EFECTOS DE LA COMPOSICIÓN DEL GAS NATURAL COMPRIMIDO EN LOS COMPONENTES REGULADOS DE LOS GASES DE ESCAPE EN UN MOTOR DE ENCENDIDO POR CHISPA. PARTE I: NÚMERO DE WOBBE Y %CH4/CH

Analí Machado, Józef Przybylski, Vidal Montiel, Neyma García, Jhanie Rodríguez y Marggy Zambrano

Analí Machado Pineda. Ingeniero Mecánico. Maestría en Ingeniería de Gas. Estudiante de Doctorado, Programa de Ingeniería Ambiental, Universidad del Zulia (LUZ). Profesora Agregada e Investigadora, Centro de Combustibles Gaseosos para Vehículos Automotores (CEDEGAS-LUZ). Dirección: CEDEGAS, Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia, Apartado Postal 526, Maracaibo 4001-A, Venezuela. e-mail: amachado@luz.ve

Józef Przybylski. Ingeniero Mecánico. Magister en Ingeniería Mecánica, Doctor en Ciencias Técnicas, Universidad Técnica de Silesia, Gliwice-Polonia. Profesor Honorario, LUZ. Fundador y Profesor Investigador, CEDEGAS-LUZ.

Vidal Montiel. Ingeniero Mecánico, Maestría en Ingeniería Mecánica, LUZ. Profesor Titular, Investigador y Jefe (E), CEDEGAS-LUZ.

Neyma García de Rossell. Ingeniero Químico, LUZ. M.Sc., Universidad de Texas, EEUU. Profesora Titular, LUZ. Investigadora, CEDEGAS.

Jhanie Rodríguez y Marggy Zambrano. Ingenieros Mecánicos, LUZ. Asistentes de Investigación, CEDEGAS.

El motor de combustión interna alternativo ha sido y es actualmente el medio de tracción de los vehículos más utilizados ya que, en conjunto, sus propiedades han presentado condiciones tecnológicas favorables, superando así cualquier otro tipo de sistema. Los parámetros principales que condicionan su desarrollo progresivo están influenciados por la legislación medioambiental cada vez más estricta y por la exigencia en cuanto a reducción del consumo de combustible (Lapuerta y Hernández, 1998).

El análisis de las emisiones se considera de mucha importancia debido a que el sector del transporte automotor constituye la mayor fuente individual de contaminación atmosférica, teniendo influencia directa en la calidad del aire y pudiendo producir efectos nocivos sobre la salud de los seres vivos y del medio ambiente. Existe un recurso potencial que responde a ambos parámetros y consiste en la utilización de combustibles alternos a la gasolina o al diesel. Uno de éstos es el gas natural, el cual puede almacenarse en el vehículo en forma comprimida o licuada.

El uso de motores de encendido por chispa, alimentados con gas natural comprimido (GNC) ha tenido un importante repunte, puesto que este combustible gaseoso ofrece ventajas en virtud de su bajo costo, combustión limpia con bajas emisiones contaminantes, características físico-químicas que lo hacen difícilmente adulterable, amplias reservas, y su producción es suficientemente grande para satisfacer las necesidades existentes, debido a que se cuenta en Venezuela con sistemas de transporte y distribución (Przybylski, 1995). Por ello, el uso de este combustible alterno puede ser una excelente solución tanto desde el punto de vista económico como ecológico.

Estudios previos (Wang et al., 1993; Machado et al., 1999) muestran que la composición del GNC utilizado como combustible en vehículos automotores varía en todas y cada una de las estaciones de llenado en forma continua y a través de todo el país, motivo por el cual se intenta buscar parámetros que permitan relacionar la composición del GNC con las emisiones reguladas en los gases de escape.

Con base en lo expuesto, en el presente estudio se seleccionaron como parámetros representativos el Número de Wobbe y el %CH4/CH para identificar cada una de las muestras.

Para el desarrollo del trabajo se realizaron las mediciones de las concentraciones de monóxido de carbono (CO), hidrocarburos totales (HC) y óxidos de nitrógeno (NOx), cumpliendo con las normativas venezolanas (COVENIN No. 2227-85) y rusa (GOST 17.2.2.03-87).

