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Emisiones y temperaturas de los gases de escape de un motor durante el arranque en fr�o aplicando dos tipos de combustibles

 

Emissions and temperatures of the exhaust gasses of an engine during the cold start applying two types of fuels

 

Emiss�es e temperaturas dos gases de escape de um motor durante o arranque a frio, utilizando dois tipos de combust�veis

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jorgel.lema@ute.edu.ec

 

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 23 de agosto de 2022 *Aceptado: 28 de septiembre de 2022 * Publicado: 01 de octubre de 2022

 

 

        I.            Mag�ster en Sistemas Automotrices, Facultad de Ciencias de la Ingenier�a e Industrias, Universidad UTE, Quito, Ecuador.

 

 

 

Resumen

La contaminaci�n ambiental por parte del sector automotriz, es un grave problema de �ndole mundial. Existen etapas durante el funcionamiento de los motores de combusti�n interna que hacen inevitables la formaci�n de mezclas estequiom�tricas. Una de estas etapas es el arranque en fr�o, en la cual se libera una mayor cantidad de gases contaminantes y cuya reducci�n es restringida debido a la necesidad de alcanzar la temperatura normal de trabajo del motor en el menor tiempo posible. En este estudio se compar� las emisiones de HC, CO, CO₂, O₂ y temperaturas de los gases de escape en un veh�culo aplicando combustibles ecuatorianos RON 92 y RON 87, durante el arranque en fr�o. Para la adquisici�n de los datos de las temperaturas, se utiliz� un sensor DHT22 enlazado a un m�dulo ESP32. Para la obtenci�n de los datos de emisiones se efectu� por medio del analizador de gases Kane Autoplus. Los resultados mostraron que el combustible RON 87 genera mayores temperaturas de los gases de escape y menor cantidad de emisi�n de HC, CO, CO₂, con excepci�n del O₂.� Es decir, el combustible de menor RON emite menores emisiones de gases contaminantes. Adicionalmente, se determin� una fuerte correlaci�n entre los gases HC y O₂ con las temperaturas de los gases de escape para ambos combustibles. Por otro lado, las correlaciones de los gases CO₂ y CO con las temperaturas son moderadas, con la excepci�n del CO para el combustible RON 87, por lo cual no tiene relaci�n con la temperatura.

Palabras clave: Arranque en fr�o; Combustibles; Emisiones; Gases de escape; RON; Temperaturas.

 

Abstract

Environmental pollution by the automotive sector is a serious global problem. There are stages during the operation of internal combustion engines that make the formation of stoichiometric mixtures unavoidable. One of these stages is the cold start, in which a greater quantity of polluting gases is released and whose reduction is restricted due to the need to reach the normal working temperature of the engine in the shortest possible time. In this study, the emissions of HC, CO, CO2, O2 and exhaust gas temperatures were compared in a vehicle applying Ecuadorian fuels RON 92 and RON 87, during cold start. For the acquisition of temperature data, a DHT22 sensor linked to an ESP32 module was used. Emission data was obtained using the Kane Autoplus gas analyzer. The results showed that the RON 87 fuel generates higher exhaust gas temperatures and lower amounts of HC, CO, CO2 emissions, with the exception of O2. That is, the lower RON fuel emits lower polluting gas emissions. Additionally, a strong correlation between HC and O2 gases with exhaust gas temperatures was determined for both fuels. On the other hand, the correlations of CO2 and CO gases with temperatures are moderate, with the exception of CO for the RON 87 fuel, for which it has no relationship with temperature.

Keywords: Cold start; fuels; emissions; Exhaust gases; RON; temperatures.

