evaluación experimental del performance de los motores de encendido por chispa con alimentación...
DESCRIPTION
En el presente trabajo de investigación, se planteó. La evaluación experimental de la performance (resultados que se pueden alcanzar en potencia, economía de combustible y rendimiento) de un motor de combustión interna de encendido a chispa, con alimentación dual de gasolina y gas licuado de petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m. Dicha evaluación se realizó aprovechando el modulo de pruebas de MCI TOYOTA 16R del laboratorio de Mecánica de la EPIME, el cual fue adaptado para suministrar de forma dual gasolina y GLP. Del que se evaluó y determinó sus características de velocidad y carga, empleando ambos combustibles, realizándose un análisis comparativo de sus velocidades, potencias, consumos específicos de combustible, índice económico y ecológico de estos. Determinándose que existe una diferencia en la potencia del motor al trabajar con GLP disminuyendo en promedio 10% para este caso, el consumo especifico de combustible fue mayor cuando trabaja con GLP en comparación al trabajo con gasolina 79% en promedio, del índice de economía el costo especifico de combustible es menor cuando se emplea GLP a diferencia de la gasolina disminuyendo en promedio 11% y en cuanto a la emisión de gases se observo que disminuyen considerablemente con el uso de GLP referente a cuando se trabaja con gasolina. Concluyendo que cualquier motor de encendido por chispa diseñado para trabajar con gasolina puede ser adaptado para trabajar también con GLP sin inconvenientes a altitudes superiores a 3824 m.s.n.m., exceptuándose a motores de muy baja relación de compresión. Con ventajas considerables en cuanto a ahorro económico de combustible y disminución de gases contaminantes.TRANSCRIPT
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ELECTRÓNICA Y SISTEMAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
“EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DEL PERFORMANCE DE LOS MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA CON ALIMENTACIÓN DUAL DE GASOLINA Y GAS LICUADO DE PETRÓLEO (GLP) A
3824 m.s.n.m.”
PRESENTADO POR:
Bach. Wilbert Demetrio Alvarez Lupaca Bach. Rider Hermogenes Carcausto Ccori
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE:
PUNO – PERU
2006
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO
FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA ELÉCTRICA ELECTRÓNICA Y SISTEMAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
TESIS
“EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DEL PERFORMANCE DE LOS MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA CON ALIMENTACIÓN DUAL DE
GASOLINA Y GAS LICUADO DE PETRÓLEO (GLP) A 3824 m.s.n.m.”
PRESENTADO A LA DIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN DE LA FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA ELÉCTRICA ELECTRÓNICA Y SISTEMAS
COMO REQUISITO PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
APROBADO POR: PRESIDENTE : ING. WALTER PAREDES PAREJA PRIMER MIEMBRO : ING. MARIO MAMANI PAMPA SEGUNDO MIEMBRO : ING. ROBERTO QUIROZ SOSA DIRECTOR : ING. ALEJANDRO SALINAS MENA ASESOR : Ms.Cs. NORMAN BELTRAN CASTAÑON
AGRADECIMIENTOS
Nuestro más sincero agradecimiento y reconocimiento a nuestra primera casa de
estudios Universidad Nacional del Altiplano, a todos los docentes de la escuela
profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica, por brindarnos toda su experiencia y
conocimientos transmitidos en nuestra formación profesional.
En especial un reconocimiento de gratitud a los Ingenieros Alejandro Salinas
Mena y Norman Beltrán Castañon, por el valioso apoyo, asistencia y orientación en el
presente trabajo de investigación en calidad de director y asesor de Tesis,
respectivamente. Siendo extensivo a nuestros miembros jurados de Tesis Ingenieros
Walter Paredes Pareja, Mario Mamani Pampa y Roberto Quiroz Sosa por sus
orientaciones y recomendaciones en la revisión del presente trabajo de investigación.
A nuestros compañeros de estudios, VI promoción 2004 de la escuela profesional
de Ingeniería Mecánica Eléctrica y a todos, con los que compartimos momentos de
estudio, lucha y alegría en el sueño de la creación y funcionamiento de nuestra
anhelada facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Electrónica y Sistemas. Hoy una
realidad, inspiración de un futuro mejor, a ellos una eterna gratitud quienes nos
apoyaron moralmente y contribuyeron a la culminación de este trabajo.
Finalmente a los amigos de AutoJimp automotriz y otros por el apoyo técnico, y a
todos aquellos quienes contribuyeron para la culminación del presente trabajo de
investigación.
DEDICATORIA
A nuestros padres, gestores de vida y formación
personal, ejemplo de esfuerzo y perseverancia,
por el cariño, paciencia y apoyo incondicional
que tuvieron para con nosotros en la culminación
de nuestros estudios universitarios y en la
realización del presente trabajo de investigación.
A nuestros hermanos, amigos (as) y compañeros, por
el apoyo moral, a ellos nuestra permanente gratitud
Los Autores
CONTENIDO
Titulo ………………………………………………………….. 06
Resumen ………………………………………………………….. 07
1 CAP. 1 INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes …………………………………………………....... 09
1.2 Formulación del problema ……………………………………… 10
1.3 Justificación del proyecto ……………………………………… 11
1.3.1 Justificación técnica ………………………………………. 12
1.3.2 Justificación económica ……………………………………… 12
1.3.3 Justificación académica ……………………………………... 12
1.3.4 Justificación social ………………………………………… 13
1.4 Hipótesis ………………………………………………………… 13
1.4.1 Hipótesis general ………………………………………… 13
1.4.2 Hipótesis específicas ……………………………………… 14
1.5 Objetivos de la investigación ………………………………… 14
1.5.1 Objetivo general …………………………………………… 14
1.5.2 Objetivos específicos ……………………………………… 15
2 CAP. 2 MOTORES DE COMBUSTION INTERNA CON
ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLES GASEOSOS
2.1 Generalidades ………………………………………………… 17
2.2 Motor de combustión interna …………………………………… 18
2.2.1 Definición ………………………………………………… 18
2.2.2 Clasificación ……………………………………………… 18
2.2.3 Índices del ciclo de trabajo del MCI ……………………… 19
2.2.4 Performance y análisis energético ……………………… 19
2.2.5 Curvas de performancia o resultados en los MCI ………… 19
2.2.6 Características del régimen de funcionamiento de un MCI ……. 20
2.2.6.1 Características externas de velocidad ……………………. 20
2.2.6.2 Características de carga …………………………………. 20
2.3 Estudio de los combustibles gaseosos …………………………… 21
2.3.1 Clasificación ……………………………………………… 23
2.3.1.1 Gases naturales ………………………………………… 23
2.3.1.2 Gas licuado de petróleo ………………………………… 25
2.3.2 Propiedades y características ……………………………… 25
2.4 Análisis de los procesos de formación de mezcla en los MCI a Gas … 30
2.5 Análisis de los procesos de encendido y de inflamación
de mezcla en los MCI a gas ……………………………………… 32
2.6 Análisis del proceso de combustión en los MCI a gas ………… 33
2.7 Estudio de los MCI y análisis de la influencia de la
altitud en el proceso de combustión ……………………………... 35
2.8 Principales requerimientos de los combustibles gaseosos en los MCI ... 40
3 CAP. 3 MOTOR DE ENCENDIDO A CHISPA CON ALIMENTACIÓN
DE GAS LICUADO DE PETROLEO (GLP)
3.1 Generalidades ………………………………………………… 42
3.2 Estudio del gas licuado de petróleo ……………………………… 43
3.3 Propiedades y características del GLP ………………………… 45
3.3.1 Contenido calorífico ……………………………………… 47
3.3.2 Odorizante ………………………………………………… 47
3.3.3 Gravedad específica y densidad …………………………… 47
3.3.4 Punto de ebullición, temperatura y presión ……………… 48
3.3.5 Relación de expansión …………………………………… 49
3.3.6 Límites de inflamabilidad ………………………………… 50
3.3.7 Relación de combustión aire / combustible ……………… 50
3.3.8 Octanaje …………………………………………………… 51
3.4 Análisis del proceso de combustión en los motores
de encendido a chispa con GLP …………………………………….. 52
3.5 Estudio de la influencia de la altitud en relación
al rendimiento del motor ………………………………………… 53
4 CAP. 4 TOXICIDAD DE LOS GASES DE ESCAPE EN LOS MOTORES
DE ENCENDIDO POR CHISPA
4.1 Generalidades …………………………………………………… 56
4.2 Los motores de encendido a chispa como fuente de contaminación … 57
4.3 Fuentes de emisiones tóxicas en los motores de encendido a chispa … 59
4.3.1 Los gases de escape ……………………………………… 59
4.3.2 Los gases del cárter ……………………………………… 61
4.3.3 Los vapores del combustible ……………………………… 61
4.4 Composición de las emisiones tóxicas ………………………… 62
4.5 Emisiones en los motores de encendido por chispa
con alimentación de GLP ……………………………………….. 66
4.5.1 Mantenimiento del motor y vida útil ……………………… 68
5 CAP. 5 PRINCIPALES ÍNDICES DE ECONOMIA DE LOS MOTORES
DE ENCENDIDO POR CHISPA CON ALIMENTACIÓN DUAL
DE GASOLINA Y GLP
5.1 Generalidades …………………………………………………… 70
5.2 El mercado del GLP como combustible automotor …………… 72
5.2.1 Oferta del GLP en el mercado peruano …………………… 72
5.2.1.1 Distribución del GLP ………………………………… 73
5.2.1.2 Producción e importación de GLP …………………… 76
5.2.1.3 Precios y márgenes …………………………………… 77
5.2.2 Demanda del GLP en el mercado peruano ………………… 78
6 CAP. 6 ADAPTACION DEL MODULO DE PRUEBAS PARA EL
AAAAAASUMINISTRO DE GLP Y METODOLOGIA EXPERIMENTAL
6.1 Descripción y características del modulo de pruebas …………… 81
6.1.1 Características del motor ………………………………… 81
6.1.2 Sistema de ignición ……………………………………… 81
6.1.3 Sistema de alimentación de combustible ………………… 82
6.1.4 Sistema de alimentación de aire ………………………… 82
6.1.5 Sistema de lubricación y enfriamiento del motor ………… 82
6.1.6 Características del freno dinamometrico ………………….. 84
6.1.7 Sistema de control ………………………………………… 84
6.1.8 Descripción de los principales instrumentos
de medición y control utilizados …………………………. 84
6.2 Limitación ……………………………………………………… 85
6.3 Descripción de los elementos del sistema de suministro de GLP …... 85
6.3.1 Tanque de almacenamiento ……………………………… 86
6.3.2 Válvula electromagnética de uso de GLP ………………… 86
6.3.3 Reductor – vaporizador …………………………………… 86
6.3.4 Mezclador de GLP ……………………………………… 86
6.3.5 Conmutador para el cambio de combustible ……………… 87
6.4 Adaptación del sistema de suministro de GLP
en el modulo de pruebas ………………..................................... 87
6.5 Condiciones de seguridad en el uso de GLP en el motor ……….. 87
6.6 Ensayos experimentales ………………………………………… 89
6.6.1 Procedimiento experimental ……………………………… 89
6.6.1.1 Regulación del motor a condición óptima …………..... 89
6.6.1.2 Evaluación de las características de velocidad ……… 90
6.6.1.3 Evaluación de las características de carga …………… 90
6.6.2 Procesamiento de datos de los ensayos y
definiciones empleadas …………………………………... 91
6.6.2.1 Par motor ……………………………………………… 91
6.6.2.2 Potencia del motor ……………………………………. 91
6.6.2.3 Consumo horario de gasolina ………………………… 91
6.6.2.4 Consumo horario de gas licuado de petróleo …………... 92
6.6.2.5 Consumo horario de aire ……………………………… 92
6.6.2.6 Coeficiente de exceso de aire ………………………… 92
6.6.2.7 Consumo específico de combustible ………………… 93
7 CAP. 7 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS RESULTADOS
AAAAAAEXPERIMENTALES DEL USO DE GASOLINA Y GLP
A 3824 m.s.n.m.
7.1. Análisis comparativo de los resultados ………………………… 95
7.1.1 Análisis comparativo de las características de velocidad …… 95
7.1.2 Análisis comparativo de las características de carga ……… 100
7.2 Análisis del índice económico del uso del GLP
en motores de encendido por chispa …......................................... 101
7.3 Análisis de las características de la emisión de gases
en motores de encendido por chispa alimentados con GLP ……… 103
8 CAP. 8 CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS
8.1 Conclusiones …………………………………………………… 106
8.2 Sugerencias ……………………………………………………… 107
8.3 Sugerencias para futuros trabajos de investigación ……………… 108
9 BIBLIOGRAFIA
Referencias Bibliograficas ………………………………………….. 110
RESUMEN
En el presente trabajo de investigación, se planteó. La evaluación experimental de la
performance (resultados que se pueden alcanzar en potencia, economía de combustible
y rendimiento) de un motor de combustión interna de encendido a chispa, con
alimentación dual de gasolina y gas licuado de petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m. Dicha
evaluación se realizó aprovechando el modulo de pruebas de MCI TOYOTA 16R del
laboratorio de Mecánica de la EPIME, el cual fue adaptado para suministrar de forma
dual gasolina y GLP. Del que se evaluó y determinó sus características de velocidad y
carga, empleando ambos combustibles, realizándose un análisis comparativo de sus
velocidades, potencias, consumos específicos de combustible, índice económico y
ecológico de estos. Determinándose que existe una diferencia en la potencia del motor
al trabajar con GLP disminuyendo en promedio 10% para este caso, el consumo
especifico de combustible fue mayor cuando trabaja con GLP en comparación al trabajo
con gasolina 79% en promedio, del índice de economía el costo especifico de
combustible es menor cuando se emplea GLP a diferencia de la gasolina disminuyendo
en promedio 11% y en cuanto a la emisión de gases se observo que disminuyen
considerablemente con el uso de GLP referente a cuando se trabaja con gasolina.
Concluyendo que cualquier motor de encendido por chispa diseñado para trabajar con
gasolina puede ser adaptado para trabajar también con GLP sin inconvenientes a
altitudes superiores a 3824 m.s.n.m., exceptuándose a motores de muy baja relación de
compresión. Con ventajas considerables en cuanto a ahorro económico de combustible
y disminución de gases contaminantes.
1.1 ANTECEDENTES
El incremento y la masificación del uso de maquinas de combustión interna como
el de automóviles a nivel nacional y principalmente en la región Puno es considerable.
Por lo que actualmente se cuenta con un parque automotor del cual se observa: Que la
utilización de los combustibles derivados de los fósiles, como la gasolina es todavía en
gran medida en la mayor parte del mercado automotor, compartiendo el mercado de
combustibles con el diesel. También se debe manifestar que existe un gran desarrollo
tecnológico a nivel mundial en ciudades del primer mundo como España, Italia,
Alemania, Estados Unidos, Brasil, etc., referente al uso de combustibles alternativos
como el gas licuado de petróleo (GLP), gas natural comprimido (GNC), Alcohol, etc.
como combustibles de motores de combustión interna. Existiendo un desarrollo gradual
en nuestro país en la adecuación o conversión de estos motores, que luego de ser
adaptadas, funcionan de forma dual alimentadas como por ejemplo con gasolina y gas
licuado de petróleo. Esto como un planteamiento de solución al problema de emisión de
gases contaminantes hacia el medio ambiente y en el consecuente ahorro económico de
los usuarios.
Como efecto del desarrollo de esta tecnología se aprecia un incremento en cuanto a la
utilización de combustibles alternativos como el GLP, GNC, etc. en los motores de
combustión interna. Principalmente en ciudades de la costa de nuestro país, no tanto así
en ciudades con altitudes superiores a 3800 m.s.n.m. Además se debe mencionar que
nuestro país actualmente cuenta con recursos propios, gran cantidad de combustibles
alternativos como son los yacimientos de Camisea y Aguaytia (GN, GLP y otros) las
que luego de ser procesadas existen en el mercado de combustibles y en proceso de
exploración los yacimientos de Candamo en la región Puno.
Los aspectos más importantes de los motores de combustión interna de encendido por
chispa que funcionan de forma dual alimentados con gasolina y GLP, se observan de
forma específica. En la diferencia de su performance, debido principalmente por la
diferencia de las propiedades de los combustibles en este caso de la gasolina y el GLP.
Adicionalmente influyendo de forma directa y negativa en estas, se encuentra la presión
atmosférica que varia con la altitud en relación a la costa y en los combustibles en la
deficiente combustión de estos. Problema del que se requiere mayor conocimiento del
que existe actualmente, para determinar soluciones que influyen de forma directa en
conocer las ventajas y desventajas en utilizar combustibles como la gasolina y el GLP
de forma dual en motores de encendido a chispa, las que determinan ventajas y
desventajas en la parte económica y protección del medio ambiente como la emisión de
gases contaminantes. Principalmente a altitudes superiores a 3800 m.s.n.m., ubicación
geográfica aproximada de la región Puno. Además de las condiciones ambientales
propias de la región en las que se requieren de un análisis y observación con respecto al
problema, por lo que se plantea como un tema de investigación el conocer en su
verdadera magnitud dicho problema.
También se debe mencionar que en el ámbito de nuestra realidad regional y nacional no
existe conocimiento suficiente en cuanto a este tema que pueda estar al alcance de los
usuarios así como de las empresas de mantenimiento, talleres que realizan conversión
de los motores de encendido a chispa a motores que funcionan de forma dual, así como
de su funcionamiento dual, mucho menos de las ventajas y desventajas que estas
ofrecen. Por lo que es muy escaso encontrar en la región Puno, vehículos funcionando
con gasolina y GLP de forma dual. Por otro lado, la Facultad de Ing. Mecánica
Eléctrica, Electrónica y Sistemas “FIMEES” y principalmente la Escuela Profesional de
Ingeniería Mecánica Eléctrica “EPIME”, como una entidad académica que plantee
soluciones a la problemática anteriormente señalada. Esto dentro de nuestra realidad
regional y ubicación geográfica, dentro del aspecto de desarrollo tecnológico exige la
solución a estos problemas, promoviendo investigaciones aplicativas y experimentales
las que adicionalmente permitirán la implementación de sus laboratorios con maquinas,
equipos e instrumentos utilizados como modulo de pruebas en las investigaciones
propuestas. Antecedentes más que suficientes para sustentar la investigación que se
plantea.
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
De dicha observación se recoge que existe la necesidad de desarrollar investigación
para evaluar experimentalmente la performance (resultados que se pueden alcanzar en
potencia, economía de combustible y rendimiento) de un motor de combustión interna
de encendido por chispa, con alimentación dual de gasolina y gas licuado de petróleo
(GLP) a 3824 m.s.n.m. mediante la adaptación de un modulo de pruebas en el
laboratorio de Mecánica de la EPIME. Modulo de pruebas que permita la evaluación
experimental de la diferencia de sus parámetros que expliquen su funcionamiento de
forma dual a altitudes superiores a 3824 m.s.n.m., de la cual se desprenden las
siguientes interrogantes:
• ¿Cuál será la diferencia en su potencia, de un motor de encendido a chispa, con
alimentación dual de gasolina y gas licuado de petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m.?
• ¿Cuál será la diferencia, referente al consumo específico de combustible de un
motor de encendido a chispa, con alimentación dual de gasolina y gas licuado de
petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m.?
• ¿Cuál será la diferencia en el índice económico de un motor de encendido a
chispa convertido, con alimentación dual de gasolina y gas licuado de petróleo
(GLP) a 3824 m.s.n.m.?
• ¿Que características tienen las emisiones de gases de escape de un motor de
encendido a chispa convertido, con alimentación dual de gasolina y gas licuado
de petróleo (GLP)?
1.3 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
A partir de los referentes, es una necesidad y un problema a resolver la falta de
conocimientos en cuanto a la diferencia de su performance (resultados que se pueden
alcanzar en potencia, economía de combustible y rendimiento) de los motores de
encendido a chispa con alimentación dual de gasolina y GLP a 3824 m.s.n.m., sus
implicancias de su funcionamiento dual con gasolina y GLP en las condiciones
presentadas. A partir de la evaluación experimental en el modulo de pruebas del
laboratorio de la Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica de la UNA -
PUNO. Esto enmarcado de acuerdo a los cambios tecnológicos y necesidades de la
región Puno, que involucren la solución de sus problemas, de las mediciones, resultados
obtenidos y análisis realizados. Se lograron resultados que nos ayudaran a resolver el
problema. Es así que el presente trabajo de investigación contribuirá a resolver esta
necesidad de suma importancia.
1.3.1 JUSTIFICACIÓN TECNICA
Referente al trabajo de tesis, se podrá conocer el funcionamiento y la diferencia
de su performance de un motor de combustión interna de encendido a chispa, con
alimentación dual de gasolina y gas licuado de petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m., en
condiciones geográficas y ambientales propias de la zona. La medición y evaluación
experimental de estos, la influencia del medio ambiente. Las ventajas y desventajas en
utilizar combustibles alternativos como el GLP en motores de encendido a chispa en
nuestra región. Por otro lado, el presente trabajo de investigación permitió la
adquisición de conocimientos, para desarrollar trabajos futuros de estudio e
investigación relacionados al tema.
1.3.2 JUSTIFICACIÓN ECONOMICA
El desarrollo de la presente tesis se realizó en un modulo de pruebas de
laboratorio de la EPIME, el que fue adaptado por los tesistas según el requerimiento del
proyecto de investigación en el laboratorio de Mecánica de la Escuela Profesional de
Ingeniería Mecánica Eléctrica. El proyecto en su totalidad fue asumido en su totalidad
con aportes propios de los tesistas, lo que a posterior de la ejecución de la tesis, será un
aporte complementario para la implementación de los laboratorios de la EPIME.
1.3.3 JUSTIFICACIÓN ACADEMICA
El presente trabajo de investigación nos permitió conocer la diferencia de
performance en el funcionamiento de motores de combustión interna de encendido a
chispa, con alimentación dual de combustibles como la gasolina y el GLP a 3824
m.s.n.m. En un modulo de pruebas, en condiciones geográficas y ambientales propias de
la zona, la que contribuirá de forma directa a la adquisición de conocimientos, en la
formación académica de los estudiantes, en la acumulación de conocimientos con
respecto al tema, de los docentes, graduados, técnicos, usuarios en general, y por ende la
universidad. Formando el criterio y confianza en la solución de problemas referidos a
este tema. Permitirá demostrar y ampliar el conocimiento en teorías desarrolladas de
Maquinas de Combustión Interna, Maquinas Térmicas, Turbó maquinas,
Termodinámica II, etc.
