TESIS Mezclas de Etanol y gasolina

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 (CO 2), hidrocarburos
no quemados (HC) y óxidos de nitrógeno (NO x). 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 CO 2
(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
CONTENIDO
Página
1. Introducción………………...…………………………………………………….
1.1 Planteamiento del problema………………………………………………..
1.2 Justificación…………………………………………………………………..
2. Antecedentes……………………………………………………………………..
2.1 Contexto internacional…..………………..…………………………………
2.1.1 Uso del etanol como combustible en Brasil…………………..
2.1.2 Uso del etanol como combustible en Estados Unidos….......
2.1.3 Uso del etanol como combustible en América latina………...
2.2 Contexto nacional……………………………………………………………
3. Objetivos…….…………….…….……………………...…...……………………
3.1 Objetivo general………………….....…………...……….………………….
3.2 Objetivos específicos……………….…………...…………….……………
4. Hipótesis……..…………………………….……………………………………...
5. Marco teórico………………………….……………….…………………………
5.1 Caracterización de combustibles…………………………………………..
5.2 Características del etanol….……….…………………………………..…..
5.3 Características de la gasolina……………………………….……………..
5.4 Mezclas gasolina-etanol anhidro…….……………………..……………...
5.5 Mezclas gasolina-etanol hidratado……...…………………………....…...
5.6 El motor de ignición por chispa………………………………………...…..
5.6.1 Parámetros de operación………………………..………………
5.7 Pruebas de combustión……………………………………………………..
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01
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45
Página iii
Índice
5.8 Efectos negativos del etanol en el ambiente…………………..…………
6. Metodología……..……………………………………………………………..….
6.1 Elaboración de las mezclas combustible………………………………….
47
51
52
6.1.1 Descripción de las mezclas combustibles.……......…………… 52
6.1.2 Caracterización fisicoquímica parcial de las
mezclas……....................................................................................…….………
6.2 Pruebas de combustión…………....………………………………………
6.2.1 Medición del consumo de combustible…………..…….………
6.2.2 Medición de la temperatura de admisión de aire....……...…..
6.2.3 Medición de la temperatura de gases de escape..…….……..
6.2.4 Medición de potencia y torque………………………………….
6.3 Análisis de gases de escape………………..……...….……….………….
6.3.1 Preparación y calibración del equipo….………...……………..
6.3.2 Medición de las emisiones del escape….……….…………….
6.4 Análisis de resultados……………….……….……………………………..
6.4.1 Determinación del método de análisis……...………………….
6.4.2 Comparación de valores de consumo de combustible……….
6.4.3 Comparación de valores de temperatura de admisión y
escape…………………………………………………………………………….......
6.4.4 Comparación de valores de potencia y torque…..……………
6.4.5 Comparación de valores de emisión de gases………………..
7. Resultados y discusión……..…………………………………………...……..
7.1 Pruebas de caracterización fisicoquímica……………………………….
7.1.1 Miscibilidad……………..………………………………………....
53
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66
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70
70
71
71
72
72
72
7.1.2 Densidad relativa…………………....…………………………… 73
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Página iv
Índice
7.1.3 Relación estequiométrica A/F…….……………………………..
7.1.4 Olor y aspecto físico……………………………………………...
7.2 Pruebas de combustión……………………………………………………
7.2.1 Medición del consumo de combustible………………..………
7.2.2 Medición de la temperatura de admisión de aire…….……….
7.2.3 Medición de temperatura de gases de escape………..………
7.2.4 Medición de torque y potencia indicados……………………...
7.2.5 Comparación de valores de emisión de gases…….………….
8. Conclusiones……………………………………………………………………..
9. Referencias………….………………………...………………………………….
10. Anexos……………………………………………………………………………
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75
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79
81
84
89
98
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110
Página v
Índice
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
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Página vi
Índice
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
Camarillo, 2011
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Índice
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 CO 2…………………………...
90
Figura 25. Comportamiento de las emisiones de HC…………………………….
91
Figura 26. Comportamiento de las emisiones de NO x.......................................