 

Resumo

A polui��o ambiental pelo setor automotivo � um grave problema global. Existem etapas durante o funcionamento dos motores de combust�o interna que tornam inevit�vel a forma��o de misturas estequiom�tricas. Uma dessas etapas � a partida a frio, na qual � liberada maior quantidade de gases poluentes e cuja redu��o � restrita devido � necessidade de atingir a temperatura normal de trabalho do motor no menor tempo poss�vel. Neste estudo, as emiss�es de HC, CO, CO2, O2 e as temperaturas dos gases de escape foram comparadas em um ve�culo que utiliza os combust�veis equatorianos RON 92 e RON 87, durante a partida a frio. Para a aquisi��o dos dados de temperatura foi utilizado um sensor DHT22 acoplado a um m�dulo ESP32. Os dados de emiss�o foram obtidos usando o analisador de gases Kane Autoplus. Os resultados mostraram que o combust�vel RON 87 gera maiores temperaturas dos gases de escape e menores quantidades de emiss�es de HC, CO, CO2, com exce��o do O2. Ou seja, o combust�vel RON mais baixo emite menos emiss�es de gases poluentes. Al�m disso, uma forte correla��o entre os gases HC e O2 com as temperaturas dos gases de escape foi determinada para ambos os combust�veis. Por outro lado, as correla��es dos gases CO2 e CO com as temperaturas s�o moderadas, com exce��o do CO para o combust�vel RON 87, para o qual n�o tem rela��o com a temperatura.

Palavras-chave: Partida a frio; combust�veis; emiss�es; Gases de escape; RON; temperaturas.

 