1.3.4 JUSTIFICACIÓN SOCIAL
Desarrollar trabajos de investigación, que tengan relación con la sociedad, es
una acción prioritaria de la Universidad Nacional del Altiplano y fundamentalmente de
la EPIME. Tal es así que mediante el trabajo de investigación desarrollado se pretende
dar los primeros pasos para que el parque automotor de la Macro Región Sur, cambie
del sistema convencional de utilización de combustibles al sistema dual alternativo. El
cual permitirá que la población logre calidad de vida, respecto a la protección del medio
ambiente y su economía. La solución de problemas en cuanto a la utilización de
combustibles como la gasolina, diesel etc., en el impacto que esto ocasiona en el medio
ambiente y otros. A diferencia de la utilización de combustibles alternativos como el
GLP, GNC, etc., en los motores de combustión interna de encendido a chispa del
mercado automotor de la región. Así como hacer conocer los beneficios, ventajas y
desventajas que esta presenta, sea en el uso de combustibles, la emisión de gases, en lo
económico y la diferencia de sus rendimientos a condiciones geográficas y ambientales
propias de la zona. La EPIME debe observar que sus futuros profesionales, estén
preparados a dar propuestas de solución a los problemas automotrices, por lo que el
presente trabajo de investigación será de gran importancia en la adquisición y
acumulación de conocimientos en el desarrollo de este tema y las posteriores
investigaciones en las que derivara con respecto al tema.
1.4 HIPÓTESIS
1.4.1 HIPÓTESIS GENERAL
Con la evaluación experimental del performance (resultados que se pueden
alcanzar en potencia, economía de combustible y rendimiento) de un motor de
combustión interna de encendido a chispa, con alimentación dual de gasolina y gas
licuado de petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m., mediante un modulo de pruebas adaptado
en el laboratorio de Mecánica de la EPIME, en condiciones geográficas y ambientales
propias de la zona. Se lograra conocer la diferencia de su performance, sus ventajas y
desventajas del uso de combustibles convencionales y alternativos en motores de
encendido a chispa, que favorecerá el estudio, análisis y adquisición de conocimientos
acerca del gas licuado de petróleo GLP como combustible alternativo en referente a los
combustibles convencionales.
1.4.2 HIPÓTESIS ESPECÍFICAS
• La evaluación experimental de la diferencia de potencia de un motor de
encendido a chispa, con alimentación dual de gasolina y gas licuado de
petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m., nos permitirá conocer la magnitud de su
diferencia en todos los casos posibles.
• La evaluación experimental de la diferencia del consumo específico de
combustible de un motor de encendido a chispa, con alimentación dual de
gasolina y gas licuado de petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m., nos permitirá
conocer y evaluar la magnitud de su diferencia, en todos los casos posibles.
• El análisis de la diferencia en el índice económico de un motor de encendido
a chispa, con alimentación dual de gasolina y gas licuado de petróleo (GLP)
a 3824 m.s.n.m., nos permitirá conocer las ventajas y desventajas en el
aspecto económico de su funcionamiento de forma dual.
• El análisis de las características de las emisiones de gases de escape de un
motor de encendido a chispa, con alimentación dual de gasolina y gas
licuado de petróleo (GLP), nos permitirá conocer las ventajas y desventajas
de las emisiones de gases de escape en cada caso.
1.5 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.5.1 OBJETIVO GENERAL
Evaluar experimentalmente el performance (resultados que se pueden alcanzar
en potencia, economía de combustible y rendimiento) de un motor de combustión
interna de encendido a chispa, con alimentación dual de gasolina y gas licuado de
petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m., mediante un modulo de pruebas adaptado en el
laboratorio de Mecánica de la EPIME. Que permita analizar su performance y que
expliquen su funcionamiento de forma dual en condiciones geográficas y ambientales
propias de la zona.
1.5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Determinar la magnitud de la diferencia de potencia de un motor de
encendido a chispa, con alimentación dual de gasolina y gas licuado de
petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m.
• Determinar la magnitud de la diferencia del consumo específico de
combustible de un motor de encendido a chispa, con alimentación dual de
gasolina y gas licuado de petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m.
• Determinar la magnitud de la diferencia en el índice económico de un motor
de encendido a chispa, con alimentación dual de gasolina y gas licuado de
petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m.
• Analizar las características que tienen las emisiones de gases de escape de un
motor de encendido a chispa convertido, con alimentación dual de gasolina y
gas licuado de petróleo (GLP).
2.1 GENERALIDADES
Una breve introducción histórica de los motores de combustión interna con
alimentación de combustibles gaseosos se inicia en los campos Eliseos, en Paris, el 2 de
diciembre de 1804, con el asesinato del investigador francés Philippe Lebon
d´Humersin, nacido en 1769, quien patentó en 1801 el primer motor de gas de la
historia. Aquí aparece la idea de comprimir, antes de la explosión, la mezcla de gas y
aire; idea a cuya realización han sido debidos los más notables perfeccionamientos
recibidos por los motores de combustión interna.
Lebon utilizo el denominado “gas de iluminación o gas de ciudad”, obtenido a partir de
la destilación de madera y hulla. Este gas fue obtenido inicialmente por Johann Joachin
Becher (1635 – 1682) en Londres en 1680. Alrededor de 1780 muchos hombres
investigaban acerca de los métodos para producir gas. En 1808 los primeros
experimentos con gas de iluminación comenzaron en Londres y en 1815 fue introducido
en Paris. El gas de gasógeno, obtenido a partir del carbón de leña fue usado también
durante el transcurso de la segunda guerra mundial como carburante de sustitución
debido a que las necesidades bélicas absorbían casi todo el combustible derivado del
petróleo.(01)
El motor de gas de iluminación fabricado por el belga Etienne Lenoir (1822 – 1900) y
patentado en 1860, marca el comienzo de la historia de los motores prácticos de
combustión interna para la producción en serie. A Nicolaus August Otto (1832 – 1891)
le corresponde el merito de ser el primer constructor de un motor a gas de cuatro
tiempos (1876), bautizado como el “silencioso motor Otto” y realizado en la Deutz
Gasmotorenfabrik de la ciudad de Colonia en Alemania. (01) Se conoce también que
Rodolfo Diesel inicialmente trato de realizar su ciclo con un motor a gas. A fines del
siglo pasado los combustibles líquidos desplazaron a los gaseosos. Los éxitos de los
combustibles líquidos derivados del petróleo estaban en: facilidad de transporte,
conservación simple y lo que es más importante una gran energía de conservación por
unidad de volumen. A mediados del siglo XX la extracción y producción de
combustibles gaseosos sobre todo gas natural y licuado (propano – butano) alcanzaron
en algunos países grandes magnitudes; los motores a gas empezaron a utilizarse más y
más. (02)
Actualmente el desarrollo de los motores que utilizan combustibles gaseosos en los
principales países desarrollados es significativo y en constate progreso, en países de
Latino América se aprecia lo mismo, dentro de ellas el Perú. Con la explotación de los
yacimientos de gas de camisea, estimulando a la conversión de uso o utilización
tradicional de combustibles como la gasolina y el diesel a los combustibles alternativos
como los gaseosos.
2.2 MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
2.2.1 DEFINICIÓN
El motor de combustión interna (MCI), es un conjunto de mecanismos
totalmente sincronizados, que aprovechan la energía calorífica de la combustión de los
combustibles (gasolina, diesel, gas, alcohol), para obtener una energía mecánica de
movimiento circular. Se les denomina motor de combustión interna porque la energía
calorífica que se les entrega para producir trabajo, es a través de una combustión que se
produce dentro del motor, en cuyo cilindro de trabajo tiene lugar la quema de un
combustible y la transformación de calor en trabajo. Actualmente existen dos motores
de combustión interna muy importantes, que se diferencian por la forma en como se
produce el encendido, al emprender la combustión. En unos solo basta que el aire
alcance una presión límite para que al inyectar combustible la combustión se inicie en
forma espontánea; en los otros no sólo basta comprimir al aire hasta cierta presión y
mezclarlos con combustible para iniciar la combustión, sino será necesario entregar una
chispa para iniciar dicho proceso químico como es la combustión. Los MCI que no
necesitan de una chispa para iniciar la combustión se denominan “motores Diesel” y a
los que se les añade una chispa “motores Otto”. (03)
2.2.2 CLASIFICACIÓN
Una de las clasificaciones de los MCI es según el método de efectuar el ciclo de
trabajo. (04)
• MCI de 4 tiempos; Cuando para realizar un ciclo completo se necesita que el
cigüeñal del motor rote 720º (2 vueltas), y el pistón realice 4 carreras.
• MCI de 2 tiempos; Cuando para realizar un ciclo completo se necesita que el
cigüeñal del motor rote 360º (1 vuelta) y el pistón realice 2 carreras.
2.2.3 ÍNDICES DEL CICLO DE TRABAJO DEL MCI
La evaluación más adecuada de los índices del ciclo de trabajo de los motores de
combustión interna, es analizar por separado los índices indicados y efectivos del motor.
Los primeros caracterizan la perfección del ciclo a realizar en cuanto al
aprovechamiento del calor y están vinculados con la calidad de organización de los
procesos; los segundos consideran además el grado de perfección mecánica del motor.
2.2.4 PERFORMANCE Y ANÁLISIS ENERGÉTICO
La performamce se utiliza para establecer la relación que existe entre las
velocidades, potencias y consumos específicos a régimen variable del motor de
combustión interna. El análisis energético corresponde al balance térmico, el cual se
realiza con la finalidad de establecer si la energía aprovechada y la energía que se pierde
están entre los rangos pre-fijados por el fabricante para su funcionamiento de no ser así,
analizar a que se deben las discrepancias y ver su incidencia en el performance y
detectar las fallas de dicho motor. (05)
2.2.5 CURVAS DE PERFORMANCIA O RESULTADOS EN LOS MCI
Para el usuario, lo más importante de todo es conocer la performancia real del
motor, o sea, resultados que se puedan alcanzar en potencia, economía de combustible,
rendimiento, etc. Puede considerarse que las pruebas en el dinamómetro, junto con las
mediciones del combustible, revelan mucho acerca de la potencia y del rendimiento del
motor. (06)
En el caso de ensayos en motores de combustión interna relacionadas a la investigación,
las mediciones que generalmente se efectúan, son relativas a lo siguiente: Potencia del
motor, para lo que se requiere medir el par o cupla motriz del motor y la velocidad de
rotación del cigüeñal o eje del motor; Consumos del motor, para lo que se requiere
medir los caudales utilizados de combustible, lubricante y el de aire; Comportamiento
del motor, para lo que es necesario medir sus temperaturas de operación, por medio de
termómetros o termocuplas y algunas presiones por medio de manómetros adecuados;
Condiciones atmosféricas, en el momento del ensayo para lo cual se deben medir
presión, temperatura y humedad relativa ambientes. (07)
2.2.6 CARACTERÍSTICAS DEL RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO DE UN
MCI
Un vehículo automotor opera siendo variables las condiciones de velocidad y
carga, debido a esto la potencia del motor siempre deberá corresponder a aquella que
sea necesaria para el movimiento del vehículo con la velocidad requerida y asegurando
las cualidades dinámicas dadas a elevados índices de economía de combustible. Para
analizar el funcionamiento del motor es necesario tener una serie de características que
determinan la variación de sus principales índices en función de alguno de sus
parámetros característicos. (05)
2.2.6.1 CARACTERÍSTICAS EXTERNAS DE VELOCIDAD
Se denomina características externas de velocidad a la variación en función de
la frecuencia de rotación de:
• La potencia efectiva (We).
• Par motor efectivo (TO).
• Consumo horario de combustible (mc).
• Consumo especifico efectivo (Cece).
Cuando el mando de apertura de combustible se encuentra en la posición
correspondiente a la máxima alimentación establecida para el motor. El MCI no puede
experimentar cargas cuando el número de revoluciones del cigüeñal es pequeño. (05)
2.2.6.2 CARACTERÍSTICAS DE CARGA
Se denomina característica de carga a la variación de los principales índices del
motor en función de la carga, siendo constante la frecuencia de rotación. Al realizar las
pruebas, la carga del motor se varia, desplazando el órgano de mando de la alimentación
del combustible. La característica de carga queda determinada por tres parámetros que
definen los regimenes de funcionamiento. (05)
• Consumo horario y específico de combustible a plena carga.
• Consumo horario y específico de combustible a mínima carga.
• Consumo horario y especifico de combustible en marcha en vació.
2.3 ESTUDIO DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOS
Todos los combustibles son combinaciones de carbono e hidrógeno en una
proporción variable; en relación directa con su relación C/H serán gases (metano:
C/H=3), líquidos (combustóleo: C/H=8) o partículas de carbón mineral, el azufre y otros
componentes minoritarios pueden considerarse como impurezas.
La clasificación de los combustibles industriales en función de su estado físico siempre
resulta la más adecuada, considerando al gas natural, combustóleo y carbón mineral
combustibles primarios alrededor de las cuales se agrupan todos los demás. Hasta la
fecha se presume que el petróleo y el gas se han formado como resultado de variaciones
sufridas por la materia orgánica provenientes de animales y vegetales, debido a la
acción bacteriológica y a elevadas temperaturas y presiones producidas durante millones
de años, por efecto del asentamiento de las capas de sedimentos que la contienen. El
gas, como petróleo, se encuentra en el subsuelo, contenido en los espacios porosos de
ciertas rocas, en estructuras geológicas llamadas yacimientos los cuales pueden ser de
tres tipos:
• Yacimientos de gas asociados, donde el producto principal es el petróleo.
• Yacimientos de gas seco o libre, donde el producto principal o único es el gas
mismo.
• Yacimientos de condensados, donde el gas se encuentra mezclado con
hidrocarburos líquidos y a este tipo de gas se le denomina gas húmedo.
El gas natural proviene de acumulaciones subterráneas, producidas por una prolongada
descomposición bacteriana de la materia orgánica. No comprende un solo gas, si no
muchos y no necesariamente se presenta en forma gaseosa, si no que en determinadas
condiciones, algunos de estos gases se encuentran en forma liquida. La combinación
exacta en que se encuentran los diversos gases depende de la historia geológica de la
zona que contenga el depósito de gas en cuestión. De cualquier forma, se puede decir
que siempre el gas natural se presenta o en combinación con petróleo crudo, y entonces
se le conoce como gas asociado, o en ausencia de petróleo crudo, y es conocido como
gas no asociado. (08)
El gas asociado comprende metano, etano, gases licuados del petróleo (GLP) y algunos
compuestos mas pesados. El etano y los GLP se denominan conjuntamente gas natural
líquido (GNL), mientras que los GLP comprenden fundamentalmente propano y butano.
Aunque tanto el gas asociado como el no asociado se caracterizan por una alta
proporción de metano con relación al GNL, se puede decir que en el no asociado la
proporción de metano contenido es relativamente mayor y menor la de GNL, por lo que
al gas no asociado se le conoce frecuentemente como “gas seco” y al asociado como
“gas húmedo”. Sin embargo, si la parte de gases naturales líquidos que se presenta con
metano en ausencia de petróleo crudo es relativamente alta, los productos se llaman
condensados.
Los principales combustibles gaseosos empleados en motores de combustión interna
son el gas natural comprimido (GNC) y el gas licuado de petróleo (GLP), y representan
combustibles muy atrayentes para los motores de combustión interna. El gas natural
(GN) permite una combustión mas limpia y su costo es significativamente menor que la
gasolina y el petróleo diesel. Con respecto a las reservas de gas en el mundo son
grandes, por lo que un incremento futuro de la demanda no tendrá mayor impacto en los
precios. Los motores que funcionan con GN tienen emisiones muy bajas de CO y de
partículas sólidas, sin embargo el problema se presenta con las emisiones de NOX. El
gas licuado de petróleo (GLP), cuya composición representa al gas de petróleo con gas
natural y a la temperatura del medio ambiente solo requiere una presión de 1,4 Mpa para
estar en estado liquido, combustible que se viene utilizando en el mundo desde hace
más de 60 años. En los motores de encendido por chispa se requiere de ciertas
adaptaciones constructivas para que estas funcionen con GNC como con GLP, para el
caso del GLP se emplea adicionalmente un evaporador para transformar el gas en estado
líquido en vapor antes de que el gas ingrese al mezclador de aire – combustible. Con
respecto al GLP posee además de un elevado número de octanaje, debido a lo cual es
posible construir un motor con una mayor relación de compresión y de este modo
obtener una mayor eficiencia que un motor convencional gasolinero. El gas licuado de
petróleo en comparación con el gas natural comprimido permite mayor capacidad de
almacenamiento en el vehículo por cuanto se puede fácilmente llenar el tanque en
estado líquido. (08)
2.3.1 CLASIFICACIÓN
Por su estado físico los combustibles gaseosos se dividen en dos grupos:
comprimidos y licuados de estos los principales tipos de combustibles gaseosos que se
emplean en los motores de combustión interna son los hidrocarburos, estos son:
• Gas Natural.
• Gas Licuado.
Estos combustibles gaseosos como el gas natural comprimido (GNC), el gas que
contiene más de 90 % de metano y otros gases como helio, nitrógeno, óxido de carbono.
Así como el gas licuado de petróleo (GLP), Combustible a base de propano y butano. A
20 ºC y 101,3 KPa de presión atmosférica se encuentra en estado gaseoso, pero a bajas
temperaturas o mayores presiones se encuentran en estado líquido, es más pesado que el
aire, por lo que tiende a asentarse en las partes bajas de su depósito. (09)
En estado comprimido (gas comprimido) se utiliza generalmente si el gas tiene una
temperatura crítica por debajo de las temperaturas de operación de los vehículos. Si la
temperatura crítica del gas es mayor que las temperaturas de operación de los vehículos,
su uso es en estado líquido (licuado); la presión de licuación es hasta 1,5…2,0 MPa. Se
debe también mencionar que cuando los gases comprimidos sometidos a temperaturas
muy bajas pasan a estado liquido.
2.3.1.1 GASES NATURALES
Este es el más importante de los combustibles gaseosos el gas natural en su
composición de 85 a 99 % de metano (CH4), acompañado de nitrógeno (N) 1 a 3 %, y
según los yacimientos, de etano, óxido de carbono (CO) e hidrogeno (H2). La
composición y también las propiedades físico químicas del gas natural dependen del
lugar de extracción y del proceso de transformación, la calidad y tipo de gas natural
queda determinado por la composición del gas puro y condensados de gas. La
explotación del gas natural ha tomado una importancia considerable a partir del año de
1945, combustible particularmente calorífica (de 9000 a 12000 cal/m3), el cual es
obtenido de los pozos de petróleo en forma autónoma, debido a que el mismo es
expulsado hacia la superficie por la presión reinante en la cuenca petrolífera.
En algunos casos, dicha presión llega a superar los 100 bar luego de ser canalizado
hacia las plantas de tratamiento y compresión, donde se recuperan los hidrocarburos
pesados (gas propano, etano, butano), es filtrado y odorizado para que pueda ser
detectado en caso de perdidas. El transporte se realiza por gasoductos a una presión de
25 a 60 bar hacia los diferentes puntos de consumo. La composición química del gas
natural, en sus valores medios, es el siguiente: (01)
Metano (CH4) 89 – 95 %
Etano (C2H6) 0.05 – 5.2 %
Propano (C3H8) / Butano (C4H10) 0.50 – 7.5 %
Nitrógeno (N2) 0.70 – 2.7 %
Anhídrido Carbónico (CO2) 0.50 – 1.8 %
Agua (H2O) 113 (mg/m3) máx.
Azufre libre 50 (mg/m3) máx.
El metano se caracteriza por tener una temperatura critica muy baja (- 82 ºC), en los
vehículos, cuyos motores funcionan con GNC, llevan balones con sus respectivos
accesorios donde normalmente su presión de trabajo es de 19,6 MPa (200 Kg/cm2).
Estos balones organizados en baterías por ejemplo de ocho balones de GNC con
capacidad de 50 L. cada una, pesa mas de 0.5 T.
El GNC tiene un bajo poder calorífico, a presión atmosférica su concentración de
energía por unidad de volumen es 800…1000 veces menor que de los combustibles
líquidos derivados del petróleo. Para licuar el GNC se requiere la técnica de criogénica,
el metano cuando se le enfría a – 161,7 ºC y a presión atmosférica pasa a estado
liquido disminuyendo su volumen en 610 veces. Debido a esta característica es que el
GNC para su transporte y conservación son más complejas, reduciéndose su autonomía
en los vehículos en 2 veces respecto de la gasolina y en 3 veces respecto del diesel 2.
El GNC se inflama en la cámara de combustión del motor de los vehículos a la
temperatura de 635…645 ºC, magnitud 3 veces mayor que la temperatura de
inflamación de la gasolina. Esto dificulta el arranque del motor, particularmente cuando
la temperatura del medio ambiente es bastante baja, entonces el incendio por
inflamación del GNC es menor que para la gasolina debido a que su masa es menor que
la masa del aire.(09)
2.3.1.2 GAS LICUADO DE PETRÓLEO
El desarrollo acelerado en el área de la industria del gas permitió la producción
de los gases licuados, que emplean los motores de combustión interna como es el
Propano C3H8, Butano C4H10 y sus mezclas. El gas licuado de petróleo (GLP)
principalmente es el resultado de la transformación del gas, que resulta con el petróleo
en las plantas petroquímicas.
Actualmente una gran cantidad de gas licuado se obtiene también del gas natural, sobre
todo de las reservas de gas condensado en donde la composición de los hidrocarburos
pesados alcanza magnitudes considerables. La tecnología de los motores alimentados
con GLP es muy similar a la de los vehículos a gas natural; Como combustible para los
motores de encendido a chispa cuenta con muchas de las mismas ventajas del gas
natural con la ventaja adicional de ser más fácil de adaptar o convertir el vehículo.
El GLP tiene muchos de las mismas características de emisiones que el gas natural. El
empleo del GLP en el transporte, en lugar de quemarlo como gas residual en los campos
petroleros o en la refinería, tendrá como resultado un ahorro inmediato de combustible
fósil. Al mismo tiempo la utilización del GLP como combustible de motores de
combustión interna, principalmente en los de encendido a chispa ofrece eficiencia
energética en la cadena de explotación, refinación y uso de la energía, comparable a la
de la gasolina y el diesel. (10)
2.3.2 PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS
En el desarrollo de mejores perspectivas de utilizar combustibles alternativos a
los tradicionales en los automóviles, se ha visto el empleo de gas natural comprimido
(GNC) y del gas licuado de petróleo (GLP), estas en composición y propiedades
dependen del lugar de extracción o yacimiento y del proceso de transformación. En las
siguientes tablas se dan las principales propiedades de los combustibles gaseosos.
TABLA Nº 1: Propiedades de los combustibles gaseosos para automoción. (11)
INDICES Gas Natural
(90 – 98% CH4)
Metano
liquido
Gas Licuado
Prop. – But.
Densidad, Kg./m3 (Kg./l) 0.72 - 0.75 (0.415) (0.54)
Poder calorífico, KJ/m3 (KJ/l) 32680 - 34360 (20700) (24800)
Relación aire – comb., m3/m3 (m3/Kg.) 9.3 - 9.6 (14.2) (12.7)
Calor desprendido por combustión de
la mezcla estequiométrica, KJ/m3 3200 - 3250 3230 3480
Temperatura de encendido, ºC 650 -700 650 - 700 550 – 600
Coeficiente de exceso de aire, al
limite inferior de inflamabilidad 1.8 – 1.9 1.99 1.71 – 1.76
Coeficiente de exceso de aire, al
limite superior de inflamabilidad 0.9 – 0.95 0.95 0.83 – 0.85
Número de octano 100 - 110 107 - 120 90 – 100
Fuente: Motores de Combustión Interna – Tópicos selectos UNI Lima – Perú.
