ser absorbidos de manera natural por las plantas como en el

caso del CO2, sino que se mezclan en el aire y se ha estudiado desde hace años que

respirar CO aún en cantidades moderadas, puede producir la muerte por

envenenamiento de la sangre de manera inmediata, al igual que los demás gases

producen irritación nasal y en los ojos, por lo que reducir las emisiones de estos gases

es una tarea que se debe llevar a cabo (EPA, 2007).

Esta situación, complementada con la insostenible condición del mercado petrolero a

nivel mundial, ha motivado a que muchos países realicen grandes esfuerzos para lograr

contrarrestar y atenuar los efectos contaminantes, entre los cuales, el uso de fuentes

alternativas de energía de origen natural, ha sido uno de los que con mayor ímpetu y

aceptación popular ha tenido en los últimos años.

Entre los biocombustibles, ha destacado el uso del bioetanol como fuente de energía

alternativa proveniente principalmente de la caña de azúcar y el maíz.

El gasohol es una mezcla de gasolina y etanol, tanto hidratado como anhidro en

distintas proporciones, el cual provoca una combustión más completa dando como

resultado según estudios de algunos autores, una importante reducción de gases

contaminantes hacia la atmósfera (Michelena, 2010).

La finalidad de este documento es la de comparar mezclas de gasolina - etanol anhidro

e hidratado, sometiéndolas a pruebas de rendimiento en un motor monocilíndrico de

ignición por chispa, en referencia a normas nacionales e internacionales, que en base a

la experimentación y teoría de la estadística, se pueda determinar la que mejor cumpla

con los parámetros establecidos por normatividad y posea las características

necesarias para utilizarse de manera comercial como un combustible reformulado.

1. Introducción


1.1 Planteamiento del problema

En el país, existe una escasa investigación sobre bioenergéticos, debido principalmente

a que recién se están desarrollando leyes que permitan su utilización; toda la

información disponible sobre el uso de este tipo de energía es proveniente de países

con un parque vehicular muy distinto al de México, por lo cual se requiere realizar una

investigación específica para las condiciones propias del país.

En algunos países se han llevado a cabo diversas investigaciones sobre los efectos

negativos y positivos del uso del etanol anhidro como oxigenante en la gasolina,

principalmente en proporciones del 10% y 20%; pero existe escasa información sobre

mezclas de mayor contenido de etanol o sobre el uso de etanol hidratado. Los

resultados obtenidos en dichas pruebas se han tomado como estándares para todos los

países que utilizan estos combustibles, sin embargo, realizar una investigación con

mezclas mayores realizadas con combustibles comerciales mexicanos, dará un

panorama más amplio del impacto que éstos tendrán en su inmersión al mercado

nacional.

1.2 Justificación

En general, el uso del etanol como aditivo oxigenante en la gasolina trae diversos

beneficios, puntualizando principalmente tres: Económicos, sociales y ambientales.

Por la parte de los beneficios económicos, se tiene que el etanol es más barato que la

gasolina, por lo tanto, si se llegara a introducir de manera comercial, el precio de los

combustibles oxigenados disminuiría de una manera importante.

Los beneficios sociales se fundamentan en el desarrollo de investigación especializada

para condiciones propias del país, tomando en cuenta las características ambientales,

parque vehicular y combustibles de uso comercial; también podría ocurrir la reactivación

del sector agrícola del país, ya que la cosecha de caña de azúcar tendría que aumentar

en gran medida y como consecuencia, se generarían fuentes de empleo.

Por último, los beneficios ambientales, los cuales tienen alto impacto debido

principalmente a la reducción de los gases contaminantes del escape de los

1. Introducción


automóviles, la sustitución de oxigenantes como el ETBE (etil tert butil éter) y el MTBE

(metil tert butil éter), que han llegado a contaminar depósitos subterráneos de agua,

problema que con el etanol no se tendría debido a su carácter natural.

Es sabido que producir etanol anhidro tiene un elevado costo, debido a los procesos

que se le deben aplicar para alcanzar su pureza, lo que hace que actualmente sea

económicamente inviable su producción con fines energéticos; por esta razón no se ha

extendido su uso en todo el mundo como un oxigenante de gasolinas comerciales.

En cambio, el etanol hidratado tiene un bajo costo y su producción no requiere de otro

proceso extra a la destilación para alcanzar los 96° de pureza. Por esta razón, es

importante realizar un estudio de comparación de ambos energéticos, utilizándolos

como aditivo oxigenante para una gasolina base, de manera que si el banco de pruebas

presenta un comportamiento similar en los dos casos, se podrá proponer su uso en

sustitución del etanol anhidro, ya que las condiciones climatológicas del país son las

apropiadas para que no exista una separación de las fases agua-alcohol-gasolina,

debido a una temperatura muy baja, como en el caso de países europeos.

Con este estudio, se desea comprobar la similitud energética entre ambos alcoholes,

pudiendo competir uno con otro en su uso como aditivo oxigenante para las gasolinas

del país, donde las condiciones de temperatura ambiente son las adecuadas para que

no ocurra una separación de fases al utilizar etanol hidratado y por ende, un mal

funcionamiento del motor.

2. Antecedentes


2. ANTECEDENTES

2.1 Contexto internacional

Debido a la gran demanda de energía que existe hoy en día, el hombre se ha visto en la

obligación de desarrollar nuevas tecnologías que permitan transformar fuentes

energéticas alternativas, así como mejorar las ya existentes. Cada año, las reservas

mundiales de petróleo van disminuyendo y la población demanda más de lo que se

puede producir. En la tabla 1 se muestran las estimaciones de las reservas mundiales

de petróleo y gas a nivel mundial.

Tabla 1. Estimación de las reservas de energéticos en el mundo

Petróleo (Millones

de barriles)

BP, Estatistical

Review, 2007

Petróleo (Millones

de barriles)

Oil & Gas Journal,

2007

Petróleo (Millones

de barriles)

World Oil, 2007

Gas Natural

(Billones de pies

cúbicos) BP,

Estatistical Review,

2007

Gas Natural

(Billones de pies

cúbicos) CEDIGAZ,

2008

Gas Natural

(Billones de pies

cúbicos) Oil & Gas Journal,

2009

Gas Natural

(Billones de pies

cúbicos) World Oil,

2007

1,238.892 1,342.207 1,184.208 6,290.636 6,342.411 6,254.364 6,436.029 Fuente: EIA, 2009

En esta tabla se puede observar que las reservas de energéticos reportadas por

distintos organismos son similares en todos los casos, donde la cantidad de petróleo

disponible está muy por debajo de las reservas de gas natural.

A inicios del siglo XX, comenzó la era del petróleo, con la exploración y producción de

los yacimientos de Pennsylvania, Estados Unidos; iniciativas que luego fueron imitadas

en otros países, los cuales utilizaron el petróleo para la iluminación y calefacción; y si

bien durante la época del petróleo barato, ésta materia prima fue insustituible, a partir

de las crisis energéticas de la década de los 70’s se trató de economizar combustible

mediante la implantación de regulaciones que implicaron a su vez, una mayor eficiencia

energética de los motores de combustión interna y un control de las emisiones de gases

contaminantes. Entonces aparecieron normas y técnicas para evitar la dependencia de

2. Antecedentes


los combustibles provenientes del petróleo, como el gas y la gasolina, específicamente.

Algunos desarrollos tecnológicos actuales indican una clara tendencia a reducir el

consumo de éstos y evitar la contaminación ambiental, así, el predominio del petróleo

está acercándose progresivamente a su fin (Rivera, 2007).

De acuerdo a lo anterior, los principales factores que han impulsado el desarrollo de los

biocombustibles son tres:

Cambio climático

Agotamiento de combustibles fósiles

Altos precios del petróleo

La expresión cambio climático, se refiere a la modificación del clima con respecto a los

datos históricos a una escala regional o global. Dichos cambios son el aumento o

disminución de temperatura, precipitaciones y nubosidad. El cambio climático es

provocado principalmente por dos factores: causas naturales y antropogénicas

(Oreskes, 2004).

Las causas naturales se refieren a la contaminación aportada de manera natural por la

tierra, como los incendios forestales, generación de metanol en los mares, etc.,

mientras que las antropogénicas son los efectos producidos por la actividad humana en

la Tierra como la industrialización, deforestación, disminución de áreas verdes, etc.

El agotamiento de los combustibles fósiles es producto de su desmedida explotación a

nivel mundial. Los países más industrializados requieren de mayor cantidad de

combustible para atender la demanda de energía, por lo que deben recurrir a la

búsqueda y extracción de petróleo y carbón principalmente. Debido a esto, los precios

se van a la alza, trayendo como consecuencia que las economías mundiales se vean

seriamente afectadas y tengan que recurrir a la investigación de nuevas formas de

aprovechamiento de energía.

En la figura 1 se muestra el precio promedio mensual del petróleo.

2. Antecedentes


Figura 1. Precio promedio del petróleo

Fuente: Goldman Sachs, Unicredit, Reuters, BP, 2010

En esta figura se puede observar claramente la tendencia creciente del precio promedio

del petróleo, donde existió un valor máximo en el año 2008, año en el que la economía

de China tuvo un importante despegue, por lo que la cantidad de hidrocarburos

demandada fue muy grande y el precio se incrementó considerablemente.

El etanol es un combustible que se produce en varios países desde hace muchos años.

Más del 75% de la producción de etanol a nivel mundial se lleva a cabo en Brasil y

Estados Unidos (Moreira, 2008).

Algunos indicadores internacionales apuntan a Brasil como el principal productor de

etanol con fines energéticos en el mundo, aunque datos del año 2009 indican que la

capacidad de producción de Estados Unidos era de 14,400 millones de litros de etanol,

de los cuales, 8,900 millones de litros se consumen como combustible, mientras que la

producción total de Brasil para ese año fue de 7,450 millones de litros, lo cual hace

visible el aumento en la producción de Estados Unidos frente a Brasil; aunque estos

datos no son los definitivos para ambos países, se puede concluir que ambos son los

actuales líderes mundiales (CSIRO, 2009).

32.1

44.6

57.25

66.4

73.7

90

73.88

84.93

30

40

50

60

70

80

90

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Actual

PRECIO PROMEDIO DEL PETRÓLEO

2. Antecedentes


A raíz de la crisis petrolera que se generó en el mundo en la década de los 70’s, Brasil

incrementó su producción de etanol con la finalidad de depender en menor proporción

de los hidrocarburos. El etanol de Brasil proviene de la caña de azúcar, la cual debido al

clima tropical del país es fácil que se produzca. En la década de 1970, los dictadores

militares brasileños decidieron subsidiar la producción de etanol y requerir su

distribución en todo el país. En el año 1975, se inicia el programa Pro Alcohol, con el

objetivo de utilizar el etanol como combustible sustituto de la gasolina y aumentar su

producción para uso industrial. La industria brasileña utiliza el alcohol anhidro mezclado

con una proporción de 22% de gasolina comercial para su utilización en vehículos

particulares. Esto da como resultado que Brasil se convierta en el primer país en utilizar

mezclas de etanol-gasolina (Biocombustibles, 2010).

En 2007, Brasil exportó a nivel mundial más de 3.5 billones de litros de etanol (Moreira,

2008).

Estados Unidos pelea con Brasil el liderazgo internacional en la producción de etanol.

Junto con Centroamérica, EU produce el 45.8% del etanol que se consume en todo el

mundo. El principal argumento de este país por aumentar la producción de etanol, es la

necesidad de independizarse del petróleo, ya que representa un desafío para su

estabilidad económica (USAID, 2008).

A principios del siglo XXI, se creó una estrategia en materia de energías renovables en

EU, la cual, tiene por meta reducir el consumo de gasolina en un 20% durante los

próximos 10 años. El proyecto se llama “20-10” y entró en vigor en el año 2010 (Landa,

2008).

Por otra parte, en diversos países alrededor del mundo se encuentran realizando

investigaciones paralelas, en torno al uso de otros compuestos oxigenantes que

reduzcan las emisiones contaminantes hacia el medio ambiente, como es el caso del

ETBE y el etanol.

En Australia, se utiliza en mayor proporción el combustible E10, dado que según sus

investigaciones, un contenido mayor de etanol traería consecuencias de

2. Antecedentes


empobrecimiento en las mezclas y como resultado, una alteración en la manejabilidad y

condiciones elevadas de temperaturas de operación del motor (Concawe, 2004).

En 2003 el gobierno australiano consideró que entre el 30 y 40% de la flota vehicular

nacional, no era susceptible de consumir gasolina con 10% de etanol; siendo que en la

mayoría de los casos, se trataba de vehículos con menos de 10 años en circulación, es

decir, un parque vehicular relativamente nuevo en comparación con países de América

latina (Seccombe, 2003).

Por otro lado, paralelamente a la ampliación en las investigaciones en torno al uso de

etanol anhidro como oxigenante de las gasolinas en varios países, se está aumentando

la aceptación del uso de etanol hidratado como sustituto del etanol anhidro,

principalmente por su bajo precio.

En Holanda, se han llevado a cabo diversos estudios con combustibles HE15 en

automóviles comunes del parque vehicular sin ninguna modificación en los

componentes del motor, los cuales han estado en circulación por más de dos años

utilizando HE15 como combustible convencional, destacando que no se observan

diferencias operacionales, desgaste de ningún componente mecánico y problemas de

manejabilidad con respecto al uso de gasolina común; se observó una fuerte

disminución en los gases contaminantes, principalmente HC y CO, aumentando

ligeramente el contenido de NOx y de igual manera, se observó una disminución

significativa en el consumo de combustible, lo que hace evidente el potencial

termodinámico que tiene este combustible en comparación con los convencionales

(Keuken et al, 2008).

En diciembre de 2006, se publicó una patente que describe el uso de mezclas etanol-

agua-gasolina con un contenido de hasta 5% de agua, las cuales pueden ser utilizadas

en un amplio rango de motores sin modificar y sin el riesgo de una separación de fases;

el estudio muestra que el mejor rendimiento se obtiene con mezclas HE15, es decir,

85% gasolina común, 15% contenido de etanol hidratado que a su vez contiene 5% de

agua en volumen (Sijben et al, 2006).

2. Antecedentes


La separación de las fases etanol-gasolina-agua aumenta considerablemente en climas

con temperaturas muy bajas y cuando se tienen contenidos bajos de etanol, como en el

caso de HE10 o menor (CETRA, 2007).

2.1.1 Uso del etanol como combustible en Brasil

Desde que los portugueses introdujeron las primeras plantaciones de caña de azúcar

en el territorio brasileño en el siglo XVI, se ha ido aumentando la producción año con

año, teniendo como objetivo su uso como combustible (PROALCOHOL, 2002).

A partir de los años 70, cuando el panorama energético mundial mostró signos de

alarma y se hizo necesaria la reducción de la dependencia del petróleo importado, la

investigación en aceites vegetales ganó nuevo impulso (Moreira, 2008).

El Programa Nacional del Alcohol (Pro alcohol) es considerado en Brasil como un

marco en la legislación de la agroenergía. La decisión sobre la producción de etanol a

partir de la caña de azúcar, fue de carácter político y económico, pues suponía el aporte

de inversiones adicionales provenientes de empresas privadas. Esta decisión se tomó

en 1975, momento en que el Gobierno Brasileño, a través del ya mencionado programa,

decidió impulsar la producción de alcohol para sustituir a la gasolina pura, con el

objetivo de reducir las importaciones de petróleo que representaban en ese momento

un peso importante en la balanza comercial externa (ICA, 2007).

La primera fase del programa Pro alcohol, que abarcó de los años 1975 a 1979, dirigió

sus esfuerzos sobre todo a la producción de alcohol anhidro para mezclarlo con

gasolina. En esta primera fase, el logro principal fue el de las destilerías que se

anexaron al programa. La producción alcoholera creció de 600 millones de litros por año

a 3.4 billones de litros por año. Los primeros automóviles que se movilizaron

exclusivamente con etanol aparecieron en el año 1978.

La segunda fase se dio entre los años 1980 y 1985. Para estos años, ocurriría la

segunda crisis petrolera mundial (1979-1980), donde se triplicó el precio del barril de

petróleo; en 1980, las compras de este producto pasaron a representar el 46% del total

de las importaciones brasileñas. Entonces, se crearon organismos, como el Consejo

2. Antecedentes


Nacional del Alcohol (CNAL) y la Comisión Ejecutiva Nacional del Alcohol (CENAL) para

agilizar el programa Pro alcohol. La producción alcoholera alcanzó un tope de 12.3

billones de litros entre 1986 y 1987, superando en un 15% la meta inicial del gobierno

brasileño (ICA, 2007).

La fase de estancamiento del programa Proalcohol sucedió en los años 1986 - 1995,

donde el precio del barril de crudo bajó de US $40 a 30 y luego de US $ 20 a 12. Este

nuevo periodo, denominado contra crisis del petróleo, puso en jaque todos los

programas de sustitución de hidrocarburos fósiles y de uso eficiente de la energía en

prácticamente todo el mundo. En la política energética brasileña, los efectos de este

fenómeno se resintieron a partir del año 1988, coincidiendo con un periodo de escasez

de recursos públicos para subsidiar los programas de estímulo a la energía alternativa,

lo que tuvo como resultado una disminución considerable en el volumen de las

inversiones en los proyectos de producción interna de energía. La oferta de alcohol no

pudo acompañar de forma equilibrada el crecimiento en la demanda de automóviles

impulsados por etanol y alcanzó niveles superiores a 95.8% de las ventas totales de

vehículos que usan gasolina, para el mercado interno en 1985. (ICA, 2007).

Brasil posee un área cultivada de caña de 5.8 millones de hectáreas, las cuales

generan una producción cercana a los 408 millones de toneladas. Por su parte, el

rendimiento que genera una hectárea de caña es de aproximadamente 77 toneladas,

donde aproximadamente se obtienen entre cinco y seis mil litros de etanol por hectárea

(Moreira, 2008).

De acuerdo con las expectativas de la producción de etanol en Brasil, se estima que se

podrían destinar unas 12 millones de hectáreas adicionales a la producción de caña

actual. En el año 2005, la producción de azúcar en Brasil fue de 29,500,000 toneladas.

La producción de etanol por hectárea es de 6,500 a 7,000 litros. En el periodo 2005 -

2006 se observó una producción de 15.8 millones de m3 anuales y para el ciclo agrícola

siguiente, se tuvo una producción de 16.8 millones de m3.

Se estima que la capacidad industrial instalada para producir etanol en Brasil es de 18

billones de litros; considerando que en el año 2005, el consumo interno fue cerca de

2. Antecedentes


13.5 billones de litros (12.5 billones de litros con fines de combustible y un billón con

fines industriales), la disponibilidad para la exportación rondaría entre los 2 y 2.5

billones de litros de etanol, dependiendo del total de producción para los años

consecuentes (ICA, 2007).

En años recientes, el consumo de etanol en el sector de transporte en Brasil representó

el 44% del total del combustible necesario para dicho sector, lo que representa una

demanda muy grande de este energético que tiende a ir en aumento (MME, 2008).

Debido a la gran demanda de etanol en este país, diversos centros de investigación se

han dedicado a estudiar algunos otros aditivos oxigenantes, que presenten aún mejores

características que las mostradas por el etanol a un precio más bajo.