Introducci�n

En el contexto actual, la contaminaci�n al medio ambiente es uno de los problemas m�s desafiantes para el ser humano (Zarandi, Shahsavani, Nasiri, & Pradhan, 2021). La contaminaci�n en el entorno natural produce afectaciones a nivel respiratorio y cardiovascular, pudiendo evolucionar en graves enfermedades a nivel cancer�geno (Brancato et al., 2018) (Lopez-Arboleda, Sarmiento, & Cardenas, 2021). La contaminaci�n es la modificaci�n negativa del medio ambiente causada por agentes f�sicos, biol�gicos o qu�micos (Meneses, Turto, & Molina, 2004). Con respecto al agente qu�mico, el desequilibrio ambiental es afectado por la acumulaci�n de gases de efecto invernadero y compuestos org�nicos nocivos, en la atm�sfera terrestre. Dentro de los principales compuestos qu�micos nocivos se tienen a los mon�xidos de carbono (CO), �xidos de nitr�geno (NOx) hidrocarburos no combustionados (HC), di�xido de azufre (SO₂) y material particulado (PM_2,5 y PM₁₀); mientras que el di�xido de carbono (CO₂) es el principal gas de efecto invernadero. El CO es un gas incoloro y puede provocar la muerte debido a su presencia en la sangre, dando como resultado elevados niveles de carboxihemoglobina. El CO se genera por combustiones deficientes de materiales org�nicos. Los HC son compuestos conformados por carbono e hidr�geno, que no han sido combustionados por las malas relaciones de mezcla entre el aire y el combustible. Incluso, los HC pueden ser el resultado de las evaporaciones de los combustibles por una incorrecta distribuci�n y almacenaje de los mismos. Uno de los hidrocarburos m�s relevantes es el benceno (C₆H₆), el cual puede provocar irritaciones en los ojos y c�ncer en las personas (Flores, Byron, & Romero, 2016). Al igual que el CO y HC, los PM₁₀ y PM_2,5 son el resultado de combustiones deficientes que tambi�n pueden causar graves problemas a nivel respiratorio (Gaviria G, Benavides C, & Tangarife, 2011). Los NOx, a diferencia de los HC, es un compuesto inorg�nico conformado por la combinaci�n del ox�geno y el nitr�geno. Los NOx consisten principalmente de �xido n�trico (NO) y de di�xido de nitr�geno (NO₂), los cuales son formados por las altas temperaturas de la combusti�n y son causantes de la formaci�n de deposiciones �cidas (Flores, Byron, & Romero, 2016).� Las deposiciones �cidas, mejor conocidas en la sociedad como lluvia �cida, es producida por la reacci�n de los NOx con el agua del medio ambiente, generando �cido n�trico (NHO₃) y �cido sulf�rico (H₂SO4). La lluvia �cida degrada al ecosistema mediante un aumento en el nivel de acidez de los r�os y mares, provocando da�os a la fauna marina, por ejemplo. El CO₂ por su parte, no es un gas t�xico para el ser humano, sin embargo, es causante del calentamiento global. De hecho, en la combusti�n estequiom�trica de la gasolina cuya relaci�n de aire y combustible es de 14,7 a 1, los productos generados son CO₂ y agua, por lo que es inevitable la emisi�n de este gas en cualquier proporci�n de mezcla entre el combustible y comburente. Para el caso del SO₂, si bien se produce por la quema de combustibles, tambi�n es generada por procesos anaerobios y erupci�n de volcanes (Flores, Byron, & Romero, 2016). Entre las fuentes que generan los compuestos y gases antes mencionados se encuentran los hogares, edificios, restaurantes, empresas industriales y el transporte terrestre, siendo este �ltimo el responsable de la mayor cantidad de las emisiones de di�xido de carbono (Santos, 2017) y la principal fuente de contaminaci�n de manera global (Pospisil & Jicha, 2017) (Faulin, Grasman, Juan, & Hirsch, 2019). Si bien los veh�culos se someten a ciclos de conducci�n en bancos dinamom�tricos, con la finalidad de que puedan cumplir con estrictos est�ndares de emisiones (Saliba et al., 2017), estas pruebas no simulan la situaci�n del veh�culo bajo las condiciones reales de funcionamiento tales como la congesti�n vehicular, condiciones clim�ticas, estilo de conducci�n, aire acondicionado, topograf�a, altitud y arranque en fr�o (Ramos, Mu�oz, Andr�s, & Armas, 2018). Con respecto a esta �ltima condici�n, el arranque en fr�o es una etapa complicada para el motor, debido a la poca lubricaci�n existente entre los elementos constitutivos del motor y a la alta viscosidad del lubricante, lo que genera una disminuci�n de la eficiencia del motor. Durante esta etapa, la unidad de control electr�nica del sistema de inyecci�n (ECU), no considera la se�al de tensi�n del sensor de ox�geno para la determinaci�n de la inyecci�n de combustible en el motor, y con ello, no garantiza una mezcla estequiom�trica. Este aspecto es muy importante debido a que inicialmente el motor se encuentra a una relativa baja temperatura, por lo que es imprescindible tener una combusti�n incompleta para alcanzar la temperatura normal de funcionamiento (alrededor de los 90 �C) en el tiempo m�s corto posible. Adem�s, durante esta etapa, existe una baja eficiencia del catalizador, pues para su �ptimo funcionamiento, es necesaria de una alta temperatura de trabajo y que la relaci�n aire/combustible sea cercana a la estequiom�trica, lo que implica la inevitabilidad de una mayor concentraci�n de emisiones (Bielaczyc, Szczotka, & Woodburn, 2011). De hecho, el funcionamiento del motor a bajas temperaturas de alrededor de -7 �C, puede generar un aumento de las emisiones de CO y HC en 2,3 a 11,3 veces durante el ciclo de conducci�n urbana, con respecto al funcionamiento del motor a temperatura normal de trabajo (Dardiotis, Martini, Marotta, & Manfredi, 2013). Un aspecto que puede incidir a�n m�s en los niveles de emisi�n de gases de escape, es el �ndice de octano de los combustibles (RON), cuyo valor indica la resistencia a la detonaci�n del combustible durante el tiempo de compresi�n, por lo que la potencia del motor es mejor a medida que aumenta el RON del combustible en uso. En Ecuador, el parque automotor liviano del pa�s utiliza gasolina Extra (RON87) y S�per (RON92), en su gran mayor�a. Es pertinente recalcar que durante los primeros minutos del funcionamiento del motor, la ECU no toma en cuenta a la se�al del sensor de ox�geno para el control de la inyecci�n de combustible, por lo que las mezclas estequiom�tricas son limitadas. La acci�n de no considerar la se�al de voltaje del sensor de ox�geno por parte de la ECU, se denomina estado del control de inyecci�n en lazo abierto. El lazo cerrado por otra parte, se genera en velocidades crucero y consiste en la consideraci�n de la se�al de voltaje, por lo que existe retroalimentaci�n de informaci�n hacia la ECU. Por lo tanto, puede existir un mejor control de la inyecci�n de combustible, generando mezclas estequiom�tricas y reducci�n de las emisiones contaminantes. Si bien la duraci�n del arranque en fr�o es de unos pocos minutos, con lo cual aparentemente la contaminaci�n no ser�a considerable, el problema real radica por la gran cantidad de veh�culos que existen en las ciudades y que necesariamente deber�n pasar por esta etapa, previo al desplazamiento del veh�culo por las rutas de las ciudades.� En general, la contaminaci�n ambiental por arranque en fr�o no depende en gran medida del tiempo de duraci�n de esta etapa, sino, por el volumen de los veh�culos en las ciudades.