Los motores que trabajan con el GNC como combustible generalmente muestran muy bajas emisiones de CO, lo que reviste gran importancia puesto que este componente tiende a incrementar los niveles de ozono. Adicionalmente, un vehículo automotor operando con GNC no solo emite menores cantidades de hidrocarburos reactivos, sino que dichos hidrocarburos son menos reactivos que los emitidos por combustibles convencionales (Weaver, 1989; Hochhouser et al., 1995).

El banco de pruebas utilizado está constituido por un conjunto de equipos que se utilizan para la medición experimental, a nivel de laboratorio, de los diferentes parámetros que caracterizan el funcionamiento de un motor, así como los componentes tóxicos de sus gases de escape. Los equipos del banco de prueba son:

a) Un motor Ford 302 (5.0 L), de encendido por chispa, 4 tiempos, de 8 cilindros en V, relación de compresión de 8,4:1, carrera del pistón de 76,2mm, y diámetro de cilindro de 101,6mm, cilindrada de 4942cm3, potencia máxima (nominal) de 98kW (130hp).

b) Un dinamómetro hidráulico Clayton, modelo CAM 250 (186kW), entre 2200 y 8000 rpm; el cual posee indicadores digitales de velocidad de rotación, potencia y par.

c) Un equipo de conversión de gasolina a gas, marca Impco, constituido por un conjunto de dos reductores, uno de alta presión (HPR-501) y otro formado por la cámara de media y baja presión, que representa el reductor principal o secundario (PEV). Entre el reductor de alta presión y el reductor principal se encuentra una válvula de cierre del flujo de gas controlada por presión de aire. El gas que sale de la cámara de baja presión hacia el mezclador lo hace a una presión mayor que la atmosférica. Este equipo cuenta con un mezclador aire-gas diseñado por el mismo fabricante.

e) Cilindro de acero DALMINE, de 80 dm3, con una presión máxima de llenado de 20 MPa (3000 psi) para el suministro del GNC al banco de pruebas.

f) Equipo digital de la marca American Weather, el cual permite determinar las condiciones ambientales al momento de la realización de las pruebas. Estas mediciones son: temperatura, presión barométrica y humedad relativa.

La variable a considerar en este estudio es la composición del GNC, debido a que se persigue conocer su influencia en la concentración de los componentes regulados de los gases de escape. Por medio del análisis cromatográfico realizado por el Instituto de Investigaciones Petroleras de La Universidad del Zulia (INPELUZ) se conocen los valores de concentración de los componentes y las características del GNC, y a través de ellos se calculan los valores de los parámetros representativos, tales como el Número de Wobbe y el %CH4/CH, los cuales han sido considerados indicadores potenciales de la variación de la composición del GNC. Para ello se utilizan las siguientes definiciones:

Para estudiar los efectos de liberación de energía por la composición del gas, el Número de Wobbe queda definido por la siguiente ecuación: (Matteus et al., 1996)

donde HHVp es poder calorífico superior a presión constante por unidad de volumen del gas y Sg es gravedad específica del GNC.

El %CH4/CH relaciona el porcentaje de metano en el combustible con respecto al de hidrocarburos, considerando la cantidad de gases inertes presentes en el GNC (Matteus et al., 1996):

En la Tabla I se presentan los valores que revisten mayor interés en las especificaciones de cada una de las composiciones de GNC utilizadas en los ensayos.

Antes de proceder a las mediciones de los componentes tóxicos para cada composición de GNC, es necesario seleccionar un valor del Coeficiente de Exceso de Aire (l) que permita obtener un buen funcionamiento del motor, así como una potencia adecuada y bajas emisiones. Este coeficiente define la composición de la mezcla y es conocida la considerable influencia de ésta en la formación de los componentes tóxicos de los productos de combustión. El valor obtenido fue l = 0,98 (mezcla rica).