Renato Cataluña et al han realizado diversos estudios con compuestos oxigenantes

especiales, como el tert-amyl etil éther (TAEE), etil-terc butil-ether (ETBE) y el di-tert

amyl-ether (di-TAE). En una prueba elaborada para medir el consumo específico de

combustible en automotores utilizando los aditivos mencionados así como etanol, los

investigadores concluyeron que el di-TAE arroja los mejores resultados, es decir, el

consumo específico de combustible es menor, observando características normales de

operación para el motor, lo cual, representa un ahorro en la cantidad de combustible

necesario para realizar el mismo trabajo que si se utilizara etanol (Cataluña et al, 2008).

Desgraciadamente, la producción de di.TAE únicamente se ha llevado a cabo en

laboratorio, lo que significa que Brasil seguirá oxigenando sus gasolinas con etanol en

los siguientes años.

Por otra parte, José Sodré et al, han realizado estudios comparativos entre el uso de

una mezcla de gasolina con etanol anhidro (78% gasolina y 22% etanol) y etanol

hidratado puro; con el etanol hidratado se produjo un aumento del 7% en el torque y

3.7% en la potencia respecto a mezclas con etanol anhidro, pero se obtuvo un 54% más

de consumo específico de combustible, lo cual significa mayor cantidad de etanol

hidratado para producir el mismo efecto que las mezclas con etanol anhidro (Sodré et

al, 2009).

2. Antecedentes


Otra posible ventaja del etanol hidratado frente a la mezcla gasolina-etanol anhidro es

su bajo costo, ya que el máximo precio posible de encontrar en el mercado, representa

unicamente el 72% del precio de la mezcla combustible (MME, 2008).

Desde el año 1979, en Brasil se lanzaron al mercado automóviles capaces de operar

tanto con etanol como con gasolina, en cualquier proporción de ellos. Estos autos se

llaman Flex Fuel (flexibilidad de combustible). Los fabricantes de autos en Brasil

modifican los motores para poder operar con etanol, como lo son los cambios en la

relación de compresión, la cantidad de combustible inyectado, sustitución de materiales

que se deterioran por efecto del contacto con el etanol, el uso de bujías especiales para

disipar el calor debido a las temperaturas más altas ocasionadas por una mayor

velocidad de combustión y un sistema auxiliar de arranque en frío que inyecta la

gasolina en un pequeño tanque en un compartimento especial del motor para el

arranque en frío (AN, 2008).

2.1.2 Uso de etanol como combustible en Estados Unidos

La actual política de cambio del gobierno de Estados Unidos, se fundamenta

principalmente en que existe un estancamiento y atraso social contra un crecimiento

económico y desarrollo tecnológico muy amplio, por lo que se quieren centrar en la

contribución de los avances tecnológicos en el cambio de hábitos de consumo y

cambios culturales, no sólo en los EU, sino en todo el mundo (Landa, 2008).

Las políticas públicas más eficaces que han logrado expandir la producción de energías

renovables son las del tipo no agrícola, La mayoría de las políticas agrícolas han girado

en torno a la oferta de alimentos. Durante las décadas de los 80´s y 90´s, las

inversiones en la industria del etanol y su producción se incrementaron gracias a los

incentivos otorgados por el gobierno. Tan sólo en 2005, la industria del etanol produjo 4

mil millones de galones, el cual, se mezcla en una proporción de 10% del combustible

que se consume en todo el país (CFDC, 2007).

En la figura 2 se observa el incremento de la producción anual de etanol en Estados

Unidos entre los años 1980 y 2005

2. Antecedentes


Figura 2. Producción anual de etanol en los Estados Unidos, 1980 - 2009

Fuente: Biofuels Journal, 2010.

En esta figura se observa que la forma de la curva de producción de etanol es casi de

forma exponencial, teniendo la mayor producción en el año 2005, por lo que se

esperaría que la en época actual, esa tendencia sea aún mayor.

La Administración de Información de Recursos Energéticos del Departamento de

Asuntos Energéticos de Estados Unidos, calcula que este país consume cerca de

140,000 millones de galones de combustible al año. En consecuencia, en términos de

su contribución relativa a la satisfacción de las necesidades de combustible para el

transporte, la producción de etanol cubrió cerca del 3% del consumo de gasolina en el

país en el año 2005 (ICA, 2007).

En los años 2005-2006, se utilizó un 14% de la cosecha de maíz en la producción de

etanol y en 2006-2007, aumentó al 20%. La producción de maíz es relativamente

pequeña con la demanda de combustible, por lo que será necesario desarrollar otras

fuentes de energía renovable para sustituir las importaciones de petróleo. En relación

con la política estadounidense en apoyo al desarrollo de los biocombustibles, destacan

los siguientes aspectos:

175 610 9001,400 1,630

3,900

10,600

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2009

PRODUCCIÓN ANUAL,MILLONES DE GALONES DE ETANOL

2. Antecedentes


Política energética

Gran parte del crecimiento en la producción del etanol a partir del maíz se puede atribuir

a programas de incentivos impulsados por el gobierno desde inicios de los 70’s. En la

Ley de Fiscalidad Energética de 1978, se autorizó la exención de pago de impuestos al

consumo de combustibles para motor con mezclas de etanol, otorgando a las mezclas

de al menos 10% de etanol por volumen una exención de US$0.40 por galón del

impuesto federal de combustibles para motor. A partir de ese año, la ley federal autorizó

un crédito tributario de US$0.51 por galón para el etanol. (CFDC, 2007)

Política ambiental

El etanol se utilizó por primera vez como un aditivo para combustible a finales de los

años 70´s, cuando la Agencia de Protección Ambiental (EPA), inició la supresión

progresiva del plomo en la gasolina y se usó el etanol para reemplazarlo como

aumentador de octanaje. La Ley del Aire limpio (CCA), estableció los programas de

combustibles oxigenados y de gasolinas reformuladas (RFG) con el propósito de

controlar las emisiones de CO y daños a la capa de ozono provenientes de los

combustibles fósiles. A fin de cumplir con los nuevos requerimientos, las refinadoras

mezclaron gasolina con componentes oxigenados más limpios, como el etanol y MTBE,

aunque actualmente se está disminuyendo su uso en casi todo el mundo y viene siendo

reemplazado por el etanol (CFDC, 2007).

Desde que el MTBE fue sacado del mercado energético estadounidense en el año

2005, la demanda de etanol ha ido incrementándose drásticamente, tanto que para el

año 2012, se requerirán cinco mil millones de galones extras por año, por lo cual, este

país se encuentra aumentando su capacidad de elaboración de etanol para abastecer

esa gran demanda (AVL, 2005).

La tabla 2 muestra el consumo de etanol, MTBE y gasolina para finales del año 2000.

2. Antecedentes


Tabla 2. Consumo de distintos combustibles en Estados Unidos (miles de

galones)

AÑO

Combustible 1994 1996 1998 2000

E85 80 694 1,727 3,283

E95 140 2,699 5,900 -

E10 845,900 660,200 916,000 908,700

MTBE 2,108,800 2,749,700 2,915,600 3,111,500

Gasolina 113,144,000 117,783,000 122,849,000 127,568,000

Fuente: Departament of Energy, 2001

En esta tabla se observa que el consumo de combustibles con etanol ha ido

aumentando considerablemente desde los 90´s, pero aún así, la gasolina es el

combustible que mayor demanda tiene en el mercado actualmente.

La US Renewable Fuels Asociation (RFA) presentó en el año 2002, una guía para el

uso de etanol en cualquier proporción como combustible de automotores en el mercado

americano, la cual contiene una compilación de aspectos técnicos que deben

considerar las compañías energéticas para su elaboración y distribución como

combustible en sus puntos de consumo, basados en la experiencia de decenas de

compañías petroleras y alcoholeras pertenecientes a esta asociación (RFA, 2002).

La tabla 3 muestra una compilación de las caracteristicas principales que debe tener el

etanol para poderse mezclar con las gasolinas norteamericanas.

En esta tabla se muestra que EU cuenta con una serie de normas que especifican cómo

debe ser el etanol que se pretenda mezclar con la gasolina común, las cuales son muy

estrictas, ya que es importante que se asegure que los vehículos no presentarán algun

problema de funcionamiento debido a un etanol de baja calidad.

2. Antecedentes


Tabla 3. Estándares norteamericanos para el uso del etanol mezclado con

gasolina como combustible

Propiedad Especificación Método ASTM

Etanol, vol% 92.1 D5501

Contenido de agua %vol. máximo

1 E203

Contenido inorgánico máximo de sodio, mg/lt

32 D512

Contenido máximo de cobre, mg/kg

0.1 D1688

pH 6.5-9.0 D6423

Apariencia Visibilidad libre de particulas

suspendidas o contaminantes (claro y brillante)

Fuente: RFA, 2002

Para el año 2007, la producción total de azúcar en Estados Unidos fue de

2,707,000 toneladas, con un rendimiento de 6.99 toneladas por hectárea. La mayoría

del etanol producido en los Estados Unidos se obtiene a partir del maíz teniendo un

costo de producción de US$0.29 centavos por litro.

En el año 2000, había 54 plantas destiladoras de etanol, con una capacidad de

producción de aproximadamente 1.75 mil millones de galones por año, cifra que ha ido

en aumento hasta llegar a tener más de 100 plantas de etanol, cuya capacidad de

producción supera los 4.5 mil millones de galones anuales (ICA, 2007). La tabla 4

muestra la capacidad de producción de etanol por estado.

En esta tabla se observa que Estados Unidos cuenta con suficiente infraestructura para

poder explotar sin problema este tipo de bioenergético, sólo que las políticas internas de

ese país no siempre apuntan a un desarrollo sostenible, si no únicamente considerar el

bien propio.

2. Antecedentes


Tabla 4. Producción de etanol por estado

Estado Capacidad %

Capacidad No. de plantas

% de plantas MMgal/año

Iowa 1,606 33 25 24.5

Illinois 706 14.5 6 5.9

Nebraska 566 11.6 11 10.8

Minnesota 546 11.2 16 15.7

South Dakota 475 9.7 11 10.8

Wisconsin 193 4 5 4.9

Kansas 179 3.7 7 6.9

Indiana 122 2.5 2 2

Missouri 110 2.3 3 2.9

Colorado 93 1.9 3 2.9

Tennesse 67 1.4 1 1

North Dakota 51 1 2 2

Michigan 50 1 1 1

Kentucky 38 0.8 2 2

California 34 0.7 3 2.9

Nuevo México 30 0.6 1 1

Wyoming 5 0.1 1 1

Ohio 3 0.1 1 1

Georgia 0.4 0 1 1

Total 7,872 100 102 100

Fuente: CFDC, 2007

En el ámbito económico, la industria del etanol en este país ha originado cerca de 50

mil trabajos, aumentando los ingresos en el sector industrial de una manera acelerada.

De los años 1996 a 2002, la industria del etanol generó más de 51 mil millones de

dólares para la economía norteamericana, incrementándose a razón de 3% por año

(Ethanol, 2000).

A principios del año 2009, Estados Unidos contaba con casi 8 millones de vehículos

Flex Fuel, utilizando combustible E85, frente a los 5 millones del año 2005. Los

vehículos Flex Fuel fabricados en Estados Unidos, fueron diseñados para funcionar con

cualquier mezcla de gasolina sin plomo y etanol, entre E0 y E85. A fin de reducir las

evaporaciones de etanol, y evitar problemas con el arranque del motor durante días

fríos, la mezcla máxima de etanol se estableció en un 85%. Para el año 2008, casi

cualquier tipo de automóvil, ya sea de tipo industrial, camionetas pick up, y autos

pequeños, se encuentran disponibles para operar con cualquiera de estos dos

2. Antecedentes


combustibles; aunque más del 68% de los usuarios no sabían que su auto es un Fuel

Flex, por falta de divulgación al respecto (NREL, 2008).

2.1.3 Uso de etanol anhidro como combustible en América Latina

No solo Brasil y Estados Unidos se encuentran realizando reformas energéticas y

revolucionando los combustibles destinados para el transporte, también países

latinoamericanos como Colombia, Costa Rica y Venezuela se encuentran investigando

y empezando a activar su sector agrícola en materia de bioenergéticos.

Colombia, es uno de los países de mayor producción de dos materias primas de

enorme peso en la producción futura de biocombustibles, como lo son el azúcar y el

aceite de palma. Este país tiene excedentes exportables de estos dos productos, por lo

que le abre una ventana a la posibilidad de generar nuevos empleos y en general, una

activación económica (Tobón, 2007).

Según la Asociación Colombiana de Cultivadores de Caña de Azúcar (Asocaña), el área

de cosecha de caña de azúcar se incrementó en el periodo comprendido entre 1991 y

2005, a una tasa de aproximadamente 3.8% anual, pasando de 112,640 hectáreas en

1993 a 212,446 para el año 2005.

Asocaña calcula que el consumo anual de gasolina para las ciudades de más de 500

mil habitantes y para las áreas metropolitanas como lo son Bogotá, Medellín, Cali,

Barranquilla, Cartagena y Bucaramanga, ronda en los 12 millones de litros diarios, por

lo tanto, se necesitarían 1.2 millones de litros diarios de etanol anhidro para oxigenar

las gasolinas en una proporción del 10%. En otras palabras, para cubrir las demandas

de las ciudades mencionadas, se debe contar con 5.93 millones de toneladas de caña

de azúcar, lo que corresponde a unas 54 mil hectáreas de caña de azúcar (ICA, 2007).

Los resultados de algunos estudios realizados en la Universidad de Antioquía, Colombia

con una mezcla E20 en dos automóviles comunes del parque vehicular de este país,

muestran un ligero aumento en el consumo del combustible E20 en comparación de la

gasolina común, registran un aumento de la potencia mecánica y en cuestión de las

emisiones, se habla de una reducción general en la emisión de hidrocarburos totales

2. Antecedentes


(HT), así como de monóxido de carbono. Por parte de los NOX y el CO2, no se observa

una reducción importante (Morales, 2010).

En otro estudio realizado por parte de investigadores pertenecientes a la Universidad

Nacional de Colombia para el Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica,

celebrado en Perú, se determinó que con un combustible E10, la potencia y el torque

del motor aumentan como consecuencia de un mejor proceso de combustión, siendo el

aditivo oxigenante eficaz en suplir la demanda de oxigeno para la combustión ante la

disminución de la presión atmosférica, encontrándose a una altura de 2600 msnm. El

aumento en el contenido de CO2, la disminución en el porcentaje de CO, y la

disminución de los hidrocarburos no quemados son evidencia de un proceso de

combustión más eficiente, con mayor liberación de energía. El aumento en los óxidos

de nitrógeno es consecuencia de temperaturas de combustión más altas, coherentes

con las medidas de temperatura realizadas en el tubo de escape. El consumo

específico de combustible disminuye al utilizar E10; Las pérdidas de potencia y torque

con respecto a los valores especificados de fábrica son consecuencia de la presión

atmosférica y del ajuste del motor (Córdoba, 2010).

Los autores encontraron que ocurre un mejor proceso de combustión al utilizar etanol

anhidro, pues este aditivo oxigenante es eficaz en suplir la demanda de oxigeno para la

combustión ante la disminución de la presión atmosférica (Gamboa, 2005).

Por otra parte, Costa Rica, es uno de los países con gran iniciativa en el rubro de

bioenergéticos. El consumo de hidrocarburos en el año 2005, alcanzó los 16.6 millones

de barriles y se considera que para el año 2019 de seguir la tendencia actual, llegarían

a los 20 millones. Por este problema, el gobierno ha implementado planes de

contingencia dirigidos especialmente a reducir el consumo de gasolina, como lo son

reducir la circulación vehicular y se han programado proyectos piloto para impulsar la

producción nacional de etanol, en un intento de sustituir al menos parcialmente la

importación de petróleo (ICA, 2007).

2. Antecedentes


Para la cosecha de caña de azúcar del periodo 2005 - 2006, la producción se estimó en

382,824.4 toneladas de azúcar con un rendimiento de 8 toneladas por hectárea. (ICA,

2007).

Costa Rica cuenta con 15 ingenios azucareros y diversos centros de investigación, que

realizan estudios para mejorar los procesos de producción de caña de azúcar y por

ende etanol, como lo son la liga agrícola industrial de la caña de azúcar (LAICA).

Cuba también se ha sumado a la apuesta por los biocombustibles como sustitutos de

los hidrocarburos comerciales.

En el año 2007, se comenzó un estudio amplio sobre el uso de dos distintos alcoholes

como posibles sustitutos u oxigenantes de las gasolinas cubanas, el etanol hidratado y

el anhidro. El principal problema del uso del etanol anhidro es su alto costo como ya se

ha mencionado (hasta 2 veces mayor el costo de producción que el del hidratado) y

dadas estas circunstancias, el gobierno cubano profundizó en el uso y aplicación del

etanol hidratado como sustituto de la gasolina (Villaroel, 2007).

A las conclusiones que llegaron los investigadores cubanos, es que debido a los

condiciones climatológicas de su país, pueden mezclar el etanol hidratado con la

gasolina sin ningún tipo de problema de separación de fases, ya que para que esto

ocurra, la temperatura medioambiental debe ser menor a 10°C, valor que no se ha

registrado en las temperaturas invernales de este país; establecieron que la mejor

proporción de mezcla gasolina-etanol hidratado en cuanto a pruebas de combustión

resultó ser en 20-25% de etanol y el restante en gasolina, presentando las mejores

condiciones de torque (12%), tiempo de aceleración (18.3%) y desempeño energético

(30%) (Villaroel, 2007).

Finalmente, en Venezuela, la empresa estatal Petróleos de Venezuela, S.A. (PDVSA)

se encuentra en proceso de crear una empresa mixta que se dedique a la producción

de etanol. Este producto lo obtienen a partir de la caña de azúcar y se adiciona en

distintos porcentajes a la gasolina para obtener una mezcla menos contaminante para

la naturaleza. Las necesidades del país llegan a 20 mil barriles diarios, ya que toda la

gasolina que se vende en el mercado interno se mezcla con alcohol carburante. Casi

2. Antecedentes


todo el etanol que se consume en Venezuela se importa de Brasil para mezclarlo con

gasolina en proporciones de hasta un 8% (ICA, 2007).

Se calcula que Venezuela requiere de unos 20 mil barriles diarios de etanol para

mezclarlo con la gasolina en porcentajes del 7% y 8% para satisfacer las demandas de

combustible (WET, 2006).

2.2 Contexto nacional

En México, se cultivan aproximadamente 50 millones de toneladas de caña, para una

producción de 5.8 millones de toneladas de azúcar y 1.8 millones de toneladas de

melazas (zafra 2004 - 2005) y uno de sus destinos finales es precisamente la

producción de alcoholes de distintas calidades (Enriquez, 2006).

El gobierno mexicano ha expresado su interés en aumentar del 3% actual a un 8% en

2012, la participación de las energías renovables en el abastecimiento total de energía

del país. Diversos estudios estiman que la bioenergía puede abastecer entre el 54% y el

85% de las necesidades totales energéticas y esta oferta se derivará en un 27% a 54%

de combustible de madera y en un 26% agrocombustibles. (ICA, 2007).

Desde hace varios años, se produce etanol de caña de azúcar en los diferentes

ingenios del país que cuentan con destilerías, sólo que su uso es para bebidas

embriagantes e industriales y no para uso combustible. Aproximadamente, la mitad de

los ingenios del país cuentan con destilerías, aunque unas más modernas que otras,

pero pueden producir etanol. La oferta total de etanol en el ciclo agrícola 2002-2003 fue

de 39.2 millones de litros. La tabla 5 muestra la producción de etanol en los principales

ingenios azucareros del país.