* A 15 ºC y 101.3 KPa (760 mm Hg.).
En el caso del Gas Natural Comprimido el principal componente del gas natural es el
metano CH4, cuya temperatura crítica es – 82 ºC. Por ello a temperaturas medio
ambientales y altas presiones este gas no puede licuarse.
TABLA Nº 2: Propiedades del GNC a 15ºC y 101. 3 KPa. (760 mm Hg.). (09)
COMPOSICION Y
PROPIEDADES
METANO
CH4
ETANO
C2H 6
PROPANO
C3H8
BUTANO
C4H10
PENTANO
C5H12
Composición en volumen, % 81.8 – 99.2 0.07 – 10.2 0 – 12.6 0 – 7.6 0 – 3.6
Propiedades:
Densidad en:
Estado gaseoso, Kg./m3
Estado liquido, Kg./l
Temperatura de ebullición, ºC
Calor de evaporación, MJ/Kg.
Poder calorífico inf., MJ/m3
Número de octanaje
0.67
0.415
- 161.6
0.513
33.869
110
1.273
0.446
- 88.6
--
60.039
125
1.867
0.51
- 42.2
- 0.431
- 85.766
- 120
2.46
0.58
- 0.5
0.394
111.699
93
3.05
0.626
36
--
137.913
--
Fuente: Motores de Combustión Interna a Gas, Exposición Ing. Luís Lastra Espinoza Ph. D.
UNI Lima- Perú.
La composición y propiedades del Gas Licuado de Petróleo (GLP) principalmente son
el propano C3H8, (de 20 a 60%) y el butano C4H10 (de 40 a 80%) así como etano,
etileno, propileno y otros componentes en pequeñas cantidades. El propileno y butileno
pertenecen al grupo de olefinas que se caracterizan por ser formadores de gomas y
disminuyen el número de octano.
El GLP utilizado como combustible para automoción tiene características importantes,
las cuales como su temperatura critica son: propano + 97 ºC y del butano + 126 ºC, lo
que implica que se encuentran por encima de las temperaturas que se dan en el medio
ambiente, sin que exista enfriamiento ambos hidrocarburos requieren una pequeña
presión para ser licuados, el GLP permanece liquido a presiones relativamente bajas (de
4 a 12 bar), dependiendo de la temperatura. Para el almacenamiento en balones del GLP
tienen una presión de trabajo igual a 1,6 MPa. En esta condición el propano puro se
encuentra en estado líquido. Y la presión de los valores saturados del gas licuado de
petróleo varía desde 0,27 MPa. (a – 10ºC) hasta 1.6 MPa. (a 45ºC). (09)
TABLA Nº 3: Propiedades físicas y composición del GLP. (09)
Composición
Fórmula química
Masa molecular, Kg / kmol
Etano
C2H6
30.0
Butano
C4H10
58.12
Propano
C3H8
44.10
Masa del gas en estado gaseoso respecto del
aire, Kg / m3 1.038 2.007 1.523
Densidad a: 15 ºC y 0.1 Mpa.
De la fase líquida, Kg / l.
De la fase gaseosa, Kg / m3.
0.446
1.273
0.582
2.460
0.509
1.867
Temperatura de ebullición, ºC - 88.6 - 0.50 - 42.1
Poder calorífico inferior, MJ / Kg. 47.197 45.431 45. 973
Poder calorífico inferior, MJ / m3. 60.039 111.785 85.832
Poder calorífico inferior de la mezcla
carburante, MJ / m3. 3.403 3.5 3.46
Cantidad de aire teóricamente necesaria para
la combustión (en estado gaseoso), m3 / m3 16.66 30.95 23.91
Temperatura de encendido, ºC 650 - 580 475 - 510 510 – 580
Número de octano 125 93 120
Fuente: Motores de Combustión Interna a Gas, Exposición Ing. Luís Lastra Espinoza Ph. D. UNI Lima- Perú.
Coeficiente de compresibilidad; Cuando se varía considerablemente la presión en los
gases, así como su temperatura se debe tomar en cuenta que estos poseen
compresibilidad, por lo que la ecuación de estado para estos tiene la forma;
PV = ZRT
En donde Z – es el coeficiente de compresibilidad; que depende de la presión P y
temperatura T; El coeficiente de compresibilidad toma en cuenta la disminución del
volumen molar de una mezcla de gas ante el incremento considerable de la presión
respecto del volumen molar de una gas ideal. En todos los casos, el coeficiente de
compresibilidad se toma en cuenta cuando se requiere determinar la cantidad real de gas
a presiones por encima de 20 Kg / cm2.
Densidad; En estado liquido al igual que todos los líquidos, prácticamente no depende
de la presión, pero si de la temperatura. Esta densidad se determina en el GLP para la
temperatura de 15 ºC y la presión igual a la presión de vapor. En estado gaseoso su
densidad se determina para la presión atmosférica y la temperatura de 0 y 15 ºC. Con el
incremento de la temperatura del GLP, la densidad de sus componentes disminuye
como resultado de la expansión térmica. A presión atmosférica normal y 15 ºC la
densidad del propano en estado líquido es igual a 510 Kg /m3, y del butano 580 Kg /m3;
En estado gaseoso para las mismas condiciones, la densidad del propano es 1,9 Kg /m3
y del butano es de 2,55 Kg /m3.
Presión de vapor; Esta es la presión que corresponde a un estado de equilibrio de las
fases líquido y gaseoso depende de la temperatura, de la composición química y
fraccionada del combustible. En el caso del etano contenido en el GLP le da mayor
presión de vapor al gas, por ello se recomienda que este elemento este presente en el
GLP cuando la temperatura del medio ambiente es negativa, ya que permite mantener
una buena presión dentro del recipiente; Por el contrario, cuando la temperatura del
medio ambiente es elevada se recomienda que en el GLP este presente una buena
porción de butano. La presión de vapor ejerce una influencia decisiva en la efectividad
del suministro del combustible al motor, en temperaturas frías por debajo de cero se
requiere una buena presión de vapor en el recipiente. (09)
Poder calorífico; Es la cantidad de calor que se desprende al quemarse completamente
1 m3 de gas a 20 ºC y a la presión atmosférica. El poder calorífico del combustible
gaseoso no es equivalente al poder calorífico de la mezcla carburante esto quiere decir,
que aún, cuando en una unidad masica de GLP, se desprende mayor calor que en una
unidad masica de gasolina, una unidad en volumen de mezcla carburante de GLP
produce menor calor que una unidad en volumen de mezcla carburante de gasolina
6…8% carburante. Para los combustibles gaseosos el poder calorífico por lo general se
expresa en unidad de volumen (m3 o mol ºC). En este caso siempre se deberá establecer
la temperatura y presión del gas, que determinan la masa de la sustancia contenido en la
unidad de volumen La composición y las propiedades del gas natural se evalúan con el
número carbónico n, que define para un gas homogéneo el número de átomos de
carbono en su molécula.
Si el gas se compone de distintos hidrocarburos y de balasto, entonces el número
carbónico se determina como el valor medio de los números carbónicos de distintos
hidrocarburos considerando el balasto. El poder calorífico de una unidad de volumen o
unidad de masa viene a ser el parámetro energético más importante de un combustible
sin embargo, en el proceso de combustión real en un MCI, importa más el poder
calorífico de la mezcla aire – combustible.
Temperatura de auto inflamación de la mezcla; Es la temperatura bajo la cual el
combustible con el oxidante en una mezcla homogénea empieza por si solo a desarrollar
muy rápidamente (explosivamente) en la reacción de combustión. La temperatura de
auto inflamación depende del coeficiente de exceso de aire teniendo una relación
directa con la composición de la mezcla).
Propiedad antidetonante de los combustibles gaseosos; El gas licuado de petróleo
GLP y sobre todo el GNC, poseen mayor resistencia a la detonación durante el proceso
de combustión. Esta propiedad permite fabricar motores de encendido por chispa para
que puedan funcionar solo con gas, pero con mayores índices de potencia y economía,
debido a la mayor relación de compresión con los que son fabricados y que poseen. (09)
Coeficiente estequiométrico; Se refiere a la masa (volumen) de aire que teóricamente
se necesita para quemar completamente el combustible, para quemar completamente
una molécula de metano se requiere 2 moléculas de oxigeno.
Así mismo, para quemar completamente una molécula de propano y butano
respectivamente, se requiere de 5 y 6.5 moléculas de oxigeno.
Como se sabe en el aire esta contenido el oxigeno en 21%. En consecuencia, para
quemar completamente 1m3 de metano, propano y butano respectivamente se requiere
9.5, 23.8 y 30.95 m3 de aire respectivamente.
Metano, CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O
Propano, C3H8 + 5 O2 = 3 CO2 + 4 H2O
Butano, C4H10 + 6.5 O2 = 4 CO2 + 5 H2O
TABLA Nº 4: Comparación de las propiedades del gas con la gasolina. (09)
Propiedades
GLP GNC
Gasolina Etano Propano Butano Metano Hidrógeno Oxi.carb.
Masa respecto de aire, Kg./m3
1.083 1.523 2.007 0.554 0.0695 0.967 3.94
Densidad estado líquido, Kg./l
0.446 0.509 0.582 -- -- -- 0.740
Densidad estado gaseoso, Kg./m3
1.273 1.867 2.460 0.717 0.090 1.250 5.08
Poder calorífico, MJ/m3
60.085 85.832 111.785 33.885 10.236 12.046 212.852
Poder calorífico, MJ/Kg.
47.197 45.970 45.440 49.850 120.000 10.408 44.000
Poder calorífico mezcla carbur., MJ/m3
3.403 3.460 3.500 3.230 3.029 3.561 3.560
Cantidad estequiométrica de aire, m3 /m3
16.66 23.91 30.95 9.52 2.38 2.38 58.6
Temperatura de encendido, ºC
650-580 510 - 580 475 - 510 680 - 750 500 - 600 625 - 675 470 - 530
Número de octanaje
125 120 93 110 70 100 76
Fuente: Motores de Combustión Interna a Gas, Exposición Ing. Luís Lastra Espinoza Ph. D. UNI Lima- Perú.
2.4 ANÁLISIS DE LOS PROCESOS DE FORMACIÓN DE MEZCLA EN LOS
MCI A GAS
Dentro de los tipos principales de motores a gas y de acuerdo al método de
inflamación de la mezcla, los motores a gas pueden dividirse en tres tipos: con
encendido por chispa; con inflamación de una dosis pequeña de combustible diesel
(gas – diesel); con encendido por dardo en una ante – cámara. En esta parte se analizara
la formación de mezcla en los motores de encendido por chispa con formación externa
de la mezcla, proceso que se realiza en el carburador y durante el tiempo de admisión
del motor, por el ducto de admisión ingresa aire y gas. Al final del tiempo de
compresión en la cámara de combustión salta la chispa eléctrica, que enciende la mezcla
aire – gas. En los motores a gas con formación externa de la mezcla de encendido por
chispa existen tres formas de que la mezcla ocurra y sea ingresado en los cilindros del
motor. (02)
Los más difundidos son los motores de cuatro tiempos encendidos por chispa, estos
motores por su acción y por su sistema de alimentación no se diferencian
significativamente de los motores a gasolina. El gas ingresa al motor a través de un
reductor de presión, el cual mantiene la presión del gas a una cierta presión constante, y
luego pasa a través de un mezclador, en donde el gas se mezcla con el aire para luego
seguir su paso hacia el motor por el carburador. La cantidad de mezcla que se entrega al
cilindro se regula con una mariposa de estrangulamiento, produciéndose una mezcla
homogénea, de forma optima para regimenes de plena carga, pero desmejora la
inflamación y la combustión en regimenes de cargas parciales, haciendo la mezcla más
pobre, con el consiguiente incremento de las emisiones de CO y CH en los gases de
escape. El segundo ocurre de diferente forma que la anterior, el aire y el gas se
suministran por canales diferentes, lo que elimina el peligro de explosión del gas en el
colector de admisión. La mezcla en el cilindro es menos homogénea, se incrementan las
perdidas de la mezcla durante el traslape de las válvulas, pero se corrige las deficiencias
del sistema anterior. En el tercero el aire y el gas se suministran por canales diferentes
con sus respectivas válvulas de admisión. Disminuyendo las pérdidas de gas durante el
barrido del cilindro, puesto que el gas se suministra después del inicio del suministro de
aire y su última porción se suministra con la válvula de escape cerrada. (09)
Durante el suministro de gas al inicio de la compresión relativamente no se requiere
mucha presión del gas, la cual generalmente es menor que la presión en el sistema de
suministro de gas a los motores. Esto se considera una diferencia positiva entre los
sistemas de alimentación de los motores de gas y los sistemas de inyección de los
motores gasolineros, en el cual se requiere una bomba especial para suministrar la
gasolina. A parte de esto el gas se mezcla mejor con el aire, que la gasolina. Durante el
suministro de gas al inicio de la compresión, se incrementa el llenado de los cilindros
con una mezcla fresca, como resultado de un suministro adicional de gas. (02)
Sin embargo la mezcla del gas con el aire en un corto intervalo de la carrera de
compresión no proporciona una homogeneidad de la mezcla, como la que obtenemos
durante la formación de la mezcla externamente, lo que puede producir la disminución
del rendimiento del motor. La regulación del régimen de trabajo del motor durante la
formación interna de la mezcla es más dificultosa, que durante la formación externa. Se
debe mencionar que para los motores de gas no ha sido posible crear un método de
inflamación por compresión, como se realiza en los motores diesel.
La principal dificultad esta relacionada con la alta temperatura de inflamación en
comparación con la del combustible diesel. A parte de esto una seria dificultad es la
lubricación del sistema de alimentación. Si el combustible diesel es un buen lubricador;
el gas licuado no posee esta propiedad. (02)
2.5 ANÁLISIS DE LOS PROCESOS DE ENCENDIDO Y DE INFLAMACIÓN
DE MEZCLA EN LOS MCI A GAS
La principal condición de la inflamación de una mezcla es el calentamiento hasta
obtener la temperatura necesaria. Este proceso es posible realizar mediante dos
métodos: hacer que la temperatura de toda la mezcla llegue a un nivel necesario;
incrementar la temperatura solamente de una porción de la mezcla, para que su
inflamación, después se distribuya por todo el volumen de la mezcla. En el primer caso
tiene lugar una inflamación total, en el segundo un encendido local.
La distribución de la llama de la fuente de inflamación es la principal condición del
encendido. La emisión térmica y la emisión de partículas activas desde la zona del
encendido hasta la zona de la mezcla fresca sirven como medio importante para el
cumplimiento de esta condición, entre tanto durante la autoinflamación la emisión
térmica al medio ambiente siempre es un factor de retardo, es decir que la temperatura
de la fuente de encendido debe ser mayor que la temperatura de autoinflamacion. Si la
temperatura de la fuente de encendido no es suficiente, entonces la inflamación y la
combustión pueden producirse solamente en cercanías a la fuente de encendido, pero no
se distribuye hacia todo el combustible. Otra condición del encendido es el
requerimiento de una energía mínima para el encendido. Y es así que la energía mínima
del encendido, y no la temperatura es el criterio diferencial de la inflamabilidad de los
diferentes combustibles durante el encendido por chispa.
Cuando mejor se encienda por chispa la masa de combustible, la mezcla poseerá
amplios límites de inflamación. Como en el caso a condiciones normales de presión
atmosférica y una temperatura de 15 ºC, el combustible gaseoso se inflama bien desde
(0,3…0,65) limite superior de inflamación hasta (1,7… 2,0) limite inferior. De esta
forma el combustible gaseoso tiene sustancialmente mayores límites de inflamación,
que el de la gasolina, lo que permite al motor de gas trabajar en forma efectiva con
mezclas más pobres.
En los motores con encendido por chispa después de la formación del foco de
inflamación, la combustión de toda la masa restante se produce mediante la distribución
gradual de la llama hacia la mezcla turbulenta. Bajo condiciones determinadas antes de
la culminación de la distribución de la llama por todo el volumen de la cámara de
combustión en la última parte de la carga surge la autoinflamacion volumétrica del foco
de inflamación. La llama se distribuye con velocidad de hasta 1000 m/s. Esta
combustión se denomina detonante, como es conocido las propiedades detonantes de la
gasolina determinan el numero de octano, que se determinan en los motores estándar de
un solo cilindro. Para los combustibles gaseosos, las calidades detonantes determinadas
por el número de octano y su vinculación con la relación de compresión admisible son
menos definidas. (02)
La razón por la que en los modernos motores mixtos y de encendido por chispa puedan
comprimirse fuertemente las mezclas de gas y aire reside en que estos motores se
alimentan de mezclas pobres. Todavía es preciso realizar una gran labor de
investigación acerca del encendido y de la combustión de las mezclas pobres en las
condiciones que se dan en los motores de combustión interna.
2.6 ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LOS MCI A GAS
La combustión es un proceso químico en donde los constituyentes del combustible
son oxidados, y va acompañada de un intenso desprendimiento de calor. En el tiempo
que ocurre la combustión, la masa total permanece casi inalterada, de manera que al
momento de balancear las ecuaciones de reacción se puede aplicar la “ley de la
conservación de la materia”. La variación de masa ocurrida es del orden 10-10 Kg/Kg de
combustible, por ello es que se le desprecia. (03)
Siendo normal el proceso de funcionamiento de los motores de encendido por chispa, la
mezcla de combustible evaporado, aire y gases residuales lo suficiente homogénea se
enciende por la chispa eléctrica y se quema en el proceso de propagación a lo largo de
toda la carga del frente de la llama turbulenta. Este proceso se puede dividir en tres
fases: la I – llamada inicial, durante la cual un pequeño foco de combustión que surge
en la zona de altas temperaturas entre los electrodos de la bujía (en la vena de la chispa
la temperatura sobrepasa los 10000 ºC) progresivamente se transforma en un amplio
frente de la llama turbulenta; la II – o fase principal en la que ocurre la rápida
propagación de la llama turbulenta a través de la mayor parte de la cámara de
combustión, siendo prácticamente constante el volumen de esta última, puesto que el
émbolo se encuentra cerca del P.M.S; la III – fase de combustión residual de la mezcla
detrás del frente de la llama, en las capas cercanas a las paredes y en los huelgos entre la
culata y la cara de pistón, esta fase abarca parte de la carrera de expansión.
La influencia en el proceso de combustión en los motores de encendido por chispa de la
composición de la mezcla de trabajo (coeficiente de exceso de aire) ejerce influencia
sobre la velocidad de combustión y la cantidad de calor desprendido, lo que se refleja en
el cambio de la presión y de la temperatura de los gases en el cilindro del motor. Al
empobrecer la mezcla más allá de cierto límite, que depende de las particularidades
estructurales del motor, de su carga y de la relación de compresión, la combustión en los
ciclos sucesivos de trabajo comienza a desarrollarse desigualmente: en algunos ciclos
transcurre con suficiente velocidad, en otros desaceleradamente. Semejante desarrollo
irregular de la combustión en algunos ciclos, que está vinculado con el empeoramiento
de las condiciones de ignición por la chispa de las mezclas pobres y de propagación de
la llama, conduce a que comenzando desde ciertos valores de la efectividad media del
proceso de trabajo, referida a todo el conjunto de los ciclos sucesivos, disminuye y el
trabajo del motor se hace inestable. (12)
La influencia de la carga del motor en el proceso de la combustión, se da a medida que
disminuye la potencia del motor al cerrar un poco la mariposa de gases, decrecen las
presiones iniciales y finales de compresión y se incrementa el grado de dilución de la
mezcla de trabajo con los gases residuales. Esto conduce en primer lugar al
empeoramiento de las condiciones de ignición de la mezcla por la chispa y del
desarrollo en ella del foco inicial de la combustión.
La relación de compresión influye en la combustión, cuando se incrementa la relación
de compresión, las presiones y temperaturas de la mezcla de trabajo hacia el instante
que salta la chispa se elevan y disminuye la concentración de los gases residuales.
Simultáneamente se crean condiciones más favorables para la ignición de la mezcla
por la chispa, se reduce la duración de la fase inicial de combustión; aumentan los
limites del empobrecimiento posible de la mezcla. Las elevadas presiones y
temperaturas de la mezcla comprimida también contribuyen a la elevación de las
velocidades de combustión en la fase principal, pero al mismo tiempo a elevadas
relaciones de compresión se incrementa la relación de la superficie de la cámara de
combustión con respecto a su volumen, como consecuencia de lo cual crece la cantidad
relativa de la mezcla que se encuentra en las capas cercanas a las paredes y en los
expulsores, es decir se incrementa la fracción de la mezcla que quema en al tercera fase.
Todo esto en su conjunto conduce a que en los motores con elevada relación de
compresión disminuyen los ángulos óptimos de avance de encendido (correspondiente a
la máxima potencia), se reduce la duración de la combustión de la combustión hasta el
instante en que se alcanza la máxima presión (el punto Pmáx se acerca al P.M.S.), pero
simultáneamente con esto disminuye el coeficiente de desprendimiento de calor activo
en los puntos Pmáx y Tmáx, crece el valor relativo de los procesos de combustión residual
en la tercera fase.
Así mismo la influencia de la frecuencia de rotación en la combustión se presenta al
incrementarse la frecuencia de rotación del cigüeñal del motor, el tiempo reservado al
desarrollo del proceso de combustión disminuye y al mismo tiempo se incrementa la
intensidad de la turbulencia de la carga de trabajo. (12)
2.7 ESTUDIO Y ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DE LA ALTITUD EN EL
PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LOS MCI
El análisis del proceso de la combustión en la altura en relación al nivel del mar, a
3824 m.s.n.m, tienen especial importancia debido a que en el proceso de combustión en
los motores de combustión interna son necesarios los combustibles y el carburante, este
ultimo básicamente es el oxigeno, sin este elemento seria imposible quemar
combustibles y no tendría lugar la combustión, debido a esto se hace necesario realizar
un estudio de la influencia de la altitud en la presión atmosférica y por consiguiente en
la combustión en estas condiciones, sabiendo que la fuente de oxigeno para la
combustión mas abundante, barata y fácil de manejar es, indudablemente, el aire.
Esta condición de fuente inagotable de oxigeno y la permanente disponibilidad del aire
en cualquier condición de tiempo y espacio, conduce con frecuencia al error de
minimizar su importancia en el proceso de combustión. Se debe analizar la
caracterización de los combustibles y carburante, que debe permitir el perfecto
conocimiento del combustible empleado, el aire de combustión también debe ser
caracterizado, tanto en los aspectos que definen su empleo como comburente, como
para asegurar que sea aportado al proceso de la combustión en las condiciones previstas
en su diseño. El aire ambiental es una mezcla de gases con la siguiente composición
media:
TABLA Nº 5: Composición del Aire Atmosférico.
Elementos En porcentaje apreciable
(% volumen)
En pequeña proporción
(p.p.m.)
