Estudio del efecto de la altitud sobre las emisiones de gases de escape de motores de combustión interna con encendido provocado

Study of the effect of altitude on the emissions of exhaust gases in spark-ignition engines

Edwin Salomón Arroyo Terán* Andrés Felipe Cevallos González** Rommel Paúl Imbaqüingo Navarrete*** Jorge Lüis Melo Obando****

*Magíster en Diseño Mecánico mención en Fabricación de Autopartes. Docente investigador en la Universidad Técnica del Norte, Facultad de Ingeniería en Ciencias Aplicadas, Ibarra (Ecuador). Grupo de Investigación de Motores de Combustión Interna con Biocombustibles (Bicer). esarroyo@utn.edu.ec

**Magíster en Ingeniería Automotriz. Docente investigador en la Universidad Técnica del Norte, Facultad de Ingeniería en Ciencias Aplicadas, Ibarra (Ecuador). Grupo de Investigación de Motores de Combustión Interna con Biocombustibles (Bicer). afcevallos@utn.edu.ec

*** Magíster en Diseño Mecánico mención en Fabricación de Autopartes. Docente investigador en la Universidad Técnica del Norte, Facultad de Ingeniería en Ciencias Aplicadas, Ibarra (Ecuador). Grupo de Investigación de Motores de Combustión Interna con Biocombustibles (Bicer). rpimbaquingo@utn.edu.ec

****Ingeniero en Construcción de Automóviles y Tractores. Docente investigador en la Universidad Técnica del Norte, Facultad de Ingeniería en Ciencias Aplicadas, Ibarra (Ecuador). Grupo de Investigación de Motores de Combustión Interna con Biocombustibles (Bicer).jlmelo@utn.edu.ec

Correspondencia: Edwin Salomón Arroyo Terán. Dirección: Av. 17 de julio y Gral. José María Córdova. Teléfono: +593996596737.

Fecha de recepción: 18 de septiembre de 2019
Fecha de aceptación: 25 de noviembre de 2019

Resumen

El presente proyecto de investigación muestra el efecto de la altitud en las emisiones de gases contaminantes de un motor de encendido provocado (MEP), en consideración a que en Ecuador y en América Latina existen variaciones topográficas que afectan las condiciones de trabajo de los vehículos. Se analizaron las emisiones de gases contaminantes generadas por un MEP funcionando a diferentes altitudes. Se realizaron mediciones en tres ciudades con diferente altura sobre el nivel mar (0, 2200 y 3000 msnm), a cuatro regímenes de giro del motor (ralentí, 2000, 3500 y 4500 rpm), en la misma hora del día. Se evaluaron las emisiones de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO₂) e hidrocarburos no combustionados (HC). Los resultados mostraron que las revoluciones por minuto son el factor más influyente en la emanación de CO y HC; conforme se incrementan las revoluciones, el porcentaje de CO es mayor y la cantidad de HC se reduce. Sin embargo, en las emisiones de CO2, la altitud tiene un efecto más significativo, por cuanto disminuyen a medida que la presión atmosférica decrece. En consecuencia, se espera que los resultados alcanzados permitan promover trabajos futuros orientados a reducir las emisiones dañinas para la salud humana.

Palabras clave: efecto de altitud, emisiones, gases de escape, motor de encendido provocado.

Abstract

This research project shows the effect of altitude on the emissions of polluting gases from a spark ignition engine (SI engine), considering that in Ecuador and in Latin America, there are topographic variations that affect the conditions of vehicle operation. This work analyzes the emissions of polluting gases generated by a SI engine operating at different heights above sea level. Altitude is a very important factor in the performance of SI engine and in the emissions that it produces. Measurements were developed in three cities with different height above sea level (0, 2.200 and 3.000 masl), at four engine revolutions (idle, 2.000, 3.500 and 4.500 rpm) and at the same hour of the day. The emissions of carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO₂) and unburned hydrocarbons (UHC) were measured. The results showed that the engine revolutions are the most important factor in the emission of CO and UHC; as the rpm increase, the percentage of CO is higher and the amount of UHC is reduced; however, in CO₂ emissions, altitude has a more significant effect, decreasing as atmospheric pressure drops. Consequently, it is expected that the results achieved will promote future works to reduce harmful emissions to human health.

Keywords: altitude effect, emissions, exhaust gases, spark-ignition engine.