Actualmente, existen escasos estudios que involucren tanto a la etapa de arranque en fr�o del motor de combusti�n interna como a las emisiones de gases de escape, en funci�n del tipo de combustible. Algunas de las investigaciones m�s cercanas a este tema de investigaci�n se detallan a continuaci�n. En Hu et al. (2006) se mezcl� gasolina con un porcentaje menor al 30% de metanol, logrando una reducci�n de HC en un 40% a 5�C y un 30% a 15�C, mientras que la reducci�n de CO es de alrededor del 70% cuando se mezcla con un 30% de metanol. En Clairotte et al. (2013)� concluye que las emisiones no reguladas como el amoniaco, es menor para mezclas de gasolina con etanol, en una prueba con banco dinamom�trico. En la investigaci�n realizada por Martins et al. (2014) utiliza gasolina con 22% de etanol (E22), Gas Natural Comprimido (GNC) y etanol hidratado a un veh�culo sometido al ciclo FTP 75,� concluyendo con una menor emisi�n de HC para E22, mientras existi� una menor emisi�n de NOx para GNC. Por otra parte, existen estudios que no se enfocan en el arranque en fr�o pero comparan las emisiones de gases contaminantes mediante la utilizaci�n de combustibles con distinto RON y que tambi�n pueden ser considerados para la discusi�n de este trabajo. Estos estudios se detallan a continuaci�n. Tipanluisa et al. (2017) compara las emisiones para RON92 y RON87 a 2500 rpm, cuyos resultados indicaron que existi� un ligero aumento de HC y CO₂ para RON92. En cambio, las emisiones de CO y ox�geno (O₂) para RON87 son ligeramente superiores. Tambi�n se efectuaron mediciones a 700 rpm, donde CO y O₂ son superiores en RON92, el CO₂ se mantiene constante en ambos combustibles y el HC es ligeramente superior en RON87. Sayin et al. (2005), aplic� un combustible RON95 a un veh�culo que solamente requer�a RON91, lo cual permiti� determinar que RON91 gener� 5,7% de CO y 3,4% de HC menos que RON95. Mohamad y Geok (2014), compararon las emisiones de gases contaminantes para combustibles RON95 y RON97. Los resultados indicaron que RON97 produjo emisiones m�s bajas para HC, CO y CO₂ en un promedio de 20,3%; 36,9% y 7,9% respectivamente, pero gener� un 7,7% m�s de emisiones de NOx. Binjuwair et al. (2015), estudiaron las emisiones de gases contaminantes que generan los combustibles RON91 y RON95. Los resultados mostraron que las emisiones de CO y NOx fueron m�s altas para RON91.Con base a los estudios mencionados, se visualiza una carencia de estudios en el cual se relacione a las emisiones de gases de escape durante el arranque en fr�o con combustibles puros (sin mezclas con otros alcoholes). Por lo tanto, este trabajo tiene como objetivo comparar las emisiones y temperaturas de los gases de escape mediante la aplicaci�n de los combustibles ecuatorianos RON92 y RON87, utilizando equipos y materiales de f�cil acceso para la medici�n de los par�metros de estudio, y as� mismo plantea recurrir a plataformas tecnol�gicas actuales de informaci�n para la registro y almacenamiento de datos. Otro aspecto importante que aborda la investigaci�n, y que es de nulo conocimiento, consiste en la determinaci�n de las correlaciones que existen entre las temperaturas de los gases de escape y los valores de emisiones de HC, CO, CO₂ y O₂. Esto permitir� calcular las emisiones de gases de escape en funci�n del tiempo y de la temperatura mediante la aplicaci�n de ecuaciones polin�micas. Con los resultados de esta investigaci�n, se espera que el combustible de mayor RON emita mayores emisiones de gases contaminantes, al igual que la mayor�a de las investigaciones previas existentes a temperatura normal de funcionamiento del motor.