Nitrógeno
Oxigeno
Anhídrido carbónico
Argón
78.084+/-0.004
20.946+/-0.002
0.033+/-0.001
0.934+/-0.001
Neón
Helio
Kriptón
Xenón
Hidrogeno
Oxido de Nitrógeno
18.180+/-0.040
5.240+/-0.004
1.140+/-0.010
0.087+/-0.001
0.050+/-0.001
0.500+/-0.100
Fuente: Combustión & Ecología, Revista Especializada
Para efectos prácticos resultara suficientemente correcto considerar la siguiente
composición a nivel del mar, en condiciones normales de presión (760 mm. de Hg.) y
temperatura (0º C): (13)
Nitrógeno: 79% en volumen (77% en peso)
Oxigeno: 21% en volumen (23% en peso)
14.63
Altitud
en
kiló
met
ros
Presión atmosferica absoluta en cm. Hg76
29.87
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
15.24
16
75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 0 5
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
A diferentes alturas respecto al nivel del mar, resultara necesario considerar la variación
de presión que experimenta y su influencia sobre sus características como comburente.
En la siguiente figura (FIG. 1), se muestra la curva de variación de presión atmosférica
con respecto a la altura.
FIG. 1: Altura vs. Presión Atmosférica.
Tomado en cuenta la definición de presión de los gases, que se explica por el mayor o
menor numero de impactos moleculares sobre el recipiente que los contiene, podemos
utilizar este concepto de actividad molecular para justificar el mayor volumen que
ocupa la misma masa de aire a mayores niveles de altura, al liberarse parcialmente de la
presión que soporta de la masa atmosférica. (13)
En términos matemáticos, tal relación conforma la ecuación general de los gases:
PV = n RT
Donde:
P: Presión absoluta del gas.
V: Volumen del gas, en litros.
T: Temperatura del gas, en ºK.
R: Constante universal de gases.
n = w/ M: (masa en gramos/ peso molecular).
Para aplicar estos conceptos a la combustión en los motores de combustión interna,
analicemos las funciones que cumple el aire en la combustión y como se influencian con
la altura. Debido principalmente a que en la formación de mezcla, encendido y
combustión de la mezcla, interviene directamente el aire, por contener el oxigeno
necesario para la combustión. (13)
Como aire primario; Aporta la energía cinética requerida para producir el nivel de
turbulencia que determina la velocidad de la combustión y la longitud de la llama.
La relación entre las masas y velocidades de aire primario y secundario determinan el
control de succión de este último al interior de la llama. El mezclador del motor, sea
cual fuere su tipo y diseño, tendrá que tomar en cuenta el enrarecimiento del aire para
regular su adecuada operación, procurando compensar la menor disponibilidad de masa
de oxigeno por unidad de volumen con una mayor turbulencia.
Como aire secundario; Aporta el oxigeno requerido para la combustión. En altura, al
disminuir la densidad y aumentar proporcionalmente el volumen, la calidad del aire
como comburente será menor, disminuyendo la probabilidad del contacto y reacción
con el oxigeno del aire y el carbono / hidrogeno del combustible.
Para establecer con objetividad un factor de evaluación de la calidad del aire como
comburente, formularemos conceptualmente el termino “poder calorífico del aire”
definiéndolo como la cantidad total de energía (Kcal.) que es capaz de liberar un
volumen (m3) de aire por efecto de la reacción de su contenido de oxigeno de carbonó.
A nivel del mar, el poder calorífico del aire siempre será de 915 Kcal/m3N; al realizarse
la combustión a más altura, este valor disminuirá progresivamente por disminuir
gradualmente el contenido de oxigeno por metro cúbico. Desde el punto de vista de la
eficiencia del sistema, al ser mayor el volumen requerido par quemar la misma masa de
combustible (C/H), el volumen de gases producido será consecuentemente mayor,
debiendo circular a mayor velocidad a través de los cilindros del motor y el
mezclador.(13)
Este paso mas rápido de los gases disminuye la transferencia de calor por convección, el
mayor volumen de gases también influencia negativamente la transferencia de calor por
radiación, por disminuir la temperatura de la llama y la capacidad de producción del
sistema.
La explotación de los vehículos en condiciones de altura, a diferentes alturas sobre el
nivel del mar, conduce a la necesidad de buscar vías para conservar la potencia del
motor, a pesar del descenso de la densidad del aire atmosférico. La especialización del
equipo e instrumentos de medición de la producción en serie permiten organizar la
producción de motores con diferentes potencias nominales a base de una serie unificada,
cuando en todos los modelos las dimensiones de los cilindros y la carrera del pistón se
mantienen constantes. La solución de estos problemas se reduce a la búsqueda de
procedimientos para elevar considerablemente la potencia por unidad de cilindrada. La
solución más practica y real es el procedimiento de la sobrealimentación del motor. Al
emplear este procedimiento, las pérdidas por fricción son mayores en comparación con
los valores de las mismas que se obtienen cuando el motor funciona sin
sobrealimentación, pero a consecuencia de la elevación de la potencia efectiva el
rendimiento mecánico del motor sobrealimentado aumenta.
La elevación de la presión del aire se realiza en un compresor, que puede accionarse por
el motor. A pesar del consumo de potencia que se gasta en hacer trabajar el compresor,
la sobrealimentación incrementa considerablemente la potencia efectiva del motor, lo
que puede explicarse de la siguiente forma. Se conoce que el trabajo que se gasta en la
compresión o se obtiene de la expansión del gas, es proporcional a su temperatura
inicial. En el compresor el aire se comprime siendo relativamente baja la temperatura,
mientras que en el cilindro del motor el mismo se expande a alta temperatura, y por lo
tanto, produce mayor trabajo que aquella que se gasto en la compresión. (12)
La elevación de la potencia del motor como consecuencia de la sobrealimentación se
evalúa por el grado de sobrealimentación. Se debe mencionar también que debido a la
sobrealimentación se elevan la presión y la temperatura del aire al final de la
compresión. Esto limita el grado de sobrealimentación en los motores de carburador
debido a la aparición de la detonación. (12)
La sobrealimentación puede utilizarse en los motores de automóviles de encendido por
chispa al funcionar estas en condiciones de altitud considerables en relación al nivel del
mar, como es en el caso de la ubicación geográfica de la región Puno, con el fin de
conservar la potencia nominal. La potencia nominal del motor de encendido por chispa,
al aplicar la sobrealimentación, puede elevarse combinando la relación de compresión,
la presión de sobrealimentación y el coeficiente de exceso de aire, de manera que sea
posible alcanzar una elevada potencia al utilizar un combustible de cierto número de
octano asignado, sin que aparezca la combustión detonante.
2.8 PRINCIPALES REQUERIMIENTOS DE LOS COMBUSTIBLES
GASEOSOS EN LOS MCI (09)
• El combustible gaseoso debe mezclarse bien con el aire a fin de formar una
mezcla homogénea.
• Se debe producir una combustión sin detonación dentro de los cilindros del
motor.
• El combustible gaseoso debe poseer un elevado poder calorífico de la mezcla
comburente.
• Debe tener una mínima composición de sustancias que producen corrosión
en las piezas, oxidación y dilución del aceite lubricante del motor.
• Debe tener una mínima composición de sustancias resinosas y residuos
sólidos, causantes de la formación de carbonilla y obstrucciones en el
sistema de alimentación de combustible.
• El combustible gaseoso debe producir la menor cantidad de sustancias
tóxicas y cancerigenas en los gases de escape.
• No debe cambiar sus propiedades con el tiempo.
• Debe tener un bajo costo de producción y transporte.
3.1 GENERALIDADES
La conversión a GLP de vehículos que funcionaban con combustibles líquidos,
surgió como respuesta a dos problemas aparecidos en las últimas décadas:
• Reducir las emisiones contaminantes de los vehículos
• Reducir el costo de funcionamiento
El objetivo que se busca en las conversiones es lograr que el vehículo tenga un
funcionamiento seguro y manteniendo los parámetros lo mas parecidos a los originales;
modificando el motor lo menos posible. Los combustibles líquidos que se utilizan
habitualmente en los motores de combustión interna generan durante su funcionamiento
emisiones que contaminan el medio ambiente y que afectan en forma directa e indirecta
la vida de las personas; a pesar de que las emisiones han logrado disminuirse con los
sistemas catalizadores todavía son altas.
Al usar como combustible el GLP se logra reducir los valores de emisiones muy por
debajo de los valores que se obtienen con los combustibles tradicionales. En cuanto a la
reducción del costo de funcionamiento se debe mencionar que, si tenemos en cuenta que
el rendimiento energético de 1 m3 de GLP es equivalente a 1,138 veces el rendimiento
de 1 litro de gasolina y que equivale a 1,025 veces el rendimiento de 1 litro de gasoil;
teniendo presente además la diferencia en el costo que hay entre estos tres combustibles
se tiene que al usar GLP se produce un ahorro de entre el 40 % y el 75 % en el
presupuesto destinado a los combustibles. Por otra parte usando GLP se reducen los
costos de mantenimiento del motor en un 30 % aproximadamente dependiendo del
estado previo del motor y del uso del mismo. (14)
El Gas Licuado de Petróleo (GLP) utilizado como combustibles para automoción es
una mezcla de Propano (C3H8) y Butano (C4H10) obtenidos de la refinación del petróleo
en las refinerías o en yacimientos de gas natural húmedo, por lo que su disponibilidad
está asegurada mientras lo esté la del petróleo o el gas natural. Por ejemplo en los
Estados Unidos, el 65 % del GLP utilizado proviene de los yacimientos de gas natural y
el 35 % restante de las refinerías de petróleo. En el Perú cerca del 50 % de GLP que se
utiliza es importado, el consumo anual en el Perú de este combustible automotor es
aproximadamente de 35 millones de galones (850000 barriles), el consumo diario
supera los 2300 barriles y el número aproximado de vehículos convertidos en nuestro
país aproximadamente es de 15000 unidades vehiculares, (1,9 %) con respecto al parque
automotor del Perú. El consumo de GLP entre 1995 - 2000, se ha incrementado en 65
%, de ese año hasta la fecha este número se viene incrementando considerablemente,
debido a la promoción de parte del gobierno peruano en la conversión de vehículos que
funcionan con combustibles líquidos a combustibles alternativos como el GLP o GNC,
en la prestación de créditos y facilidades económicas, para la conversión de estos
principalmente dentro del transporte publico, a partir de la explotación de los
yacimientos de gas natural de camisea. (15)
Razones más que suficientes para involucrarnos más en el desarrollo de tecnologías y
aplicaciones del uso del GLP en nuestra región, entendiéndose que tiene una geográfica
y condiciones ambientales que difieren con respecto a las normales, debido a la
variación de la altitud con respecto al nivel del mar.
3.2 ESTUDIO DEL GAS LICUADO DE PETRÓLEO
Como combustible de motor, el GLP (Gas Licuado de Petróleo) es casi tan antiguo
como el automóvil mismo. A principios de 1900 los combustibles primarios disponibles
para abastecer a los automóviles eran la gasolina y el alcohol etílico (etanol). La
gasolina se convirtió rápidamente y por mucho en la preferida debido a su ventajoso
precio y amplia disponibilidad, aún cuando las técnicas de refinación a esa fecha la
hacían un combustible altamente volátil que se evaporaría rápidamente al almacenarse.
El Dr. Walter Snelling del U. S. Bureau of Mines inició experimentos para mejorar el
proceso de refinación con la esperanza de producir una mezcla de gasolina que pudiera
ser más estable y menos propensa a la evaporación. Snelling descubrió un método de
remover los elementos más livianos de la gasolina, que posteriormente identificó como
butano y propano, las formas primarias del GLP. El resultado fue un combustible
bastante mejorado para motores a gasolina en automóviles y el nacimiento de la
industria del GLP. Posteriormente el mismo Dr. Snelling, trabajando con Frank P.
Peterson y Chester y Arthur Keeer, también diseñó métodos para licuar el GLP. Cuando
se desarrolló un medio práctico para separar el butano y el propano del petróleo crudo y
del gas natural, apareció el primer automóvil alimentado con GLP a principios de
1900.(16)
El uso del GLP como combustible de motor, sin embargo, fue creciendo lentamente.
Sus usos empezaron con pequeñas flotas de taxis, camiones de reparto y vehículos
similares. Aunque el GLP demostró para algunos ser un combustible económico y
práctico, existió poco interés general para aplicaciones automotrices debido a que la
gasolina era abundante y barata. La mayor parte de la producción de GLP se destinaba a
usos domésticos.
En 1963, la Asociación de Procesadores de Gas adoptó una especificación para el
combustible de motor GLP. El propósito de estandarizar el combustible era
proporcionar un GLP uniforme y de calidad, de manera que los motores pudieran ser
diseñados y afinados para que rindan al máximo y economicen combustible. La
especificación está en el GPA 2140 “Especificaciones y Métodos de prueba del Gas
Licuado de Petróleo” publicado por la Asociación de Procesadores de Gas, Tulsa,
Oklahoma y en el ASTM D – 1835 “Especificación Estándar para Gases Licuados de
Petróleo”, publicada por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales,
Philadelphia, Pennsylvania.
En el Perú, INDECOPI fijó la NTP 321.114.2001 sobre: “Gas Licuado de Petróleo:
Requisitos para uso automotor” donde se indican las características de calidad para el
GLP automotor en nuestro país.
Una explicación de la química básica correspondiente a las propiedades de los
hidrocarburos nos permite una mejor compresión de cómo y porqué un combustible
difiere de otro. Al igual que la gasolina y el diesel, el GLP es miembro de la familia de
los hidrocarburos (HCs). Los HCs son substancias cuya estructura molecular está
compuesta principalmente de hidrógeno y carbono. Hay literalmente miles de HCs
diferentes. Que van desde los hallados en los asfaltos, petróleos pesados y ceras, hasta la
gasolina, el kerosene y el diesel, y hasta los gases como el propano, butano, etano y
metano. Como ejemplo, la gasolina esta compuesta de 40 a 400 ó más HCs
diferentes.(16)
El número y la disposición de los átomos de hidrógeno y carbono en la estructura
molecular de un combustible es lo que le da su conjunto de propiedades físicas. A la
presión atmosférica, el propano (C3H8), el butano (C4H10), el etano (C2H6) y el metano
(CH4) son gases debido a su peso molecular relativamente bajo. A presión atmosférica,
la gasolina, el kerosene, el dieses, etc., son líquidos debido a que sus moléculas son
mucho más grandes y pesadas. (16)
3.3 PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DEL GLP
La mezcla de 45 % de Butano (C4H10) y 55 % de Propano (C3H8), es el GLP
vehicular que tiene una particularidad definida, es que a la temperatura normal (15 ºC)
en recipiente cerrado estas mezclas se encuentran en estado líquido. El volumen total de
la producción de gases licuados y su rol en el balance de los carburantes,
considerablemente es menor que en los gases naturales. Un desarrollo intenso de la
producción de gas licuado se debe a sus elevadas cualidades así como el desarrollo de la
extracción de petróleo y del gas. El gas licuado fundamentalmente es el resultado de la
transformación del gas, que resulta con el petróleo en las plantas petroquímicas. En la
actualidad una gran cantidad de gas licuado se obtiene también del gas natural, sobre
todo de las reservas de gas condensado en donde la composición de los hidrocarburos
pesados, alcanza magnitudes considerables.(02)
TABLA Nº 6: Comparación de las propiedades del GLP con la gasolina
PROPIEDADES
GAS LICUADO DE PETROLEO
GASOLINA PROPANO BUTANO
GLP 50% BUT. 50% PROP.
Densidad relativa (con respecto al aire)
Densidad en estado líquido, kg/l
Densidad en estado gaseoso, kg/m3
Poder calorífico (líquido), MJ/litro
Poder calorífico (gas), MJ/m3
Poder calorífico (gas), MJ/kg
Poder cal. de mezcla carburante, MJ/m3
Cantidad estequiométrica de
aire, m3/ m3 (m3/kg)
Temperatura de encendido, º C
Velocidad de la llama, m/s
Número de octano
Temperatura de combustión de mezcla
estequiométrica, ºC
1.523
0.509
2.019
23.405
85.832
45.970
3.460
23.98(12.81)
510...580
0.810
112
2043
2.007
0.582
2.703
26.390
111.785
45.440
3.500
31.08(12.64)
475...510
0.825
95
2057
1.765
0.545
2.361
24.897
98.800
45.700
3.480
27.50(12.73)
490...550
0.818
103
2050
3.94
0.720-0.740
5.08
32.12
212.852
44.000
3.700
56.6(12.35)
470...530
0.850
84-97
2100
Fuente: El uso del GLP en Motores de Combustión Interna, Exposición Ing. Guillermo Lira
Cacho, UNI Lima- Perú.
TABLA Nº 7A: Propiedades y características de los combustibles hidrocarburos.
COMPARACIÒN DE LAS PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES HIDROCARBUROS
PROPIEDAD GASOLINA DIESEL GLP
Punto de Ebullición 100 ºF – 400 ºF 350 ºF – 700 ºF - 16 ºF
Gravedad específica del líquido 0.76 0.86 0.541
Gravedad específica del vapor 3.80 4.21 1.74
Condición normal Líquido Líquido Vapor
BTU´s por galón 130000 139000 96500
Temperatura de auto – ignición 860ª F 400ª F 950ª F
Octano / Cetano 84 128 100 – 105
Contenido de Plomo 0.57 gr. Pb / gal -- --
Combustibilidad en tanque Muy alta Alta Ninguna
TABLA Nº 7B: (Sistema Ingles)
PROPIEDADES FÍSICAS DEL GAS LICUADO DE PETROLEO (GLP)
Fórmula Química 55% C3H8 + 45% C4H10
Presiones de vapor en psi: 70 ºF
100 ºF
105 ºF
130 ºF
79
126
136
191
Gravedad específica del líquido, a 60 ºF
Punto de ebullición inicial a 14.7 psi, en ºF
Peso (lb.) por galón de líquido, a 60 ºF
Pies cúbicos de vapor por galón, a 60 ºF
Pies cúbicos de vapor por libra, a 60 ºF
Gravedad específica de vapor (aire = 1), a 60 ºF
Temperatura de ignición en el aire, en ºF
Temperatura máxima de la llama en el aire, en ºF
0.541
- 16
4.49
33.95
7.64
1.74
910 – 1063
3604
Límites de inflamabilidad en el aire, % de vapor en mezcla aire – gas.
(a) Inferior
(b) Superior
1.87
9.13
Valores de calor total después de la vaporización.
(a) BTU por pie cúbico
(b) BTU por libra
(c) BTU por galón
2864
21393
96498
Números de Octano de: Investigación
Motor
Bomba
103
89
96
Fuente: Usando como base de cálculo las recomendaciones de cálculo de NFPA 58 de la Asociación Nacional para Protección Contra Incendios, Edición 1992, p. 77.
3.3.1 CONTENIDO CALORÍFICO
En términos generales, a mayor número de átomos de carbono en una molécula de
un combustible dado, es mayor el contenido calorífico (BTUs) o valor energético del
combustible. Una BTU (Unidad Térmica Británica) es igual al calor requerido para
elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit. Un galón de GLP
producirá alrededor de 95500 BTUs de energía calorífica cuando es quemado, en
comparación con los 130000 BTUs por galón en el caso de la gasolina. Por otra parte,
una libra de GLP produce 21400 BTUs que es casi lo mismo que la gasolina.
Aunque el GLP produce casi la misma cantidad de energía calorífica que la gasolina en
base a una comparación por libras, existen 4.49 libras por galón de GLP. La potencia de
un motor depende de la cantidad de combustible quemado y aún cuando el GLP
requiere una mezcla aire/combustible más pobre que la gasolina, el resultado neto es
que se consume más GLP en lograr el mismo rendimiento energético. Los motores
convertidos a GLP generalmente consumirán un poco más de combustible en términos
de Km. por galón cuando se operan bajo las mismas condiciones; sin embargo, muchos
de los modernos motores de inyección electrónica de combustible convertidos a GLP
son capaces de economías de combustible similares a las de la gasolina.
3.3.2 ODORIZANTE
El GLP es inodoro. Se añade un odorizante (usualmente el etil mercaptano o
etanotiol) para darle al GLP su muy distintivo olor acre. El odorizante actúa como un
agente de advertencia, de manera que se puedan detectar las fugas con rapidez. No es
dañino a la respiración ni afecta la composición del combustible en forma alguna
excepto en hacer notoria la presencia de sus vapores. Una vez que se ha quemado el
combustible, el olor desaparece. (16)
3.3.3 GRAVEDAD ESPECÍFICA Y DENSIDAD
Otra característica importante de GLP es cómo la gravedad específica se compara
a otros líquidos y gases como el agua y el aire. La gravedad específica de un líquido se
define como una comparación del peso de un volumen dado de un líquido al peso de un
volumen idéntico de agua, medido a la misma temperatura y presión.
Con fines comparativos, el agua tiene una gravedad específica de 1,0. Un líquido que
sea el doble de peso tendría una gravedad específica de 2,0. Un líquido que sea la mitad
de pesado que el agua tendría una gravedad específica de 0,5. La gravedad específica
para el GLP es 0,541, lo que significa que el GLP en forma líquida pesa
aproximadamente la mitad que el agua. La gravedad específica del GLP líquido es
menor a la del agua, y la gravedad específica del vapor de GLP es mayor a la del aire.
La gravedad específica de un vapor es la comparación del peso de un volumen dado de
vapor con el mismo volumen de aire, medido a la misma temperatura y presión. La
gravedad específica del valor de GLP es de 1,74, lo que significa que el GLP en forma
de vapor es aproximadamente una y media veces más pesado que el aire. Debido a que
los valores del GLP son más pesados, inicialmente pueden asentarse antes que elevarse
cuando se desarrolla una fuga y tienden a descender a las áreas bajas o a desplazarse a
través de los pisos. Por lo tanto, se deben eliminar las llamas abiertas u otras fuentes
potenciales de ignición de las cocheras o talleres donde se estacionan o da servicio a
automóviles a gasolina o a GLP. Sin embargo, si hubiera circulación de aire en el área
de fugas, el GLP se dispersará de forma pareja.
3.3.4 PUNTO DE EBULLICIÓN, TEMPERATURA Y PRESIÓN
Una de las propiedades físicas más importantes del GLP, y una que lo distingue
de la gasolina y del diesel, es su bajo punto de ebullición. A presión atmosférica
estándar (nivel del mar), el GLP hierve (se vaporiza) a – 16 °F. Eso significa que, a
cualquier temperatura por debajo de – 16 °F, el GLP existirá como un líquido. A
temperaturas por sobre – 16 ºF, el GLP será vapor a menos que se le mantenga bajo
presión, como en un balón, cilindro o tanque.