92
Camarillo, 2011
Página viii
1. Introducción
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 CO 2/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 CO 2 hacia el medio ambiente.
Aunado a esto, existe otra variedad de gases contaminantes provenientes de la
combustión de un automotor, como NO x, CO, HC y SOx. La formación de estos
Ibarra, 2011
Página 1
1. Introducción
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.
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Página 2
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
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Página 3
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.
Camarillo, 2011
Página 4
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
1,238.892
1,342.207
1,184.208
Gas
Natural
(Billones
de pies
cúbicos)
BP,
Estatistical
Review,
2007
6,290.636
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
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
Ibarra, 2011
Página 5
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.
Camarillo, 2011
Página 6
2. Antecedentes
PRECIO PROMEDIO DEL
PETRÓLEO
90
90
84.93
80
73.7
70
73.88
66.4
60
57.25
50
44.6
40
30
32.1
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009 Actual
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).
Camarillo, 2011
Página 7
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,
Camarillo, 2011
un
contenido
mayor
de
etanol
traería
consecuencias
de
Página 8
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 etanolagua-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).
Camarillo, 2011
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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
Camarillo, 2011
Página 10
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
Camarillo, 2011
Página 11
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).
Camarillo, 2011
Página 12
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
Camarillo, 2011
Página 13
2. Antecedentes
PRODUCCIÓN ANUAL,MILLONES DE
GALONES DE ETANOL
12000
10,600
10000
8000
6000
4000
3,900
2000
610
175
0
1980
1985
900
1990
1,400
1995
1,630
2000
2005
2009
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:
Camarillo, 2011
Página 14
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.
Camarillo, 2011
Página 15
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.
Camarillo, 2011
Página 16
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.
Camarillo, 2011
Página 17
2. Antecedentes
Tabla 4. Producción de etanol por estado
Estado
Iowa
Illinois
Nebraska
Minnesota
South Dakota
Wisconsin
Kansas
Indiana
Missouri
Colorado
Tennesse
North Dakota
Michigan
Kentucky
California
Nuevo México
Wyoming
Ohio
Georgia
Total
Capacidad
MMgal/año
1,606
706
566
546
475
193
179
122
110
93
67
51
50
38
34
30
5
3
0.4
7,872
%
Capacidad
No. de
plantas
% de
plantas
33
14.5
11.6
11.2
9.7
4
3.7
2.5
2.3
1.9
1.4
1
1
0.8
0.7
0.6
0.1
0.1
0
100
25
6
11
16
11
5
7
2
3
3
1
2
1
2
3
1
1
1
1
102
24.5
5.9
10.8
15.7
10.8
4.9
6.9
2
2.9
2.9
1
2
1
2
2.9
1
1
1
1
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
Camarillo, 2011
Página 18
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
Camarillo, 2011
Página 19
2. Antecedentes
(HT), así como de monóxido de carbono. Por parte de los NO X 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).
Camarillo, 2011
Página 20
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
Camarillo, 2011
Página 21
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.
Camarillo, 2011
Página 22
2. Antecedentes
Tabla 5. Producción de etanol por ingenio
Producción de etanol en México y capacidad instalada
Ingenio
Aarón Sáenz
Calipam
Constancia
El Carmen
El Mante
Independencia
La Joya
La Providencia
Pujiltic
San José de
Abajo
San Nicolás
San Pedro
Total
(Litros por ciclo agrícola)
Capacidad
Producción
instalada
(ciclo 02-03)
8,550,000
4,948,000
2,400,000
990,261
9,000,000
4,997,400
5,400,000
2,923,000
7,200,000
5,082,300
4,500,000
1,250,908
4,200,000
1,307,000
7,500,000
1,818,471
6,000,000
3,373,004
Capacidad
utilizada (%)
57.9
41.3
55.5
54.1
70.6
27.8
31.1
24.2
56.2
7,500,000
1,118,000
14.9
12,000,000
7,500,000
81,750,000
2,547,683
3,206,000
33,562,030
21.2
42.8
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).
Camarillo, 2011
Página 23
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
Camarillo, 2011
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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).
Camarillo, 2011
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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.