Para la realización de los ensayos se cumple con los procedimientos estandarizados en las normas COVENIN 2227-85 y GOST 17.2.2.03-87; relativos en el primer caso a la determinación de la concentración de CO y HC provenientes del escape de vehículos, conjuntamente con la metodología para efectuar mediciones de las composiciones en los gases de escape de los automóviles con motores a gasolina o alimentados con gas, tanto nuevos como usados (Patrakhaltsev y Gorbunov, 1994).

Estos procedimientos se basan en un ensayo en régimen estacionario y con el motor funcionando en vacío. Las diferencias existentes entre los ensayos realizados y las normas antes mencionadas radican en el hecho de establecer más de dos velocidades de rotación del motor, es decir, para GOST 17.2.2.03-87, se consideran dos velocidades de rotación, ralentí mínimo y ralentí alto (de 2000 a 0,8 velocidad de rotación nominal), y para la norma COVENIN 2227-87 solo se requiere el estudio en ralentí. En este análisis se incorporaron dos velocidades de rotación del motor (1500 y 2000 rpm), para la medición de los contaminantes, con lo cual no se obtienen diferencias significativas en las concentraciones de las emisiones en las velocidades reglamentadas, pero brindan mayor información para el posterior análisis relacionada con el comportamiento de las tendencias de las concentraciones en función a las diferentes velocidades de rotación del motor (López y Urdaneta, 2001).

Se aplicó la Prueba de Rechazo de Chauvenet (García, 1999) para descartar datos dudosos y la técnica de comparación entre poblaciones denominada ‘Experimento con un solo Factor’, específicamente el Modelo de Efectos Fijos, también conocido como análisis de varianza o Prueba F (Montgomery, 1991). Se utilizó un nivel de significancia de a = 0,05 que implica un grado de confiabilidad de 95%.

El estudio se realizó en tres fases: a) Se analizaron las tres composiciones de GNC correspondientes a la misma estación de llenado representadas por San Jacinto A, B y C. b) Se evaluaron tres composiciones para distintas estaciones de llenado, es decir, La Milagrosa, El Carmen y San Jacinto C. Para las muestras de una misma estación fue seleccionada la C, ya que permite obtener una tendencia más clara del comportamiento del parámetro %CH4/CH, por presentar un valor equidistante del obtenido en las otras dos estaciones utilizadas. c) Se realizó el estudio estadístico considerando las cinco composiciones. Para cada composición de GNC se realizó un análisis cromatográfico de gases, obteniéndose la muestra mediante el empleo de un cilindro de captura (canister), previamente preparado para tal fin.

En la Tabla II se presentan los valores de los dos parámetros seleccionados como indicadores de la posible influencia que tendría una variación de la composición del combustible en la composición del gas de combustión. Es importante destacar que los valores del Número de Wobbe para este trabajo se encuentran dentro del rango obtenido para las composiciones utilizadas por Matthews et al. (1996), el cual está entre 1291,3-1381,4 BTU/scf; mientras que el %CH4/CH en las composiciones objeto de estudio presenta valores inferiores, ya que en el trabajo antes mencionado el rango está entre 91,32 y 99,17. En las Tablas III, IV y V se muestran los resultados promedios de la concentración de los componentes regulados de los gases de escape para las diferentes velocidades de rotación del motor, y para las distintas composiciones de GNC. Asimismo, en las Tablas VI a VIII pueden observarse los resultados del análisis de varianza para cada contaminante.

En el análisis de varianza (Tabla VI) se observa que la variación en la composición del GNC para la misma estación de llenado (es decir, San Jacinto A, B y C), ejerce influencia en las emisiones de CO únicamente a la velocidad de rotación mínima o ralentí, mientras que al considerar las tres estaciones de llenado (San Jacinto C, La Milagrosa y El Carmen) se evidencia una diferencia significativa solo a velocidades medias (velocidades no reglamentadas). Estas mediciones se realizaron para determinar la influencia del %CH4/CH en este contaminante. Al comparar ambos resultados se observa que a la velocidad de ralentí (importante por ser reglamentada) se presentan contradicciones, debido a que para la misma estación de llenado tiene diferencia significativa, mientras que para distintas estaciones de llenado no se presenta.