Si el GLP es comprimido de manera que su presión de vapor, o tendencia a convertirse
de líquido a vapor, sea igualada, permanecerá siendo líquido. Como podrá observarse, la
cantidad de presión requerida para mantener al GLP líquido aumenta con la
temperatura. A – 20 °F, por ejemplo, se requiere de muy poca presión debido a que
dicha temperatura está bastante cerca de la del punto de ebullición del GLP, - 16 °F. A
100 °F, sin embargo, la presión requerida es de 126 psi, debido a que el combustible
está muy por encima de su punto normal de ebullición. (16)
Si el GLP (vapor o líquido) se removiera de un contenedor, la presión en el contenedor
quedaría temporalmente reducida, ocasionando que el GLP líquido se vaporice para
llenar el espacio vacío (sin líquido) con vapor. La vaporización continúa hasta que se
alcanza un estado de equilibrio entre el líquido y el vapor en el contenedor a
temperatura ambiente. Cuando se añade líquido al contenedor, el líquido, que aumenta
su nivel, comprime al gas en el espacio del vapor, incrementando así la presión en el
contenedor; y al vapor de GLP empieza a condensarse a GLP líquido a fin de restaurar
el equilibrio a dicha temperatura. El GLP en el interior de un tanque sellado
permanecerá en estado líquido en tanto se mantenga la presión.
La temperatura decreciente disminuirá la presión de vapor en el interior de un tanque de
combustible cerrado, así como un incremento en la temperatura aumentará la presión.
Se debe mantener un constante balance de temperatura y presión. Por lo tanto, el clima
puede tener un gran impacto sobre la presión del tanque. Los días cálidos, noches frías,
luz directa del sol, lluvia o nieve todos afectarán la temperatura del combustible en el
interior del tanque y así también su presión de vapor. No es raro ver presiones de tanque
que cambien tanto como hasta 50 psi en el curso de un día.
3.3.5 RELACIÓN DE EXPANSIÓN
El GLP, como cualquier otro líquido, se expande cuando se calienta muy
rápidamente. En comparación al agua, el GLP se expandirá 15 veces más en volumen
ante un incremento idéntico de temperatura. La razón para almacenar el GLP bajo
presión como un líquido dentro de un tanque de combustible, es el ahorro de espacio.
Un volumen dado de vapor de GLP puede ser comprimido a 1/270 – avo de su volumen
al producirse su licuefacción (conversión a estado líquido). Inversamente, un volumen
dado de GLP líquido puede expandirse unas 270 veces si se le deja que cambie a su
estado de vapor. Los balones de GLP son llenados al 80 % de su capacidad para
permitir la expansión térmica. En temperaturas mas frías, al finalizar la tarde, las altas
temperaturas causan una expansión a 90 % de su capacidad. (16)
Debido a esta expansión, los balones o cilindros de combustible GLP nunca son
llenados completamente con líquido. Son llenados aproximadamente solo hasta el 80 %
de su capacidad para dejar espacio para la expansión térmica. Los balones de
combustible también están equipados con válvulas de alivio de presión que desfogan el
vapor de GLP si la presión interna del tanque excediera la especificación preestablecida
de la válvula. La válvula se cierra automáticamente cuando la presión interna se reduce
por debajo de esta presión de inicio de descarga.
3.3.6 LÍMITES DE INFLAMABILIDAD
Un límite de inflamabilidad es el mínimo o máximo porcentaje de combustible
necesario en la mezcla aire/combustible para soportar la combustión. La combustión
ocurre cuando se somete a ignición la relación correcta de aire/combustible mediante la
introducción del calor, incluyendo la ignición por chispa y compresión. Este valor se da
en un límite de inflamabilidad tanto superior (máximo) como inferior (mínimo). El
límite superior es la concentración o porcentaje máximo de combustible (mezcla
aire/combustible más rica) que soportará la combustión. Las mezclas aire/combustible
por sobre el límite superior no harán combustión debido a que hay mucho combustible y
no hay aire suficiente. El limite inferior es la concentración o porcentaje mínimo de
combustible (mezcla aire/combustible más pobre) que soportará la combustión. Las
mezclas aire/combustible por debajo del limite inferior no harán combustión debido a
que hay mucho aire y no hay combustible suficiente.
3.3.7 RELACIÓN DE COMBUSTIÓN AIRE / COMBUSTIBLE
Aunque el vapor de GLP hará combustión en cualquier mezcla dentro de sus
límites de inflamabilidad, la ignición es más eficiente (completa) sólo cuando existe la
cantidad correcta de vapor combustible para el oxígeno disponible en el aire. La
relación ideal de combustión, también llamada relación estequiométrica
aire/combustible, para el GLP es de 4 % en volumen. Esta podría ser una mezcla 24:1 es
decir, 24 partes de aire (96 %) para cada parte de vapor de GLP (4 %). En base al peso,
la relación ideal de combustión es de 15,8:1 (15,8 libras de aire por cada libra de vapor
de GLP). (16)
Si una mezcla aire/combustible es más rica que la relación ideal, hay oxígeno
insuficiente para quemar completamente todo el combustible, lo que resultará en
combustión parcial y en la formación de monóxido de carbono (CO) e HCs en exceso
en las emisiones de escape. Sufre la economía de combustible debido a que se esta
usando combustible en exceso. Las mezclas más ricas tienden a producir más potencia
hasta un cierto punto, pero el inconveniente es una reducción en el rendimiento y en la
economía, aumento de las emisiones de escape y mayores temperaturas de escape.
Si una mezcla aire/combustible es demasiado pobre, puede a veces ocurrir una
condición conocida como encendido pobre (lean misfire) dentro del motor. Aunque la
mezcla puede estar por sobre el límite inferior de inflamabilidad, puede aún ser muy
pobre para que la chispa origine la ignición. Esto permite que los vapores de
combustible no quemado pasen hacia el escape, incrementando así las emisiones de
HCs. El rendimiento se reduce debido a que no hay encendido y la economía sufre
debido al combustible desperdiciado.
3.3.8 OCTANAJE
El GLP es un combustible ideal para motor debido a que tiene un número de
octano más alto que cualquier gasolina premium (gasolina de alto octanaje). Este valor
indica la resistencia de un combustible a la detonación. La detonación ocurre cuando las
presiones al interior de la cámara de combustión se hacen demasiado grandes como para
que el combustible de queme de forma pareja. En vez de un frente de llama y colisionan
uno con otro, produciendo el autoencendido o golpeteo que señala la detonación. La
detonación severa puede dañar rápidamente el motor.
Hay tres formas diferentes de evaluar la resistencia de un combustible a la detonación:
octano de investigación (Research Octane), octano de motor (Motor Octane) y octano
de bomba (Pump Octane). El número de octano de investigación es determinado en
laboratorio comparando la resistencia a la detonación del combustible con la de dos
combustibles de prueba conocidos usando un motor de prueba estándar: iso – octano
(100 octanos) es el grado más alto y heptano normal (0 octanos) es el grado más bajo.
Al combustible se le asigna un valor derivado de la relación de una mezcla de iso –
octano a heptano que resulta en la resistencia al golpeteo equivalente. Hasta hace poco,
se usaba principalmente el número de octano de investigación debido a que parece ser el
más alto de los tres métodos de evaluación. (16)
Los números de octano de motor entraron en uso para describir con más precisión la
resistencia de un combustible a la detonación en el mundo real. En la prueba de octano
de motor, el combustible de prueba se evalúa en un motor que simula las condiciones de
manejo reales, resultando en números de octano menores.
El octano de bomba es el valor real que uno puede esperar en la bomba. Éste se calcula
como (R + M) / 2 = P, o la suma del octano de investigación más el octano de motor
que, dividida entre 2, da el octano de bomba. Esto nos da resultados promedio de:
Gasolina Regular con Plomo = 84 octanos
Gasolina sin Plomo Grado Medio = 90 octanos
Gasolina sin Plomo Premium = 97 octanos
Gas Licuado de Petróleo (GLP) = 100 – 105 octanos
Como podrá observarse, el GLP es un combustible de excelente rendimiento, uno que
puede ser comparado de manera realista a las gasolinas de más alta calidad.
3.4 ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMBUSTION EN LOS MOTORES DE
ENCENDIDO A CHISPA CON GLP
Como se describió previamente, una de las propiedades físicas que distingue al
GLP de la gasolina y del diesel es el hecho de que el GLP es un vapor a temperatura
estándar (60 °F) y presión atmosférica (1 atm o a 4.7 psi). La gasolina y el diesel son
líquidos y no se quemarán a menos que sean vaporizados y mezclados con oxígeno.
Con la gasolina, es necesario un carburador o un sistema de inyección de combustible
para crear un fino vapor de combustible líquido. Para completar el proceso de
vaporización, sin embargo, el combustible debe tomar calor adicional del motor a
medida que pasa por el colector de admisión e ingresa a la cámara de combustión.
Comprimir el combustible ayuda a mezclar y a vaporizar las gotas remanentes de
gasolina. Si la gasolina no está completamente vaporizada, la combustión ineficiente
produce emisiones de escape en mayor grado, reduce el rendimiento y afecta
negativamente la economía. Por lo tanto, los motores a gasolina requieren una variedad
de estrategias para ayudar a un buen arranque en frío. (16)
Con los motores diesel, la situación es algo distinta. El combustible diesel se mezcla
con aire inyectándolo directamente en la cámara y pre – cámara de combustión como un
vapor altamente presurizado. El combustible no es inyectado hasta que el aire dentro de
la cámara de combustión haya sido comprimido y este extremadamente caliente
(alrededor de 1,000 °F). Esto ocurre unos cuantos grados antes del punto muerto
superior en la carrera de compresión. En el instante en que el combustible diesel choca
con el aire caliente, se produce la ignición. Pero debido a que hay poco tiempo para que
se mezcle el aire y el combustible, la combustión del diesel es incompleta; como
resultado, los diesel pueden a veces emitir bastante hollín y otros contaminantes en sus
emisiones. Para un arranque en frío, un motor diesel debe ser arrancado lo
suficientemente rápido para calentar el aire dentro de los cilindros hasta un punto en que
el combustible hará ignición. En muchos motores se requiere de un sistema de bujía de
encendido para proporcionar el calor de arranque inicial. También se debe usar
combustible diesel de grado más liviano durante clima frío para evitar la formación de
parafina y la obstrucción de las líneas de combustible e inyectores.
En contraste, el GLP tiene excelentes propiedades de arranque en frío debido a que
ingresa el motor como un vapor a temperaturas tan frías como de – 16 °F (- 27 °C). Esto
elimina la necesidad de ayudas para el arranque en frío y permite que el combustible se
mezcle rápidamente con el aire para una combustión eficiente y limpia. El combustible
debe ser completamente vaporizado para una combustión eficiente. El GLP ingresa al
motor como un vapor, mientras que la gasolina ingresa como pequeñas gotas de líquido.
Debido a que el GLP está ya en estado gaseoso, el trabajo del mezclador de combustible
es simple en comparación al del carburador de gasolina, sistema de inyección de
combustible o sistema de inyección diesel. Todo lo que el mezclador hace es dosificar la
cantidad correcta de GLP necesaria para mantener óptima la relación aire/combustible.
(16)
3.5 ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA ALTITUD EN RELACIÓN Al
RENDIMIENTO DEL MOTOR
Dependiendo del tipo del motor y del sistema de combustible, los motores
convertidos para funcionar en base a GLP están en capacidad de tener mejor
rendimiento que los que funcionan en base a la gasolina. Debido a que un combustible
gaseoso se mezcla más rápidamente con el aire. Dependiendo del tipo de mezclador
aire/combustible usado, se puede mejorar la distribución de combustible en el cilindro
para un mejor rendimiento.
En un motor V8; por ejemplo, los cuatro cilindros que están más alejados del carburador
a veces funcionan con una mezcla más pobre que los cuatro cilindros más cercanos al
carburador. Los movimientos y giros en el colector de admisión hacen que pequeñas
gotas de gasolina se separen de la mezcla aire/combustible a medida que fluye a través
del colector. Esto crea regiones ricas y pobres que pueden perturbar el balance de
potencia en el motor.
El GLP tiende a tener una distribución mejorada de combustible porque es un gas. No
hay pesadas gotas de combustible que deban ser llevadas a través de los rotores de
admisión, lo que hace que la separación del combustible no sea un problema.
Asimismo, como se mencionó antes, el GLP tiene un número más alto de octano que la
gasolina, lo que permite al motor usar una curva de sincronización de encendido más
agresiva, a menos RPM, resiste la detonación. Adelantar la sincronización de encendido
puede mejorar el torque de baja velocidad, de manera que los motores alimentados a
GLP con curvas de distribución de encendido modificadas, usualmente funcionan más
suavemente y tienen más potencia de tracción en el lado bajo. Sin embargo, es
importante observar que las modificaciones a los sistemas de encendido son ilegales en
algunos países. (16)
Otro factor que contribuye a mejorar el rendimiento es que ingrese a los cilindros una
mezcla aire/combustible más densa. Es necesario precalentar el colector de admisión
con gasolina para ayudar a vaporizar el combustible. Empero, debido a que el GLP ya
está vaporizado cuando ingresa al colector de admisión, promueven una mezcla más
densa para una mayor potencia.
Por todo lo mencionado anteriormente se deduce que la variación de la potencia en
deficiencia con respecto a la altitud no es significativa cuando el motor es alimentado
con GLP a diferencia de la gasolina. La altitud influye en la disminución de la presión
atmosférica que es diferente con respecto al nivel del mar y está en la formación de la
mezcla aire – combustible, requiriéndose mayor volumen de aire con oxigeno para una
combustión adecuada. Salvo por esta característica se aprecia una pequeña disminución
de la potencia del motor con GLP funcionando en altitudes considerables en
comparación al nivel del mar (condiciones normales). Así como se expondrá y
demostrara más adelante.
4.1 GENERALIDADES
El desarrollo actual alcanzado por la humanidad, en el que el crecimiento de la
producción industrial y del transporte es acelerado, la protección del medio ambiente
constituye una de las tareas más importantes. En los países con industria altamente
desarrollada, se han aprobado las leyes y normas orientadas a limitar la toxicidad y el
humeado de los gases de escape. En sus normas se disponen los métodos y regímenes
de ensayos, así como las características de los instrumentos de medida que convienen
utilizar al determinar los índices ecológicos de funcionamiento del motor. Los valores
de estos índices obtenidos durante los ensayos no deben superar las normas
correspondientes.
Actualmente, la disminución de los índices de contaminación del medio ambiente por
sustancias tóxicas, producidas por las empresas industriales y el transporte automotor,
es una de las tareas más importantes que se toma en cuenta en la mayor parte de los
países industrializados. Por eso, es necesario llevar a cabo, en empresas industriales y en
el parque automotor, medidas tendientes a reducir la emisión de sustancias tóxicas a la
atmósfera, con la finalidad de prevenir concentraciones peligrosas en el medio
ambiente.
Se llaman sustancias tóxicas a las que ejercen una influencia nociva sobre el organismo
del hombre y el medio ambiente, aquellas emisiones que incluyen: compuestos
orgánicos, inorgánicos, sustancias radiactivas, gases, vapores, partículas sólidas y
liquidas, etc. en cantidades superiores a los limites médicos y sanitarios. Durante el
trabajo de los motores de combustión interna de émbolo se desprenden las siguientes
sustancias tóxicas principales: óxidos de nitrógeno NOX, hollín, oxido de carbono CO,
hidrocarburos CH, aldehídos, sustancias cancerigenas, compuestos de azufre y plomo.
Además de los gases de escape de los motores, son fuentes de toxicidad también los
gases del carter y la evaporación del combustible a la atmósfera. Los gases de escape
son preponderantemente más tóxicos, por lo cual se presta una principal atención a su
disminución. Considerando que en la mayoría de los países latinoamericanos como el
peruano el parque de los medios de transporte es bastante desgastado, el diagnostico
oportuno de los medios de transporte, su correcto mantenimiento y la conversión a la
utilización de combustibles alternativos como los de gas (GLP, GNC, etc.) son los
medios importantes de la disminución de toxicidad y del humeado de los gases de
escape, este ultimo procedimiento de conversión de motores que funcionan con
combustibles tradicionales como el diesel, gasolina, etc. a la de los alternativos, hasta la
fecha es una de las alternativas con mas porcentaje de efectividad en la reducción de
emisiones tóxicas de gases de escape.
Los costos medioambientales del transporte de las ciudades tienen una trascendencia
especial. Se calcula que el transporte urbano es el causante del:
• 12% de las emisiones de dióxido de azufre (SO2)
• 64% de las emisiones de monóxido de carbono (CO)
• 69% de los óxidos de nitrógeno (NOx)
• 49% de los compuestos orgánicos volátiles (COV)
• 33% de las partículas
• 30% del dióxido de carbono (CO2)
• La principal fuente del ruido
Fuente: Ventajas del uso del GLP como Combustible Automotor, Ing. Jorge Canchaya Sánchez, Jefe de Producto Automoción – REPSOLGAS.
En este marco se hace necesaria una concepción ecológica del transporte urbano,
en la que los denominados combustibles alternativos ofrecen sus principales ventajas.
Entre ellos, la utilización del gas para uso automotor (gas licuado de petróleo o GLP,
mezcla de propano y butano) es la solución más sencilla y a corto plazo a los problemas
medioambientales provocados por los medios de transporte urbanos, públicos y
privados. (17)
4.2 LOS MOTORES DE ENCENDIDO A CHISPA COMO FUENTE DE
CONTAMINACIÓN
Cada año en la atmósfera se desprende una gran cantidad de sustancias tóxicas,
aproximadamente entre ellas 700 millones de toneladas de monóxido de carbono, 150
millones de toneladas de óxidos de nitrógeno, 200 millones de toneladas de partículas
sólidas y 200 millones de toneladas de bióxido de azufre. La mayor parte de estas
sustancias están producidas por el transporte automotriz. (18)
El daño anual debido a la contaminación del medio ambiente está evaluado en miles de
millones de dólares. En los países industrializados las inversiones en la protección del
medio ambiente se evalúan cerca del 5 % del producto bruto interno. El problema de
protección del medio ambiente es uno de los problemas más actuales de hoy y el
problema nacional ya se transformó en el internacional. Actualmente, los MCI producen
cerca del 85 % de la energía que se consume en la tierra, de los cuales los motores de
los vehículos constituyen la mayor parte.
Los gases de escape que contienen sustancias tóxicas representan uno de los factores
más peligrosos de polución del medio ambiente. La composición y la producción de los
componentes tóxicos en los gases de escape dependen de los factores estructurales y de
regulación, del grado de perfección del funcionamiento de los motores, de sus
regímenes de trabajo, del estado técnico, etc. (18)
En los motores de encendido a chispa la composición de la mezcla para la combustión
influye fuertemente en la formación de sustancias tóxicas en el cilindro del motor.
Debido a que existe una variación de la composición de los gases de escape en directa
relación o dependencia de la composición de la mezcla carburada.
Si la mezcla se empobrece, la emisión de NOX inicialmente crece, debido al incremento
de la concentración de oxigeno libre en los productos de combustión, disminuye
posteriormente esta formación debido a la caída de la temperatura de combustión.
El ángulo de avance del encendido es el que más influye sobre la formación de NOX.
Cuanto mayor es el adelanto de la chispa, tanto mayor es la temperatura de la
combustión de la mezcla; por eso, la cantidad de NOX en este caso crece. Cuando el
adelanto del encendido es muy grande aparecen saltos en la inflamación en diferentes
ciclos y entonces la expulsión de CH se incrementa bruscamente; Y al contrario, en un
encendido retrasado se incrementa la temperatura de los gases en los procesos de
expansión y escape respectivamente, lo que permite una post – combustión de CH y una
disminución de estos en los gases de escape. El régimen de funcionamiento del motor
influye de un modo complejo en la formación de CO, CH y NOX, el cual se determina
tomando en cuenta la característica del carburador y de los mecanismos automáticos que
cambian el ángulo de encendido. (02)
4.3 FUENTES DE EMISIONES TÓXICAS EN LOS MOTORES DE
ENCENDIDO A CHISPA
El combustible líquido que se emplea en los motores de combustión interna
contiene: carbono, hidrógeno y en cantidades mínimas, oxígeno, nitrógeno y azufre. Por
eso, con la relación ideal entre el combustible y el aire (composición del aire: nitrógeno,
N2 = 78.03 %, oxígeno, O2 = 20.99 %, dióxido de carbono, CO2 = 0.04 %, argón,
hidrógeno y otros gases inertes 0.04%), los productos de la combustión deben contener
N2, CO2 y H2O. Sin embargo, la composición de los gases de escape es mucho más
complejo. Los gases de escape de los motores representan una mezcla heterogénea de
sustancias diferentes con diversas propiedades químicas y físicas, compuesta en 99 %
de los productos de combustión completa y del exceso de aire. Cerca del 1 % de los
gases de escape contiene aproximadamente 300 sustancias, de las cuales la mayoría es
tóxica.
Generalizando, en los motores de encendido por chispa existen varias fuentes de
emisiones tóxicas, de las cuales las principales son: los vapores del combustible, los
gases del cárter y los gases de escape. (18)
TABLA Nº 8: Fuentes de sustancias tóxicas (en %)
TIPO DE MOTOR GASES DE
ESCAPE
GASES DE
CÁRTER
VAPORES DE
COMBUSTIBLE
DE
CARBURADOR
CO 95 5 0
CxHy 55 5 40
NOx 98 2 0
Fuente: Toxicidad de los Motores de Combustión Interna, Dr. Nicolai Patrakhaltsev, Ph.D.
Víctor Gorbunov, UNSA – Arequipa.
4.5.2 LOS GASES DE ESCAPE
Es la fuente principal de emisiones tóxicas, vienen a ser una mezcla de
productos gaseosos resultantes de la combustión, así como del exceso de aire y de otros
elementos en cantidades microscópicas, tanto líquidos como sólidos, que vienen del
cilindro del motor al sistema de escape.
Los componentes tóxicos principales de los gases de escape de los motores son el
monóxido de carbono y los óxidos nitrosos. Además, en los gases de escape se
encuentran presentes hidrocarburos saturados y no saturados, aldehídos, sustancias
cancerígenas, hollín y otros componentes.
Un vehículo pequeño promedio expulsa a la atmósfera de 0,6 a 1,7 kg / hora de CO.
Cuando se quema 1 Kg. de gasolina, con velocidad e intensidad de trabajo media, se
expelen aproximadamente 300…310 g de componentes tóxicos: 225 g de monóxido de
carbono, 55 g de óxidos de azufre, 0,8 – 1,0 g de aldehídos, 1,0 – 1,5 g de hollín, etc.
El monóxido de carbono y los hidrocarburos aparecen en los gases de escape como
resultado de la combustión incompleta del combustible, a causa de la insuficiencia del
oxígeno en la cámara de combustión, o representan partículas de combustible no
quemadas. Presentándose debido a la influencia de la relación “aire – combustible”
coeficiente de exceso de aire. (18)
TABLA Nº 9: Componentes de los gases de escape en motores encendidos por chispa.