Ibarra, 2011
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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.
Ibarra, 2011
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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
Ibarra, 2011
Página 28
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
Camarillo, 2011
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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).
Camarillo, 2011
Página 30
5. Marco Teórico
La tabla 6 muestra las características fisicoquímicas del etanol anhidro.
Tabla 6. Características fisicoquímicas del etanol anhidro
Parámetro
Temperatura de ebullición (°C)
Valor
78.5
Temperatura de inflamación (°C)
13
Temperatura de autoignición (°C)
363
Densidad relativa (g/cm3)
0.79
Solubilidad en agua
Presión de vapor (mmHg a temp. ambiente)
miscible
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
Camarillo, 2011
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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.
Camarillo, 2011
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5. Marco Teórico
Tabla 7. Características fisicoquímicas del etanol hidratado
Parámetro
Estructura química
Valor
C1H5.84O
Densidad relativa (kg/l)
0.81
Poder calorífico (KJ/kg)
24,995
Relación estequiométrica A/F
8.81
Temperatura de autoignición (°C)
420
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.
Camarillo, 2011
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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
Temperatura de ebullición (°C)
Valor
38.8
Temperatura de inflamación (°C)
21
Temperatura de autoignición (°C)
250
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).
Camarillo, 2011
Página 34
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
Camarillo, 2011
Página 35
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.
Camarillo, 2011
Página 36
5. Marco Teórico
Tabla 9. Modificaciones necesarias en motores para mezclas > E20
Mezcla
Etanol
Carburador
(%)
Sistema
Inyección
Bomba
Combustible
Combustible
Filtro
de
Ignición
Tanque
Convertidor
Motor
Combustible
Catalítico
Básico
Aceite
del
Motor
Sistema
de
escape
Sistema
de
Arranque
en Frío
PARA CUALQUIER VEHÍCULO
<= 5
PARA VEHÍCULOS DE 15 - 20 AÑOS DE ANTIGÜEDAD
E5-E10
E10 -
PARA VEHÍCULOS ESPECIALMENTE DISEÑADOS
E25
VEHÍCULOS DE HASTA 15 20 AÑOS ANTIGÜEDAD
E25 PARA VEHÍCULOS ESPECIALMENTE DISEÑADOS
E85
E85 -
PARA VEHÍCULOS ESPECIALMENTE DISEÑADOS
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).
Camarillo, 2011
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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 ciclohexano, 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
Camarillo, 2011
Página 38
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:
Camarillo, 2011
Página 39
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
Camarillo, 2011
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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
Camarillo, 2011
Página 41
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
Camarillo, 2011
Página 42
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 (CO 2),
oxígeno (O2), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NO x), 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
Camarillo, 2011
Página 43
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, CO 2, 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
Camarillo, 2011
Página 44
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).
Camarillo, 2011
Página 45
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.
Camarillo, 2011
Página 46
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
Óxidos
nitrosos
Benceno
5.0225
9.5395
0.3775
0.106
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.
Camarillo, 2011
Página 47
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 CO 2 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.
Camarillo, 2011
Página 48
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.
FASE 1.
Elaboración de las
mezclas
combustible
FASE 2.
FASE 3.
FASE 4.
Pruebas de
combustión
Análisis de gases
de escape
Análisis de
resultados
Descripción de las
mezclas E0 - E40
Medición del
consumo de
combustible
Preparación y
calibración del
equipo
Determinación del
método de análisis
de resultados
Caracterización de
los combustibles
Medición de
temperatura de
admisión de aire
Medición de los
gases
Comparación de
valores de consumo
de combustible
Medición de
temperatura de
gases de escape
Comparación de
valores de
temperatura de
admisión y escape
Medición de torque
Comparacion de
valores de
potencia y torque
Medición de
potencia
Comparación de
valores de emisión
de gases
Figura 7. Diagrama de la metodología
Ibarra, 2011
Página 49
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-480608, 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.