 

Metodolog�a

La adquisici�n de datos se realiz� en un veh�culo liviano con motor t�rmico alternativo de 4 tiempos a gasolina, cuya ficha t�cnica se muestra en la Tabla 1.

 

Figura 1: Ficha t�cnica del veh�culo

Fuente: (MOTORGIGA, 2022)

 

Adicionalmente, en la Tabla 2 se muestran los requisitos del combustible RON87 y RON92 ecuatorianos que se comercializan en el territorio nacional.

 

Figura 2: Requisitos de combustibles ecuatorianos

Fuente: (INEN, 2016)

 

Para la recolecci�n de datos de las temperaturas de los gases de escape, se utiliz� el sensor DHT22 para la medici�n de la temperatura y un m�dulo ESP32 para la transmisi�n de la informaci�n mediante Wifi a la plataforma ThingSpeak.

Thingspeak es un portal enfocado en internet de las cosas (IoT) que permite registrar, almacenar, visualizar y procesar los datos de diversos sistemas por medio de sensores instalados en ellos. Uno de los aspectos fuertes de ThingSpeak, es que admite la integraci�n con MATLAB, Arduino, Raspberry.� Para el presente trabajo, cada dato de la temperatura de los gases de escape medido por el sensor DHT22, fue almacenado en la nube de ThingSpeak en un periodo de 16 segundos hasta finalizar la prueba diaria, y posteriormente se exportaron los datos a un archivo de solo lectura en Excel. Estos dispositivos de bajo costo han permitido ser propicios para proyectos de investigaci�n enfocado a IoT (Shaw et al., 2019). En la Figura 1 se muestra el circuito de conexi�n para la medici�n y registro de datos de las temperaturas de los gases.

 

Fuente: Elaboraci�n del autor

Figura 3: Conexi�n de los equipos para la medici�n y registro de datos de temperatura de los gases

 

Con respecto a la recolecci�n de datos de las emisiones de gases de escape, se utiliz� un equipo analizador de gases de marca Kane Autoplus el cual cumple con los est�ndares EN61000-6-3:2011 y EN61000-6-1:2007. Los datos de las emisiones de gases de escape, se transmitieron v�a Bluetooth desde el analizador hacia la aplicaci�n para computadora denominada Kane Live hasta la finalizaci�n de la prueba diaria, y posteriormente se exportaron los datos a un archivo de s�lo lectura en Excel. Se midieron los gases HC, CO, CO₂ y O₂, cuyo registro en la aplicaci�n se efect�o cada 3 segundos. En la Figura 2 se expone la conexi�n del analizador para la medici�n y registro de datos de emisiones de gases de escape.

 

Fuente: Elaboraci�n del autor

Figura 4: Circuito de conexi�n para medici�n y registro de datos de las emisiones

 

La sonda del analizador de gases y el sensor DHT22, se instalaron al final del conducto de escape del veh�culo, tal como se demuestra en el protocolo descrito en (Lema, Arteaga, & Ruales, 2022). Se realizaron 5 tomas de datos de las temperaturas y emisiones por cada tipo de combustible a las 7:00 horas y a una altura geogr�fica de 2 843 msnm en la ciudad de Quito, con el objetivo de garantizar las mismas condiciones ambientales para cada prueba. La idea de ejecutar las pruebas a las primeras horas de la ma�ana, se debe a que las bajas temperaturas ambientales de ese momento pueden aumentar el tiempo de calentamiento necesario para que el catalizador opere con su m�xima eficiencia, por lo que emitir� mayores emisiones contaminantes (Yusuf & Inambao, 2019). Adem�s, con la toma de datos a una misma hora, se garantiz� que las caracter�sticas de la inyecci�n de combustible en las c�maras de combusti�n sean las mismas en ese horario para todos los d�as, ya que si se llegaba a efectuar la toma de datos a distintas horas del d�a, pod�a existir una variaci�n de la inyecci�n de combustible debido al cambio de la temperatura y humedad ambiental. Como medida de acci�n para obtener excelentes datos de emisiones de gases de escape, previo a cada prueba se debi� purgar el analizador de gases con aire limpio durante 30 segundos. Una vez efectuado el proceso de purgado, el analizador de gases tiene la capacidad de registrar datos durante un tiempo de 30 minutos. En caso de querer continuar con la toma de datos, se debe efectuar el purgado nuevamente. En la Figura 3, se muestra la instalaci�n real de los elementos de medici�n de temperaturas y emisi�n de gases de escape en el veh�culo.