Puede concluirse que el criterio de comparación entre el %CH4/CH aplicado en el estudio de tres estaciones de llenado lleva a suponer que este parámetro no es buen indicador de la variación de la concentración de CO debido a cambios en la composición del GNC. Finalmente, en el estudio de las cinco composiciones en conjunto, se concluye que en todos los casos existe diferencia significativa, para un a=0,05.

Información adicional del comportamiento de la concentración de CO en función a los diferentes parámetros puede obtenerse de la representación gráfica de los resultados. En la Figura 1 se aprecia que las curvas presentan tendencias similares. En el intervalo comprendido entre valores de %CH4/CH de 88,60 a 89,06 existe una relación inversamente proporcional de este parámetro y las concentraciones de CO, mientras que en el rango de 89,068 a 89,19 es directamente proporcional. Para los valores de %CH4/CH en el rango de 89,19 a 89,32 se observa que a medida que incrementa el %CH4/CH existe una disminución de las concentraciones de CO, para todas las velocidades de rotación, a excepción de la curva de ralentí que presenta un ligero aumento.

Figura 1. Emisiones de CO en función del Número de Wobbe

En la Figura 2 se observa que sólo para velocidades medias el comportamiento de las concentraciones de CO en función del Número de Wobbe (WN) es similar, y no se observa una relación entre este parámetro y las emisiones de CO, ya que para el mayor valor del parámetro (1326,31), las concentraciones disminuyen para la totalidad de las velocidades de rotación.

Figura 2. Emisiones de CO en función del %CH4/CH

En procesos con tiempos de residencia en el orden de segundos, las reacciones de oxidación del CO alcanzan el equilibrio y la cantidad de CO en los gases de escape serían prácticamente nula; sin embargo, en sistemas con tiempos de escape cortos, como los motores de gasolina, las temperaturas bajan rápidamente, produciéndose la "congelación de la reacción" y emitiendo una cantidad considerable de CO a la atmósfera (Lapuerta y Hernández, 1998). Luego existen menores temperaturas a velocidades de rotación menores y esto puede explicar adicionalmente que a esta velocidad exista una mayor concentración de CO.

Cabe destacar que las emisiones de CO obtenidas en los ensayos realizados no exceden los valores permisibles y reglamentados.

Como resultado del análisis estadístico (Tabla VII) aplicado a los valores promedios obtenidos en la medición de los NOx, mostrados en la Tabla IV, puede decirse, en primer lugar, que la variación en la composición del GNC para la misma estación de llenado no influye en las emisiones de NOx. En el caso de tres estaciones de llenado, la diferencia significativa para a=0,05, generada por variaciones en la composición del combustible se presenta a velocidades mayores a 2000 rpm, mientras que con el análisis de las cinco composiciones quedan establecidas las diferencias significativas a velocidades altas (2000 y 2500 rpm).

En la Figura 3 se observa una tendencia similar en las concentraciones del NOx en función del %CH4/CH para las velocidades reglamentadas, es decir, ralentí y 2500 rpm. Las concentraciones de NOx son inversamente proporcionales al %CH4/CH en el rango de valores de 88,60 a 89,06 de este último. Luego se presenta una relación directamente proporcional para el intervalo de 89,06 a 89,19. Finalmente, se evidencia una tendencia a la disminución en las concentraciones de NOx para los puntos correspondientes a un %CH4/CH mayor a 89,19. Para las velocidades intermedias (1500 y 2000 rpm) se presenta igual comportamiento sólo en el intervalo de 89,19 a 89,32 y, además, puede notarse que el rango de las concentraciones de NOx es relativamente pequeño (entre 23,6 y 48 ppm). Sin embargo, lo observado no permite establecer una relación definida entre este parámetro y las concentraciones emitidas de dicho componente. El mismo comportamiento fue observado con respecto a la variación del Número de Wobbe, es decir, se presenta la ausencia de similitud en las tendencias con lo cual no puede establecerse una relación bien definida. Puede decirse, sin embargo, a través del análisis de la Figura 4, que las velocidades bajas (ralentí y 1500 rpm) presentan una relación inversamente proporcional entre el Número de Wobbe y las emisiones de NOx en el intervalo de 1268,65 a 1315,15, mientras que para altas velocidades (2000 y 2500 rpm) ocurre lo contrario, son directamente proporcionales. Los comportamientos de las emisiones de NOx para valores mayores a 1315,15, son totalmente distintos entre sí.