Camarillo, 2011
Página 50
6. Metodología
Tabla 12. Volumen de gasolina y etanol utilizado para las mezclas
Hidratado
Anhidro
Tipo de
etanol
Volumen Gasolina
Volumen etanol
Mezcla
ml
%
ml
%
E10
900
90
100
10
E20
800
80
200
20
E30
700
70
300
30
E40
600
60
400
40
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).
Camarillo, 2011
Página 51
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.
Camarillo, 2011
Página 52
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.
Camarillo, 2011
Página 53
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.
Camarillo, 2011
Página 54
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.
6.2 Pruebas de combustión
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.
Camarillo, 2011
Página 55
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.
Camarillo, 2011
Página 56
6. Metodología
Tabla 13. Características del motor monocilíndrico
Parámetro
Descripción
Marca
Tipo de motor
AVL 5401
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: CO 2,
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 NO x con
Camarillo, 2011
Página 57
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.
Camarillo, 2011
Página 58
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.
Camarillo, 2011
Página 59
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
Humedad relativa
Caudal de aire de admisión
40°C
Ligeramente mayor al 1%
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
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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
Camarillo, 2011
Página 61
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.
Camarillo, 2011
Página 62
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.
Camarillo, 2011
Página 63
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)
Camarillo, 2011
Página 64
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
Camarillo, 2011
Página 65
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, O 2, 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.
Camarillo, 2011
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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
Camarillo, 2011
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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.
Camarillo, 2011
Página 68
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.
.
Camarillo, 2011
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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 gasolinaetanol (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
Ibarra, 2011
Página 70
7. Resultados y discusión
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
Temperatura (°C)
Densidad
relativa
Gasolina base
24
0.7454
Etanol hidratado
24
0.8063
Etanol anhidro
24
0.7843
Combustible
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
Camarillo, 2011
Página 71
7. Resultados y discusión
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.
Camarillo, 2011
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7. Resultados y discusión
Tabla 16. Resultados de la relación estequiométrica A/F
Combustible
Referencia
E10
E20
E30
E40
HE10
HE20
HE30
HE40
Relación A/F
estequiométrica
14.7
13.0898
12.0512
11.2956
10.7211
13.0791
12.0216
11.2461
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.
Camarillo, 2011
Página 73
7. Resultados y discusión
7.2 Pruebas de combustión
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.
0.25
0.26
0.28
0.29
0.30
0.26
0.28
0.29
0.30
CONS_MASICO (kg/hr)
1.8
1.6
REFERENCIA
E10
E20
E30
E40
HE10
HE20
HE30
HE40
1.4
1.2
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
LAMBDA
Figura 16. Consumo másico de combustible
Camarillo, 2011
Página 74
7. Resultados y discusión
51.03
53.96
56.60
58.89
60.90
54.06
56.46
59.13
60.61
CONS_SPF (g/kW-h)
340
320
300
REFERENCIA
E10
E20
E30
E40
HE10
HE20
HE30
HE40
280
260
240
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
LAMBDA
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
Camarillo, 2011
Página 75
7. Resultados y discusión
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
Cons.
másico
comb.
Cons. esp.
comb
Unidades
Combustibles
E10(%)
E20(%)
E30(%)
E40(%)
HE10(%)
HE20(%)
HE30(%)
HE40(%)
kg/h
5
9
14
18
5
9
14
18
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.
Camarillo, 2011
Página 76
7. Resultados y discusión
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.
Camarillo, 2011
Página 77
7. Resultados y discusión
20
T_ADMI (°C)
18
16
14
12
REF
E10
E20
E30
E40 HE10 HE20 HE30 HE40
--
COMBUSTIBLE
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)
Camarillo, 2011
Página 78
7. Resultados y discusión
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.
Camarillo, 2011
Página 79
7. Resultados y discusión
129.2
129.2
128.9
127.8
129.2
128.5
128.0
127.8
127.6
680
T_ESCAPE (°C)
660
REFERENCIA
E10
E20
E30
HE10
HE20
HE30
E40
HE40
640
620
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
LAMBDA
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.
Camarillo, 2011
Página 80
7. Resultados y discusión
T_EXH (°C)
650
640
630
REF
E10
E20
E30
E40 HE10 HE20 HE30 HE40
COMBUSTIBLE
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
Camarillo, 2011
Página 81
7. Resultados y discusión
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.