 

Fuente: Elaboraci�n del autor

Figura 5: Instalaci�n de elementos de medici�n en el veh�culo

 

Finalmente, con los archivos almacenados, se procedi� a la sincronizaci�n de los datos de emisiones de gases de escape y temperaturas para cada tipo de combustible, desde el primer registro hasta el �ltimo. Posteriormente se realiz� el c�lculo de los promedios de las emisiones de gases de escape y temperaturas, para generar una sola tabla consolidada.

 

Resultados y discusi�n

En la Tabla 6 se muestra un extracto corto de los promedios de emisiones de los gases de escape para RON92, sincronizados con las temperaturas. Mientras que en la Tabla 7 se exponen los promedios de emisiones y temperaturas para RON87.

 

Figura 6: Temperaturas y emisiones de gases de escape para RON92

Fuente: Elaboraci�n del autor

 

Figura 7: Temperaturas y emisiones de gases de escape para RON87

Fuente: Elaboraci�n del autor

 

Con base a los datos promedios, en la Figura 4 se muestran las comparaciones de las curvas de temperaturas de los gases de escape para RON92 y RON87. Posteriormente, en la Figura 5, se muestran las comparaciones de las curvas de emisiones de los gases de escape para ambos combustibles.

 

Fuente: Elaboraci�n del autor

Figura 8: Curvas de temperaturas de gases de escape

 

 

 

Fuente: Elaboraci�n del autor

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Figura 9: Curvas de emisiones de los gases. a) HC. b) CO. c) CO2. d) O2

 

Se puede observar que inicialmente las temperaturas de los gases de escape para ambos combustibles crecen r�pidamente debido a que el motor se encuentra a baja temperatura. A medida que el motor alcanza la temperatura normal de funcionamiento, las temperaturas de los gases tienden a estabilizarse hasta un valor constante. Sin embargo, la curva de temperatura de los gases de escape de RON87 es superior a la de RON92. Es decir, para un determinado tiempo de funcionamiento del motor del veh�culo, la temperatura de los gases para RON87 es mayor a la de RON92. Esto implicar�a el hecho de que un combustible de menor octanaje tiene un mayor poder calor�fico.

Con respecto a las curvas de emisiones de los gases de escape, la curva de HC para RON87 se encuentra por debajo de RON92, lo que implica que el combustible de menor octanaje genera menores emisiones de hidrocarburos no combustionados en arranque en fr�o. La presencia de valores altos de HC al inicio del arranque del motor (178 ppm y 143,4 ppm para RON92 y RON87 respectivamente), se debe a la presencia del estado de lazo abierto, y por lo tanto, se generan combustiones incompletas por un exceso de combustible. No obstante, con el aumento de la temperatura de los gases de escape, y por ende la del motor, las emisiones de HC en el tiempo van disminuyendo. Un aspecto a considerar, es que a pesar de tener valores altos de HC para ambos combustibles en arranque en fri�, estos no superan las 400 ppm, valor l�mite descrito por Augeri (2011) para la emisi�n de este gas en los motores con inyecci�n electr�nica. Este comportamiento en arranque en fr�o, en donde el combustible de menor octanaje genera menores emisiones de HC con respecto al combustible de mayor octanaje, coincide con los estudios enunciados en Tipanluisa et al. (2017) a 2500 rpm y en Sayin et al. (2005)

Los resultados obtenidos con respecto a las curvas del O₂ para ambos combustibles, demuestran que tienen un comportamiento similar a las curvas de los HC, es decir, los valores descienden con el tiempo. Esto ocurre porque inicialmente en el arranque en fr�o, las mezclas de aire y combustible no son estequiom�tricas, existiendo un exceso de O₂ y combustiones incompletas.� El detalle importante se centra en la curva de O₂ para RON87, la cual se encuentra por encima de la de RON92. A pesar de ello, para ambos combustibles, los valores de O₂ son menores al 2%, con lo cual se encuentran dentro de los l�mites de emisiones para este gas (Augeri, 2011). La mayor emisi�n de O₂ para RON87 del presente estudio, coincide con un comportamiento similar en Tipanluisa et al.� (2017) a 2500 rpm.