En esta tabla se puede observar que casi en todos los ingenios, la capacidad que

utilizan para la producción de etanol está a menos del 50%, por lo que se puede

aumentar la producción, sin necesidad de la adquisición de más equipos para el

abastecimiento.

2. Antecedentes


Tabla 5. Producción de etanol por ingenio

Producción de etanol en México y capacidad instalada

(Litros por ciclo agrícola)

Ingenio Capacidad instalada

Producción (ciclo 02-03)

Capacidad utilizada (%)

Aarón Sáenz 8,550,000 4,948,000 57.9

Calipam 2,400,000 990,261 41.3

Constancia 9,000,000 4,997,400 55.5

El Carmen 5,400,000 2,923,000 54.1

El Mante 7,200,000 5,082,300 70.6

Independencia 4,500,000 1,250,908 27.8

La Joya 4,200,000 1,307,000 31.1

La Providencia 7,500,000 1,818,471 24.2

Pujiltic 6,000,000 3,373,004 56.2

San José de Abajo

7,500,000 1,118,000 14.9

San Nicolás 12,000,000 2,547,683 21.2

San Pedro 7,500,000 3,206,000 42.8

Total 81,750,000 33,562,030 43.9 Fuente: Mesera et al, 2006

La capacidad instalada actualmente en las destilerías es de unos 346,000 litros/día; con

rendimientos en el rango comprendido entre 230 y 250 litros/tonelada de melaza

procesada. Actualmente, las dos destilerías con posibilidades fuertes de producir etanol

anhidro se encuentran en Veracruz. Los ingenios La Gloria y San Nicolás pueden

producir más de 115,000 litros/día (Enriquez, 2006).

La producción de etanol en las destilerías mexicanas es bastante reciente y limitada;

surgió después de la investigación desarrollada por el Instituto Mexicano del Petróleo

(IMP), donde se probaron mezclas de etanol anhidro en proporciones del 3%, 6% y 10%

junto con gasolina base. Las pruebas de emisiones se realizaron en 12 motores,

representativos del parque vehicular que corre en la zona metropolitana de la ciudad de

México a 2,200 msnm. La determinación de las emisiones de estos combustibles se

basó en el contenido de hidrocarburos, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno. Los

protocolos de prueba se ajustaron estrictamente a la normativa exigida por el propio

IMP y las autoridades correspondientes en materia ambiental (IMP, 2006).

2. Antecedentes


La figura 3 muestra los resultados de la prueba, contrastándola con la mezcla gasolina -

MTBE actualmente utilizada (Enriquez, 2006).

En esta figura se destaca que la reducción importante en CO, ocurre en la mezcla

proporción de 6% etanol y 94% gasolina.

México cuenta con una brecha tecnológica de 10 años de atraso respecto al parque

vehicular de los Estados Unidos, lo que supone un problema en la utilización de

mezclas de mayor contenido de etanol para los automotores; en Estados Unidos, se

han utilizado vehículos con convertidor de tres vías con sensor de oxígeno a partir del

año 1996, los cuales pueden compensar el exceso de oxígeno derivado del uso del

etanol, a través del incremento en la masa de combustible inyectada en cada cilindro

por ciclo; dado que el parque vehicular mexicano tiene 10 años de atraso, este tipo de

vehículos empezaron a estar disponibles en el año 2006, lo cual asegura que un poco

porcentaje de estos autos son utilizados en el país, por lo tanto, el uso de mezclas con

contenidos mayores de etanol puede traer consecuencias graves en el rendimiento y

vida útil del automotor (Schifter et al, 2000).

Figura 3. Resultados de la prueba de laboratorio

Fuente: IMP, 2008

2. Antecedentes


En febrero de 2008, se publicó la Ley de Promoción y Desarrollo de los Bioenergéticos,

donde PEMEX abre las posibilidades de utilizar etanol anhidro como oxigenante en las

gasolinas. El oxígeno presente en la gasolina garantiza una mejor combustión,

quemando todo el contenido energético de ésta, de manera que las emisiones hacia la

atmósfera se reducen de manera considerable. Debido a los problemas derivados del

uso de MTBE como oxigenante, PEMEX aumenta sus investigaciones sobre la

utilización de etanol como el principal oxigenante de la gasolina (SENER, 2008).

En el tercer cuatrimestre de 2010, entró en vigor una prueba piloto de uso de mezcla

etanol - gasolina en la zona conurbada de la ciudad de Guadalajara, donde se invertirán

por parte de PEMEX entre 150 y 320 millones de pesos, con una demanda estimada de

200 millones de litros de etanol por año (SENER, 2008).

La infraestructura requerida fue de 4 tanques con 10 mil barriles de capacidad cada

uno, en la zona de El Castillo y Zapopan, Jalisco. El objetivo final de esta prueba piloto

será asegurar la competitividad a largo plazo del etanol contra el MTBE, así como

realizar estudios de sustentabilidad donde no exista competencia contra el uso de la

materia prima como alimento, evitar la deforestación y pérdida de biodiversidad.

(Soberanis, 2008).

Varias instituciones tanto públicas como privadas han empezado a realizar

investigaciones en torno al uso de biocombustibles, principalmente etanol y biodiesel.

Actualmente, se trata de casos aislados de institutos de investigación o empresas

privadas que tienen proyectos vigentes para producir etanol de distintas maneras. Sin

embargo, son esfuerzos individuales y a pequeña escala. Entre las más destacadas se

encuentran la Universidad Autónoma de Chapingo (UACH), el Instituto Tecnológico de

Monterrey (ITESM), el Instituto Nacional de Investigación Agrícola, Pecuaria y Forestal

(INIFAP), organizaciones gremiales como la Confederación de Agricultores del Estado

de Sinaloa (CADESS), una empresa privada en Cadereyta, Nuevo León, la Universidad

Nacional Autónoma de México (UNAM), la Secretaría del Medio Ambiente y Recursos

Naturales, la Secretaría de Agricultura, la Secretaría de Minas y Petróleo de México, el

Instituto Mexicano del Petróleo, entre otros (ICA, 2007).

3. Objetivos


3. OBJETIVOS

3.1 Objetivo general

Realizar pruebas de combustión en un motor monocilíndrico de ignición por chispa

alimentado con mezclas gasolina-etanol anhidro/hidratado en proporciones volumétricas

del 90-10%, 80-20%, 70-30% y 60-40% respectivamente, para comparar los parámetros

de resultantes y determinar si existen diferencias al utilizar uno u otro etanol.

3.2 Objetivos específicos

Realizar análisis de densidad relativa en el etanol anhidro, hidratado, y la

gasolina base; estimar la relación estequiométrica aire/combustible y observar la

miscibilidad, olor y aspecto físico de las ocho mezclas combustible.

Medir las temperaturas de admisión de aire en la entrada de combustible a la

cámara y de los gases de escape en el tubo colector.

Elaborar pruebas de consumo másico y específico de combustible.

Medir la potencia indicada, desarrollada en la cámara de combustión para cada

mezcla utilizada.

Medir y analizar los gases de escape producto de la combustión de las ocho

mezclas combustible, así como el combustible de referencia.

4. Hipótesis


4. HIPÓTESIS

1. No existe una diferencia resaltable en los resultados de las pruebas de consumo de

combustible, temperaturas de admisión y escape, potencia y torque indicados, así como

los de gases de escape, al utilizar etanol hidratado o anhidro

2. Existe completa miscibilidad de la gasolina y el etanol anhidro e hidratado en

proporciones volumétricas de 90%-10%, 80%-20%, 70%-30% y 60%-40%

respectivamente para temperaturas mayores a 25°C.

5. Marco Teórico


5. MARCO TEÓRICO

5.1 Caracterización de combustibles

La caracterización de un combustible consiste en identificar sus propiedades físicas y

químicas a través de diversas pruebas de laboratorio. Es importante conocer estos

parámetros debido a que el diseño de los depósitos de combustible en los automóviles,

bombas y conductos se basan en sus propiedades físicas y químicas del combustible a

utilizar para evitar desgastes, pérdidas por evaporación así como caídas de presión.

Dentro de los parámetros más comunes, se encuentran la densidad relativa,

temperatura de ebullición, temperatura de inflamación, temperatura de autoignición,

miscibilidad, presión de vapor, poder calorífico, viscosidad, olor y aspecto físico, número

de octanaje, grado de goma y relación estequiométrica aire-combustible.

La densidad relativa es la relación que existe entre el peso de un cuerpo y el de igual

volumen de agua a una temperatura normalmente medida de 20°C (Potter, 2006).

La temperatura de ebullición es la que provoca que un líquido cambie hacia la fase

gaseosa, donde su presión de vapor es igual a la presión del medio que lo rodea

(Mohina, 2010).

La temperatura de inflamación es aquella en la que un combustible emite gases

inflamables suficientes para alcanzar en su entorno el límite inferior de inflamabilidad, a

partir del cual, con una fuente de calor externa puede producirse una combustión no

automantenida (PEMEX, 2010-B).

La temperatura de autoignición es la temperatura mínima a la que un gas inflamable o

mezcla de aire-vapor que se encuentra en contacto con el aire, arde espontáneamente

sin necesidad de una fuente de ignición. A esta temperatura se alcanza la energía de

activación suficiente para que se inicie la reacción de combustión (Mowrer, 2003).

La miscibilidad es la propiedad que tienen algunos líquidos para mezclarse en cualquier

proporción, formando una solución homogénea. El agua y el alcohol son miscibles en

5. Marco Teórico


cualquier proporción, pero la gasolina es inmiscible con el agua, de ahí la importancia

de esta prueba para las mezclas combustibles (Mohina, 2010).

La presión de vapor evalúa la tendencia del combustible a evaporarse. Debe ser

suficientemente alta para garantizar el arranque fácil del motor, pero no tanto que llegue

a contribuir a la interrupción del paso del combustible al sistema de alimentación. Las

gasolinas con presión de vapor muy alta, tienden a provocar pérdidas mayores por

evaporación impactando directamente en el medio ambiente (CEPAL, 2006).

El poder calorífico es la cantidad de energía calorífica que entrega una determinada

cantidad de combustible al oxidarse en forma completa. Expresa la energía máxima que

puede liberar la unión química entre un combustible y un comburente. Es necesario

conocer este parámetro para determinar qué tan eficiente será la combustión, pues a

menor poder calorífico, se necesita mayor combustible para desarrollar la misma

potencia, en el caso de un automotor (CEPAL, 2006).

La viscosidad es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le

aplica una fuerza. Es importante la medición de este parámetro porque da una medición

del grado de fluidez del combustible; permite apreciar la posibilidad del bombeo en un

depósito y de esta manera, saber si se tendrá un suministro regular a la cámara de

combustión (CEPAL, 2006).

El olor y aspecto físico es una prueba importante de realizar, ya que se debe reconocer

un combustible con sólo olerlo o verlo, para que en caso de fuga o derrame, se pueda

identificar de qué tipo de combustible se trata y así realizar el procedimiento adecuado

para evitar un accidente. Los olores característicos de los combustibles líquidos son

muy penetrantes y el estar en contacto directo durante un tiempo prolongado, puede

causar náuseas, cefaleas e incluso vómito.

El número de octano u octanaje, es la capacidad que tiene un combustible para resistir

la detonación y se clasifica en dos principales tipos:

RON (Research Octane Number), es una escala que mide la capacidad antidetonante

del combustible con respecto a la de una mezcla patrón formada por una mezcla de

5. Marco Teórico


isoctano y n-heptano; de esta forma, se determina el número de octanos del

combustible con respecto al porcentaje de isoctano en la mezcla estándar. Por ejemplo,

una gasolina que tiene la misma capacidad antidetonante que una mezcla formada por

87% de isoctano y 13% n-heptano, se dice que tiene un octanaje de 87 octanos (ASTM

D2699-11, 2010).

MON (Motor Octane Number), también se basa en un combustible de referencia,

formado por isoctano y n-heptano; la diferencia que tiene con la medida RON es que se

sobrecarga más el motor durante el ensayo, ya que se utiliza más revolucionado y con

tiempos de ignición variables (ASTM D2700-11, 2010).

Por último, la relación estequiométrica aire-combustible (A/F por sus siglas en inglés),

es un parámetro adimensional utilizado para describir la cantidad de aire necesaria para

la combustión completa de un combustible utilizado (en este caso, gasolina); lo que

realmente se utiliza del aire es el contenido de oxígeno (79% nitrógeno y 21% oxígeno

en volumen), por lo que la cantidad de aire es mucho mayor a la cantidad de

combustible para la reacción química (Eastop, 1993).

El valor ideal o estequiométrico de la relación AF para la mayoría de las gasolinas

comerciales es muy cercano a 15:1. Los sistemas de inyección o carburadores, sirven

para regular el contenido de combustible para cualquier flujo de aire; los motores de

gasolina, normalmente tienen un rango de AF que va desde 12:1 a 18:1, dependiendo

de las condiciones de operación, tales como aceleración repentina, arranque, rebase,

etc. (Pulkrabek, 2000).

5.2 Características del etanol

El etanol, también conocido como alcohol etílico, es un líquido incoloro de fórmula

química CH3CH2OH (o también expresado como C2H5OH), inflamable, de olor y sabor

agradable, miscible en agua en todas sus proporciones y con la mayoría de los

disolventes orgánicos. Debido a que el etanol contiene hasta un 35% de oxígeno en su

composición, puede provocar una combustión más completa en el automotor,

resultando en esto, menores emisiones de gases contaminantes hacia la atmósfera (IM,

2005).

5. Marco Teórico


La tabla 6 muestra las características fisicoquímicas del etanol anhidro.

Tabla 6. Características fisicoquímicas del etanol anhidro

Parámetro Valor

Temperatura de ebullición (°C) 78.5

Temperatura de inflamación (°C) 13

Temperatura de autoignición (°C) 363

Densidad relativa (g/cm3) 0.79

Solubilidad en agua miscible

Presión de vapor (mmHg a temp. ambiente) 43

Poder calorífico inferior (KJ/kg) 26,810

Poder calorífico superior (KJ/kg) 29,670

Número de octanaje (RON, MON) 109/98

Relación estequiométrica A/F 9

Fuente: IM, 2005

El etanol se obtiene a partir del etileno por hidratación catalítica o por una reacción de

adición de acido sulfúrico e hidrólisis posterior. Se produce también por fermentación de

productos naturales ricos en hidratos de carbono, tales como la caña de azúcar, papa,

maíz y arroz, principalmente. (Montoya, 2006).

Existen varios tipos de etanol, de acuerdo a la cantidad de agua que tiene presente,

como lo son alcohol del 70, alcohol del 96, alcohol del 26, etc. Ese número, se refiere al

porcentaje de alcohol puro, el valor restante se refiere a la cantidad de agua; por

ejemplo el alcohol del 96 tiene un 4% en volumen de contenido de agua y 96% de

alcohol absoluto.

El etanol absoluto, o etanol anhidro es el que tiene el más bajo contenido de agua. Para

que el etanol se considere absoluto, debe tener una proporción de volumen de agua

menor al 0.5%. Este tipo de etanol se utiliza en la industria como solvente de algunos

5. Marco Teórico


compuestos, pero principalmente se utiliza como combustible, mezclándose con

gasolina en distintos proporciones (Espinosa, 2010).

El contenido máximo de pureza que se puede obtener de un etanol por medio de

destilación normal es del 96%. En este nivel, la mezcla alcohol-agua tiene un

comportamiento azeotrópico, con lo que las propiedades químicas y físicas de ambos

compuestos se fusionan en uno, conservando las propiedades del etanol, es por ello

que para obtener etanol anhidro se requiere de un proceso extra a la destilación, lo que

trae como consecuencia un encarecimiento del producto, por lo tanto, llega a ser

económicamente inviable para su uso en países que empiezan la producción de este

tipo de combustible, como el caso de México (Pérez, 2005).

Es por ello que recientemente se ha utilizado el etanol hidratado (normalmente entre un

4% y 4.9% máximo de agua) como un oxigenante potencial en las gasolinas comunes

de países como Brasil y Cuba debido a sus condiciones climatológicas, ya que la

gasolina aumenta su tolerancia al agua a temperaturas mayores a 20°C,

aproximadamente. El inconveniente que presenta este combustible es su baja

miscibilidad con la gasolina en climas fríos, debido al contenido de agua, por lo que su

uso aún no se ha potencializado a nivel mundial (Sodré et al, 2009).

La tabla 7 muestra las caracteristicas principales del etanol hidratado como

combustible.

5. Marco Teórico


Tabla 7. Características fisicoquímicas del etanol hidratado

Parámetro Valor

Estructura química C1H5.84O

Densidad relativa (kg/l) 0.81

Poder calorífico (KJ/kg) 24,995

Relación estequiométrica A/F 8.81


Presión de vapor (bar) 29

Número de octanaje (RON/MON) 106/87

Fuente: (Sodré et al, 2009)

5.3 Características de la gasolina

La gasolina es una mezcla de hidrocarburos derivada del petróleo, que se utiliza como

combustible en motores de combustión interna de ignición por chispa; su fórmula

química es C5H12 y C9H20 (PEMEX , 2004-a).

La gasolina se obtiene del petróleo en una refinería, la cual se encarga de transformarlo

en derivados comercializables. Es de color rojo, con un olor característico un tanto

agradable, pero al estar por periodos prolongados en contacto, llega a causar nauseas.

(PEMEX R. , 2004).

En México, existen dos tipos de gasolinas: la gasolina magna y la premium. La magna

contiene un octanaje menor que la premium, es la más común utilizada en los vehículos

del país y su precio es menor que la segunda (PEMEX R. , 20010).

La tabla 8 muestra las características fisicoquímicas de la gasolina magna

Las gasolinas contienen aditivos químicos llamados oxigenantes. Los oxigenantes

permiten que exista la combustión completa en los motores; de esta forma se reduce la

cantidad de gases contaminantes emitidos al medio ambiente, principalmente monóxido

de carbono e hidrocarburos no quemados.

5. Marco Teórico


Existen muchos tipos de oxigenantes utilizados para las gasolinas, como los éteres. El

metíl tert butil eter (MTBE) es un compuesto oxigenante que al mezclarlo con la

gasolina eleva el octanaje del producto final; este aditivo vino a sustituir al plomo debido

a que presentaba impactos negativos en la salud, como la aparición de cáncer y la

contaminación ambiental, también porque el MTBE es menos costoso que el plomo y

puede ser producido en las mismas refinerías de petróleo (Carrasco, 2001).

Tabla 8. Características fisicoquímicas de la gasolina magna

Parámetro Valor

Temperatura de ebullición (°C) 38.8

Temperatura de inflamación (°C) 21


Solubilidad en agua insoluble

Presión de vapor (Kpa) 6.5 - 7.8

Poder calorífico inferior (KJ/kg) 44,000

Poder calorífico superior (KJ/kg) 47,300

Número de octanaje (RON, MON) 91/80

Relación estequiométrica A/F 14.7-15

Fuente: (PEMEX, 2004-a)

Estudios realizados por algunos organismos internacionales como la Agencia de

Protección Ambiental de los Estados Unidos (US EPA), indican que el MTBE también

tiene efectos nocivos sobre el ambiente y en la salud del ser humano. El MTBE es un

compuesto químico que ocasiona enfermedades cancerosas y alteraciones genéticas;

es muy volátil y completamente soluble en el agua, lo que puede ocasionar

contaminación en fuentes de abastecimiento de agua potable (EPA, 2005).