Camarillo, 2011
Página 82
7. Resultados y discusión
4.80
4.75
4.73
4.74
4.75
4.75
4.74
4.74
4.79
TOR_INDI (Nm)
40
30
REFERENCIA
E10
E20
E30
TOR_INDI
HE20
HE30
TOR_INDI
HE40
20
10
0
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
LAMBDA
Figura 21. Resultados de la prueba de torque indicado
Camarillo, 2011
Página 83
7. Resultados y discusión
1.00
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
1.00
10
9
8
P_INDI (kW)
7
6
REFERENCIA
E10
E20
E30
HE10
HE20
HE30
E40
HE40
5
4
3
2
1
0
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
LAMBDA
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.
Camarillo, 2011
Página 84
7. Resultados y discusión
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
Potencia
Torque
E10(%)
-1.0
-1.0
E20(%)
-1.5
-1.6
E30(%)
-1.3
-1.3
Combustibles
E40(%) HE10(%)
-1.4
-1.0
-1.3
-1.0
HE20(%)
-1.0
-1.1
HE30(%)
-1.3
-1.3
HE40(%)
-0.2
-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
Camarillo, 2011
Página 85
7. Resultados y discusión
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.
Camarillo, 2011
Página 86
7. Resultados y discusión
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, CO 2,
HC y NOx, respectivamente.
1473.17
1434.69
1411.22
1468.55
1440.14
1370.07
1464.55
1473.92
1478.52
40000
35000
30000
CO (PPM)
25000
REFERENCIA
E10
E20
E30
HE10
HE20
HE30
E40
HE40
20000
15000
10000
5000
0
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
LAMBDA
Figura 23. Comportamiento de las emisiones de CO
Camarillo, 2011
Página 87
7. Resultados y discusión
27681.41
27641.94
27624.80
27581.04
27640.30
27601.28
27606.25
27700.48
27640.89
150000
148000
146000
CO2 (PPM)
144000
142000
REFERENCIA
E10
E20
E30
HE10
HE20
HE30
E40
HE40
140000
138000
136000
134000
132000
130000
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
LAMBDA
Figura 24. Comportamiento de las emisiones de CO 2
Camarillo, 2011
Página 88
7. Resultados y discusión
432.90
402.83
390.51
395.24
409.80
418.86
397.18
389.21
382.31
HC (PPM)
3000
REFERENCIA
E10
E20
E30
HE10
HE20
HE30
E40
HE40
2000
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
LAMBDA
Figura 25. Comportamiento de las emisiones de HC
Camarillo, 2011
Página 89
7. Resultados y discusión
611.07
574.80
550.84
550.37
570.83
557.74
542.28
554.34
530.49
6000
5500
5000
NOX (PPM)
4500
4000
REFERENCIA
E10
E20
E30
HE10
HE20
HE30
E40
HE40
3500
3000
2500
2000
1500
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
LAMBDA
Figura 26. Comportamiento de las emisiones de NO X
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
Camarillo, 2011
Página 90
7. Resultados y discusión
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 CO 2.
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
Camarillo, 2011
Página 91
7. Resultados y discusión
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
CO
CO2
NOx
HC
Combustibles
E10(%)
-2.6
-0.1
-6
-7
E20(%)
-4.2
-0.2
-9.8
-9.8
E30(%)
-0.3
-0.3
-9.9
-8.7
E40(%)
0.05
0.07
-9.2
-10.1
HE10(%)
-2.2
-0.1
-6.6
-5.3
HE20(%)
-7
-0.3
-8.7
-3.2
HE30(%)
-0.6
-0.3
-11.2
-8.2
HE40(%)
0.4
-0.1
-13.2
-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
Camarillo, 2011
Página 92
7. Resultados y discusión
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
Camarillo, 2011
Página 93
7. Resultados y discusión
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 NO x 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 NO x 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
Camarillo, 2011
Página 94
7. Resultados y discusión
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.
Camarillo, 2011
Página 95
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.