Los resultados de las curvas de las emisiones de CO y CO₂ para ambos combustibles, no tienen una forma de curva definida durante el arranque en fr�o, aunque existe una ligera tendencia creciente con respecto al tiempo para las curvas del CO₂. Los datos var�an desde 0% hasta un m�ximo de 0,106% para CO y desde 12,54% hasta un m�ximo de 14,64% para CO₂. Debido a esta situaci�n, es necesario obtener los valores promedios de los porcentajes de CO y CO₂ para efectuar una mejor comparaci�n.

El valor promedio del porcentaje de CO para RON92 corresponde a 0,028%, mientras que para RON87 es de 0,02%, lo que implica una ligera emisi�n adicional de este gas por parte del combustible de mayor octanaje. Por lo tanto, la afirmaci�n de que el combustible de mayor RON produce mayores emisiones de CO en arranque en fr�o, coincide con el estudio de Tipanluisa et al. (2017) a 700 rpm y con el estudio de Sayin et al. (2005). Para ambos combustibles, las emisiones de CO en arranque en fr�o se encuentran dentro de los l�mites descritos por Augeri (2011).

En cuanto al CO₂, el promedio de porcentaje para RON92 es de 13,77%, mientras que para RON87 es de 13,66%. Es decir, que RON92 emite ligeramente una mayor cantidad del gas de efecto invernadero. De manera general, los valores del CO₂ detallados por Augeri (2011) deben encontrarse entre el 12% y 15%, y representa la eficiencia de la combusti�n. La afirmaci�n de que el CO₂ es mayor para el combustible de mayor octanaje en arranque en fr�o, coincide con el estudio de Tipanluisa et al. (2017) a 2500 rpm.

Sin embargo, los resultados obtenidos en Mohamad y Geok (2014) y en Binjuwair et al. (2015) con respecto al comportamiento del CO, CO₂ y HC, discrepan con las tendencias generadas de estos gases en el presente trabajo para el combustible de menor octanaje. Una de las explicaciones que se pueden generar ante estos resultados, se puede deber a las distintas caracter�sticas qu�micas del combustible que fueron utilizados en estos estudios previos.

Finalmente, el comportamiento de los gases CO y HC para RON87 del presente estudio, son similares a los ocurridos con las mezclas de los combustibles con alcoholes mostradas en Hu et al. (2006), Clairotte et al. (2013) y Martins et al.(2014). Esto es, tanto el combustible de menor octanaje como la gasolina con mezclas de metanol y etanol, emiten menores emisiones contaminantes durante el arranque en fr�o.

Por otro lado, es importante relacionar la temperatura con cada uno de los gases de escape, para ello, se muestran las gr�ficas en la Figura 6 de la regresi�n lineal con los valores de la Correlaci�n de Pearson y la ecuaci�n de la recta.

 

 

 

 

 

 

 

 

Fuente: Elaboraci�n del autor

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Figura 10: Correlaci�n entre gases de escape y temperaturas. a) HC. b) CO. c) CO_2. d) O₂

 

Para los gases de HC y O₂ existe una fuerte correlaci�n negativa con la temperatura para ambos combustibles, mientras que existe una correlaci�n positiva considerable para CO₂. Sin embargo, la correlaci�n para CO es nula en RON87 y existe una correlaci�n media negativa para RON92.