Algunas ventajas de utilizar etanol en lugar de MTBE es que contiene un 35% de

oxígeno por peso, lo que representa el doble de oxígeno que tiene el MTBE, lo que

produce una combustión más completa. Adicionalmente, el etanol es particularmente

biodegradable, eliminando algunas de las preocupaciones relativas a la contaminación

de agua que como ya se vio, se le han atribuido al MTBE (Montoya, 2006).

5. Marco Teórico


5.4 Mezclas gasolina-etanol anhidro

La idea de agregar bajos contenidos de etanol a la gasolina no es nueva, ya que a raíz

de la crisis energética de los años 70’s, se empezaron a utilizar mezclas de etanol o

metanol con diesel y gasolina. Inicialmente, el metanol fue considerado el alcohol más

atractivo para ser mezclado con la gasolina, debido a que es producido por gas natural

a un bajo costo y es fácilmente mezclable con la gasolina; pero la experiencia llevó a los

investigadores a darse cuenta de que el uso de este aditivo, conllevaba a un estricto

control de seguridad a la hora de su transporte y almacenamiento, ya que es muy

corrosivo en algunos materiales como el plástico e incluso metales, con lo cual, los

automóviles empezaron a dar problemas en su funcionamiento. Es por ello que el etanol

se utiliza desde esa época para mezclarse en distintas proporciones con la gasolina

(AVL, 2005).

En países como Estados Unidos y Canadá, se le llama gasohol a la mezcla de gasolina

y alcohol en distintas proporciones. El uso más común de este término se refiere a la

mezcla con 10% etanol y 90% gasolina, pero también se utiliza en general para referirse

a las mezclas con bajos contenidos de alcohol, usualmente inferiores al 25%. Las

mezclas que contienen un alto porcentaje de alcohol requieren que el motor, el sistema

de inyección y otros componentes del vehículo sean adaptados a las propiedades

químicas del alcohol, con mayor atención a los efectos corrosivos (Nichols, 2003).

La proporción entre ambos combustibles se suele indicar con el porcentaje de etanol

precedido por una letra E mayúscula. De esta manera, el combustible E10 se compone

de 10% etanol y 90% gasolina y el E85 se obtiene mezclando 85% etanol y 15%

gasolina (Nichols, 2003).

El E10 es una mezcla que puede usarse en los motores de la mayoría de los

automóviles sin producir daño alguno en ellos. En diversas literaturas se describe que el

uso de mezclas E20 no exige modificaciones en los motores, pero para mezclas de

mayor porcentaje de etanol, se requiere un diseño especial del motor, aunque por otro

lado, existen evidencias de que para mezclas mayores al 5% de etanol, ya se requieren

modificaciones especiales para el correcto funcionamiento del motor. Los componentes

5. Marco Teórico


del automotor más afectados por concentraciones mayores de etanol se pueden

resumir de la siguiente manera:

10% etanol

Para mezclas de hasta un 10% únicamente se requiere modificación en el carburador,

ya que el convencional es de aluminio y por lo tanto, un contenido mayor de etanol

puede dañarlo. Se debe sustituir o utilizar un tratamiento de superficie o un anonizado.

La inyección electrónica no necesita ninguna modificación (Mello et al, 2006).

10% - 20% etanol

Para mezclas del 10% al 20%, se requiere además sustituir al carburador debido al

problema anteriormente mencionado, aparte los componentes de poliamida 6.6 deben

ser sustituidos por otros materiales que soporten el contenido de etanol. En el sistema

de inyección electrónica, se requiere sustituir los inyectores convencionales por unos de

acero inoxidable, con la finalidad de favorecer la atomización; se requiere una nueva

calibración del motor y sustitución del sensor de oxígeno. Por el lado del tanque de

combustible, si es metálico, la superficie interna debe ser protegida con un

recubrimiento adecuado y de igual manera, los componentes de poliamida 6.6 deben

ser sustituidos por otros materiales. La superficie interna de la bomba y los devanados

deben ser recubiertos por un material anticorrosivo. El convertidor catalítico también

requiere de un cambio, principalmente por la cantidad de metales nobles que están

presentes en el catalizador (Joseph, 2007).

20% - 100% etanol

Para mezclas del 20% hasta incluso 100%, se requiere prácticamente una modificación

total del motor, empezando por el carburador, las partes metálicas y plásticas del motor,

el tanque de combustible, tubo de escape, la bomba de combustible, múltiple de

admisión, el dispositivo de presión del combustible, sistema de ignición, y el filtro del

combustible (Mello et al, 2006).

De forma general, la tabla 9 muestra las modificaciones necesarias que debe tener un

motor para que pueda operar correctamente con mezclas mayores a E20.

5. Marco Teórico


Tabla 9. Modificaciones necesarias en motores para mezclas > E20

Mezcla

Etanol

(%)

Carburador Inyección

Combustible

Bomba

Combustible Filtro

Sistema

de

Ignición

Tanque

Combustible

Convertidor

Catalítico

Motor

Básico

Aceite

del

Motor

Sistema de

escape

Sistema de

Arranque en Frío

<= 5

PARA CUALQUIER VEHÍCULO

E5-E10

PARA VEHÍCULOS DE 15 - 20 AÑOS DE ANTIGÜEDAD

E10 -

E25

PARA VEHÍCULOS ESPECIALMENTE DISEÑADOS

VEHÍCULOS DE HASTA 15 -

20 AÑOS ANTIGÜEDAD

E25 -

E85


E85 -

E100


Nomenclatura: Color Azul= Modificaciones no necesarias

Color Melón= Modificaciones probablemente necesarias

Fuente: (Joseph, 2007)

Está comprobado que la utilización de aditivos oxigenantes reduce las emisiones de

monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos totales (THC) en los gases de escape de

los vehículos, al mismo tiempo que elevan el octanaje del combustible, lo cual permite

reemplazar sustancias tóxicas como el ya mencionado MTBE (Torres, 2002).

5.5 Mezclas gasolina-etanol hidratado

Actualmente, las investigaciones en torno al uso de etanol hidratado como sustituto del

etanol anhidro se han incrementado de manera importante, hasta el hecho de ya tener

una nomenclatura propia para identificar las mezclas: HE o EH, seguido por un número

que indica el porcentaje en volumen de etanol hidratado.

El contenido de agua en el etanol hidratado puede provocar una separación entre las

fases gasolina-agua-alcohol, ocasionando problemas en la inyección del motor y en el

arranque, así como pérdidas de energía calorífica al consumirse una parte de

combustible para lograr evaporar el contenido de agua (Rajan, 1983).

5. Marco Teórico


Una de las principales ventajas que tiene el etanol hidratado frente al anhidro, es su

costo de producción, ya que el etanol anhidro requiere, como ya se ha explicado, un

proceso extra para obtener su pureza, llamado destilación azeotrópica con ciclo-

hexano, donde se pierde aún más la cantidad original de alcohol y se requiere mayor

energía para dicho proceso. En promedio, una tonelada de caña de azúcar produce

cerca de 90 litros de etanol hidratado pero únicamente 80 u 85 litros de etanol anhidro

(Macedo et al, 2008).

Brasil ha utilizado durante años el etanol hidratado sin mezclarse con la gasolina, como

un combustible absoluto para los automóviles con motor de ignición por chispa (E100),

obteniendo resultados benéficos en cuanto al rendimiento del automóvil, lo cual, llevó a

profundizar más en el estudio de este combustible como posible candidato para

oxigenar las gasolinas comerciales (Volpato, 2008).

Diversos estudios apuntan a que una temperatura mayor a 30°C, puede sostener el

equilibrio de las fases etanol-agua-gasolina, aumentándose la tolerancia al agua

conforme se incrementa el contenido de etanol en la mezcla, así como la temperatura

(Volpato, 2008). La figura 4 muestra el contenido aproximado de agua tolerable en la

gasolina a distintos valores de temperatura.

Figura 4. Tolerancia al agua en función de la temperatura del combustible

Fuente: Johannes, 2006

5. Marco Teórico


En esta tabla se puede observar que la tolerancia al agua aumenta de manera

significativa conforme se incrementa la temperatura de la mezcla, donde es importante

también el contenido de etanol, donde a mayor volumen, aumenta la tolerancia al agua

considerablemente.

Estudios realizados por investigadores brasileños para determinar la temperatura a la

cual ocurría la separación de las fases en diversas mezclas gasolina-etanol hidratado

muestran que dicha separación únicamente ocurre a temperaturas muy bajas, incluso

algunas tan bajas que nunca se han registrado en todo el país sudamericano, lo que les

da un panorama más amplio para incrementar su uso como oxigenante en las gasolinas

comerciales (Volpato, 2008).

Para disminuir la temperatura a la cual ocurre la separación de las fases, se han

utilizado aditivos extra como el iso-propanol; la adición del 1% en volumen de este

compuesto puede hacer que la mezcla EH15 tenga una temperatura de separación de

fases debajo de -20°C (Hans, 2007).

5.6 El motor de ignición por chispa

El motor de combustión interna es un tipo de máquina que transforma la energía de las

reacciones químicas producidas por un combustible que arde en una cámara de

combustión en energía mecánica. La ignición es un método para activar y controlar la

combustión de un combustible en una cámara de combustión interna, la cual se inicia

con el chispazo producido por una bujía (Giacosa, 2004).

El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos (4T), aunque en algunos

vehículos principalmente motocicletas de hasta un cierto volumen de cilindrada, se

utilizó mucho el motor de dos tiempos (2T). Casi todos los vehículos a gasolina operan

bajo el ciclo de potencia de cuatro tiempos.

Los tiempos, se refieren al funcionamiento del motor, desde que recibe el combustible

hasta la expulsión de los gases de combustión hacia el medio ambiente. Los tiempos de

operación de un motor a gasolina son cuatro: admisión, compresión, combustión o

expansión y escape, los cuales se describen a continuación:

5. Marco Teórico


En el tiempo de admisión, el pistón se desplaza desde el punto medio superior (PMS)

hasta el punto medio inferior (PMI) mientras que la mezcla aire/combustible entra a la

cámara de combustión, gracias a la apertura de las válvulas de admisión.

El tiempo de compresión inicia al finalizar la admisión; el pistón comienza su recorrido

hacia arriba (carrera de compresión), la válvula de admisión que se encontraba abierta

se cierra y debido a que la mezcla no tiene ninguna opción de escape, es comprimida.

En el tiempo de combustión o expansión, ocurre una ignición progresiva de la mezcla

debido a la chispa que se genera por la bujía; gracias a esta combustión los gases

generados se expanden y empujan de nuevo el pistón hacia el PMI, lo que hace girar al

cigüeñal.

En el tiempo de escape, nuevamente el pistón vuelve a su recorrido hacia arriba,

empujando los residuos de la combustión, que gracias a la apertura de las válvulas de

escape salen del motor. Aquí se inicia el ciclo nuevamente, abriendo la válvula de

admisión y repitiéndose los pasos anteriores (Bosch, 1999).

La figura 5 muestra la relación presión-volumen de un ciclo Otto.

Figura 5. Ciclo Otto de 4 tiempos

Fuente: Van Wyle, 2006

5. Marco Teórico


En esta figura se observa que los tiempos de admisión y escape, ocurren a una presión

constante, mientras que en el tiempo de compresión ocurre un aumento en la presión y

una disminución del volumen, caso contrario en la expansión, donde se incrementa el

volumen pero se reduce sustancialmente la presión.

5.6.1 Parámetros de operación

Los principales parámetros de operación que indican el comportamiento de un motor

son los siguientes: potencia y torque al freno, potencia y torque indicados, presión

media efectiva, consumo específico de combustible, eficiencia volumétrica y eficiencia

mecánica.

La potencia y torque al freno van directamente relacionados, ya que dicha potencia se

calcula gracias a la medición del torque en el eje de transmisión del motor; es un buen

indicador de la habilidad del motor para producir trabajo y es definido como el momento

de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia (Pulkrabek,

2003).

Ambos parámetros están directamente relacionados con la velocidad del motor, a baja

velocidad, el torque se incrementa conforme aumenta la velocidad; mientras se sigue

incrementando la velocidad, el torque llega a un valor máximo y empieza a decrecer,

debido a las altas pérdidas por fricción. La figura 6 muestra el comportamiento del

torque respecto a la velocidad angular del motor

Figura 6. Comportamiento del torque a diferentes valores de velocidad

Fuente: Pulkrabek, 2003

5. Marco Teórico


Por otra parte, la potencia indicada es la que se genera directamente por la

transferencia de energía del combustible hacia el pistón, pudiéndose medir gracias al

valor de la presión media efectiva dentro del cilindro (Heywood, 1988).

La presión dentro del cilindro y su volumen en un ciclo del motor, pueden graficarse en

un diagrama presión-volumen, donde el área bajo la curva resultante es la potencia

indicada (Heywood, 1988).

La potencia al freno siempre será menor que la indicada, por lo tanto, si se desea

conocer el valor de la potencia que se pierde en rodamientos y demás piezas

mecánicas, basta con restar ambas potencias; por lo tanto, la eficiencia mecánica

puede ser conocida dividiendo la potencia al freno entre la potencia indicada

(Pulkrabek, 2003).

La presión media efectiva se puede calcular de dos formas: con el valor de la potencia

al freno o bien, la potencia indicada dividida entre el volumen específico originado por la

carrera del pistón (Pulkrabek, 2003).

El consumo de combustible es medido como la razón de flujo másico de combustible

por unidad de tiempo. Un parámetro que se usa comunmente es el consumo específico

de combustible, el cual indica el flujo de combustible por kilowatt de potencia generada

(Heywood, 1988).

De igual manera, se puede medir el consumo específico de combustible utilizando la

potencia indicada o la potencia al freno, siendo más comunmente utilizada la última.

La eficiencia volumétrica es la efectividad que puede alcanzar un motor de combustión

interna en el llenado del cilindro, así como en la salida de los gases producto de la

combustión, es decir que la misma se encuentra asociada principalmente a los sistemas

de alimentación y escape, los cuales son determinantes en buena medida de la

potencia (Giacosa,1989).

La eficiencia volumétrica es uno de los procesos más importantes, que indica qué tanta

potencia y rendimiento pueden obtenerse de un motor a un valor máximo del contenido

de aire en el cilindro durante cada ciclo de operación. Mientras más entrada de aire se

5. Marco Teórico


tenga, más combustible puede quemarse y por lo tanto, se obtendrá más conversión de

energía (Pulkrabek, 2003).

La eficiencia volumétrica es el parámetro que se utiliza para medir la efectividad que

tiene el proceso de admisión en un motor y se puede calcular utilizando la siguiente

expresión:

(1)

5.7 Pruebas de combustión

Las pruebas de combustión que se le realizan a un automotor están regidas por

normas, según el lugar donde se encuentre operando el vehículo. Entre las principales

pruebas de combustión a las que se somete un automotor son: emisión de gases de

combustión, rendimiento de combustible, temperatura de gases de combustión y

potencia-par que entrega el motor a la carga.

Emisión de gases contaminantes

El análisis de gases de combustión consiste en medir la cantidad de gases

contaminantes que el motor emite a la atmósfera. Por lo regular, las unidades

verificadoras analizan el contenido de los siguientes gases: Dióxido de carbono (CO2),

oxígeno (O2), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), dióxido de azufre

(SO2), e hidrocarburos no quemados (HC) (Serrano, 2005).

En México se cuenta con varias normas, destacando la NOM-050-SEMARNAT-1993,

NOM-048-SEMARNAT-2003 y NMX-AA-11-1993-SCFI. La primera establece los niveles

máximos permisibles de emisión de gases contaminantes provenientes del escape de

los vehículos automotores en circulación que usan gas licuado de petróleo, gas natural

u otros combustibles alternos. La segunda norma establece los niveles máximos

permisibles de emisión de hidrocarburos, monóxido de carbono y humo, provenientes

de motocicletas en circulación que utilizan gasolina o mezcla de gasolina-aceite como

combustible. Por último, la norma NMX-AA-11-1993-SCFI establece el método de

prueba para la evaluación de emisiones de gases del escape de los vehículos

automotores nuevos en planta que utilizan gasolina como combustible. Cabe mencionar

5. Marco Teórico


que las normas NOM son obligatorias, mientras que las NMX son únicamente

referenciales, aunque los organismos que se encargan de evaluar los gases

contaminantes, se deben ajustar a dicha norma (SECOM, 2002).

Dentro de la medición de los gases provenientes del escape, existe un método

estandarizado que se usa en casi todos los países que llevan un control de emisiones

vehiculares: la ecuación de Lambda Brettschneider. Esta ecuación sirve para

determinar la relación de equilibrio aire/combustible en los automotores. La ecuación

ideada por el Dr. Johannes Brettschneider, establece el método para calcular el balance

de oxígeno en el combustible al comparar la proporción de moléculas de oxígeno en las

moléculas de carbono e hidrógeno en el tubo de escape. La ecuación es un poco

compleja, pero conociendo valores medidos de CO, CO2, HC y O2 es relativamente fácil

de calcular (BA, 2007).

Las unidades en que se miden regularmente son: partes por millón (ppm) o porcentaje

en volumen (% vol).

Medición de potencia y par

Para esta prueba, existen varias normas, tanto norteamericanas como europeas. En el

caso de México, no existen normas que determinen la metodología para realizar dicha

prueba, puesto que todas las armadoras de autos al ser extranjeras, tienen sus propios

códigos y normas de acuerdo a su país de origen. Entre las más usadas, se encuentran

la SAE-j1348, DIN-70020 y ECE-R24 (AMIA, 2010).

La norma SAE-j1348 establece la prueba de potencia mecánica de un motor, tomando

en cuenta o no las pérdidas de transmisión, por lo que realiza dos pruebas: la prueba

de dinamómetro de chasis y la de dinamómetro de motor. El dinamómetro de motor

mide el torque directamente a la salida del motor, mientras que la prueba de

dinamómetro de chasis, mide el torque en los ejes del auto, por lo que ésta dará el valor

exacto, considerando las pérdidas en la transmisión.

La norma DIN-70020, es de origen alemán y en esta se establece el método para medir

la potencia en HP a un motor. La norma ECE-R24 es de origen europeo y de igual

manera, establece el método para la medición de potencia en HP. Para conocer la

5. Marco Teórico


potencia, todas las normas establecen la medición del torque y las revoluciones por

minuto del motor. (ICONTEC, 2010).

Temperatura de gases de escape

La temperatura de los gases de escape es un parámetro muy importante de determinar,

ya que una temperatura arriba de los valores comunes (entre 400°C y 600°C) puede

significar un alto contenido de NOX en los gases, ya que éstos se forman durante la

combustión a temperaturas arriba de 2,000°C, por lo tanto, es de esperarse que los

gases de escape salgan a una temperatura mayor (Schifter, 2010).

Una elevada temperatura de gases de escape también determina una combustión más

acelerada, la cual la puede ocasionar el contenido de etanol, ya que aumenta

significativamente la velocidad de combustión, por lo tanto, la temperatura elevada

puede ser causa de un alto contenido de etanol en el combustible (Sodré, 2009).

5.8 Efectos negativos del etanol en el ambiente

Actualmente, en muchos países se están creando nuevas políticas energéticas donde

se promueve el uso de gasolinas oxigenadas con etanol, especialmente anhidro a una

concentración del 10% en volumen, debido primeramente a que los automóviles no

requieren ninguna modificación en el motor y porque la producción de etanol anhidro es

escasa, por lo que no se pueden utilizar contenidos mayores.