Ibarra, 2011
Página 96
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 NO x, 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
Camarillo, 2011
Página 97
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
Error de medición
Capacidad
Dimensiones (largo x ancho x alto)
Peso neto
Volts, Hz, Ampere
100 °C
+/- 0.2°C
2 litros
22.71 x 20.07 x 20.65 cm
5 kg
120 V, 60 Hz, 2.5 A
2. Sistema de indicación
Marca
Modelo
Canales de entradas análogas
Señal de salida análoga
Señales de medición en tiempo real
AVL-INDIMETER 619
16/24/32
+/- 10 V
Liberación de calor, IMEP, detonación,
ángulo de cigüeñal, % de masa
quemada
3. Analizador de gases de escape
Marca
Dimensiones (alto x largo x ancho,
m)
Velocidad de muestreo
Gases medibles
Gases de calibración
Rangos de medición
AVL-CEB II
2 x 1 x 0.75
100 datos/segundo
CO2, CO, HC, NOx, O2 y Lambda
Aire sintético (20% O2 y 80% N2),
Hidrógeno, Helio, oxígeno, propano,
CO2, O2
4 CO, 4 HC, 4 NOx, 1 CO2, 1 O2
4. Equipo codificador de posición angular del cigüeñal
Marca
Modelo
Rango temperatura en cámara de
combustión
Velocidad angular máxima
Selección máxima de
pulsos/revolución
Resolución de medición de giro de
cigüeñal
Ibarra, 2011
AVL
365C Angle Encoder Set
-400°C-1200°C
20,000 RPM
3,600
0.5 grados
Página 107
Nomenclatura
NOMENCLATURA
Abreviatura
%c
A/F
Cn
CO
CO2
COV
di-TAE
ETBE
Exx
fa
GEMS
HC
HExx
Hm
HP
IMEP
kW
ma
mf
MON
MTBE
n
N
N2
NOx
O2
Ox
P
pH
PMI
PMS
ppm
RON
Ibarra, 2011
Significado
Porcentaje del compuesto presente en la mezcla (agua,
etanol, gasolina)
Relación air/fuel (aire/combustible)
Número de átomos de carbono resultantes de una
nueva formulación química
Monóxido de carbono, medido en ppm
Dióxido de carbono, medido en ppm
Coeficiente de variación estadístico
di-tert amyl-eter
Etil tert butil-eter
Mezcla gasolina-etanol anhidro a distinto valor
volumétrico de etanol
Flujo de aire en el motor
General engine management system (sistema de
gestión general del motor)
Hidrocarburos no quemados
Mezcla gasolina-etanol hidratado
Número de átomos de hidrógeno resultantes de una
nueva formulación química
Horse Power (caballos de fuerza)
Indicated mean effective pressure (presión media
efectiva)
kilowatt
Masa de aire (lbm, kg)
Masa de combustible (lbm, kg)
Motor octane number
Metil tert butil-eter
No. De revoluciones por ciclo
Velocidad angular del motor
Nitrógeno, medido en ppm
Óxidos de nitrógeno, medidos en ppm
Oxígeno, medido en ppm
Número de átomos de oxígeno resultantes de una
nueva formulación química
Potencia mecánica, medida en HP, kW
Potencial hidrógeno
Punto muerto inferior
Punto muerto superior
Partes por millón
Research octane number
Página 108
Nomenclatura
RPM
SOx
T
TAEE
THC
Vd
ηv
λ
μs
ρa
Cfactor
Hcv
Ocv
Camarillo, 2011
Revoluciones por minuto
Óxidos de azufre
Torque (N-m, lbf-pie)
Tert amyl etil-eter
Hidrocarburos totales
Volumen de desplazamiento del pistón en el cilindro
Eficiencia volumétrica de un motor
Lambda de Brettschneider
Microsegundos
Densidad del aire de admisión, evaluada a condiciones
atmosféricas
Número de átomos de carbono en cada una de las
moléculas de HC que se están midiendo
Relación atómica de hidrógeno/carbono
Relación atómica de oxígeno/carbono
Página 109