COMPONENTE DE LOS
GASES DE ESCAPE
CONTENIDO MÁXIMO EN
VOLUMEN (%) OBSERVACIÓN
GASOLINA
Nitrógeno
Oxígeno
Vapor de agua
Dióxido de carbono
Monóxido de carbono
Óxidos nítricos
Hidrocarburos no cancerígenos
Aldehídos
Dióxido de azufre
Hollín (en g/m3)
Benzopireno (en mKg/m3)
74 – 77
0.3 – 0.8
3.0 – 5.5
5.0 – 12.0
0.1 – 10.0
0.1 – 0.5
0.2 – 3.0
0 – 0.2
0 – 0.002
0 – 0.04
Hasta 20.0
No tóxico
No tóxico
No tóxico
No tóxico
Tóxico
Tóxico
Tóxico
Tóxico
Tóxico
Tóxico
Cancerígeno
Fuente: Toxicidad de los Motores de Combustión Interna, Dr. Nicolai Patrakhaltsev, Ph.D.
Victor Gorbunov, UNSA – Arequipa.
4.5.3 LOS GASES DEL CÁRTER
Representan una mezcla gaseosa de productos de combustión y de la
combustión incompleta de hidrocarburos que, por las colgaduras entre los anillos del
émbolo y los cilindros, penetran desde la cámara de combustión y se depositan en el
cárter, así como de vapores de aceite que se encuentran en el cárter. Los componentes
tóxicos principales de los gases del cárter son hidrocarburos y vapores de gasolina de
los motores a encendido a chispa con carburación. En lo que concierne a los motores
diesel, la emisión de los componentes tóxicos, mezclados con gases del cárter, es muy
pequeña en comparación con los motores de carburador (por los procesos diferentes de
formación de la mezcla). La concentración de sustancias tóxicas en los gases de cárter
es proporcional a su concentración en el cilindro. En cuanto a los gases del cárter
producidos por el motor diesel, los componentes tóxicos principales son: NOX (45 –
80%) y aldehídos (hasta 30 %).
La toxicidad máxima de los gases del cárter es 10 veces inferior a la de los gases de
escape: en el motor diesel no sobrepasa 0,2 – 0,3 % de la emisión total de sustancias
tóxicas. A pesar de esto, los gases del cárter ocasionan la irritación de las mucosas del
aparato respiratorio, causando malestar en el conductor.
4.5.4 LOS VAPORES DEL COMBUSTIBLE
Son conducidos a la atmósfera desde el tanque de combustible, carburador,
elementos de alimentación de combustible y otros componentes estructurales (por
ejemplo, el sistema de calentamiento para el arranque). Estos vapores se componen de
hidrocarburos del combustible de composición mixta CXHY. En general, la emisión del
CXHY con la evaporación constituye 15… 20 %. Esta fuente es característica para los
MCI de carburador, pues en ellos se emplean como combustible las gasolinas, que son
altamente volátiles. En comparación con éstas, el combustible diesel es más viscoso y
más volátil; por consiguiente, las instalaciones diesel producen menos vapores debido a
la poca volatilidad del combustible y la hermeticidad del sistema de combustible. (18)
Se puede considerar también como fuente contaminante la evaporación de los aceites
lubricantes, de las sustancias líquidas de enfriamiento y otras sustancias líquidas.
Las sustancias tóxicas resultan también del quemado de pinturas y materiales extraños
que se sedimentan en las superficies calientes.
4.4 COMPOSICIÓN DE LAS EMISIONES TÓXICAS
Las emisiones tóxicas se clasifican en reglamentadas y no reglamentadas. Su
acción sobre el organismo humano es diferente: desde sensaciones desagradables hasta
enfermedades graves, incluyendo el cáncer; en concentraciones considerables pueden
tener efecto letal.
Las emisiones tóxicas se refieren a: CO, CXHY, NOX, el humeado (humo) y el hollín, así
como partículas sólidas (PS).
El monóxido de carbono; (CO) consiste de 1 átomo de carbono y 1 átomo de oxígeno.
Este gas incoloro, inodoro, un poco más ligero que el aire y prácticamente insoluble en
agua. Es producto de la combustión incompleta del combustible. Se forma como
consecuencia de la mala pulverización de combustible, de la reacción de llama fría, así
como de la disociación del dióxido de carbono; a veces, el proceso de combustión de
CO prosigue en el conducto de escape. Se presenta en forma considerable la
concentración del CO para los motores de carburador, no tanto así en el funcionamiento
de los motores diesel, la concentración del CO en los gases de escape no es significativa
(aproximadamente 0,1 – 0,2 %); por lo que no se toma en consideración. El límite
máximo de concentración de CO en el aire es de 1 mg/m3.
Los óxidos de nitrógeno; (NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5...NOX) representan los
componentes más tóxicos de los gases de escape. En condiciones atmosféricas normales
el nitrógeno es un gas bastante inerte, pero con presiones y sobre todo, temperaturas
elevadas, entra activamente en reacción con el oxígeno. En los gases de escape de los
motores, el óxido de nitrógeno (NO) constituye más del 90 % de toda la gama de los
NOX, oxidándose fácilmente hasta el NO2 en el sistema de escape y, después, en la
atmósfera. El contenido límite de óxidos de nitrógeno en el aire se estima en 0,1 mg/m3.
(18)
Los hidrocarburos; Denominados en adelante CXHY: etano, metano, etileno, benzol,
propano, acetileno y otros, son igualmente sustancias tóxicas. Los gases de escape
contienen más de 200 hidrocarburos diferentes que se dividen en alifáticos (con cadenas
abiertas o cerradas) y aromáticos, que contienen un anillo de benzol. Los hidrocarburos,
resultado de la combustión incompleta, expelidos con los gases de escape, representan
la mezcla de unas cuantas centenas de compuestos químicos, tienen olor desagradable.
Son igualmente tóxicos los vapores de gasolina, por su naturaleza, hidrocarburos. La
concentración diaria admisible de vapores de gasolina es de 1.5 mg/m3.
La proporción de hidrocarburos en los gases de escape aumenta con la estrangulación en
la admisión, o cuando el motor funciona en vacío (por ejemplo, durante el frenado). En
estos casos empeora la turbulencia de la carga, disminuye la velocidad de la
combustión, se dificulta la inflamación y, por lo tanto, se observan mayores emisiones
de hidrocarburos.
Los CXHY se forman debido a la combustión incompleta que se produce junto a las
paredes frías de la cámara de combustión, donde hay zonas con escaso suministro de
aire durante todo el proceso de la combustión; se forman también por una deficiente
pulverización del combustible, por la imperfecta turbulencia del aire y por las bajas
temperaturas (por ejemplo, durante la marcha en vacío).
El Smog; (“smoke” – humo, “fog” – niebla), representa una niebla venenosa que se
forma en las capas inferiores de la atmósfera, es un aerosol que se compone de humo,
bruma, polvo, hollín y pequeñas gotas de agua (cuando se trata de atmósfera húmeda).
Este fenómeno es característico de las urbes industriales. Es resultado de procesos
fotoquímicos catalizados por la radiación solar ultravioleta, aquí se verifica la
disociación de las moléculas de NO2 en las de NO, ozono y peróxidos. Estos productos
entran en contacto con las olefinas, produciendo compuestos de peróxido nítrico.
Cuando su concentración llega a más de 0,2 mg/m3, se observa la condensación del
vapor, bajo la forma de niebla, y con propiedades tóxicas. Cuando hace calor seco, el
smog se presenta como una bruma amarillenta. (18)
El humo; Es la modalidad no transparente de los gases de escape debido a la presencia
de hollín, de partículas sólidas suspendidas, de vapor, de gotas minúsculas de
combustible, de aceite y de otros aerosoles; el humeado se percibe visualmente.
El humo puede tener diferentes graduaciones de color, dependiendo de la composición
de los gases de escape. Se distinguen humo blanco, azul y negro.
El humo blanco y azul; Es el mismo combustible bajo la forma de gotas, mezclado con
una cantidad diminuta de vapor; es producto de la combustión incompleta y de la
condensación posterior.
El hollín; Representa un cuerpo amorfo, sin red cristalina, un producto carbónico
sólido en estado de dispersión. En los gases de escape de los motores diesel el hollín es
constituido por partículas de forma irregular con dimensiones lineales de 0,3...100
micrones. La mayor parte de las partículas de hollín miden de 0,4...0,5 micrones y las
más pequeñas 0,015...0,17 micrones. El hollín es producto de la descomposición
térmica (pirolisis) de hidrocarburos en estado gaseoso (vapor) con alimentación
insuficiente o carente de oxígeno. Varios factores concurren a la formación del hollín: la
temperatura y la presión en la cámara de combustión, el tipo de combustible, la
proporción entre el combustible y el aire en la mezcla (coeficiente de exceso de aire) y
las particularidades estructurales del motor.
Los aldehídos; se forman cuando el combustible se quema a bajas temperaturas, o en
mezclas demasiado pobres. Pueden igualmente ser producto de la oxidación de la
película de aceite en la camisa del cilindro, o del escape del combustible desde el
pulverizador. Al quemarse el combustible a altas temperaturas, los aldehídos
desaparecen.
Dióxido carbónico (CO2 – gas carbónico); Es un gas incoloro, inodoro, más pesado
que el aire, no tóxico. El porcentaje elevado de CO2 en la atmósfera produce el latido
acelerado del corazón. Actualmente el contenido de este gas en la atmósfera alcanza 350
ppm aumentándose cada año en 0,5 %. La particularidad del CO2 es que al subir en las
capas superiores de la atmósfera absorbe intensivamente la radiación infrarroja reflejada
por la superficie terrestre. Este fenómeno conduce al aumento de la temperatura
promedio en la tierra – “efecto invernadero”. Por eso en muchos países existen los
programas especiales que prescriben, utilizando todos los medios posibles contribuir a
la disminución de las emisiones de CO2. (18)
Los compuestos de plomo; Aparecen en los gases de escape de los motores de
carburador que emplean gasolina etilada (con adiciones de plomo tetraetilo para
conseguir un determinado número de octano). Al quemar una tonelada de gasolina
etilada, los vehículos emanan a la atmósfera aproximadamente 0,5 – 0,85 Kg. de
compuestos de plomo. Una parte de estos productos constituyen aerosoles nocivos a la
salud, que se forman en base a los aditivos antidetonantes y se desprenden en parte
como óxidos, pero fundamentalmente como cloruros y bromuros de plomo. (15)
La cantidad de las sustancias tóxicas en el aire atmosférico debe ser mínima. La norma
de calidad del aire es la concentración límite admisible de cada sustancia tóxica.
TABLA Nº 10: Concentraciones límite admisibles de sustancias tóxicas
SUSTANCIA
CONCENTRACIONES
ADMISIBLES MÁXIMAS
(en mg/m3)
DOSIS
MÁXIMA
DOSIS DIARIA
MEDIA
Dióxido de nitrógeno
Amoniaco
Hollín (negro)
Dióxido de azufre, SO2
Hidrógeno sulfurado
Monóxido de carbono
Acroleína
Formaldehídos
Benzopireno g/m3
Gasolina (obtenida del petróleo, en C)
Polvo no tóxico
Plomo y sus compuestos (excepto tetraetilo de
plomo en Pb)
Etanol
Hidrocarburos (medidos en % de carbono)
Aldehídos (en C3H4O)
0.085
0.2
0.15
0.5
0.008
3.0
0.03
0.035
--
5
0.5
--
5
1.4 – 200
0.01 – 3
0.085
0.2
0.05
0.05
0.008
1.0
0.03
0.012
1.10-6
1.5
0.15
0.0007
5
1 – 25
0.01 – 5
Fuente: Toxicidad de los Motores de Combustión Interna, Dr. Nicolai Patrakhaltsev, Ph.D.
Victor Gorbunov, UNSA – Arequipa.
De acuerdo a los límites sanitarios (SN 245 – 71) vigentes en Rusia y relativos,
prácticamente, a todos los componentes de los gases de escape, el contenido de
sustancias tóxicas no puede exceder las concentraciones admisibles máximas (CAM).
Mostradas en la tabla anterior. (18)
La composición, la cantidad y la toxicidad de los gases de escape se determinan por el
tipo del motor, la estructura del motor, el proceso de combustión, las condiciones de
emisión y otros factores. El empeoramiento de los índices de toxicidad de los medios de
transporte depende en mucho del tiempo de explotación del vehículo o más exactamente
del grado de su desgaste. El mal estado de transmisión, del tren de rodaje del automóvil
o del otro medio de transporte produce el aumento de la potencia gastada, del consumo
de combustible lo que incrementa la emisión de las sustancias tóxicas.
4.5 EMISIONES EN LOS MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA CON
ALIMENTACIÓN DE GLP
Las emisiones en los motores de encendido por chispa con alimentación de GLP
se reducen en gran medida ofreciendo ventajas medioambientales considerables con
respecto a la gasolina, diesel, etc. El uso de GLP permite alcanzar en la actualidad,
niveles de emisiones contaminantes mucho más reducidas que los que se espera que
alcance la más avanzada tecnología de gasolina y diesel en la próxima década.
Una de las grandes ventajas que presenta el GLP en los motores de encendido por
chispa es que puede reducir la contaminación, por ejemplo en las emisiones
evaporativas. Todos los motores de combustión interna producen emisiones, pero
algunos combustibles producen menos emisiones que otros. Hay cuatro principales
agentes perjudiciales en el escape de motor: hidrocarburos (HCs), monóxido de carbono
(CO), dióxido de carbono (CO2) y diversos óxidos de nitrógeno (NOX). En el Perú,
debido a que aún está permitido el uso de Plomo en gasolinas de 84 Octanos, las
emisiones de Plomo también están presentes dentro de los gases de escape de la
combustión. (16)
Todos los vehículos de pasajeros de último modelo y la mayoría de camiones de
servicio liviano y medio tienen latas de carbón vegetal para atrapar las emisiones
evaporativas del tanque de gasolina. Estos vapores son atraídos hacia el interior del
motor y quemados al producirse el arranque de éste. Aunque este sistema absorbe
mucho de los vapores del combustible, una lata saturada aún será capaz de emitir hacia
la atmósfera HCs sin procesar. Estudios recientes indican que los HCs pueden ser
responsables hasta de un 20% del total de emisiones de un vehículo. Los sistemas a
combustible GLP producen menos emisiones evaporativas ya que el sistema está sellado
para mantener la presión. (16)
Así como la reducción muy por debajo de las reglamentaciones más estrictas en las
emisiones contaminantes reguladas (NOX, CO, HC y partículas) causantes de graves
problemas de salud humana, nieblas contaminantes y lluvia ácida. Reducción de
emisiones contaminantes no reguladas como CO2 (causante del efecto invernadero),
aldehídos y compuestos aromáticos (sustancias cancerigenas). No contiene azufre ni
plomo. Reduce los olores, humos de aceleración y vibraciones del motor a niveles
mínimos. Reduce significativamente la contaminación acústica (ruidos). (17)
Estas ventajas son el argumento fundamental para justificar la utilización del GLP,
como combustible alternativo en el funcionamiento de motores de encendido por
chispa, de modo que se pueda acometer en el beneficio de la disminución de la emisión
de gases tóxicos y la puesta por una política medioambiental decidida.
La característica principal del GLP es la reducción en los gases de emisión que afectan
la salud y el medio ambiente:
• 80% menos de Monóxido de Carbono (CO).
• 15% menos de Dióxido de Carbono (CO2.
• 20% menos de Hidrocarbonos (HCS).
• No contiene plomo.
• No tiene tuoleno ni benceno.
• No emite material particulado.
Fuente: Ventajas del uso del GLP como Combustible Automotor, Ing. Jorge Canchaya Sánchez,
Jefe de Producto Automoción – REPSOLGAS.
4.5.1 MANTENIMIENTO DEL MOTOR Y VIDA ÚTIL
Una combustión limpia también promueve una duración más prolongada de la
bujía, menor desgaste del tren de válvulas y reduce el desgaste de los componentes
internos del motor, extendiendo, así, la vida útil del motor y reduciendo los costos de
mantenimiento. Para una flota que opera vehículos de chasis y carrocería de larga vida,
el GLP podrá reducir considerablemente los costos de mantenimiento extendiendo la
duración de sus componentes.
Las características de quemado limpio del GLP prácticamente eliminan la acumulación
del carbón, cenizas y sedimentos dentro del motor. Menos contaminantes dentro del
cárter significa que se pueden extender con seguridad los intervalos de cambios de
aceite. El aceite es la sangre vital de un motor. Cuando los sedimentos y ácidos se
acumulan como el resultado de escape de gases de combustión, los aditivos en el aceite
son rápidamente consumidos. Los cojinetes, anillos, guías de válvula, lóbulos de leva y
otras superficies de fricción empiezan a sufrir a medida que el lubricante colapsa.
Debido a que el GLP se quema de forma más limpia que la gasolina, especialmente
durante el calentamiento del motor, prácticamente no hay contaminantes que puedan
ingresar al cárter. Como resultado, la vida útil del motor se prolonga mucho más. Los
aceites de motor especialmente formulados para motores alimentados a GLP están
disponibles con paquetes de aditivos adecuados a las necesidades únicas del motor. Los
aditivos que se usan en los aceites regulares para motor con el fin de dispersar los ácidos
y barnices, no son necesarios en un motor alimentado a GLP; de hecho, estos pueden
formar depósitos dañinos sobre las válvulas. Los aceites para motor a GLP también
contienen aditivos que evitan que la viscosidad del aceite cambie o se vuelva más densa
cuando los intervalos de cambio sean prolongados. Sin embargo, en la aplicación dual
de combustible, no se recomiendan los aceites diseñados para servicio de GLP. (16)
5.1 GENERALIDADES
El gas licuado de petróleo (GLP) se presta como una alternativa atractiva con
ventajas económicas considerables como un mecanismo de reducción de emisiones de
de gases contaminantes del medio ambiente donde habitamos.
El GLP en el transporte se utiliza en diferentes países. En el mundo, funcionan
alrededor de 7 millones de vehículos con GLP (Onursal y Gautam 1997: 100). Este
combustible es muy popular en los países asiáticos, principalmente Japón, Tailandia y la
República de Corea. En Japón, 1,5 millones de vehículos utilizan como combustible el
GLP. El uso del GLP se esta difundiendo rápidamente en Europa (Países Bajos y
Austria). Se estima que Estados Unidos y Canadá tienen 330000 y 140000 vehículos de
GLP respectivamente, y que el 90% de estas flotillas esta operando comercialmente.
En América Latina y el Caribe, el GLP se utiliza como combustible de vehículos
automotores, por ejemplo, en Venezuela (68200 barriles diarios) y Suriname (36011
barriles diarios). Otros países de la región que utilizan GLP son Bolivia (7.448 barriles
diarios), Costa Rica (1250 barriles diarios), República Dominicana (6850 barriles
diarios), México (3000 barriles diarios), Paraguay (957 barriles diarios), entre otros.
En el Perú los aspectos más importantes del mercado de GLP como combustible para
uso automotor se caracterizan por involucrar a un gran número de agentes en las
diferentes etapas del proceso de producción y consumo. Entre ellos se encuentran los
productores (Petroperú y Repsol), los importadores (SOLGAS y Zeta gas), los
envasadores (95 en todo el país), gasocentros en Lima y provincias, proveedores de
tecnología para la conversión y centros de mantenimiento, y los usuarios finales (por
ejemplo, taxistas). Se debe mencionar que la producción de GLP se centra
fundamentalmente en el uso doméstico del mismo, mientras que los importadores son
los que ofrecen el GLP para uso automotor. En este sentido, el número de envasadores
se refiere principalmente a GLP para uso doméstico. Solo SOLGAS y Zeta Gas envasan
GLP para uso automotor. En la actualidad, el mercado de GLP para uso automotor es
relativamente pequeño y solo representa el 1 % de la oferta total de GLP. (19)
La demanda potencial está constituida por todos aquellos vehículos gasolineros. El
parque automotor ha mostrado una tasa anual de crecimiento de 7,4 % entre 1991 y
2000. Se estimó que para el año 2005 habrá 39 % más de vehículos (aproximadamente
1500000) respecto al año 1999. Este incremento de vehículos ha significado un mayor
consumo de diesel, el cual ha crecido a una tasa anual de 7,6 % entre 1990 y 1997.
El sector automotor como sabemos es uno de los principales contaminantes en la
mayoría de países tanto como en el Perú. La Dirección General de Medio Ambiente del
Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción reportó que el
80% de la contaminación del aire es generado por el sector automotor. Proyecciones
realizadas para el 2005 establecieron que el parque automotor peruano será 39 % mayor
que en 1999.
Se debe mencionar que la identificación de los principales obstáculos para el desarrollo
de este mercado se debe a:
• Legislación incompleta y marco institucional con limitada coordinación.
• Insuficiente información sobre las ventajas y cuidados para el adecuado
funcionamiento de la tecnología propuesta.
• Falta de sistemas de difusión y capacitación de esta tecnología, tanto en el
nivel de usuarios como en el de los proveedores de servicios técnicos.
También se debe mencionar algunos ejemplos de legislación y regulación incompletas:
• No existe una regulación técnica ni estándares de calidad para la tecnología
dual importada o producida en el Perú.
• No existen estándares de calidad para al GLP producida para uso automotor.
• No existe regulación para los centros técnicos que ofrecen el servicio de
instalación de los equipos y control de la calidad de los mismos en dicho
proceso.
La no existencia de una legislación completa, clara y efectiva limita el desarrollo del
mercado de GLP y, en consecuencia, se incrementan los costos de transacción de los
diferentes agentes y el riesgo para los usuarios. Esto representa el fracaso de una
alternativa que en otros países ha sido exitosa. (19)
Una mayor y mejor difusión de la información beneficiaria a todos los miembros del
mercado. Además, resulta necesaria la coordinación de esfuerzos entre los principales
actores, de manera que se permita el desarrollo de actividades específicas a los
diferentes sectores del mercado. Esta coordinación que facilitará la posibilidad de
recibir fondos para programas promociónales. Es importante considerar experiencias
internacionales relacionadas con el tema de desarrollo de la regulación, sistemas de
seguridad, programa de entrenamiento y fondos.
5.3 EL MERCADO DEL GLP COMO COMBUSTIBLE AUTOMOTOR
El mercado de GLP para uso automotor como combustible se caracteriza por
involucrar a un gran número de agentes en la cadena de comercialización. En esta
sección, se analiza el estado actual de la oferta y la demanda de GLP y adicionalmente
el análisis de la situación actual del mercado del GLP en la región Puno, su desarrollo
para uso automotor y domestico y la influencia de su ubicación geográfica (zona de
frontera) debido al ingreso ilegal del GLP al mercado peruano (contrabando), y
actualmente, con respecto a la legislación se debe mencionar que la declaratoria de zona
franca industrial y turístico permite vislumbrar un futuro del mercado energético con
más perspectivas de desarrollo.