En literaturas científicas especializadas, la evidencia de efectos ambientales favorables

por el uso de gasolina oxigenada con etanol es contradictoria, por un lado se

demuestran reducciones importantes de los gases de escape, mientras que muchos

autores aseguran que existe una mayor formación de gases en la combustión de etanol

que son nocivos para la salud; debido a esto existe una gran controversia mundial

acerca del uso de este combustible modificado, si es viable o no, si habrá escasez de

azúcar para consumo humano, si será ambientalmente favorable su uso, etc.

cuestiones que no han permitido que todos los países opten por esta vía de desarrollo

energético (EPA, 2005).

5. Marco Teórico


En algunas ciudades brasileñas, se han reportado emisiones de acetaldehído

sustancialmente mayores cuando se usa combustible E10 en comparación con gasolina

corriente (Duque, 2006).

En el año 2001, se publicó en la revista Atmospheric Enviroment, volumen 35, el caso

de un estudio llevado a cabo en un vehículo montado sobre un dinamómetro, donde se

midieron emisiones reguladas y no reguladas, utilizando mezclas gasolina-etanol en

porcentajes 3% y 10% de volumen. Los resultados confirmaron que al adicionar etanol,

la cantidad de acetaldehído y acetona presente en los gases de combustión aumentó

de manera proporcional, pero se redujeron de igual manera los contenidos aromáticos,

así como la mayoría de los gases comunes en una combustión (Poulopoulos et al.,

2001).

El acetaldehido es un líquido volatil, incoloro y con un aroma afrutado. Cuando se está

en contacto con este compuesto por periodos prolongados, causa una fuerte irritación

en las mucosas, es toxico para las plantas y se asocia con efectos carcinogénicos

(EPA, 2005).

Por otra parte, una sobreexposición a la acetona puede afectar el sistema nervioso

central, ocasionando dolor de cabeza, vértigo, náuseas y pérdida de la coordinación

corporal. (ATSDR, 2005).

Otro compuesto que debe considerarse en las emisiones de la combustión de mezclas

con etanol es el formaldehido. Este compuesto es responsable de la aparición de

cáncer en estudios hechos con animales. Estudios realizados con ratas han demostrado

que si se aplica de forma prolongada en concentraciones mayores a 6 ppm en el aire

que respiran, les provoca cáncer (ATSDR, 2005).

La tabla 10 muestra los valores de riesgo carcinogénico para los aldehídos producidos

específicamente por el uso de combustible E10.

5. Marco Teórico


Tabla 10. Concentraciones en el aire atmosférico y niveles de riesgo

carcinogénico por inhalación para aldehídos.

Probabilidad o nivel de riesgo

Acetaldehído Formaldehído

mm/m3 p.p.b* mm/m3 p.p.b*

1 en 10 mil personas 5x10-2 2.75x10-5 8x10-3 5.32x10-3

1 en 100 mil personas 5x10-3 2.75x10-6 8x10-4 5.32x10-4

1 en 1 millón de personas 5x10-4 2.75x10-7 8x10-5 5.32x10-5

* Partes por billón

Fuente: (EPA, 2005)

Para el año 2005, la empresa austriaca AVL realizó unas pruebas de manejo en

diversos vehículos comunes del parque vehicular del Reino Unido para combustibles E0

y E10, donde se midieron las emisiones no reguladas hacia el medio ambiente en

condiciones normales de operación. La tabla 11 muestra los resultados obtenidos para

un auto TOYOTA Yaris en ambos combustibles.

Tabla 11. Reporte de las emisiones de gases no regulados para combustibles E0 y

E10

Cantidad (mg/km)

Gas E0 E10

Metano 46.38 51.8352

Formaldehído 0.631 0.353

Acetaldehído 5.0225 9.5395

Óxidos nitrosos

0.3775 0.106

Benceno 3.124 5.7195

Fuente: (AVL, 2005)

En esta tabla puede observar que las emisiones de acetaldehído y benceno fueron

mucho mayores para el combustible E10, mientras que para los demás gases

analizados, hubo una importante reducción, incluso para el formaldehido, el cual es un

gas potencialmente venenoso como ya se mencionó.

5. Marco Teórico


Una evaluación de gases de combustión para el combustible E10 realizada en algunos

vehículos del parque vehicular australiano, fue llevada a cabo por instituciones del

gobierno, mostrando un incremento significativo de CO2 en los gases de combustión,

gas que se considera el mayor causante del efecto invernadero. Tal incremento va

desde 1.4 hasta 4.8 g/km recorrido; lo que corresponde hasta un 3.2% extra en la

cantidad común emitida por un auto (BTRE, 2003).

En el mismo estudio, se muestra un excesivo aumento en el contenido de acetaldehído

en los gases de escape para E10; hasta un 159% mayor que un combustible

convencional, y la aparición de formaldehido no fue significativamente mayor, por lo que

se tomó despreciable su aumento (CSIRO, 2003).

Hace años Mario Molina, premio nobel de química por sus investigaciones sobre el

deterioro de la capa de ozono, rechazó que el uso de etanol como combustible extraído

a partir del maíz beneficie al medio ambiente, ya que por el contrario, es aún más

contaminante por su elevada producción de gases de efecto invernadero en la

combustión; afirma que se consume tanta energía en la producción de etanol que se

obtiene de combustibles fósiles y al final no existe ganancia significativa con respecto a

la gasolina (AFP, 2007).

Es dificil generalizar el comportamiento de los automotores y de los gases de escape de

cualquier mezcla de gasolina y etanol, ya que existen contradicciónes en reportes de

investigaciones de varios países, debido principalmente a que las emisiones de los

gases de escape, la naturaleza exacta de la gasolina que se mezcla con el etanol y el

tipo de vehículos que se utilizan para las pruebas, varían unos de otros, por lo tanto es

importante realizar un estudio especial para las condiciones de cada lugar donde se

realizan, es decir, utilizar la gasolina comercial del lugar, el etanol producido en ese

mismo lugar y utilizar un vehículo perteneciente al parque vehícular propio del lugar

donde se realiza el estudio.

6. Metodología


6. METODOLOGÍA

Para el desarrollo de la metodología del presente trabajo, se elaboró el diagrama que se

muestra en la figura 7, el cual está compuesto por 4 fases de estudio.

Figura 7. Diagrama de la metodología

FASE 1.

Elaboración de las mezclas

combustible

Descripción de las mezclas E0 - E40

Caracterización de los combustibles

FASE 2.

Pruebas de combustión

Medición del consumo de combustible

Medición de temperatura de admisión de aire

Medición de temperatura de gases de escape

Medición de torque

Medición de potencia

FASE 3.

Análisis de gases de escape

Preparación y calibración del

equipo

Medición de los gases

FASE 4.

Análisis de resultados

Determinación del método de análisis

de resultados

Comparación de valores de consumo

de combustible

Comparación de valores de

temperatura de admisión y escape

Comparacion de valores de

potencia y torque

Comparación de valores de emisión

de gases

6. Metodología


6.1 Elaboración de las mezclas combustible

En esta fase se describe la manera en que se llevaron a cabo las mezclas de gasolina y

etanol anhidro e hidratado a diferentes proporciones, así como el cálculo de las

principales propiedades fisicoquímicas de cada una de ellas

6.1.1 Descripción de las mezclas combustibles

Para la elaboración de las mezclas se utilizaron dos tipos de etanol: hidratado al 4% en

volumen sin desnaturalizar, obtenido del ingenio “Independencia” de la ciudad de

Martínez de la Torre, Veracruz y anhidro sin desnaturalizar con una pureza del 99.4%

en volumen, obtenido del ingenio “La Gloria” ubicado en el municipio de Úrsulo Galván,

Veracruz. El etanol anhidro cumple con las especificaciones de la norma ASTM D-4806-

08, la cual especifica las características que debe tener el alcohol para poderse mezclar

con gasolinas y utilizarse en automotores. La gasolina utilizada denominada como base

no contiene ningún aditivo oxigenante, la cual fue formulada y suministrada por el IMP.

Los tres combustibles fueron refrigerados por separado en recipientes de aluminio con

una capacidad aproximada de 5 litros, a una temperatura de 9°C para evitar pérdidas

por evaporación.

Además, se utilizó gasolina comercial tipo magna como combustible denominado

referencia, el cual se utilizó para llevar a cabo las comparaciones de los resultados

obtenidos para cada uno de los combustibles probados.

Se elaboró un litro de cada mezcla, con un total de ocho litros de combustible para

llevar a cabo la experimentación.

En la tabla 12 se muestra el volumen usado en cada compuesto para las distintas

mezclas.

En esta tabla, se muestran las nomenclaturas para los 8 combustibles utilizados, donde

los cuatro primeros se refieren a las mezclas con etanol anhidro y los restantes con

etanol hidratado.

6. Metodología


Tabla 12. Volumen de gasolina y etanol utilizado para las mezclas

Tipo de etanol

Mezcla

Volumen Gasolina Volumen etanol

ml % ml %

An

hid

ro

E10 900 90 100 10

E20 800 80 200 20

E30 700 70 300 30

E40 600 60 400 40

Hid

rata

do

HE10 900 90 100 10

HE20 800 80 200 20

HE30 700 70 300 30

HE40 600 60 400 40

6.1.2 Caracterización fisicoquímica de las mezclas

Las pruebas de caracterización fisicoquímica que se elaboraron a cada mezcla

combustible fueron: miscibilidad, densidad relativa, relación estequiométrica A/F, olor y

aspecto físico.

Miscibilidad

Debido a la limitación que se tuvo con los combustibles utilizados para realizar las

mezclas, se elaboró la prueba de miscibilidad a cada una de ellas momentos antes de

realizar las pruebas en el equipo. Para el proceso se utilizaron dos vasos de

precipitados con una capacidad de un litro cada uno, donde se vació el contenido

deseado tanto de etanol como de gasolina base. Los compuestos se mezclaron en

botellas de cristal de un litro y se introdujeron en un baño térmico para llevarlas a una

temperatura de 35°C y evitar una posible separación de fases, según lo indicado por

algunos autores (Johannes et al, 2005; Rajan et al, 1982; Sólimo et al, 2003).

6. Metodología


La temperatura de 35°C se alcanza aproximadamente 15 minutos después de haber

introducido el combustible en el baño térmico, luego se agitó manualmente la mezcla y

se observó si existía alguna separación de compuestos; posteriormente se volvió a

introducir por cinco minutos más aproximadamente y se retiró para su utilización.

En la figura 8 se muestra al equipo utilizado para realizar el baño térmico.

Figura 8. Equipo de baño térmico

Este dispositivo es un calentador análogo de la marca PolyScience, con una capacidad

de dos litros (dos recipientes de un litro) por separado. Los datos técnicos del

dispositivo se encuentran en el anexo 2.

Este mismo procedimiento se llevó a cabo con las ocho muestras de combustible

elaboradas, comprobando así la miscibilidad de las mezclas.

Densidad relativa

La densidad relativa se midió en base a la norma ASTM D-1298-67, la cual establece el

método para determinar la densidad en los combustibles líquidos como el fueloil y

gasohoil. Se utilizó un densímetro de baja densidad, un termómetro analógico y un

recipiente para muestras.

La figura 9 muestra los instrumentos utilizados durante la medición.

6. Metodología


Figura 9. Densímetro y termómetro utilizados en la medición de la densidad

relativa

En esta figura se observan el termómetro y el densímetro utilizados para esta prueba. El

termómetro es de vidrio normalizado por ASTM, con certificado de calibración trazable,

mientras que el densímetro cuenta con un certificado de calibración trazable según las

especificaciones ISO 17025.

Las pruebas se realizaron únicamente para la gasolina base, etanol hidratado puro y

etanol anhidro puro, sin mezclarse entre ellos, debido a que la cantidad de combustible

fue muy limitada.

Relación estequiométrica A/F

El cálculo de la relación estequiométrica aire/combustible se basó en la metodología

utilizada por diversos autores de estudios semejantes al presente (Sodré et al, Varde et

al, Canakci et al, Park et al y Nakata et al), que se basa en la aplicación de la fórmula

química de los compuestos de la mezcla (etanol y gasolina) y llevar a cabo una reacción

para conocer los gases de escape en relación estequiométrica.

6. Metodología


La fórmula para calcular la razón aire-combustible en un combustible se describe en la

ecuación 2.

(2)

La fórmula química del etanol anhidro es conocida, por lo que no hubo problema en su

utilización; mientras que la de la gasolina base fue tomada de un estudio de

caracterización que se realizó con anterioridad por personal del laboratorio de química

del IMP y la del etanol hidratado fue calculada usando la fórmula del etanol anhidro de

acuerdo a la proporción de agua contenida en el alcohol.

La fórmula química reportada de la gasolina base utilizada por el IMP es la siguiente:

CH1.923

Como se conoce la fórmula del etanol anhidro y la del agua, se pudieron establecer los

porcentajes en volumen adecuados de cada componente, por lo que se logró obtener la

fórmula química teórica del etanol hidratado.

Después, se procedió a realizar un balance, estableciendo los porcentajes en volumen

de etanol, agua y gasolina de acuerdo a la mezcla deseada.

Para el balance, bastó con sumar el número de átomos de cada compuesto (C, H y O)

multiplicarlo por su respectivo porcentaje en volumen perteneciente a cada compuesto y

así se obtuvo una ecuación como la mostrada:

C2H6O (%c) + CH1.923 (%c) + H2O (%c) CnHmOx (3)

Cuando el etanol utilizado en el balance es anhidro, el contenido de agua es cero y no

interviene en la formulación.

Con este procedimiento, se obtuvieron teóricamente las relaciones estequiométricas

A/F para los ocho combustibles utilizados, las cuales sirvieron posteriormente para

calcular el consumo de combustible en las pruebas de combustión.

6. Metodología


Olor y aspecto físico

Esta prueba consistió en observar detenidamente la mezcla, agitarla, y contrastarla con

las demás, así como con la gasolina base y etanol puro, para identificar similitud entre

ellas. En la prueba del olor, únicamente se inhaló cada mezcla por separado, tratando

de percibir el aroma más predominante, ya sea gasolina o alcohol. El objetivo de esta

prueba fue el poder identificar una mezcla únicamente con el aroma o con observarla.

Una vez teniendo familiarizado el aroma característico de cada mezcla (en caso de ser

distinto), fue fácil identificar alguna anomalía como fugas, derrames o evaporación.


Estas pruebas se elaboraron en el laboratorio de sistemas de combustión del Instituto

Mexicano del Petróleo (IMP), ubicado en la carretera México-Veracruz vía Xalapa, en la

ciudad industrial Bruno Pagliai del puerto de Veracruz.

Este laboratorio cuenta con infraestructura de vanguardia para el estudio de los

procesos de combustión en sistemas diesel y gasolina, su reformulación, así como el

uso de combustibles alternos. Para pruebas de combustión de motores a gasolina, se

dispuso de un motor altamente instrumentado, que permite la simulación del

funcionamiento de vehículos en entornos reales de operación, bajo un estricto control

de las variables más comunes de un automotor.

La figura 10 muestra el banco de pruebas utilizado.

6. Metodología


Figura 10. Banco de pruebas de combustión

El motor es monocilíndrico de ignición por chispa, con inyección electrónica, el cual se

encuentra acoplado a un dinamómetro asíncrono que controla su velocidad a una

precisión de +/- 1 RPM; tiene un codificador de la posición angular del cigüeñal así

como un sensor de presión dentro de la cámara. Cuenta con un equipo analizador de

gases de escape, un equipo de adquisición de datos de los parámetros de la

combustión, sensores de temperatura y presión en la admisión de aire, el escape y la

cámara de combustión.

En la tabla 13 se muestran las características principales del motor utilizado en esta

fase de la experimentación.

El equipo cuenta con una unidad de control electrónico que permite modificar de forma

independiente el encendido del motor y la inyección, de manera que se pudo ajustar la

inyección del motor para mantener las condiciones de mezclas ricas, estequiométricas y

pobres de manera controlada.

6. Metodología


Tabla 13. Características del motor monocilíndrico

Parámetro Descripción

Marca AVL 5401

Tipo de motor Monocilíndrico de ignición por chispa

Bore (diámetro) 86 mm

Stroke (carrera) 86 mm

Relación de compresión 10.5:1

Potencia máxima 25 HP a 6,000 RPM

Válvulas por cilindro 4

Algunos parámetros de la de combustión como la presión media efectiva indicada

(IMEP por sus siglas en inglés) y la posición angular del cigüeñal fueron adquiridos y

acondicionados por el equipo adquisidor de datos INDIMETER-619. Este equipo sirve

para la medición de los parámetros de indicación; acondicionando la señal que se envía

del transductor de presión dentro del cilindro. En complemento se utilizó un equipo

codificador de la posición del cigüeñal de la misma firma, el cual tiene una resolución de

0.1 grados (3,600 pulsos por revolución). Este equipo brindó la posición exacta del

cigüeñal al momento de que el 50% de la masa de combustible se había quemado en la

cámara de combustión.

Las características del sistema de indicación y el codificador de posición angular se

encuentran en los anexos 2 y 4, respectivamente.

El motor está directamente acoplado a un equipo analizador de gases de escape, el

cual opera con algunos gases de referencia (flow span) para autocalibrarse antes de

efectuar alguna medición. Los gases de escape que el equipo puede medir son: CO2,

CO, NOx, O2 y HC. El contenido de CO2 y CO fueron cuantificados con un sensor

infrarrojo no dispersivo, el O2 se midió utilizando un sensor paramagnético, los NOx con

6. Metodología


un detector de quimioluminiscencia y por último los HC fueron cuantificados con un

detector de ionización de flama.

La figura 11 muestra al analizador de gases empleado.

Figura 11. Analizador de gases de escape

Las características del analizador de gases de escape se encuentran en el anexo 3.

El sistema de suministro de combustible de prueba al motor, cuenta con un sistema de

presurización que emplea nitrógeno como fluido inerte, permitiendo el suministro de

combustible desde el recipiente de prueba, con capacidad de un litro.

La figura 12 muestra el cilindro de combustibles de muestra utilizado para “bypassear“

el suministro normal de gasolina.

6. Metodología


Figura 12. Sistema de suministro de combustible de prueba

En esta figura se observa el cilindro con capacidad de un litro, el cual va conectado

directamente a la inyección del motor. Se encuentra unido a un depósito principal de

tres litros el cual, se ha dejado de utilizar debido a que representa un mayor gasto de

combustible, obteniendo prácticamente los mismos resultados para muestras de un litro.

Debido a que el conducto de alimentación del sistema de by pass va conectado

directamente a la inyección del motor, no fue necesario esperar un tiempo para

asegurarse de que las líneas estuvieran llenas del combustible a utilizar, por lo que

inmediatamente después de accionar la válvula de paso, las lecturas tomadas

corresponden al combustible de prueba

Para todas las pruebas realizadas, se varió el valor de lambda desde 0.9 hasta 1.1, lo

que significa una combustión 10% más rica (0.9) y una combustión 10% más pobre

(1.1) y un valor estequiométrico (1); valores correspondientes al comportamiento de

enriquecimiento/empobrecimiento de un automóvil comercial reciente del parque

vehicular mexicano (Schifter et al, 2011).

El valor de lambda se reguló aumentando o disminuyendo el pulso de inyección de

combustible (open loop) y manteniendo en un valor constante el aire de admisión,

debido a que de esta forma se logra una respuesta del valor de lambda mucho más

precisa a comparación de mantener la alimentación de combustible en close loop y

variar el consumo de aire de admisión.