Figura 3. Emisiones de NOx en función del %CH4/CH

Figura 4. Emisiones de NOx en función del Número de Wobbe

Del análisis de varianza presentado en la Tabla VIII se obtiene, en primer lugar, que para la misma estación de llenado sólo existe diferencia significativa en las velocidades de 1500 y 2500 rpm, mientras que para diferentes estaciones de llenado, sólo se presenta en vacío; se evidencia nuevamente una contradicción en los resultados, similar a la ocurrida en las concentraciones de CO. Finalmente, se obtuvo que para las cinco muestras la variación de la composición del GNC afecta los niveles de emisiones de HC a las velocidades de rotación reguladas (Ralentí y 2500 rpm) y a 1500 rpm, con un a=0,05.

Adicionalmente, puede verse en la Figura 5 que las curvas presentan comportamientos diferentes entre sí, por lo que no puede establecerse una relación específica entre las variaciones del %CH4/CH y las emisiones de HC. Asimismo, en la Figura 6, los comportamientos de las concentraciones emitidas a cada velocidad son distintos entre sí, y no es posible establecer una relación entre el Número de Wobbe y las emisiones de HC.

Figura 5. Emisiones de HC en función del %CH4/CH.

Figura 6. Emisiones de HC en función del Número de Wobbe.

Los gases de escape normalmente contienen de 1000 a 3000 ppm de HC, esto corresponde alrededor de 1 a 2,5% del combustible suministrado al motor. Las emisiones de HC también se ven afectadas por la relación aire-combustible, pues estas incrementan rápidamente con el aumento de la relación (Degobert, 1995). Sin embargo en este caso, con la utilización de este combustible alterno y con un coeficiente de exceso de aire que proporciona una mezcla rica, se obtienen valores mucho menores a los esperados, y por supuesto dentro de los niveles permitidos por las diferentes normativas legales, lo que hace de este combustible una excelente alternativa ambiental.

El análisis cualitativo y cuantitativo hecho sobre la base de una evaluación conjunta de cinco composiciones del GNC y cuatro diferentes velocidades de rotación del motor permiten establecer las siguientes conclusiones:

La obtención de distintos valores en los parámetros seleccionados para caracterizar las diferentes composiciones del gas natural evidencia la presencia de variaciones en la composición del combustible, tanto para la misma estación de llenado como para aquellas de diferente localización.

El análisis estadístico permite afirmar que variaciones en la composición del GNC repercuten en los niveles de emisión de los contaminantes regulados de los gases de escape en vehículos automotores, basado en un grado de confiabilidad del 95%.

Con el análisis de las tendencias de las diferentes concentraciones en función a los dos parámetros estudiados no se observa, en la mayoría de los casos, un patrón definido en el comportamiento de las curvas que representan los niveles promedios de las concentraciones de los contaminantes emitidos a diferentes velocidades de rotación. Por lo antes expuesto, puede concluirse que los parámetros seleccionados no son buenos indicadores de la relación existente entre los cambios en la composición del GNC y las concentraciones de los gases de escape regulados.

Mediante la comparación de las concentraciones medidas en los ensayos, con los niveles límites establecidos en las Normas sobre Emisiones de Fuentes Móviles, en el decreto N° 2673 y Gost 17.2.2.03-87, se verificó que ellas están por debajo de los valores reglamentados para los componentes HC y CO a todas las velocidades consideradas. En cuanto al NOx la comparación se ha realizado con el rango permisible propio del equipo analizador de gases OTC, el cual tiene establecido que para un valor de 1 esté entre 0,9 y 1,1 la concentración de NOx será baja y estará en el rango de 400 ppm o menos, concluyéndose que las emisiones de este componente tóxico se encuentran en niveles considerados como aceptables.

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