5.2.1 OFERTA DEL GLP EN EL MERCADO PERUANO
Con respecto a la oferta en el mercado peruano de GLP, se tiene como
principales abastecedores de GLP a los gasocentros existentes actualmente, así como a
SOLGAS Repsol y Zeta Gas. Repsol tiene la mayor participación en el mercado de GLP
doméstico y se presenta como uno de los principales interesados en que el mercado de
uso automotor del GLP se desarrolle y, a diferencia de Zeta Gas, es propietario de
algunos gasocentros. (19)
Con respecto a la oferta de GLP en el mercado de la región y específicamente en la
ciudad de Puno se debe establecer dos diferencias con respecto al GLP estas son: El
GLP de uso domestico se encuentra en el mercado ofertado por los distribuidores ya
mencionados anteriormente con una participación estimada que no supera el 50% del
total del consumo debido a la ilegal participación del GLP de uso domestico Boliviano
que ingresa de forma ilegal (contrabando) a la región Puno, esta particularidad hace
difícil una evaluación precisa de la oferta del GLP en el mercado de la región Puno, en
consecuencia la oferta de este energético se presenta de forma beneficiosa para el
usuario debido a la diferencia considerable de margen de precios, más no para el fisco
nacional, tampoco para las empresas distribuidoras nacionales; Con respecto al GLP de
uso automotor no existe hasta la fecha en el mercado de la región oferta alguno de este
producto, por lo que no existe gasocentro hasta la fecha que pueda expender el GLP de
uso automotor.
Por otro lado se debe mencionar que uno de los distribuidores de gas domestico de la
ciudad de Puno SOLGAS, oferta de forma manual acondicionado con un equipo
trasegadora (bomba manual) la venta de GLP de uso domestico para uso automotor.
Prácticamente es la única empresa que oferta este combustible a los usuarios de GLP
para uso automotor, observándose en la practica con los usuarios, que no existe
diferencia considerable entre el GLP de uso domestico con el de uso automotor de
REPSOL YPF ya que ambos permiten el funcionamiento de sus vehículos
normalmente, salvo exigencias especiales. Entonces existe la gran necesidad de
establecer gasocentros que puedan ofertar GLP de uso automotor, para de esta forma
satisfacer y construir una demanda que debería desarrollarse en la región Puno
conforme las normas y legislación vigente lo establece.
5.2.1.1 DISTRIBUCIÓN DEL GLP
De acuerdo con las normas y legislación existente, la cadena de distribución
debería estar integrada por los siguientes agentes:
Planta de producción de GLP; Es la instalación en un bien inmueble en el cual los
hidrocarburos pueden ser empleados para producir propano, butano o mezcla de los
mismos. En este tipo de instalaciones, se incluyen las refinerías y las plantas de
procesamiento de condensados de gas natural. (19)
• Refinería la Pampilla (empresa estatal).
• Refinería de Talara (propiedad de Repsol).
La refinería de Talara contribuyó con el 65 % y la Pampilla con 15 % del total de GLP
producido en Marzo del 2002. La producción restante de GLP proviene de la
producción líquida de gas natural en la refinería de Aguaytia y EEPSA. Cabe señalar
que la producción nacional de GLP resulta insuficiente para abastecer al mercado
interno por lo que resulta innecesario importarlo.
Planta de abastecimiento; Es la instalación en un bien inmueble en el cual el GLP a
granel puede ser objeto de operaciones de recepción, almacenamiento y trasvase para su
posterior distribución, sin que se realice el envasado del producto en cilindros. También
se denomina planta de venta de GLP.
Importaciones de GLP; Estas se dan principalmente a través de tres terminales:
• SOLGAS Repsol
• Zeta Gas
• Terminal del Callao
Las dos primeras son las únicas que importan directamente, ya que cuentan con
terminales de almacenamiento propios. Estos terminales de almacenamiento permiten
que puedan negociar mejor el precio de los insumos. La Dirección General de
Hidrocarburos (DGH) tiene registrados oficialmente a seis importadores en todo el país
y tres en Lima.
Empresa envasadora; Es la persona natural o jurídica que, autoriza e inscrita en la
DGH, se dedica a la operación de una o más plantas envasadoras de GLP. Actualmente,
existen aproximadamente 95 empresas envasadoras de GLP a escala nacional (51
localizados en Lima), y las principales son SOLGAS, Lima Gas, Zeta Gas, Flama Gas,
Llama Gas y recientemente Elf Gas. Estas empresas envasadoras abastecen
principalmente el mercado doméstico.
Planta envasadora de GLP; Es un establecimiento especial e independiente en el que
una empresa almacena GLP con la finalidad de envasarlo en cilindros y trasegarlo a
camiones tanques, y esta prohibida de expender GLP para uso automotor. (19)
A continuación, se presentan las participaciones en lo que respecta al uso del GLP, pero
solo para uso doméstico.
TABLA Nº 11: Mercado del Gas Licuado de Petróleo del Perú.
EMPRESA PARTICIPACION 1 / (%)
SOLGAS
Lima Gas
Zeta Gas
Flama Gas
Llama Gas
Otros
40
14
14
3
3
28
Total 100
Fuente: Implementación de Tecnologías Limpias en el Perú: El Uso de
GLP en taxis, Centro de investigación de la Universidad del Pacifico.
Se conoce que SOLGAS y Zeta Gas son las empresas con una mayor participación en el
mercado doméstico, cabe destacar que, hasta el momento, son los agentes con un mayor
interés por desarrollar el mercado automotor del GLP.
Gasocentros; Son las instalaciones en un bien inmueble para la venta de GLP
exclusivamente para uso automotor a través de dispensadores. El inmueble deberá
contar con la autorización de la DGH y puede prestar servicios adicionales como lavado
y engrase, cambio de aceite, cambio y reparación de llantas, entre otros.
Empresa de auditoria; Es aquella que, debidamente calificada, autorizada e inscrita en
el registro de Empresas de Auditoria de la Dirección General de Hidrocarburos, verifica
y/o constata, por delegación debidamente autorizada, el cumplimiento de las
disposiciones dadas por la DGH.
Empresa para estudios de riesgos; Es la persona natural o jurídica integrada por
profesionales colegiados expertos en la materia y debidamente calificada e inscrita en el
registro de la DGH para realizar estudios de riesgos. (19)
5.2.1.2 PRODUCCIÓN E IMPORTACIÓN DE GLP
La producción de GLP se muestra en constante crecimiento durante los últimos
10 años con excepción del periodo 1999 – 2000 y esta situación no solo se explica por
un aumento en el consumo doméstico del GLP, sino por una mayor participación de
dicho producto en el parque automotor. Otra conclusión que se puede mencionar de
dicho cuadro es que el consumo de gasolina de motor de 84 octanos ha disminuido y ha
llegado a los 5985 miles de barriles (MBLS) en 1998. También se debe mencionar que
la producción de los otros tres tipos de gasolina se ha incrementado, lo cual resulta
positivo pues el contenido de plomo es menor que el caso de gasolina de 84 octanos.
Resulta preocupante el incremento en la producción del petróleo diesel 2 hasta 1998, el
cual suelen utilizar los vehículos llamados “petroleros”, además de otras actividades
comerciales como la generación de energía eléctrica. Esto es el reflejo de una evidencia
que ya se ha señalado antes y es que dadas las políticas del gobierno con la finalidad de
brindar un servicio de taxi eficiente, se logró que proliferara la utilización de estos
vehículos por el hecho de utilizar el combustible más económico.
TABLA Nº 12: Producción de derivados de petróleo por producto 1990 – 2000 (MBLS).
PRODUCTO 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
Total 51.395 55.566 55.449 56.689 55.789 53.996 54.306 57.575 61.920 56.166 55.923
GLP
Gasolina 84
Gasolina 90
Gasolina 95
Gasolina 97
Diesel 2
1.471
7.687
0
1.479
0
8.578
1.475
7.882
0
1.234
0
9.578
1.535
7.357
234
1.030
0
11.578
1.516
7.200
531
926
140
12.430
1.492
6.450
806
488
576
12.008
1.923
6.085
1.192
588
491
12.430
1.973
6.338
1.948
622
567
12.541
2.328
6.136
2.170
627
708
15.092
2.292
5.985
2.637
638
874
15.040
2.358
4.930
2.842
715
950
13.605
2.485
5.077
2.790
559
873
12.371
Fuente: Ministerio de Energía y Minas
(*) Miles de Barriles (MBLS)
Con respecto al GLP en el mercado automotor, en el siguiente cuadro se muestra la
evolución en la producción de GLP con esta finalidad. Debe tenerse en cuenta que el
GLP que se usa en el campo automotor se somete a procesos adicionales que lo
diferencian del GLP doméstico y que justifican el mayor precio del primero. Como se
puede apreciar el consumo de GLP para uso automotor se ha incrementado en 61 %
entre 1995 y el 2000. (19)
TABLA Nº 13: Volúmenes de venta de GLP 1995 – 2000 (TM)
Año TM
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2.376
2.534
2.679
2.838
3.074
3.829
Fuente: Repsol YPF
5.2.2.3 PRECIOS Y MÁRGENES
Existe una estrecha relación entre el precio del petróleo y el precio del GLP,
por lo que, aplicando cierto margen una vez determinada la trayectoria del precio del
petróleo, se podrá tener una clara idea sobre el precio del GLP. Sin embargo, resulta
necesario conocer que otros factores pueden influir en el precio. Una de las variables
más relevantes que se debe considerar esta constituida por los impuestos: el impuesto
selectivo al consumo (ISC), el impuesto al rodaje y el impuesto general a las ventas
(IGV). El IGV se calcula sobre la suma del precio ex planta, el impuesto al rodaje y el
ISC.
De ocurrir indudablemente una mayor demanda de GLP para el uso automotor, habrá
una disminución en el consumo de la gasolina y, en consecuencia, el fisco tendrá un
menor ingreso por concepto de impuesto al rodaje, ISC e IGV. Esto puede llevar al
gobierno a restablecer el flujo de ingresos inicial aplicando el impuesto al rodaje al GLP
como también elevando el ISC, factores que afectarían la rentabilidad de optar por este
combustible alternativo.
Debe considerarse, además, los efectos de una mayor oferta sobre el precio. En el caso
particular del Perú, resulta de suma importancia el desarrollo de la explotación del
Proyecto del Gas de Camisea. En conclusión, debe tenerse especial cuidado al tratar de
pronosticar el precio del GLP. No solo se deben considerar los efectos de choques
externos sobre el precio del petróleo, sino, además, posibles variaciones en la carga
tributaria, y posibles incrementos y mejoras en la disponibilidad del recurso (GLP y
GNC). (19)
En relación al precio del GLP en el mercado de la región de Puno, existe una variación
considerable por un lado el GLP distribuido por las empresas nacionales que operan de
forma legal, fluctúan en un precio elevado con respecto al GLP de origen ilegal o de
contrabando debido a que estas no pagan ningún tipo de impuestos, más al contrario su
ingreso a nuestro territorio es ilegal. Esto es uno de los factores más importantes que
hacen difícil de pronosticar el precio del GLP.
5.2.2 DEMANDA DEL GLP EN EL MERCADO PERUANO
En un primer momento, la demanda potencial esta constituida por todos aquellos
vehículos en los que es factible incorporar el sistema dual. Debe mencionarse que, entre
aquellos vehículos en los que no es rentable aplicar este tipo de tecnología, se
encuentran aquellos que tienen motores diesel. Es factible transformar los vehículos
diesel, pero requieren una inversión tres veces mayor que la transformación de un
vehículo a gasolina. Además, existe la desventaja de una menor diferencia del diesel
respecto del GLP, por lo que el ahorro que se obtiene no justificaría la inversión. Por
otro lado, los motores que emplean un sistema de enfriamiento sobre la base de aire
necesitan de equipos especiales para su transformación.
En el Perú, el parque automotor ha tenido un crecimiento promedio anual de 7,4 %. En
el 2000, los tipos de vehículos más representativos fueron los autos, las camionetas pick
up, las station wagon y las camionetas rurales (combis). El número de combis tuvo un
crecimiento promedio anual del 14 % entre 1991 y 2000, seguido por los buses (11 %) y
los automóviles (7 %). Lima concentra el 68 % del parque automotor total nacional,
seguida por Arequipa que concentra el 6 %. Según el Ministerio de Transportes y
Comunicaciones, en 1999, en Lima, los automóviles representaban el 57 % del parque
automotor de la ciudad y las combis, el 9 %.
Los automóviles son una de las principales fuentes contaminantes en numerosas
ciudades además del Perú. La Dirección General de Transportes, Comunicaciones,
Vivienda y Construcción reporto que el 80 % de la contaminación ambiental es
generado por el parque automotor. Las proyecciones para el 2005 establecían que el
parque automotor peruano se incrementaría en 39 % en relación con 1999. (19)
Sin embargo, el índice de motorización en el Perú es relativamente bajo (44 autos por
cada 1000 personas) en comparación con Estados Unidos (773 por cada 1000 personas).
CONAM estimó que, en el 2020, la ratio se incrementaría a 223 cada 1000 personas, lo
que representaría la triplicación de las emisiones de CO2. Además, el crecimiento del
parque automotor se ha desarrollado dentro de un ambiente caracterizado por el
desorden en el establecimiento de rutas, la ausencia de regulaciones ambientales y la
ineficacia de la autoridad para hacerla efectiva. (19)
Adicionalmente de la evaluación de la demanda del mercado de GLP en la región Puno
se debe mencionar que es muy reducida por diversos factores, como la poca confianza
que existe de parte de los usuarios a convertir sus vehículos debido a la carencia de
conocimientos. Con respecto de las ventajas que ofrece el GLP como combustible
automotor, más aun tratándose que Puno esta ubicada a mas de 3800 m.s.n.m. la no
existencia de gasocentros, la falta de talleres de conversión y mantenimiento y la poca
difusión de parte del estado peruano en promover el uso del GLP para uso automotor en
la región Puno.
Sin embargo la región Puno tiene potencialmente una demanda considerable, en primera
instancia por contar en su parque automotor con vehículos gasolineros que fácilmente
pueden ser convertidos para un incremento considerable de la demanda en la región
Puno. También se debe establecer políticas de conservación del medio ambiente
efectivas por parte de las instituciones gubernamentales quienes deberán impulsar este
desarrollo.
6.1 DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL MODULO DE PRUEBAS
El modulo de pruebas esta ubicado en el laboratorio de motores de combustión
interna de la Universidad Nacional del Altiplano Puno, el cual esta implementada con
un motor de marca TOYOTA 16R adaptada de forma estacionaria con un freno prony, y
demás instrumentos necesarios para la medición de parámetros de funcionamiento en
motores encendidos por chispa Adicionalmente, se adaptó el sistema de conversión para
el suministro de GLP para su funcionamiento dual e instrumentación adicional, su
forma esquemática se muestra en la Fig. 2.
6.1.1 CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR
El motor del modulo de pruebas empleado en los ensayos experimentales tiene
las siguientes características técnicas:
Marca : TOYOTA
Modelo : 16R
Nº de cilindros : 4
Nº de tiempos : 4
Cilindrada : 1600 cm3
Tipo : Encendido por chispa
6.1.2 SISTEMA DE IGNICIÓN
El sistema de ignición o de encendido empleado por el motor es mediante chispa
generado por una batería de 12V de corriente continua con bobina, distribuidor y cuatro
bujías, las cuales se encargan de proporcionar la chispa necesaria para la inflamación de
la mezcla.
6.1.3 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE
Sistema de alimentación forzado mediante una bomba de gasolina incorporada
en el motor que es alimentado de un tanque de forma cilíndrica ubicada sobre el tablero
de control aislado de toda vibración del motor. El tanque de combustible viene
incorporado con un medidor volumétrico con la medición del tiempo que demora en
consumirse una altura de combustible nos permite medir el caudal o consumo horario de
combustible, el cual es transportado mediante una manguera hacia el filtro del
carburador.
6.1.4 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE AIRE
La alimentación de aire se realiza de manera directa a través de un conducto de
2 ½ pulg. de diámetro conectado al carburador, el cual ha la vez esta conectado a un
venturimetro incorporado con su manómetro diferencial, el cual nos permite medir
indirectamente el consumo horario de aire.
6.1.5 SISTEMA DE LUBRICACIÓN Y ENFRIAMIENTO DEL MOTOR
El sistema de lubricación empleado en el motor es mediante un aceite del tipo
multigrado 20W50 empleado en motores gasolineros según norma, el cual se utiliza
para lubricar las partes en movimiento del motor.
En cuanto al sistema de refrigeración del motor, este utiliza agua como fluido
refrigerante, el cual llega al motor a través de los conductos de refrigeración, cuenta con
una bomba de agua y radiador, tanto a la salida como a la entrada del agua de
refrigeración del motor, tiene termómetros a fin de medir las temperaturas en ambos
casos. Adicionalmente, se adaptó un venturimetro con su manómetro diferencial en el
conducto de ingreso de agua al radiador para evaluar el caudal de recorrido de agua de
refrigeración.
FIG. 2 ESQUEMA DEL MODULO DE PRUEBAS UTILIZADO
DESCRIPCIÓN
A Carburador B Venturi medidor de Aire C Motor D Tanque de gasolina E Tablero F Interruptor G Tubo milimetrado H Tacómetro I Contactor J Dinamo K Freno Prony L Radiador M Batería 12V
M
K
I
B
J
C
A
E
D
F
G
H
L
6.1.6 CARACTERÍSTICAS DEL FRENO DINAMOMETRICO
Aparato destinado a absorber y disipar la energía mecánica entregada por el eje
cigüeñal del motor con el objeto de efectuar mediciones de su par motor. El freno
acoplado a este motor es a fricción sólida freno PRONY cuyas características son las
siguientes:
Brazo Basculante : 450mm
Volante : 250mm de φ
Cinta : Lona de cuero 380x190
Pesas : 01 de 14 kg.
6.1.7 SISTEMA DE CONTROL
El sistema de control del modulo de pruebas consta de un tablero el cual
contiene los contactores necesarios para hacer funcionar (encendido/apagado) del
motor. Asimismo, contiene los indicadores de temperaturas, presión, velocidad de
rotación del eje del motor y el conmutador de cambio de sistema de alimentación dual
de combustible gas/gasolina.
6.1.8 DESCRIPCIÓN DE LOS PRINCIPALES INSTRUMENTOS DE
MEDICIÓN Y CONTROL UTILIZADOS
Los principales instrumentos de medición y control del modulo de pruebas que
fueron utilizados en el presente trabajo de investigación son los siguientes:
• Tacómetro de tipo analógico para medir la velocidad del eje del motor, tiene
un rango de 0 - 6000 rpm. con una precisión de 100 rpm.
• Manómetro de tipo Bourdon para medir la presión del lubricante, tiene un
rango de 0 a 100 PSI, con una precisión de 5 PSI.
• Termómetro de marca AMSCO para medir la temperatura ambiente o de
ingreso de aire hacia el carburador del motor, tiene un rango de 0 – 400 °C.
• Venturimetro incorporado con su manómetro diferencial para medir
indirectamente el caudal de aire que ingresa a los cilindros del motor, tiene
un rango de 0 a 50 cm. de H2O, con una precisión de 0.5 mm de H2O.
• Venturimetro incorporado con su manómetro diferencial para medir
indirectamente el caudal de GLP que ingresa a los cilindros del motor, tiene
un rango de 0 a 20 cm. de H2O, con una precisión de 0.5 mm de H2O.
• Medidor de volumen de combustible liquido volumétrico incorporado con un
conducto vertical graduado, por el diámetro del tanque cilíndrico y la
diferencia de altura obtenida, mide el volumen de combustible liquido
consumido por el motor en un determinado tiempo con un rango de 0 a 10
cm., con una precisión de 0.5 mm. de altura de gasolina.
• Dinamómetro acoplado en el freno PRONY para medir indirectamente el par
motor o fuerza motriz de frenado del motor cuyo rango es de 0 a 20 kg., con
una precisión de 0.5 kg.
• Adicionalmente con fines de comprobar la precisión de las mediciones
efectuadas en el modulo de pruebas, se utilizaron instrumentos adicionales
diversos: 01 multimetro digital con medidores de velocidad (rpm), ángulo de
avance de encendido, 01 medidor de velocidad (rpm) tacómetro digital. Y el
reporte del SENAMHI con respecto a la temperatura ambiente promedio y la
presión atmosférica correspondiente a la ciudad de Puno.
6.2 LIMITACIÓN DEL MODULO DE PRUEBAS UTILIZADO
La principal limitación del modulo de pruebas es la velocidad a la que puede
trabajar el freno PRONY el cual es de 2000 rpm como máximo, siendo la velocidad
nominal del motor 3600 rpm. Otro factor limitante de este modulo de pruebas se
presenta en el venturimetro que mide el caudal o consumo horario de aire, que de un
rango de 400 rpm a 2000 rpm mide normalmente sin embargo a velocidades superiores
no es posible medir debido a la fuerte variación de caudales de aire succionado por el
motor; Otro factor limitante es la mariposa de gases, debido que solo es abierta hasta en
un 60 % que viene a dar una velocidad del motor en vació de 2000 rpm, ya que el
comportamiento del motor por encima de este valor no es el apropiado.
6.3 DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA DE SUMINISTRO
DE GLP
El sistema de suministro de Gas Licuado de Petróleo GLP adaptado al modulo de
pruebas TOYOTA 16R se muestra en forma esquemática en la fig.3.
6.3.1 TANQUE DE ALMACENAMIENTO
Tanque fabricado de plancha de acero, con un peso de 20 Kg. Y una capacidad
de 45 Lts. con llenado de gas al 80% de su capacidad total según norma; asimismo,
consta de lo siguiente:
• Conexión para instalación de válvula de llenado de GLP.
• Conexión para válvula de servicio de GLP de cierre manual.
• Indicador de nivel de GLP en el tanque.
• Conexión para válvulas de seguridad con sistema de alivio.
6.3.2 VÁLVULA ELECTROMAGNÉTICA DE USO DE GLP
Válvula electromagnética instalada a la entrada del reductor – vaporizador y es
accionada desde el conmutador situado en el tablero de control mediante una batería de
12 voltios. Cuando recibe la energía eléctrica proveniente de la batería, acciona unos
contactos que permiten el paso del GLP al reductor – vaporizador, para luego pasar de
este al mezclador y cilindros del motor.
6.3.3 REDUCTOR – VAPORIZADOR
Elemento por el que pasa previamente el GLP para luego ingresar al motor, este
elemento reduce la presión del GLP almacenado en el tanque a 12 bar, el mismo que
ingresa a esta presión al reductor – vaporizador, para luego posteriormente llegar a
valores cercanos a la presión atmosférica 0,95 – 1,05 bar. Para ello cuenta en su interior
con dos reductores de presión, uno de alta y otro de baja presión. Además garantiza una
completa vaporización del GLP por intermedio del agua caliente de refrigeración del
motor que ingresa a este elemento por unos conductos ubicados en su interior el que
recircula.
6.3.4 MEZCLADOR DE GLP
Es el dispositivo que genera la depresión necesaria para la apertura de la última
etapa del reductor, es usado en los equipos de conversión, se adapta al carburador (o
cuerpo de mariposas) con el fin de permitir la mezcla aire – gas adecuado. El carburador
del motor es usado también como mezclador del GLP con el aire, el gas ingresa al
carburador por medio de un conducto que atraviesa el centro del mismo y es descargado
justo en el centro del difusor.
6.3.5 CONMUTADOR PARA EL CAMBIO DE COMBUSTIBLE.
Constituido de un interruptor eléctrico de tres posiciones y un pulsador, el
primero tiene como finalidad comandar las válvulas electromagnéticas de acuerdo al
combustible que se desea utilizar (Gasolina ó GLP), el segundo es utilizado en el
momento del paso de un combustible a otro para evitar que funcione el motor con
ambos combustibles.