6. Metodología


Este procedimiento se logró con la ayuda de la unidad de control electrónico, la cual

controla los parámetros que intervienen en la combustión como la duración del pulso de

inyección, carga proporcionada por la apertura de la válvula de mariposa, temperatura

del aire de admisión, ángulo de giro del avance del cigüeñal y voltaje de la batería de la

electrónica de la inyección.

Las condiciones de operación del motor se fijaron de tal forma que se evitaran

problemas de rendimiento, los cuales pueden ser ocasionados por altas velocidades de

operación. En este punto, la velocidad del flujo de aire será tan alta que no será

suficiente el tamaño de la válvula de admisión y por lo tanto, puede llegar a ahogarse,

reduciendo la eficiencia volumétrica. En contraparte, a velocidades muy bajas de

operación, como por ejemplo en un estado ralentí, se puede dar una transferencia de

calor más alta a través de las paredes del pistón, ocasionando una reducción de trabajo

transferido por ciclo al pistón.

Se mantuvieron constantes la presión, la humedad relativa y la temperatura del aire de

admisión para asegurar una mejor mezcla con el combustible inyectado, de manera que

no hubiera presencia de agua y se diera una combustión ineficiente.

La tabla 14 muestra las condiciones de operación del motor durante la elaboración de

las pruebas.

Tabla 14. Condiciones de operación del motor durante las pruebas

Velocidad angular 2,000 RPM

Presión del aire de admisión 1035 mbar

Temperatura del aire de admisión 40°C

Humedad relativa Ligeramente mayor al 1%

Caudal de aire de admisión 14.7 m3/hr

La medición se llevó a cabo durante dos minutos, pasado este tiempo, se empezó a

empobrecer la mezcla hasta el valor estequiométrico, disminuyendo el tiempo de

6. Metodología


apertura del inyector cada 10 segundos hasta que se alcanzó el valor de lambda

deseado.

Una vez que se llegó al valor estequiométrico (λ=1), se realizó nuevamente la medición

durante dos minutos, después, nuevamente se empobreció la mezcla en un 10%

disminuyendo el tiempo de apertura del inyector cada 10 segundos hasta alcanzar un

valor de λ= 1.1.

Se volvió a realizar la medición durante dos minutos estando en condición de mezclas

pobres; después, se finalizó la grabación y se guardaron los datos adquiridos con el

nombre deseado en la base de datos del sistema.

El empobrecimiento de las mezclas se hizo de manera muy precisa, se cuidó de no

hacerla antes o después de los 10 segundos establecidos, ya que eso repercutiría en

las mediciones y no se podría establecer un punto de comparación.

En la figura 13 se muestra la uniformidad deseada del valor graficado de lambda

durante la duración de una prueba.

Figura 13. Uniformidad deseada del valor de lambda

6. Metodología


En esta figura se observa la manera en que se debe comportar cada medición de

lambda para los ocho combustibles, sin picos ni comportamientos distintos, ya que de lo

contrario, los resultados obtenidos serán distintos para su comparación con el

combustible de referencia, lo cual arrojará incongruencias en el análisis final de

resultados.

En caso de que la curva presentara anomalías, se deberá realizar nuevamente la

prueba hasta obtener la uniformidad deseada en la curva.

6.2.1 Medición del consumo del combustible

El banco de pruebas puede cuenta con un equipo que puede medir directamente el

caudal de combustible hacia la cámara de combustión, pero únicamente mide el gasto

del depósito de 200 litros, es decir el combustible de referencia. Cuando se realizan

pruebas con combustibles distintos, el equipo de medición está fuera de operación, ya

que el combustible a probar se inyecta directamente en la cámara de combustión sin

pasar por dicho equipo, por lo tanto, no se obtiene una lectura del gasto de combustible.

Debido a lo anterior, se determinó medir el consumo másico de combustible por el

método de la estequiometria, es decir, conociendo el caudal de aire de admisión en

kg/hr y el valor de la relación aire/combustible (A/F), se pudo conocer el valor real del

consumo másico de combustible en kg/hr.

Para calcular el consumo de combustible, se utilizó el resultado de la relación

estequiométrica A/F de cada mezcla combustible; después para conocer la relación

aire/combustible real, bastó como multiplicar el valor de A/F estequiométrica por cada

valor de lambda adquirido en la base de datos; teniendo esto, se dividió cada valor

adquirido del caudal de aire admitido entre cada valor de A/F real y se obtuvo

finalmente el consumo de combustible en kg/hr.

Se elaboraron dos gráficas de dispersión, donde se graficaron los resultados de la

evaluación del consumo másico y consumo específico de combustible, en kg/hr y g/kW-

h respectivamente.

6. Metodología


Con el resultado de la evaluación del área bajo la curva de las curvas de consumo,

mostradas en las gráficas, se elaboró una tabla que contiene el porcentaje de

incremento/disminución del consumo de combustible para cada una de las ocho

mezclas utilizadas.

6.2.2 Medición de la temperatura de admisión de aire

Este parámetro se pudo medir gracias a un termopar tipo K instalado en la entrada de la

admisión de aire del motor, justo debajo del inyector, por lo que la lectura que arrojó

este dispositivo es la que se tuvo al instante de que el aire entrara en la cámara de

combustión.

La medición se realizó para cada mezcla utilizada en la experimentación durante el

tiempo que dura cada prueba.

Una vez teniendo todos los resultados, se elaboró una gráfica que contiene la

temperatura promedio registrada durante la duración de la prueba para cada una de las

ocho mezclas utilizadas para su posterior comparación.

6.2.3 Medición de la temperatura de gases de escape

Para llevar a cabo su medición, el equipo cuenta con un termopar tipo K ubicado en el

tubo de escape; este sensor se encuentra estrictamente calibrado y cuenta con un

amplio rango de valores de temperatura, por lo que se tiene la certeza de que la lectura

tomada es real.

La medición se realizó para cada mezcla utilizada durante el tiempo que dura cada

prueba.

Una vez que se tuvieron todos los resultados, se elaboró una gráfica que contiene la

temperatura promedio registrada durante la duración de la prueba para cada una de las

ocho mezclas utilizadas para su posterior comparación.

6. Metodología


6.2.4 Medición de potencia y torque

La medición de estos parámetros se llevó a cabo con el sistema de indicación del banco

de pruebas, es decir, dentro de la cámara de combustión. Debido a un problema en el

sensor de torque del eje del motor, no fue posible calcular la potencia al freno, por lo

que la potencia calculada fue con el torque indicado, la cual no incluye las pérdidas por

fricción. La potencia indicada es directamente proporcional al torque indicado y la

velocidad angular del motor, por lo que en base a las ecuaciones 4 y 5 fue posible

calcularla.

(4)

(5)

Estas ecuaciones están dentro de la base de datos de fórmulas del equipo, por lo que

automáticamente se realiza la operación y se muestra como un parámetro más dentro

de los resultados de la prueba.

El cociente 5252 es para la potencia en HP y 9550 para la potencia en kW.

6.3 Análisis de gases de escape

Para esta prueba, se utilizó el equipo analizador de emisiones mencionado

anteriormente. Una vez iniciada la corrida de pruebas, el analizador mostró los valores

de los gases emitidos en el tubo de escape en partes por millón (ppm).

Esta información está directamente relacionada con el cálculo de lambda, la cual se

calculó empleando la fórmula 6.

(6)

6. Metodología


Esta fórmula se encuentra almacenada en el software del banco de pruebas, por lo que

al obtener la cantidad de cada uno de los gases de escape emitidos, automáticamente

se calcula el valor de lambda, pudiéndose observar su comportamiento en línea de

acuerdo a como se haga variar la inyección del motor.

El valor de Cfactor se fijó en tres para todas las mezclas probadas, debido a que el

propano con que se calibra el equipo analizador para la referencia de la emisión de HC,

tiene tres átomos de carbono, y el sensor de ionización de flama lo que detecta es en

base metano, el cual tiene únicamente un átomo de carbón, por lo que es necesario

indicar este ajuste en el programa antes de iniciar las pruebas.

6.3.1 Preparación y calibración del equipo

El analizador de gases se tuvo que someter a una calibración previa antes de iniciar las

pruebas. Todo el equipo se dejó operando con el combustible normal del tanque de 200

litros por un tiempo aproximado de dos horas, tiempo durante el cual, se verificó que el

motor operara de manera normal, los rangos de temperatura, presión, velocidad,

potencia y emisiones se debieron encontrar dentro de los valores comunes de

operación establecidos en pruebas pasadas, guardados en la base de datos del equipo.

Uno de los parámetros que puede ocasionar un paro total del motor es la presión baja

en el aceite y el combustible, por lo que se debió tener la certeza de que se diera tal

caso para así poder comenzar la corrida de pruebas.

Al empezar la prueba, se debió verificar que la densidad del combustible utilizado

estuviera arriba de 700 kg/m3 para que el motor pudiera operar de manera correcta. Se

precalentó el combustible a utilizar en un baño térmico hasta una temperatura de 35°C

para evitar separación de fases.

Las pruebas se realizaron tres veces para cada mezcla; una para mezcla rica, otra para

mezcla pobre y finalmente una para relación estequiométrica.

El ajuste de lambda de Brettschneider (λ) se realizó variando el tiempo de apertura del

inyector (open loop) como ya se mencionó anteriormente; cuanto más tiempo esté

abierto el inyector, mayor combustible entrará en la cámara de combustión y la mezcla

6. Metodología


de aire y combustible tenderá a ser rica (λ<1); de igual manera, si el tiempo de apertura

del inyector es menor, se tendrá menor combustible y la relación de aire/combustible

tenderá a ser pobre (λ>1).

El primer combustible que se analizó fue la gasolina de referencia; los resultados de

esta prueba fueron comparados con los resultados de las demás mezclas combustibles

para establecer criterio de comportamiento de cada parámetro medido.

Los gases que analizó el equipo de emisiones fueron los siguientes: HC, CO, O2, CO2 y

NOx.

El tiempo total aproximado de cada prueba fue de 30 minutos, si se excedía de este

tiempo establecido, podía existir el riesgo de que se consumiera todo el combustible de

prueba y el motor se quedara sin alimentación, reflejándose en malas lecturas de datos,

caída de presión del combustible y un paro total del motor.

6.3.2 Medición de las emisiones del escape

Después de comprobar que el equipo se encontrara en condiciones normales para

llevar a cabo las mediciones, se realizó la interacción entre el equipo analizador y el

sistema adquisidor de datos, pudiendo así monitorear el comportamiento de las

emisiones en pantalla.

Todos los gases son medidos en partes por millón y los resultados obtenidos se

guardan en la base de datos del equipo.

6.4 Análisis de resultados

El análisis de resultados se llevó a cabo con la ayuda de dos programas de estadística

especiales para el tratamiento adecuado de los datos obtenidos.

El primer software se utilizó para conocer la dispersión cíclica de los datos adquiridos

en cada combustible, así como para eliminar datos atípicos que se pudieran presentar

en las mediciones, los cuales ocasionarían una alteración en los resultados finales.

6. Metodología


El segundo software se utilizó para la elaboración de gráficos y el tratamiento

estadístico correspondiente de los datos adquiridos.

6.4.1 Determinación del método de análisis

El método utilizado para analizar los resultados se basó en la construcción de curvas y

el cálculo del área bajo ellas para realizar su posterior comparación.

Cada parámetro medido se graficó con respecto a lambda, teniendo como resultado

una curva característica en cada mezcla combustible utilizada. Los parámetros

adquiridos de los ocho combustibles fueron comparados directamente con los del

combustible de referencia para así poder establecer una diferencia del comportamiento

de cada combustible.

Una vez que se tuvieron los datos, se analizó el comportamiento de cada parámetro

adquirido, elaborándose histogramas de distribución normal para verificar que la

adquisición de datos haya sido correcta y ningún dato estuviera fuera de los valores

normales de medición. En cada caso, se calculó el coeficiente de variación (COV), el

cual se debe encontrar entre 0% y 10% para tener la certeza de que las mediciones

fueron bien hechas. En caso de que el valor del COV estuviera fuera de dicho rango, se

debió hacer un análisis de dispersión cíclica para conocer la razón de los datos atípicos

que originaron este valor de COV.

El COV se calculó dividiendo el valor de la desviación estándar de cada parámetro

medido entre su media.

Se elaboró una gráfica para cada parámetro medido donde se introdujo una ecuación

de regresión para simular la construcción de la curva, donde se establecieron intervalos

de confianza, con la finalidad de eliminar todos los datos que estuvieran fuera de dicho

intervalo, pudiendo ocasionar resultados erróneos.

La curva característica que arroja cada parámetro medido, se pudo analizar con el

método de la integración numérica. La integración numérica es un método un tanto

complicado, repetitivo y con amplias posibilidades de obtener errores cuando se realiza

6. Metodología


de manera manual, comúnmente por el método trapezoidal, por lo que se realizaron

estas operaciones a través de un software de estadística.

Se realizó una sola gráfica para cada parámetro medido, conteniendo la información

resultante de los ocho combustibles probados así como la referencia; se calculó el área

bajo la curva de cada parámetro mencionado del combustible de referencia y los ocho

combustibles para su posterior comparación entre ellos.

6.4.2 Comparación de valores de consumo de combustible

Como ya se hizo mención, se elaboraron dos gráficas, una que contienen la información

del consumo másico de combustible y la otra el consumo específico de combustible,

para cada uno de los ocho combustibles probados así como el combustible de

referencia, todos con respecto a cada valor de lambda ajustado.

Se utilizó el método de la integración numérica para conocer el comportamiento de cada

gráfica y se compararon entre si los valores resultantes. Al conocer el valor de cada

área, se elaboró una tabla conteniendo los porcentajes de diferencia con respecto al

combustible de referencia para apreciar el comportamiento de cada combustible

probado.

6.4.3 Comparación de valores de temperatura de admisión y escape

Para el análisis de estos parámetros, no fue viable establecer el método del área bajo la

curva, ya que las diferencias en las lecturas de temperatura son mínimas, por lo que es

más ilustrativo establecer una diferencia en grados Celsius que en porcentajes de

temperatura muy pequeños.

Se calculó la media aritmética del valor de las temperaturas de escape y admisión para

cada combustible probado, y se elaboró una gráfica de dispersión para observar su

comportamiento con respecto a cada combustible probado.

Los resultados fueron comparados con los del combustible de referencia para

establecer su comportamiento final.

6. Metodología


6.4.4 Comparación de valores de potencia y torque

Para el análisis de estos parámetros, se utilizó nuevamente el método del área bajo la

curva y se comparó el resultado arrojado de cada combustible probado con el del

combustible de referencia.

Se elaboraron gráficas de dispersión para ambos parámetros con respecto al valor de

lambda; las ocho curvas resultantes más la del combustible de referencia fueron

elaboradas y analizadas en un mismo gráfico.

Después, teniendo los valores de las áreas de cada curva, se elaboró una tabla donde

se presentaron las diferencias porcentuales para cada valor de potencia de acuerdo al

combustible probado.

6.4.5 Comparación de valores de emisión de gases

Se elaboró una gráfica lineal para cada gas de escape, conteniendo la información de

los ocho combustibles probados más el de referencia. Se calculó el área bajo la curva

de cada gas emitido para todos los combustibles probados y se elaboró una tabla

donde se presentaron los resultados obtenidos en diferencias porcentuales.

La emisión de los gases de escape para este motor en particular, no es comparable con

la norma NOM-086 debido primeramente a que no se trata de un motor en circulación y

además, es de un solo cilindro, por lo que los valores de las emisiones son mucho

menores a las de un auto normal que se encuentra en circulación.

.

7. Resultados y discusión


7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

7.1 Pruebas de caracterización fisicoquímica

7.1.1 Miscibilidad

Después de introducir todas las mezclas en un baño térmico a una temperatura de

35°C, no se presentó ningún tipo de separación de compuestos en todas las mezclas,

por lo que pudieron ser utilizadas para realizar las pruebas sin ningún problema. La

figura 14 muestra la homogeneidad de dos mezclas a una temperatura de 35°C.

Figura 14. Homogeneidad de las mezclas E10 y HE10

En esta figura se puede observar que existe un color uniforme en las mezclas E10 y

HE10, por lo que es evidente que no existe separación de compuestos.

El resultado obtenido coincidió con el estudio de miscibilidad para compuestos gasolina-

etanol (anhidro e hidratado)-agua, realizado por Horacio N. Sólimo et al., donde

observaron que no existía una diferencia significativa del comportamiento de las

mezclas observadas a tres distintas temperaturas (283, 293 y 313 K), donde no era

importante realizar precalentamiento de los combustibles a mayor temperatura antes de

introducirlos en el automotor (Sólimo et al, 2004); en este trabajo, la gasolina presentó



el mismo comportamiento de tolerancia al agua utilizando ambos alcoholes, lo que

significa que se puede utilizar etanol hidratado también para mezclarse con gasolina sin

problemas de separación de fases, coincidiendo con los resultados del mencionado

autor.

Por otra parte, Torres et al., comenta en su estudio de caracterización fisicoquímica de

mezclas gasolina-etanol que la tolerancia al agua para una determinada mezcla, se

incrementa con la temperatura, ya que la energía de interacción entre las moléculas de

los compuestos aumenta, produciendo mayor contacto entre éstas y por lo tanto,

elevando el grado de solubilidad (Torres et al, 2002); este mismo comportamiento se

pudo observar en las mezclas E30, HE30, E40 y HE40, ya que no presentaron

problemas de separación de fases aún en temperaturas bajas (9°C), lo que coincide

con los resultados reportados por Torres, puesto que a concentraciones mayores de

etanol, se incrementó la tolerancia al agua y se mantuvieron estables las mezclas.

7.1.2 Densidad relativa

La tabla 15 muestra el resultado de la prueba de densidad relativa elaborada a los 3

diferentes combustibles utilizados para formar las diversas mezclas en el desarrollo del

trabajo.

Tabla 15. Densidad relativa de los combustibles utilizados

Combustible Temperatura (°C) Densidad relativa

Gasolina base 24 0.7454

Etanol hidratado 24 0.8063

Etanol anhidro 24 0.7843

En esta tabla se observa que la densidad fue mayor en el etanol hidratado, debido al

contenido volumétrico de agua. En los tres casos se tuvo que realizar un ajuste de

temperatura para 24°C, pues el valor que la norma indica como estándar es de 19°C.

La gasolina base tuvo la menor densidad relativa, por lo que se espera que al momento

de realizar las mezclas combustible, la densidad aumente conforme se incremente el



contenido de etanol. La figura 15 muestra el resultado de la prueba de la medición de

densidad relativa para el etanol anhidro.

Figura 15. Resultado de la prueba de densidad relativa para el etanol anhidro

En esta figura se observa que el densímetro se ubicó en la lectura de 0.78, valor común

reportado para el etanol anhidro.

En un estudio similar, Sodré et al midió la densidad relativa del etanol hidratado,

obteniendo un resultado de 0.81 (Sodré et al, 2009), prácticamente el mismo valor que

el medido durante esta prueba (0.8063).

De la misma manera, la hoja de especificación para el uso y manejo de etanol anhidro

reportado por Industrias Monfil reportan que su densidad relativa es de 0.79 (I.M, 2005),

siendo prácticamente similar (0.7843) a la medida en esta prueba

7.1.3 Relación estequiométrica A/F

La tabla 16 muestra el resultado de la evaluación de la relación estequiométrica A/F de

las ocho mezclas utilizadas.