1. INTRODUCCIÓN

Las emisiones de gases contaminantes en vehículos modernos ha sido un tema de interés mundial en los últimos años. Cada día existen nuevos estudios que permiten entender la generación de gases contaminantes en motores de combustión interna y los métodos para disminuir dicho efecto; incluso, los fabricantes de vehículos han dedicado divisiones enteras de sus plantas de producción a la búsqueda de la optimización de los procesos de combustión y, en consecuencia, la disminución de generación de contaminantes [1]-[3].

Los principales gases emanados por motores de ciclo Otto son los hidrocarburos no combustionados (hc), los monóxidos de carbono (co) y los dióxidos de carbono (co₂), todos formados a partir de la combustión de la gasolina en el motor. Estos gases son los principales partícipes de efectos dañinos en la salud de las personas, así como de los efectos negativos en el medio ambiente [3], [4].

Las emisiones vehiculares dependen de muchos factores, tales como el tipo de combustible, los ciclos de conducción, la tecnología del motor, la topografía y las condiciones climáticas de operación del motor de combustión interna [3], [5].

En un estudio realizado a dos cotas de altitud, se encontró que el octanaje del combustible y la altura tienen mayor efecto significativo en las emisiones de co y hc, mientras que las revoluciones del motor y la altura lo hacen sobre el co₂ [10]. Otros estudios indican que mientras más rica es la mezcla, la emisión de co es más alta y las emisiones de hc disminuyen de forma considerable con el uso de combustible de mayor octanaje [11]. Por tanto, desde la perspectiva de la salud humana, las emisiones de vehículos impulsados por motores de encendido provocado requieren mayor atención para las personas que residen en ciudades de gran altura, debido a los menores niveles de oxígeno y las concentraciones de co más elevadas [5]. En los vehículos diésel, las emisiones de hc y co son menos perceptibles, pero a mayor altitud las emisiones de nox son relevantes [12]. Por su parte, los motores que funcionan con gasolina evidencian emisiones de co₂ de 13 a 66 % más altas respecto a los motores diésel, mientras que las emisiones de nox se reducen entre un 86 y un 96 % [13]. La puesta a punto de los motores en los vehículos nuevos, por lo general, se realiza a nivel del mar, donde presentan las mejores prestaciones, menores consumos y emisiones de escape dentro de las normativas vigentes [14]. En un país con ecosistemas diversos como es el Ecuador, donde es posible contar con ciudades a diferentes alturas, se pueden extender las investigaciones sobre emisiones a estudios con diversas condiciones de altitud bajo la tesis según la cual los gases contaminantes en un motor de gasolina pueden verse influenciados por la altitud a la que el motor trabaja. En la actualidad se cuenta con varios estudios sobre emisiones a diferentes alturas en ambientes simulados y los resultados han presentado variaciones en cada condición de trabajo del motor; sin embargo, existen muy pocas referencias de mediciones con variaciones en la altitud de operación en condiciones reales [5], [6]. Por este motivo, el proyecto plantea una investigación en tres ciudades del país en las que se tienen 0 msnm, 2200 msnm y 3000 msnm. Además, se propone realizar pruebas a diferentes rangos de operación del motor, a fin de obtener los niveles de emisiones contaminantes en la mayor cantidad de condiciones de trabajo posibles.

2. METODOLOGÍA

A fin de llevar a cabo la investigación se emplea el método experimental, el cual permite recoger datos reales de las pruebas realizadas al vehículo en diferentes condiciones de trabajo. Se realiza la medición de emisiones de gases en un vehículo con motor ciclo Otto, trabajando con gasolina de 87 octanos, a cuatro regímenes de giro del motor (ralentí, 2000, 3500 y 4500 rpm). Además, se plantea la realización de pruebas en tres condiciones topográficas distintas (0, 2200 y 3000 msnm), en el mismo horario del día. Para cada localidad, y revoluciones de giro del motor, se efectúan tres mediciones de gases y toma de datos.

Equipos utilizados

Se utilizó un vehículo marca Kia modelo Rio, fabricado en el 2017, con un motor de cuatro cilindros en línea ciclo Otto. Las características del motor se describen en la tabla 1.