Con base a los datos obtenidos de temperaturas de los gases de escape, se pudo determinar las ecuaciones de tercer grado (1) y (2) para RON92 y RON87 respectivamente. En este contexto, la unidad de �est� dada en grados Celsius [�C], mientras que �est� dada en segundos [s].�

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Ecuaciones del HC

Mediante los datos obtenidos, se determin� las ecuaciones de los HC en funci�n tanto de la temperatura como del tiempo.� Con respecto a la ecuaci�n en funci�n de la temperatura, est� dada en part�culas por mill�n [ppm], mientras que la unidad de la variable �est� dada en grados Celsius [�C].� Por otra parte, para las ecuaciones en funci�n del tiempo, se mantiene con la misma unidad anteriormente enunciada, mientras que est� dada en segundos [s].� Las ecuaciones (3) y (4) de sexto grado, representan las ecuaciones de los HC en funci�n de la temperatura y del tiempo respectivamente, para el combustible RON92.

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Las ecuaciones (5) y (6) representan las ecuaciones de los HC en funci�n de la temperatura y del tiempo respectivamente, para el combustible RON87.

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Ecuaciones del O₂

De la misma manera que para las ecuaciones de los HC, las ecuaciones del O₂ pudieron ser determinados en funci�n de la temperatura y del tiempo manteniendo el mismo grado de las ecuaciones y unidades de las variables, a excepci�n de la variable �la cual est� dada en porcentaje [%]. Las ecuaciones (7) y (8), representan las ecuaciones en funci�n de la temperatura y tiempo respectivamente para el combustible RON92.

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Las ecuaciones (9) y (10) representan el O₂ para RON87, en funci�n de la temperatura y del tiempo respectivamente.

����� (9)

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Conclusiones

Con los resultados obtenidos del presente trabajo, se demuestra en primera instancia que el combustible RON87 tiene mayor poder calor�fico que el combustible RON92, debido a que las temperaturas de gases de escape son m�s altas para RON87, pero este aspecto podr�a generar un mayor desgaste entre los elementos constitutivos del motor durante el arranque en fr�o. Esta hip�tesis se consolida con el hecho de que el precio del combustible RON87 es m�s econ�mico que RON92. La omisi�n de la se�al del sensor de ox�geno por parte de la ECU, provoca que en los primeros instantes del arranque del motor, se generen combustiones incompletas, y con ello, emisiones altas de HC y O_2. . La tendencia decreciente de los HC y O₂ para ambos combustibles, demuestran claramente la presencia del lazo abierto del sistema de control de inyecci�n electr�nica en los primeros minutos del funcionamiento del motor. As� mismo RON87 genera menores emisiones de HC, CO y CO₂, con respecto a RON92. Cuando el motor alcance la temperatura normal de funcionamiento, las curvas de temperaturas de los gases de escape tender�n a converger. Por lo tanto, el uso de un combustible ecuatoriano de mayor n�mero de octano, no necesariamente es mejor en t�rminos de emisiones contaminantes. Existe una fuerte correlaci�n entre las temperaturas y los valores de los gases de HC y O₂ tanto para RON92 como para RON87. No obstante, la correlaci�n de las temperaturas con los gases de CO y CO₂ disminuyen considerablemente, es decir, estos dos gases tienen una relaci�n moderada con la temperatura para ambos combustibles. La excepci�n se encuentra entre la correlaci�n entre CO y la temperatura para RON87, la cual es nula. Las curvas de HC y CO, se comportan como una funci�n matem�tica, por lo que se determinaron sus ecuaciones en base al tiempo y a las temperaturas de los gases de escape. Las tendencias de los resultados obtenidos en arranque en fr�o coinciden con algunas investigaciones previas las cuales no involucran exclusivamente al arranque en fr�o. As� mismo, RON87 emite menores emisiones al igual que combustibles mezclados con alcoholes. Por �ltimo, ser�a oportuno que en pr�ximas investigaciones, se deba comparar las emisiones de gases de escape, considerando otras variables que inciden en el funcionamiento del motor de combusti�n interna como: altitud geogr�fica, temperatura ambiental, combustibles alternativos, otros sistemas de inyecci�n y ciclos termodin�micos, con el objetivo de poder generar una teor�a general consolidada. Por ejemplo, los veh�culos con motor de combusti�n a di�sel, tienden a emitir una menor cantidad de HC pero m�s PM₁₀ con respecto a los motores de combusti�n a gasolina, por lo tanto, ser�a pertinente comparar las emisiones de gases de escape de un veh�culo con motor di�sel en arranque en fr�o.

 

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