En esta tabla se observa que el combustible HE40 contiene una relación

estequiométrica menor, es decir, requiere menor cantidad de oxígeno para realizar una

combustión completa a diferencia de los otros combustibles.



Tabla 16. Resultados de la relación estequiométrica A/F

Combustible Relación A/F

estequiométrica

Referencia 14.7

E10 13.0898

E20 12.0512

E30 11.2956

E40 10.7211

HE10 13.0791

HE20 12.0216

HE30 11.2461

HE40 10.6531

Esto es debido a que la mezcla HE40 contiene una cantidad mayor de agua, por lo

tanto, la cantidad de oxígeno disponible es mayor y la combustión se realiza de manera

completa, viéndose reflejado en menores emisiones contaminantes.

González et al, en un estudio de pruebas de combustión utilizando mezclas E10, E15 y

E20, encontraron que el efecto del incremento del contenido de etanol, producía una

disminución de la relación A/F, un comportamiento similar al encontrado en este

estudio. (González et al, 2011).

7.1.4 Olor y aspecto físico

Todas las mezclas mostraron el color ámbar característico de la gasolina base, pero el

olor fue distinto al ir aumentando la concentración de etanol arriba del 10%.

En las mezclas con un porcentaje de etanol anhidro e hidratado mayor al 20%, el olor

de la gasolina ya no se podía percibir, predominando el olor característico del alcohol.

El contenido de etanol no afectó el color característico de la gasolina base, por lo que

fue difícil identificar a simple vista de cual mezcla se trató. Se pudo identificar de

manera aproximada por el aroma que despide, siendo más dominante el aroma del

etanol que el de la gasolina.




7.2.1 Medición del consumo de combustible

Las figuras 16 y 17 muestran los resultados de la evaluación del consumo másico y

específico de combustible respectivamente, para las mezclas utilizadas, así como la

gasolina de referencia.

Figura 16. Consumo másico de combustible

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

1.2

1.4

1.6

1.8

0.30

0.290.280.26

0.300.29

0.28

0.26

0.25

CO

NS

_M

AS

ICO

(kg

/hr)

LAMBDA

REFERENCIA

E10

E20

E30

E40

HE10

HE20

HE30

HE40



Fig. 17. Consumo específico de combustible

Como era de esperarse, en ambas figuras se aprecia que la tendencia tanto del

consumo específico y el consumo de combustible fueron similares, ya que tienden a

disminuir conforme se empobrece la mezcla. A simple vista, es difícil distinguir el

comportamiento entre etanol anhidro e hidratado, su tendencia es prácticamente la

misma, por lo que se comprueba que el resultado del consumo de combustible es

indistinto si se usa etanol anhidro o hidratado. No existe una diferencia apreciable en la

afectación de los consumos másicos y específicos utilizando etanol anhidro o hidratado.

En la figura 16 se observa que para condiciones de exceso de aire (λ = 1.1), el

consumo disminuye un 13% aproximadamente, en comparación de condiciones de

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

240

260

280

300

320

340

60.61

59.1356.46

54.06

60.90

58.89

56.60

53.96

51.03C

ON

S_

SP

F (

g/k

W-h

)

LAMBDA

REFERENCIA

E10

E20

E30

E40

HE10

HE20

HE30

HE40



exceso de combustible (λ = 0.9), mientras que en el punto estequiométrico disminuye

entre un 7% y 8%.

Se puede observar en la figura 17 claramente el efecto que produce el etanol en el

aumento del consumo de combustible para realizar el mismo trabajo por unidad que la

gasolina de referencia.

El valor del consumo para todos los combustibles es mayor en condiciones ricas, es

decir, cuando se le demanda mayor potencia al motor.

Para conocer el porcentaje de incremento o disminución del consumo de combustible,

una vez calculando el área bajo la curva de ambos consumos para las ocho mezclas, se

elaboró una tabla que contiene la información del comportamiento de este parámetro

para cada combustible utilizado.

Los valores numéricos que se encuentran en la parte superior derecha de ambas

figuras son el resultado de dicha evaluación del área bajo la curva.

La tabla 17 muestra el incremento del consumo de combustible para todas las mezclas

utilizadas.

Tabla 17. Porcentaje de incremento en el consumo de combustible

Parámetro Unidades Combustibles

E10(%) E20(%) E30(%) E40(%) HE10(%) HE20(%) HE30(%) HE40(%)

Cons. másico comb.

kg/h 5 9 14 18 5 9 14 18

Cons. esp. comb

kg/kw-h 6 11 15 19 6 11 16 19

Como se puede observar en la tabla, la variación de ambos consumos es desde un 5%

hasta un 19% aproximadamente debido al aumento en la concentración de etanol; la

mezcla HE40 es la que presenta el mayor consumo másico de combustible, en

alrededor de 19% más que la gasolina de referencia, mientras que en el consumo

específico de combustible, E40 tiene el mayor valor, con un 19.3% más que el

combustible de referencia.



Para mantener el punto de operación fijo en un valor de lambda de referencia (rico,

estequiométrico y pobre), se tuvo que ajustar el pulso de inyección, aumentando el

tiempo de apertura, ya que al añadir etanol, la mezcla tiende a empobrecerse,

existiendo exceso de aire, por lo tanto, se tuvo que aumentar la duración del pulso de

inyección para obtener las condiciones deseadas en cada mezcla.

HE40 es la mezcla donde se tuvo que hacer un mayor ajuste del pulso de inyección,

incrementando su duración de apertura de 3,290 μs a 4,029 μs (22.4% más).

Los valores encontrados del porcentaje de incremento del consumo de combustible,

resultaron mayores que los presentados por Cataluña et al, los cuales realizaron un

estudio de consumo específico para varios compuestos oxigenantes, entre los que se

encontró el etanol en proporción del 30% en masa, obteniendo que en condiciones

estequiométricas produce un aumento en el consumo de combustible del 12.3%, tan

sólo 1.4% mayor al encontrado en este trabajo; donde concluyeron que el etanol era el

oxigenante que más aumentaba el consumo del combustible conforme se aumenta su

concentración en la mezcla (Cataluña et al, 2008).

Por otra parte, los resultados de Al-Hasan et al muestran un valor menor al encontrado

en este trabajo, pues la mezcla E30 únicamente incrementa el consumo másico de

combustible en un 11%, a diferencia del 14% reportado en este documento, debido

seguramente a que se utilizó un régimen mayor de velocidad (2,000 RPM) al utilizado

por estos autores (1,000 RPM) (Al Hasan et al, 2002).

7.2.2 Medición de la temperatura de admisión de aire

La figura 18 muestra los resultados de las temperaturas de admisión de aire.



Figura 18. Temperaturas del aire de admisión

En esta figura se observa que el combustible de referencia tiene la mayor temperatura

de admisión (17.59°C), empezando a disminuir conforme se aumenta el contenido de

etanol al 20%, después la temperatura aumenta siendo máxima para concentraciones

del 40% de etanol, pero aún menor que la referencia.

En similitud con lo encontrado en este trabajo, Ceviz et al reportan en su estudio con

mezclas de gasolina sin plomo-etanol y metanol, una disminución de la temperatura del

aire de admisión para las mezclas E10 y E20 del orden de 15%, un valor silimar a lo

encontrado en este trabajo para las mismas mezclas (16.6% para E10 y 17.4% para

E20). Los autores establecen a E20 como la mezcla con los mejores resultados de las

pruebas de temperatura de admisión(Ceviz et al, 2004)., caso contrario con lo aquí

encontrado, ya que E10 y E20 tienen prácticamente la misma temperatura de admisión

de aire y la menor temperatura la obtuvo la mezcla HE10 (14.3°C)

REF E10 E20 E30 E40 HE10 HE20 HE30 HE40 --

12

14

16

18

20

T_

AD

MI (°

C)

COMBUSTIBLE



Por otro lado, para mezclas con mayor contenido de etanol, Park et al muestran una

reducción de la temperatura de admisión en hasta un 13% para el combustible E85, lo

cual trae como consecuencia un aumento significativo en la eficiencia volumétrica del

motor, producto de la reducción de la temperatura de admisión causada por el

contenido de etanol en la mezcla combustible (Park et al, 2010).

El efecto de la disminución de la temperatura de admisión para los combustibles

utilizados en este trabajo en comparación con un combustible de referencia, puede ser

causado por el mayor calor latente de vaporización que tiene el etanol, lo cual provoca

que la evaporación del combustible suceda más rápido y pueda absorber mayor

cantidad de energía calorífica del cilindro sin incrementar su temperatura, con lo cual se

explica también que debería haber una menor temperatura en los gases de escape, al

aumentar el contenido de etanol.

La vaporización del combustible continua mientras ocurre la carrera de compresión, lo

cual tiende a disminuir la temperatura del trabajo de compresión y da la posibilidad de

aumentar la cantidad de aire admitido, lo que a su vez aumentaría el trabajo de

compresión, teniendo como resultado mejorías en la eficiencia térmica y potencia de

salida del motor. Cuando el calor latente del combustible utilizado es menor, como en el

caso de la gasolina de referencia, el efecto de enfriamiento no es suficiente para

superar el efecto del aire admitido de más, por lo tanto, el mayor calor latente que tiene

el etanol puede enfriar el trabajo de compresión, dando lugar a una mayor cantidad de

aire admitido y mejorar la eficiencia volumétrica del motor.

7.2.3 Medición de temperatura de gases de escape

Las figuras 19 y 20 muestran el resultado de las temperaturas instantáneas y promedio

de los gases de escape del motor para las ocho mezclas combustibles.



Figura 19. Temperaturas de los gases de escape para valores de lambda de 0.9 a

1.1.

En la figura 19 se puede ver que el incremento de etanol, tanto anhidro como hidratado

producen una importante reducción en la temperatura de los gases de escape, donde

los valores de temperatura más altos para todos los combustibles se encuentran en

condiciones cercanas a la estequiometria, es decir cuando λ =1.

La figura 20 fue construida utilizando los valores promedio de las temperaturas de

escape medidas para todos los combustibles utilizados, así como la referencia.

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

620

640

660

680

127.6

127.8128.0

128.5

129.2

127.8128.9

129.2

129.2T

_E

SC

AP

E (

°C)

LAMBDA

REFERENCIA

E10

E20

E30

HE10

HE20

HE30

E40

HE40



Figura 20. Temperaturas promedio de los gases de escape

En la misma figura 20 se observa claramente que al aumentar el contenido de etanol,

disminuye la temperatura de los gases de escape, siendo menor para los combustibles

HE40 y E40 (8°C menos que la gasolina de referencia aproximadamente). El etanol

hidratado presenta las menores temperaturas de escape (639°C aproximadamente),

siendo muy similares a las resultantes por las mezclas con etanol anhidro, lo que puede

significar que el efecto del contenido de agua es mínimo en el aumento del calor latente

de vaporización del combustible.

En un estudio elaborado por Canakci et al, reportan que al utilizar la mezcla E10,

disminuye la temperatura de los gases de escape en un 0.5% en comparación con una

gasolina de referencia, un resultado similar al del presente trabajo, ya que para E10

únicamente se obtiene una reducción del 0.4% aproximadamente, observándose que al

REF E10 E20 E30 E40 HE10 HE20 HE30 HE40

630

640

650T

_E

XH

(°C

)

COMBUSTIBLE



incrementar el contenido de etanol, disminuye notablemente la temperatura de escape

(Canakci et al, 2010).

En contraparte a los anteriores resultados, Schifter et al reportan un incremento

significativo de la temperatura de los gases de escape en al menos 25°C al

incrementarse el contenido de etanol de 0% a 20%, mientras que en este trabajo, la

temperatura disminuyó en 3°C aproximadamente al utilizar E20. Ellos aseguran que el

efecto de la adición de etanol es el empobrecimiento de la mezcla, lo que ocasiona un

incremento en la temperatura de los gases de escape, aumentando de manera

considerable la emisión de NOx (5%-8%) hacia el medio ambiente (Schifter et al, 2011).

En base a los resultados mostrados en la figura 20, al obtenerse una menor

temperatura de los gases de escape para mezclas con etanol, se esperaría que el

contenido de NOx fuera menor que la gasolina de referencia, ya que a altas

temperaturas en la cámara de combustión, se logra la formación de NOx e impactan de

manera negativa en el medio ambiente, como ya se ha mencionado anteriormente. Por

lo tanto, se puede suponer que si la temperatura de los gases de escape es alta, debe

ser consecuencia de una elevada temperatura de combustión.

A diferencia de los resultados obtenidos en este trabajo, algunos autores señalan que el

etanol debería producir un aumento en la temperatura de gases de escape, debido a

una mayor velocidad de combustión, es decir, que al consumirse más rápido el etanol

que la gasolina, se eleva la temperatura dentro del cilindro, ocasionando que los gases

de escape salgan a una temperatura mayor (Park et al, 2009; Varde et al, 2005; Urrutia

et al, 2010).

7.2.4 Medición de torque y potencia indicados

Las figuras 21 y 22 muestran el resultado de las pruebas de torque y potencia

indicados, respectivamente.



Figura 21. Resultados de la prueba de torque indicado

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

0

10

20

30

40

4.794.74

4.74

4.75

4.75

4.744.73

4.75

4.80T

OR

_IN

DI (N

m)

LAMBDA

REFERENCIA

E10

E20

E30

TOR_INDI

HE20

HE30

TOR_INDI

HE40



Figura 22. Resultados de la prueba de potencia indicada

En ambas figuras se puede observar que el comportamiento de los dos parámetros es

prácticamente el mismo para los ocho combustibles probados, por lo que el uso de

mezclas con etanol hidratado o anhidro no afectan la potencia desarrollada del motor,

siempre y cuando se tenga un ajuste en la inyección, para mantener los valores de

lambda deseados

Como era de esperarse, el valor máximo tanto de potencia como de torque se obtiene

para condiciones de λ=0.9, reduciéndose conforme se aumenta el valor de λ hasta 1.1,

debido a que en condiciones de λ=0.9, se tiene un mayor aporte de energía calorífica

por parte del combustible.

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1.00

0.99

0.99

0.99

0.99

0.99

0.990.99

1.00P

_IN

DI (k

W)

LAMBDA

REFERENCIA

E10

E20

E30

HE10

HE20

HE30

E40

HE40



Para valores de λ = 1.1, la mezcla tiene un 10% más de aire y por lo tanto el aporte

calorífico es menor, lo que ocasiona una caída de la potencia en un 12% con respecto a

una condición rica (λ =0.9).

Con el resultado de la evaluación de integración numérica de cada curva resultante de

curva y torque, se elaboró la tabla 18, la cual muestra los porcentajes de diferencia de

potencia y torque con respecto al combustible de referencia obtenidos para cada

mezcla utilizada.

Tabla 18. Porcentaje de variación en la potencia y el torque

TRABAJO INDICADO

Combustibles

E10(%) E20(%) E30(%) E40(%) HE10(%) HE20(%) HE30(%) HE40(%)

Potencia -1.0 -1.5 -1.3 -1.4 -1.0 -1.0 -1.3 -0.2

Torque -1.0 -1.6 -1.3 -1.3 -1.0 -1.1 -1.3 -0.2

En esta tabla se puede observar que en todos los combustibles utilizados existen

pérdidas de potencia muy pequeñas, que van desde el 0.17% hasta el 1.56% con

respecto a la referencia. E20 es el combustible que mayores pérdidas de torque y

potencia presenta, con un 1.5% aproximadamente, mientras que HE40 tiene las

menores pérdidas, menor al 0.2% de la referencia.

En comparación a estos resultados, Lin et al realizaron pruebas de rendimiento a un

automotor utilizando E30, donde destaca que el máximo valor de torque ocurre en

valores de λ ligeramente ricos (poco menor a 1) (Lin et al, 2004), mientras que lo

encontrado en este trabajo es que el mayor valor de torque ocurre exactamente cuando

λ=0.9. Esta diferencia podría resultar debido a que Lin et al midieron el torque en el eje

del motor, mientras que los resultados del torque mostrados en este trabajo se

obtuvieron de realizar la medición directamente en la cámara de combustión, por lo

cual, existe una ligera diferencia.

Por otro lado, Córdoba et al muestran que el torque (y consecuentemente la potencia)

es mayor para el combustible E20 en comparación con la referencia, utilizando

velocidades que van de 2,000 hasta 5,000 RPM, debiéndose según los autores al

incremento del octanaje al incluir etanol (Córdoba et al, 2010). Este resultado difiere de



lo mostrado en la tabla 18 y en la figura 21, debido a que la velocidad utilizada fue

constante (2,000 RPM) a diferencia de lo indicado por Córdoba et al, por lo tanto, si se

mantiene constante la velocidad, la potencia debería ser de igual manera constante, ya

que lo único que podría lograr que aumentara la potencia es el valor del torque.

El resultado de que las pérdidas de potencia con respecto a la gasolina de referencia

sean mínimas, es que se controla de manera electrónica el pulso de inyección, forzando

a que el motor siempre funcione en valores estequiométricos, por lo tanto, la exigencia

de combustible será mayor para mezclas con altos contenidos de etanol, obteniendo

prácticamente la misma potencia de salida.

En comparación con los resultados obtenidos de las literaturas de algunos autores

como Heywood y Pulkrabek, muestran en sus trabajos que la potencia al freno se

incrementa al aumentar la velocidad angular a un valor máximo y después se reduce,

mientras que la potencia indicada tiende a incrementarse conforme se aumenta la

velocidad; esto es debido a que el aumento de velocidad incrementa las pérdidas por

fricción para la potencia al freno, acción que no ocurre con la potencia indicada, ya que

ésta se mide directamente en la cámara de combustión. Es por ello que la potencia no

experimenta un valor máximo, sino que se mantiene prácticamente constante durante la

prueba, ya que el régimen de velocidad es constante (Heywood, 1989; Pulkrabek,

2000).

En general, no existen diferencias considerables en los valores de potencia para todas

las mezclas combustibles utilizadas, ya que la mayor disminución es menor al 2% de la

potencia de referencia, con lo que se puede concluir que el efecto de utilizar etanol

anhidro o hidratado como oxigenante en las gasolinas, no produce cambios

significativos en la potencia de salida de un automotor, manteniéndose prácticamente

constante aún en mezclas con contenidos de etanol mayores al 30% en volumen.



7.2.5 Comparación de valores de emisión de gases

Las figuras 23, 24, 25 y 26 muestran el comportamiento de las emisiones de CO, CO2,

HC y NOx, respectivamente.

Figura 23. Comportamiento de las emisiones de CO

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

1478.52

1473.92

1464.55

1370.07

1440.14

1468.55

1411.22

1434.69

1473.17

CO

(P

PM

)

LAMBDA

REFERENCIA

E10

E20

E30

HE10

HE20

HE30

E40

HE40



Figura 24. Comportamiento de las emisiones de CO2

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

130000

132000

134000

136000

138000

140000

142000

144000

146000

148000

150000

27640.89

27700.4827606.25

27601.28

27640.30

27581.04

27624.80

27641.94

27681.41

CO

2 (

PP

M)

LAMBDA

REFERENCIA

E10

E20

E30

HE10

HE20

HE30

E40

HE40



Figura 25. Comportamiento de las emisiones de HC

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

2000

3000

382.31

389.21

397.18

418.86

409.80

395.24

390.51

402.83

432.90

HC

(P

PM

)

LAMBDA

REFERENCIA

E10

E20

E30

HE10

HE20

HE30

E40

HE40



Figura 26. Comportamiento de las emisiones de NOX

En las cuatro figuras se observa una tendencia similar en la formación de la curva para

las ocho mezclas combustibles, destacando que en la figura 26 la curva formada por el

combustible de referencia es mayor a la de los demás combustibles, por lo tanto, de

acuerdo a este resultado, la emisión de NOx es mayor al utilizar gasolina común que un

combustible con etanol anhidro e hidratado como oxigenante.