El deterioro de los sistemas de control de emisiones debido al uso normal en el vehículo, por lo general, se hace perceptible a partir de los 50 000 km, lo que influye en un aumento de las emisiones [15]. Por tal motivo, se utilizó un vehículo con 26 100 km de recorrido, lo cual asegura que los gases medidos son producto del efecto de la altitud en el motor y no por desgaste del sistema de control de emisiones. Con el fin de evitar errores de medición ocasionados por un motor en mal estado, se realizó un mantenimiento completo al vehículo, para lo cual se realizó cambio de bujías, limpieza de inyectores, cambio de filtros de aire y combustible antes de cada ensayo.

En la medición de emisiones se utilizó un analizador de gases marca Brain Bee serie AGS-688, el cual realiza una compensación automática de presión entre 850-1060 mBar. El equipo se autocalibra mediante el uso de una bombona de gas modelo. La sonda de medición se coloca directamente en el ducto de escape del vehículo a fin de realizar la medición de los porcentajes en volumen de dióxido de carbono CO₂, y monóxido de carbono CO, además de las partes por millón de hidrocarburos no com-bustionados HC y el factor lambda À en el motor.

La adquisición de datos de revoluciones se realizó con el equipo RPM Counter Brain Bee MGT-300, el cual admite conexión con el analizador de gases.

Protocolo de pruebas

Antes de cada prueba se verifica que el motor se encuentre a temperatura normal de funcionamiento (80 °C) y la transmisión en posición neutral. Se realizaron cinco mediciones para cada cota de altura sobre el nivel del mar y revoluciones del motor, lo que dio lugar a un total de sesenta mediciones de gases de escape que muestran resultados de monóxido de carbono CO (% vol.), dióxido de carbono CO2 (% vol.), hidrocarburos no combustionados HC (ppm) y factor lambda. Se consideró realizar cinco mediciones para disminuir el margen de error o discrepancia de datos que pudiera existir debido a factores ajenos a la metodología aplicada. El protocolo de pruebas (figura 1) utilizado para todos los ensayos fue el siguiente:

■ Verificar el buen estado del sistema de escape del vehículo, libre de golpe, fugas o modificaciones al sistema original.

■ Colocar la transmisión del vehículo en posición neutral.

■ Esperar que el motor del vehículo se encuentre a temperatura óptima de funcionamiento.

■ Verificar que no existan cargas adicionales en el funcionamiento del motor, como, por ejemplo, luces, radio, aire acondicionado.

■ Colocar el medidor de revoluciones de motor.

■ Esperar que los equipos de medición realicen el proceso de calentamiento y estabilización.

■ Verificar el correcto estado y limpieza de la sonda e introducirla en el tubo de escape de forma que se encuentre fija en este.

■ Llevar las revoluciones del motor según se requiere (ralentí, 2000, 3500 y 4500 rpm); se espera 30 s para la estabilización de este y se procede a tomar los datos.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para el estudio de la variable respuesta se realizó un análisis de la varianza (Anova) a fin de determinar cuál de los factores (altura o régimen de giro del motor) genera una diferencia significativa en el nivel de emisiones de cada gas analizado.

Emisiones de CO

La figura 2 muestra el efecto de la altitud sobre las emisiones de CO. A medida que se incrementa la altitud, las emisiones de monóxido de carbono aumentan ligeramente, debido a la incidencia que produce el oxígeno en la mezcla estequiométrica de la combustión. La disminución de oxígeno, provocado por la reducción de presión atmosférica, conlleva a que el motor trabaje con mezcla rica, se produzcan combustiones incompletas y, por tanto, la emisión de CO sea más elevada. Esto concuerda con los resultados obtenidos en estudios similares [5], [11].

La tabla 2 muestra los resultados del análisis estadístico de las emisiones de CO con respecto a la altura sobre el nivel del mar. En este estudio se analiza la signifcancia de la altitud en el nivel de emisiones de CO para cada régimen de giro del motor.

El análisis Anova muestra que el valor P es mayor que 0,05. Esto determina que no existe una diferencia estadísticamente significativa entre las medias de las emisiones de CO en las tres altitudes analizadas con un nivel del 95 % de confianza.

En la figura 3 se observa el aumento de las emisiones de CO a medida que se incrementan las revoluciones del motor. Es importante destacar que, sobre las 3500 rpm, se aprecia el descenso de emisiones de CO debido al funcionamiento del sistema de control de emisiones del vehículo (sistema egr, evap, pcv) y el efecto del funcionamiento del sistema CVVT.