Las variaciones en las emisiones de todos los combustibles empleados son muy

pequeñas y sólo resultan perceptibles utilizando estas técnicas de alta precisión

descritas; en dispositivos comerciales como las unidades verificadoras, difícilmente se

podría distinguir entre las emisiones de un combustible con determinado volumen de

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

530.49

554.34542.28

557.74

570.83

550.37

550.84

574.80

611.07N

OX

(P

PM

)

LAMBDA

REFERENCIA

E10

E20

E30

HE10

HE20

HE30

E40

HE40



etanol anhidro y otro de hidratado, debido a que sus dispositivos no cuentan este tipo

de equipos.

En las emisiones de CO, mostradas en la figura 23, se aprecia un comportamiento

típico para cualquier combustible quemado en un motor de CI, donde el valor máximo

de emisiones ocurre en condiciones ricas de combustible y al incrementar el valor de λ,

las emisiones disminuyen debido a una combustión más completa y todo el carbono

disponible se alcanza a oxidar formando CO2.

La emisión del CO2 que se observa en la figura 24 muestra una tendencia característica

similar para los ocho combustibles utilizados, donde se presentan las máximas

emisiones en las condiciones cercanas a los valores estequiométricos (λ=1), debido a

que la combustión en ese punto es más completa y todo el oxígeno reacciona con el

carbono, formándose este gas.

La emisión de hidrocarburos no quemados mostrada en la figura 25 es máxima para

condiciones de mezclas ricas, ya que existe exceso de combustible por quemar, siendo

insuficiente el contenido de oxígeno y por lo tanto, ocurre una combustión deficiente,

expulsando parte de los hidrocarburos al medio ambiente. Teóricamente, entre el 1% y

el 1.5% del combustible total es expulsado al medio ambiente en forma de hidrocarburo

(Ford MC, 2005).

En la figura 26 se aprecia que el valor máximo de la emisión de NOx ocurre en un valor

de lambda cercano a 1.05, un poco rico en comparación con lo normalmente reportado

por diversos autores, ya ellos indican que estos valores se alcanzan en condiciones de

λ=1.1 (Al Hasan, 2001) y λ=1.2 (Lin et al, 2003; Canakci et al 2010).

La formación de óxidos de nitrógeno está directamente relacionada con la presión y la

temperatura de combustión, donde teóricamente en condiciones estequiométricas, se

alcanzan las mayores temperaturas y por ende, las emisiones de este gas son máximas

En base al resultado obtenido por la integración numérica del área de la curva

resultante en las emisiones de los ocho combustibles probados, así como el de

referencia, se construyó la tabla 19, la cual muestra el porcentaje de variación de las



emisiones de los ocho combustibles probados con respecto al combustible de

referencia.

Tabla 19. Porcentaje de variación de las emisiones

para las mezclas combustibles

Gases Combustibles

E10(%) E20(%) E30(%) E40(%) HE10(%) HE20(%) HE30(%) HE40(%)

CO -2.6 -4.2 -0.3 0.05 -2.2 -7 -0.6 0.4

CO2 -0.1 -0.2 -0.3 0.07 -0.1 -0.3 -0.3 -0.1

NOx -6 -9.8 -9.9 -9.2 -6.6 -8.7 -11.2 -13.2

HC -7 -9.8 -8.7 -10.1 -5.3 -3.2 -8.2 -11.7

En esta tabla se puede observar que existe una reducción en la emisión de CO para

mezclas con un contenido de etanol del 10-20%, empezando a incrementarse

considerablemente al aumentar el volumen de etanol, en hasta un 40%, donde existen

emisiones por encima de los valores de referencia.

El combustible HE20 presenta la mayor disminución del contenido de CO, con casi un

7% por debajo de lo reportado por el combustible de referencia. En contraparte, HE40

es el combustible que más expulsa CO, con un 0.4% más que el combustible de

referencia.

De la tabla 19 se puede observar que la mayor reducción de CO se obtiene con el

combustible HE20 (-7% aproximadamente), mientras que Ceviz et al reportan que la

mezcla E10 presenta los mejores resultados en la reducción de CO, en alrededor del

30% respecto a un combustible de referencia, mientras que Al-Hasan, muestra que E20

produce una reducción de CO de 46.5%; ambos son valores bastante grandes en

comparación con lo obtenido en este trabajo, lo que puede indicar que no controlaron el

ajuste de la inyección para mantener un valor estequiométrico, ya que al añadir una

mayor cantidad de etanol, se tiene un efecto de empobrecimiento en la mezcla,

llevándola a valores de λ grandes y la emisión de CO tiende a disminuir drásticamente

debido al abundante contenido de oxígeno; esto puede originar una disminución

significativa en la potencia de salida, pues la inyección no se ajusta al valor



estequiométrico y se pierde aporte calórico por parte del combustible (Ceviz et al, 2004;

Al-Hasan, 2002).

En la misma tabla, se observa que existe una reducción mínima del CO2, para los ocho

combustibles en comparación con el de referencia, teniendo un valor máximo en la

mezcla E30 (-0.36%); para E40 se observa una tendencia de aumento en la emisión de

CO2, lo que supone que esta tendencia se mantenga conforme se incrementa el

contenido de etanol.

El comportamiento del CO2 mostrado en la tabla 19 difiere de los resultados obtenidos

por Park et al, donde utilizando el combustible E85, encontraron que a valores de

lambda de 0.9 hasta 1.5, y con una velocidad constante de 2,000 RPM, existía una

disminución en la emisión de CO2 del orden de 1.9%, siendo distinto a los resultados

obtenidos en este trabajo, ya que la tendencia según lo mostrado en la tabla es que al

aumentar el contenido de etanol, deberían aumentar de igual forma las emisiones de

CO2, observándose que para el combustible E40, el cual es el de mayor contenido de

etanol, se incrementa en 0.06% la emisión de este gas de efecto invernadero (Park et

al, 2010).

Por otra parte, para el caso de los HC, en la tabla 19 se observa que la mezcla HE40

tiene la mayor reducción en la emisión de HC (11.7%), debido principalmente al mayor

contenido de oxígeno en comparación con las otras mezclas. La mezcla HE20 presenta

una reducción marginal con respecto al combustible de referencia (3.2%), muy por

debajo de lo obtenido utilizando E20 (9.8%); lo que supondría que no precisamente

existe una tendencia de reducir las emisiones de HC conforme se incrementa el

contenido de etanol, ya que los resultados no tienen una tendencia lineal al aumentar el

volumen de etanol.

La mayor reducción de HC mostrada en la tabla 19 es muy pequeña en comparación a

lo encontrado por Ta-Hui Lin et al, donde muestran en su trabajo una reducción de HC

del 80% en comparación con una gasolina de referencia utilizando E30. Su

experimentación fue realizada a un régimen constante de 3,000 RPM, variando las

condiciones de λ desde 0.84 hasta 1.04 (Ta- Hui Lin, 2004), por lo cual, son condiciones



distintas de operación con lo establecido en este trabajo, lo que podría justificar la

diferencia tan grande de ambos resultados.

De igual forma a lo anterior, Guerrieri et al investigaron el efecto de las mezclas

gasolina-etanol anhidro en las emisiones para seis vehículos, donde encontraron que

existía una reducción del 30% en la emisión de HC utilizando E40 (Guerreri et al, 2008)

, un valor mucho mayor que el reportado en este trabajo.

Ambos autores no reportan en sus investigaciones que hayan controlado la inyección

del motor, por lo que es de suponerse que el aumento del etanol en las mezclas llevó a

una condicion de operación del motor bastante pobre, donde se tuvo una reducción

mucho mayor que la reportada en este trabajo debido al incremento del oxígeno.

El hecho de que un motor opere en condiciones de mezclas pobres, origina que no

pueda responder a una demanda de aceleración repentina, ya que el contenido de

aporte energético por parte del combustible será menor y por lo tanto el consumo de

combustible será máximo y aún así no se alcanzará la potencia requerida.

Por otro lado, en la tabla 19 se muestra que por parte de los NOx existen reducciones

en las ocho mezclas probadas, donde HE40 presenta la mayor, con un 13.18% menos

que lo emitido por el combustible de referencia, mientras que González et al muestran

en su trabajo que existe un incremento del 8% en la emisión de NOx al utilizar E15, en

comparación con un combustible de referencia (González et al, 2011), lo que podría

suponer que no utilizaron un ajuste de la inyección del motor, dejando que se

empobreciera drásticamente la mezcla.

El hecho de que la emisión de NOx mostrada en la tabla 19 haya tenido una

disminución, está directamente relacionado con el resultado de las temperaturas de

escape, ya que existió una reducción considerable de dicha temperatura al aumentar el

contenido de etanol en la gasolina, donde HE40 y E40 disminuyen en al menos 7°C

respecto al valor del combustible de referencia.

Finalmente, de acuerdo con el método estadístico diseñado para analizar los datos de

las pruebas de combustión, se obtuvo una uniformidad en el muestreo de todos los



datos, ya que el COV de todos los parámetros medidos, fue menor del 10%, lo que

indica que se encuentran dentro del intervalo de confianza, por lo que no fue necesario

analizar la dispersión cíclica de dichos parámetros.

Se construyeron gráficos de distribución normal para todos los parámetros medidos

durante las pruebas, a valores de lambda de 0.9, 1.0 y 1.1. Se observó que la tendencia

era una distribución normal centralizada, por lo que dio la certeza de que los datos

fueron correctamente medidos, por lo que no hubo necesidad de volver a realizar las

mediciones.

En el caso de la dispersión cíclica para los parámetros de combustión, como la presión

media efectiva, el torque y la potencia indicados, todos los valores estuvieron dentro de

los intervalos de confianza establecidos por el software de análisis estadístico, el

aumento del contenido de etanol no incrementó la dispersión cíclica, pensando en que

ocasionara una mayor velocidad de combustión y por lo tanto, los valores fueran más

despegados del intervalo de confianza.

Se realizó, de igual manera una prueba de COV, donde los resultados fueron menores

al 10%, por lo que nuevamente se corroboró la correcta medición de los datos y no

hubo necesidad de realizar pruebas extras.

8. Conclusiones


8. CONCLUSIONES

Durante la elaboración de este trabajo, se observaron comportamientos inesperados

tanto del motor como de las mezclas combustibles, donde se tuvieron contradicciones

en los resultados obtenidos en diversos trabajos de la misma índole. Dentro de las

conclusiones más importantes que se pueden destacar de este trabajo, se encuentran

las siguientes:

El etanol anhidro es miscible en cualquier proporción con la gasolina, sin importar a la

temperatura a la que se lleve a cabo el mezclado, sin embargo, el etanol hidratado al

4% es miscible con la gasolina en cualquier proporción, siempre que se mezclen a una

temperatura mínima de 30°C. Mientras más se añada etanol a la mezcla, aumentará la

tolerancia al agua por parte de la gasolina, lo que logrará que se puedan mezclar a una

temperatura menor de 30°C sin peligro de una separación de fases.

En base a este resultado, es posible sustituir parcialmente el uso del etanol anhidro

como oxigenante de las gasolinas por etanol hidratado, en lugares con un clima cálido

donde las temperaturas mínimas registradas no se encuentren por debajo de los 10°C.

La relación estequiométrica A/F de las mezclas de gasolina-etanol anhidro e hidratado,

tiende a ser menor conforme se incrementa el contenido de etanol, lo que significa

mayor cantidad de aire disponible para reaccionar con el combustible, por lo tanto es

necesario que el automotor que utilice este tipo de combustibles tenga un control

electrónico de la inyección, ya que la mezcla tenderá a empobrecerse a razón de que

se incremente el contenido de etanol, lo que logrará una combustión ineficiente, y por lo

tanto un mal funcionamiento del motor.

Los consumos másico y específico de combustible del etanol anhidro e hidratado,

aumentan proporcionalmente conforme se incrementa su contenido en las mezclas, sin

presentar diferencias significativas entre ambos tipos en su consumo, a pesar de que el

etanol anhidro presenta un mayor poder calorífico en comparación con el hidratado,

debido al contenido de agua.

8. Conclusiones


Utilizar mezclas de gasolina y etanol provocan que la temperatura de admisión

disminuya considerablemente para concentraciones de etanol anhidro e hidratado del

10% y 20%, debido al mayor calor latente de vaporización en comparación de la

gasolina, lo que puede ocasionar un aumento significativo en la eficiencia volumétrica

del motor.

De igual forma, al incrementar el contenido de etanol, la temperatura de escape tiende a

disminuir, lo que está directamente relacionado con la temperatura de combustión,

donde a menores temperaturas la formación de NOX será menor, lo que tendrá un

beneficio para la salud humana y el medio ambiente.

El torque y la potencia indicados no experimentan un cambio resaltable en mezclas con

altos contenidos de etanol, debido al ajuste electrónico de la inyección del motor, lo que

significa que a pesar del menor poder calorífico de ambos alcoholes, el torque y la

potencia que se desarrollan es igual, por lo que se podrá demandar igual cantidad de

potencia al motor sin importar qué porcentaje de etanol se esté utilizando, siempre y

cuando se tenga un motor con control electrónico del pulso de inyección.

La emisión de los gases de escape presenta una ligera disminución para todas las

mezclas utilizadas, principalmente los HC y NOx, debido a una combustión más

completa por el mayor contenido de oxígeno presente en el etanol. En general, utilizar

mezclas con etanol reduce en un pequeño porcentaje las emisiones contaminantes que

están sometidas a un control ambiental, lo que significa un beneficio para el medio

ambiente, al mismo tiempo que la oportunidad de reactivar el sector agrícola mexicano,

trayendo como consecuencia la generación de miles de empleos.

En base a la revisión literaria incluida en el marco teórico, se tiene que existen gases de

escape mucho más contaminantes que los aquí estudiados, que no se encuentran

dentro de un programa de verificación vehicular, siendo mayores al utilizar mezclas de

gasolina y etanol. En base a eso, sería necesario modificar las configuraciones de los

equipos actuales, incluir sensores que pudieran detectar la presencia de estos gases,

como el formaldehido y acetaldehído, para poder dar una evaluación más amplia al

respecto de cuán benéfico es utilizar etanol en lugar de gasolina, ya que, de acuerdo a

8. Conclusiones


los resultados obtenidos durante la elaboración de este trabajo, se tiene que el

contenido de CO2 aumenta ligeramente al añadir etanol, siendo que uno de los

principales argumentos que se han establecido para aumentar la producción de etanol

con fines energéticos, es que disminuye drásticamente la emisión de este gas, lo cual

no es correcto.

En futuros trabajos, sería interesante estudiar el efecto que tiene el alcohol iso-propílico

en las mezclas gasolina-etanol hidratado, ya que se reporta en las literaturas que este

aditivo ayuda a disminuir en gran proporción la temperatura a la cual ocurre una

separación de fases, lo que significaría que se podría aumentar su uso incluso en

regiones donde las temperaturas pueden llegar debajo de cero grados; esta

aseveración no ha sido totalmente estudiada, lo que significa un campo de investigación

de muy amplio, de donde se podrían obtener resultados bastante importantes.

En general, no se resaltan diferencias al utilizar etanol anhidro o hidratado, por lo que

se puede utilizar etanol hidratado como sustituto parcial del anhidro, siendo mucho más

barato y fácil de producir, ya que se elimina el tratamiento extra que necesita el anhidro

para eliminar el 4% de agua.

.

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10. Anexo


10. ANEXOS

1. Equipo de baño térmico

Temperatura máxima 100 °C

Error de medición +/- 0.2°C Capacidad 2 litros Dimensiones (largo x ancho x alto) 22.71 x 20.07 x 20.65 cm Peso neto 5 kg Volts, Hz, Ampere 120 V, 60 Hz, 2.5 A

2. Sistema de indicación

Marca AVL-INDIMETER 619

Modelo - Canales de entradas análogas 16/24/32 Señal de salida análoga +/- 10 V

Señales de medición en tiempo real Liberación de calor, IMEP, detonación,

ángulo de cigüeñal, % de masa quemada

3. Analizador de gases de escape

Marca AVL-CEB II

Dimensiones (alto x largo x ancho, m)

2 x 1 x 0.75

Velocidad de muestreo 100 datos/segundo Gases medibles CO2, CO, HC, NOx, O2 y Lambda

Gases de calibración Aire sintético (20% O2 y 80% N2),

Hidrógeno, Helio, oxígeno, propano, CO2, O2

Rangos de medición 4 CO, 4 HC, 4 NOx, 1 CO2, 1 O2

4. Equipo codificador de posición angular del cigüeñal

Marca AVL

Modelo 365C Angle Encoder Set Rango temperatura en cámara de combustión

-400°C-1200°C

Velocidad angular máxima 20,000 RPM Selección máxima de pulsos/revolución

3,600

Resolución de medición de giro de cigüeñal

0.5 grados

Nomenclatura


NOMENCLATURA

Abreviatura Significado

%c Porcentaje del compuesto presente en la mezcla (agua,

etanol, gasolina)

A/F Relación air/fuel (aire/combustible)

Cn Número de átomos de carbono resultantes de una

nueva formulación química

CO Monóxido de carbono, medido en ppm CO2 Dióxido de carbono, medido en ppm

COV Coeficiente de variación estadístico di-TAE di-tert amyl-eter

ETBE Etil tert butil-eter

Exx Mezcla gasolina-etanol anhidro a distinto valor

volumétrico de etanol

fa Flujo de aire en el motor

GEMS General engine management system (sistema de

gestión general del motor)

HC Hidrocarburos no quemados HExx Mezcla gasolina-etanol hidratado

Hm Número de átomos de hidrógeno resultantes de una


HP Horse Power (caballos de fuerza)

IMEP Indicated mean effective pressure (presión media

efectiva) kW kilowatt

ma Masa de aire (lbm, kg) mf Masa de combustible (lbm, kg)

MON Motor octane number MTBE Metil tert butil-eter

n No. De revoluciones por ciclo N Velocidad angular del motor

N2 Nitrógeno, medido en ppm NOx Óxidos de nitrógeno, medidos en ppm

O2 Oxígeno, medido en ppm

Ox Número de átomos de oxígeno resultantes de una


P Potencia mecánica, medida en HP, kW

pH Potencial hidrógeno PMI Punto muerto inferior

PMS Punto muerto superior ppm Partes por millón

RON Research octane number

Nomenclatura


RPM Revoluciones por minuto

SOx Óxidos de azufre T Torque (N-m, lbf-pie)

TAEE Tert amyl etil-eter THC Hidrocarburos totales

Vd Volumen de desplazamiento del pistón en el cilindro ηv Eficiencia volumétrica de un motor

λ Lambda de Brettschneider μs Microsegundos

ρa Densidad del aire de admisión, evaluada a condiciones

atmosféricas

Cfactor Número de átomos de carbono en cada una de las

moléculas de HC que se están midiendo

Hcv Relación atómica de hidrógeno/carbono Ocv Relación atómica de oxígeno/carbono

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA - Recursos Académicos · PDF fileÍndice Camarillo, 2011 Página vi Página Índice de tablas Tabla 1. Estimación de las reservas de energéticos en el mundo