En la tabla 3 se observan los resultados estadísticos con respecto al régimen de giro del motor. Se analiza la importancia de las revoluciones por minuto en la generación de monóxido de carbono.

El análisis muestra que existe una diferencia estadísticamente significativa entre las medias de las emisiones de CO a diferentes regímenes de giro con un nivel del 95 % de confianza, debido a que el valor P es menor al 5 % de error.

Si se considera el rango de variación de emisiones de CO, se observa que hay un mayor cambio en los resultados bajo efecto de las revoluciones del motor con relación a los datos obtenidos por incidencia de las alturas.

Emisiones de CO₂

En la figura 4 se aprecia que el factor más influyente en la emisión de CO₂ es la presión atmosférica a diferentes alturas. A medida que la altitud incrementa, las emisiones de CO₂ disminuyen. Se puede apreciar que, a 0 msnm, las emisiones de CO₂ son mayores debido a la alta concentración de oxígeno en el ambiente, lo cual conlleva a una mayor eficiencia volumétrica [7] y, en consecuencia, a un mejor proceso de combustión en el interior del motor.

El análisis del efecto de las revoluciones del motor sobre las emisiones de CO₂, representado en la figura 5, demuestra que el cambio de régimen de funcionamiento del MCI no es un factor crítico en la generación de dióxido de carbono.

En el análisis estadístico de la varianza realizado para las variables de altura sobre el nivel del mar y régimen de giro se determinó que la altitud tiene una incidencia más significativa en el nivel de emisiones de CO₂, con el 95 % de confianza, mientras que las revoluciones por minuto no son relevantes en la generación de este gas.

Emisiones de HC

La figura 6 muestra las emisiones de hidrocarburos no combustionados con respecto a la altura sobre el nivel del mar. Se puede observar que los resultados muestran un valor elevado de HC a 0 msnm y una tendencia a disminuir conforme se incrementa la altitud. Es importante señalar que a 2200 msnm se tiene el punto más bajo. La cantidad de oxígeno y pulso de inyección son factores que inciden en la generación de HC.

Como se observa en la figura 7, las emisiones de HC disminuyen cuantiosamente al incrementar la velocidad de giro del motor, lo cual corrobora los resultados de estudios previos [11].

A partir del estudio estadístico Anova se establece que, para la emisión de hidrocarburos no combustionados, las revoluciones de giro del MCI son más significativas que la altitud a la que opera. Este análisis presenta los resultados con base en la varianza de los datos de estas variables con un 95 % de confianza.

Análisis de factor lambda

El factor lambda no presenta una variación significativa debido a que el sistema de gestión electrónica del vehículo regula la cantidad de combustible inyectado en relación con la cantidad de aire admitido para mantener el valor estequiométrico programado, por tanto, no se realizó un análisis de este factor puesto que no es incidente en las emisiones de gases. Es importante considerar que el sistema de inyección electrónica mide la presión atmosférica a la que se encuentra operando mediante el sensor de presión absoluta del múltiple de admisión (map).

4. CONCLUSIONES

Un factor significativo en la generación de emisiones contaminantes en un motor de combustión interna con encendido provocado es la cantidad de oxígeno que ingresa a la cámara de combustión, la cual disminuye conforme se incrementa la altura y se reduce la presión atmosférica. Al analizar las emisiones de monóxido de carbono respecto a la altura y la variación del régimen de motor, se determina que las revoluciones por minuto son el factor más influyente en la formación de este gas. Los resultados demuestran que a medida que se incrementan las rpm del motor, aumentan las emisiones de CO. Por otra parte, para la generación de dióxido de carbono, el factor de mayor importancia es la altitud y, por ende, la presión atmosférica a la que opera el motor. La reducción de presión atmosférica disminuye el porcentaje de volumen de CO₂ en la composición de los gases de escape.

En cuanto a los hidrocarburos no combustionados, el régimen de giro del motor influye de manera directa al disminuir el nivel de emisiones a medida que se incrementan las revoluciones del motor. Sin embargo, el efecto de la presión atmosférica sobre la emanación de HC no muestra una tendencia definida; para esto se requieren estudios adicionales que consideren otros factores, como, por ejemplo, las condiciones meteorológicas y el sistema electrónico de control de emisiones (obd ii) que intervienen en el proceso de combustión del MCI.

REFERENCIAS

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