6.4 ADAPTACIÓN DEL SISTEMA DE SUMINISTRO DE GLP EN EL
MODULO DE PRUEBAS
Previo a la ejecución del presente trabajo, el modulo de pruebas TOYOTA 16R,
contaba solo con el sistema de alimentación de combustible liquido gasolina, por lo que
se le adaptó un sistema de suministro de GLP (kit de conversión) el que le permite al
motor funcionar dualmente tanto a gasolina y GLP. Para lo que no fue necesario
efectuar modificación alguna al motor del modulo de pruebas TOYOTA 16R, cuyos
elementos, principio de funcionamiento y disposición fueron descritos en el acápite
anterior.
6.5 CONDICIONES DE SEGURIDAD EN EL USO DE GLP EN EL MOTOR
El factor más importante en la seguridad del uso de GLP al operar un motor a
gasolina es el correcto uso del tanque de almacenamiento de GLP, debido a la alta
presión de almacenamiento del gas que se encuentra a 12 bar de presión. El tanque de
almacenamiento debe de estar diseñado para trabajar en ese nivel de presión, además
debe de contar con la válvula de seguridad adecuada, que garantice que no exceda los
limites previstos por el fabricante de tanques. Todas las conexiones, válvulas y tuberías
que transportan el gas a altas presiones deben estar diseñadas para trabajar sin
problemas en los niveles de presión descritos.
En el momento de efectuarse los ensayos en el modulo de pruebas, el ambiente debe de
estar lo mas ventilado posible, en el caso de existir alguna fuga de gas, no exista ningún
inconveniente que lamentar.
FIG. 3 ESQUEMA DEL SISTEMA DE SUMINISTRO DE GLP AL MODULO DE PRUEBAS
DESCRIPCION A Carburador B Venturi medidor de Aire C Motor D Tanque de gasolina E Tablero F Interruptor G Tubo milimetrado H Tacómetro I Contactor J Dinamo K Freno Prony L Radiador M Batería 12V. N Tanque GLP O Electro válvula Gasolina P Reductor- Vaporizador GLP Q Electro válvula GLP R Venturi medidor de GLP S Mesclador – Reductor de presión T Conmutador gas – gasolina
9
87
6543
2
1
I
GQ
M
S
RP
O
N
GLP
K
B
J
C
A
E
D
F
T H
L
6.6 ENSAYOS EXPERIMENTALES
6.6.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
El procedimiento experimental realizado en el presente trabajo de investigación
a fin de obtener resultados seguros y útiles fue realizado metódicamente del siguiente
modo.
• Verificación del correcto funcionamiento de los instrumentos de medición y
tablero de control del modulo.
• Preparación del modulo de pruebas (suministro de gasolina, GLP y la
verificación del nivel de tensión de la batería de 12V).
• Adaptación del sistema de suministro de GLP al modulo de pruebas.
• Regulación del motor para optimizar el ángulo de avance de encendido,
empleando gasolina y GLP.
• Regulación de las características del motor para optimizar la composición de
la mezcla, empleando gasolina y GLP.
• Evaluación de las características de velocidad del motor empleando gasolina
y GLP.
• Evaluación de las características de carga del motor empleando gasolina y
GLP.
Los ensayos fueron realizados teniendo en cuenta especialmente la estabilidad del
motor, la precisión de los instrumentos y las condiciones atmosféricas del medio
ambiente.
6.6.1.1 REGULACIÓN DEL MOTOR A CONDICION ÓPTIMA.
Para la regulación a condición óptima del motor, se efectuaron dos ensayos,
uno suministrando al motor gasolina y otro suministrando GLP, a fin de determinar la
composición de la mezcla (α), en el cual se consigue la máxima potencia (Ne) con el
mínimo consumo especifico de combustible (ge). En el caso del empleo de gasolina el
elemento de regulación fue el surtidor del carburador (chicler) y en el de gas licuado de
petróleo fue el estrangulador de aire del carburador, los cuales se dispusieron en
diferentes posiciones en las que el motor funciona en forma óptima.
Una vez establecida la posición óptima del chicler – gasolina (elemento regulador de
admisión de gasolina al carburador) y estrangulador – GLP (elemento regulador de
admisión de aire y GLP al carburador), se efectuaron los ensayos en estas posiciones,
con el objetivo de determinar los consumos horarios de aire y combustibles, par motor y
velocidades, parámetros de funcionamiento necesarios del motor para la evaluación de
su performance; logrando conseguir la máxima potencia (Ne) con el mínimo consumo
específico de combustible (ge).
6.6.1.2 EVALUACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE VELOCIDAD
En la evaluación de las curvas características de velocidad del motor
utilizando ambos combustibles gasolina y GLP, con la mariposa de gases del carburador
para una posición del 60 % (por limitaciones del motor) y ayudándose con el tacómetro.
Se estableció el régimen inicial de velocidad, 500 rpm una vez estabilizado se procedió
a las mediciones correspondientes, se incremento el número de vueltas del cigüeñal en
la magnitud 250 rpm, logrando efectuarse 07 mediciones para regímenes diferentes en
el intervalo de 500 – 2000 rpm. Ayudados por el órgano de mando de apertura de la
mariposa de de gases del carburador y conseguir distintas velocidades. Para estas
pruebas al igual que la anterior se mantienen en su posición óptima el chicler (gasolina)
y el estrangulador de aire (GLP).
6.6.1.3 EVALUACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE CARGA.
Para la evaluación de las curvas características de la carga del motor utilizando
ambos combustibles gasolina y GLP se determinan variando la posición de la mariposa
de gases, y manteniendo constante la velocidad del motor. Cuando el motor trabaja con
gasolina el chicler del carburador se mantiene en su posición óptima y cuando trabaja
con GLP el estrangulador de aire se mantiene en su posición óptima. Por limitaciones
del banco de pruebas la posición máxima de la mariposa de gases fue de 60 % y la
velocidad nominal empleada fue de 2000 rpm.
6.6.2 PROCESAMIENTO DE DATOS DE LOS ENSAYOS Y DEFINICIONES
EMPLEADAS
6.6.2.1 PAR MOTOR
( )mNLFMe −×= ;
Donde:
F: Fuerza aplicada en el dinamómetro
L: Longitud del brazo del freno
6.6.2.2 POTENCIA EFECTIVA DEL MOTOR
( )kWnM
N ee ;
9550
×=
Donde:
Me: Par motor (N-m)
n : Velocidad de rotación (rpm)
6.6.2.3 CONSUMO HORARIO DE GASOLINA
×
×××=
skg
t
hDGc ;
4
2 ρπ
Donde:
π : Constante (3.1416)
D: Diámetro del tanque cilíndrico = 24.5 cm.
t : Tiempo de consumo del volumen del combustible en segundos
h : Desplazamiento del liquido, cm.
ρ : Densidad del combustible (gasolina)= 0.7546 g/ 3cm ≈0.7546 Kg / cm3
6.6.2.4 CONSUMO HORARIO DE GAS LICUADO DE PETROLEO
∆××××××=
segKg
hgACdG aOHc ;22
ρρ
Donde:
A : Área de la tubería ( )mmm 016.016 ≈=φ
aρ : Densidad del gas (GLP) =1.3734 Kg/m3 a las condiciones de 8.5 ºC,
0.6498 bar, (64980 Pa) a 3824 m.s.n.m.
OH2ρ : Densidad del agua =1000 Kg/m3
Cd : Coeficiente de descarga (Para ductos mecanizados = 0.995)
6.6.2.5 CONSUMO HORARIO DE AIRE
∆××××××=
segKg
hgACdG aOHc ;22
ρρ
Donde:
A : Área de la tubería ( )mmm 039.039 ≈=φ
G : Aceleración de la gravedad = 9.8 s
m
OH2ρ : Densidad del agua = 1000 3m
Kg
aρ : Densidad del aire = 0.8043 3mKg a las condiciones de 8.5 ºC,
0.6498 bar, (64980 Pa) a 3824 m.s.n.m.
Cd : Coeficiente de descarga (Para ductos mecanizados = 0.995)
6.6.2.6 COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE
oc
a
lG
G
×=α
Donde:
Ga : Consumo horario de aire en seg
Kg
Gc : Consumo horario de carburante en seg
Kg
lo : Cantidad estequiométrica de aire requerida para la combustión de 1 Kg
de carburante.
lo (gasolina) = 14.9 Kg aire / Kg combustible.
lo (GLP ) = 15.5 Kg aire / Kg combustible.
6.6.2.7 CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE
Donde:
Gc : Consumo horario de combustible en seg
Kg
Ne : Potencia del motor en KW .
−=
segKWKg
N
Gg
e
ce ;
7.1 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS RESULTADOS
7.1.1 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE
VELOCIDAD.
Según el grafico de las curvas características de velocidad en la Fig. 4, se puede
observar la variación del Par motor (Me) respecto a la velocidad, como se notará a
mayores velocidades y dependiendo del combustible utilizado, existe una menor
diferencia en el par motor a velocidades cercanas a 2000 rpm, en contraste a bajas
velocidades sucede lo contrario, por ejemplo a una velocidad de 2000 rpm el Par-Motor
adquiere los siguientes resultados:
Me gasolina = 61.74 N-m.
Me GLP = 57.33 N-m.
∆ Me = 4.41 N-m (7.11%)
Esto se explica, debido a que cuando el motor trabaja con GLP a velocidades bajas,
existe una menor eficiencia volumétrica y una disminución de la calidad de la
composición de la mezcla que cuando trabaja con gasolina. Sucediendo lo contrario a
altas velocidades, se debe principalmente al régimen térmico del motor, en relación a
que el motor tiene una comprensión muy baja 95 PSI cilindro Nº 1, 100 PSI cilindro Nº
2, 98 PSI cilindro Nº 3, y 105 PSI cilindro Nº 4.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
530 750 1000 1250 1500 1750 2000
VELOCIDAD (rpm)
PAR M
OTOR (N-m
)
Gasolina GLP
FIG. 4 Variación del Par Motor (Me) en función de la velocidad del motor.
El momento par máximo que se obtiene para el caso de gasolina es Me = 70.56 N-m a
una velocidad de 1500 rpm y en el caso de uso de GLP el par máximo es Me = 66.15
N-m se obtiene a la misma velocidad.
Con respecto a la potencia del motor Ne cuando se utilizaron ambos combustibles
aumenta a medida que se incrementa la velocidad Fig. 5, a velocidades cercanas a la
nominal existe una diferencia de potencia en favor del trabajo con gasolina cuando el
régimen es 2000 rpm es 7.11 %, a bajas velocidades esta diferencia se hace mucho
mayor llegando a 24.9 % a 750 rpm. Los valores obtenidos por la potencia del motor a
una velocidad de 750 rpm son los siguientes:
Ne gasolina = 2.77 KW.
Ne GLP = 2.08 KW.
∆ Ne = 0.69 KW (24.9 %)
0
2
4
6
8
10
12
14
530 750 1000 1250 1500 1750 2000
VELOCIDAD (rpm)
POTENCIA
(KW)
Gasolina GLP
FIG. 5 Variación de la Potencia (Ne) en función de la velocidad del motor.
Se debe mencionar que los valores de la potencia a una velocidad de 1500 rpm tienen la
menor diferencia, son las siguientes:
Ne gasolina = 11.08 KW.
Ne GLP = 10.39 KW.
∆ Ne = 6.22 KW (6.22%)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 2 4 7 10 11 12
POTENCIA (KW)
Gc (K
g / h
)
Gasolina GLP
FIG. 6 Variación del consumo horario de combustible en función de la potencia.
Con respecto al consumo horario de combustible Gc, los valores máximos cuando el
motor trabaja con gasolina Gc = 1.88 Kg./h se obtiene a una potencia de 12.93 KW y
cuando trabaja con GLP Gc = 8.76 Kg./h se obtiene a una potencia de 12.01 KW.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
750 1000 1250 1500 1750 2000
VELOCIDAD (rpm)
ge (g / KW
-h)
Gasolina GLP
FIG. 7 Variación del consumo especifico de combustible en función de la velocidad.
Con respecto al consumo especifico de combustible (ge), los valores mínimos cuando el
motor trabaja con gasolina es ge = 145.66 g/KW-h se obtiene a una velocidad de 2000
rpm y cuando trabaja con GLP ge = 729.88 g/KW-h a la misma velocidad.
Así como se observa en la Fig. 7, los valores alcanzados con GLP son mayores que con
gasolina en todo el rango de velocidades, a una velocidad de 2000 rpm el consumo
específico de combustible adquiere los siguientes valores:
ge gasolina = 145.66 g /KW-h
ge GLP = 729.88 g /KW-h
∆ ge = 584.22 g /KW-h (80 %).
Con el ángulo de avance de encendido óptimo seleccionado se continuaron con las
pruebas en función de la composición de la mezcla (α).
0
2
4
6
8
10
12
14
1,76 2,01 2,01 1,94 2,00 2,09 2,08
ALFA
POTENCIA
(KW
)
Gasolina GLP
FIG. 8 Variación de la potencia (Ne) en función de la composición de la mezcla (α)
La variación de la potencia del motor Ne en función de la composición de la mezcla de
la Fig. 8, se presenta en función de los valores conseguidos, con gasolina son mayores a
los conseguidos con GLP especialmente cuando la mezcla se enriquece, por ejemplo
para gasolina α = 5.96 y GLP α = 2.00 los valores conseguidos por la potencia son los
siguientes:
Ne gasolina = 11.08 KW.
Ne GLP = 10.39 KW.
∆ Ne = 0.69 KW (6.23%)
A razón de que la mezcla se empobrece, esta diferencia tiende a disminuir, debido a que
le motor trabaja óptimamente con GLP, alcanzando la máxima potencia cuando α se
aproxima a 2.08. En contraste con gasolina el motor trabaja mejor con mezclas más
ricas α = 5.96 – 8.12, en donde se obtienen altas potencias, precisamente los valores que
alcanzan las potencias para α = 8.12 y α = 2.08 son los siguientes:
Ne gasolina = 12.93 KW.
Ne GLP = 12.01 KW.
∆ Ne = 0.92 KW (7.12%)
La potencia máxima que alcanza el motor cuando trabaja con gasolina Ne = 12.93 KW
ocurre para α = 8,12, y cuando trabaja con GLP Ne = 12,01 KW para α = 2.08.
La variación del consumo específico de combustible en función de la composición de la
mezcla Fig. 9 muestra que en el caso de gasolina los valores de ge son menores que en
el caso de GLP, ya que la potencia del motor aumenta en mayor proporción cuando
utiliza gasolina, por ejemplo para gasolina α = 6.44 y GLP α = 1.94 los valores del
consumo específico de combustible son los siguientes:
ge gasolina = 191.76 g /KW-h
ge GLP = 930.0 g /KW-h
∆ge = 738.24 g /KW-h (79.4 %)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2,01 2,01 1,94 2,00 2,09 2,08
ALFA
ge (g
/ KW-h )
Gasolina GLP
FIG. 9 Variación del consumo especifico de combustible (ge) en función de la
composición de la mezcla (α )
El mínimo consumo específico de combustible conseguido cuando se trabaja con
gasolina ge gasolina = 145.66 g /KW-h ocurre para α = 8.12 y cuando se emplea con GLP
ge GLP = 622.90 g /KW-h ocurre para α = 2.0.
7.1.2 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE CARGA
Para la evaluación de las características de carga del motor TOYOTA 16R del
modulo de pruebas, se efectuaron a una velocidad del motor de 2000 rpm. Variando la
mariposa de gases del motor 60 %, (% de apertura) obteniéndose valores de potencia
(carga en marcha en vacío) con gasolina varían desde 12.01 KW hasta 13.85 KW y en el
caso de GLP varían desde 11.08 KW hasta 12.93 KW, por lo que la comparación de los
diferentes parámetros del motor al utilizar estos combustibles se harán para una carga de
12.93 KW.
La variación del consumo específico de combustible (ge) respecto a la carga de la Fig.
10 los valores alcanzados con GLP son mayores que los obtenidos con gasolina, para la
carga de 12.01 KW los valores alcanzados por (ge) son los siguientes:
ge gasolina = 144.15 g /KW-h
ge GLP = 729.88 g /KW-h
∆ ge = 585.73 g /KW-h (80.1 %).
0
100
200
300
400
500
600
700
800
11 12 13
POTENCIA (KW)
ge (g
/ KW
-h) Gasolina GLP
FIG. 10 Variación del consumo especifico de combustible (ge) en función de la
potencia (Ne).
Esto debido a que con gasolina, el rendimiento mecánico crece en menor proporción
que con GLP a medida que se incrementa la carga.
El mínimo consumo especifico de combustible se obtiene en el caso de gasolina ge =
144.15 g/KW- h para una carga de 12.01 KW y en el caso de GLP ge = 707.88 g/KW- h
para una carga de 12.93 KW.
7.2 ANÁLISIS DEL ÍNDICE ECONÓMICO DEL USO DEL GLP EN
MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA
Para el análisis del índice económico empleando gasolina y GLP en un motor de
encendido a chispa, se evalúa a partir del consumo especifico de combustible y de las
propiedades físico - químicas de ambos combustibles. De la tabla Nº 14, se determino
el costo especifico de combustible el cual nos servirá para el análisis económico
de trabajo del motor con los combustibles utilizados. La formula a emplear para
evaluar el costo específico de combustible es la siguiente:
Ke = C x ge / 12920.x ρ; S/.KW-h
Donde:
ge: Consumo especifico de combustible (g/kw. h)
C: Costo por galón de combustible (S/.)
ρ: Densidad del combustible (g/cm3) a las condiciones de 8.5 ºC, 0.6498 bar,
(64980 Pa) a 3824 m.s.n.m.
A continuación detallamos las características, para ambos combustibles analizados:
TABLA Nº 14: Características y costo de combustibles.
PARAMETRO GASOLINA GLP
ρ ( g / cm3 ) 0.7546 0.54183
C ( S./ galón) 11.30 4.00
Se determina para un consumo especifico de combustible en el caso de la gasolina ge =
346,08 (g/KW-h) y para el GLP es ge = 622,90 (g/KW-h).
Para ambos combustibles se determino los siguientes resultados obteniéndose los
siguientes costos específicos de combustible:
Ke gasolina = 0,4011 S/.KW-h
Ke GLP = 0,3559 S/.KW-h
∆ ke = 0,0452 S/.KW-h (11,26 %).
De ambos resultados podemos afirmar que el costo específico obtenido con GLP es
menor aproximadamente 0.0452 S/.KW-h para casi todo régimen de carga y velocidad
comparado con los obtenidos empleando gasolina, esto debido a que con GLP el
consumo especifico de combustible y el costo por galón es menor, como se observará,
no existe mucha diferencia en el costo específico debido a que el motor con el que se
trabajó ha sido diseñado para trabajar con gasolina y al ser un motor antiguo está
desgastado por lo que existe más fugas de combustible vaporizado al trabajar con gas.
Asimismo como el coeficiente estequiometrico (lo) y el número de Octano (NO) del
GLP es mayor que de la gasolina, siendo el poder calorífico de la mezcla (Hum) igual
para ambos combustibles y considerando que el motor Toyota 16R de encendido por
chispa del modulo de pruebas tiene una relación de compresión muy baja. Su
funcionamiento no es óptimo desde el punto de vista del régimen térmico de operación
(temperatura) y de formación de la mezcla.
Si tomamos en cuenta que un motor de automóvil de 30 KW en promedio que opera 10
horas diarias, 30 días al mes, el ahorro anual de operación por consumo de combustible
de este motor se calcula de la siguiente forma.
Ahorro = ∆ Ke x K1x f0 S/.año.
Donde:
K1: 86400 KW- h / año (30*8*30*12)
f0: factor de operación (f 0 = 0.75 en condiciones reales de operación)
∆Ke = 0,4011 S/. KW-h
Considerando lo anterior se obtendrá un ahorro promedio de 2929,22 S/.año
obteniéndose una ventaja considerable económicamente respecto al empleo de GLP
como combustible a diferencia de la gasolina.
7.3 ANÁLISIS DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LA EMISIÓN DE GASES EN
MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA ALIMENTADOS CON GLP
Para el análisis comparativo de las características de la emisión de gases de escape
empleando GLP y gasolina, se reviso toda la información existente en referencia a este
tema. Observándose, también de la propia experiencia en el laboratorio que sin duda
alguna el combustible que en menos porcentaje contamina el medio ambiente es el gas
licuado de petróleo a diferencia de la gasolina. El uso del GLP en el campo automotor
como combustible alternativo a la gasolina permite establecer que debido a que es un
gas noble que proporciona una combustión completa y no contiene plomo ni azufre es
menos contaminante. Su índice de octanaje es mayor que el de la gasolina (de 103 a 106
octanos aproximadamente), por lo que también brinda al motor un mejor rendimiento,
mayor vida útil y es menos contaminante que otros combustibles.
Una combustión limpia y sin humos es posible mediante el empleo de GLP, existiendo
una variación de la composición de las emisiones, dependiendo de la tecnología
utilizada, de la calidad de conversión y del estado de los motores que utilicen este
combustible. Los vehículos que operan con GLP eliminan el problema del plomo y del
anhídrido sulfuroso, principales contaminantes que afectan la salud; además, permiten
que se reduzcan las emisiones de monóxido de carbono (CO) y material particulado
(MP). Sin embargo, aumentan las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOX) y
compuestos orgánicos volátiles (COV) de los gases de escape. Estos dos últimos
reaccionan en presencia de la luz solar para formar ozono. También, se debe mencionar
la disminución de la contaminación acústica empleando GLP. (17)
TABLA Nº 15: Factores de emisión estimados y rendimientos para automóviles en el
Perú.
COMBUSTIBLE
FACTORES DE EMISIÓN POR
EL TUBO DE ESCAPE (g/kg) RENDIMIENTO
(Km/galón) CO NOX CH4 N02 COV CO2
Gasolina 46 1.6 0.07 0.005 3.9 270 40
GLP 33.6 2.2 0.05 0.004 5.4 197 40
% reducción -27 38 -29 -20 38 -27
Fuente: IPCC, 1996; Implementación de Tecnologías Limpias en el Perú: El Uso de
GLP en taxis, Centro de investigación de la Universidad del Pacifico.
Como se puede apreciar, las emisiones de CO y CO2 se reducen en 27 %; las de CH4, en
29 %; y las de NO2, en 20 %; mientras que las de NOX y COV se incrementan en 38 %.
Si bien las emisiones de NOX aumentan, se debe tener en cuenta que si se emplean en
los motores con alimentación de GLP con convertidores catalíticos, las emisiones de
NOX son similares que con gasolina, pero menores que con diesel; sin convertidores
catalíticos, son más elevadas que con gasolina por la mayor temperatura de
inflamabilidad del GLP. En algunos casos, las emisiones de hidrocarburos del escape de
los vehículos de gasolina son menos reactivas en la formación de ozono. (17)
A diferencia de la gasolina, el GLP ofrece una mayor economía de consumo. El precio
del GLP en el mercado es mucho menor que el de la gasolina, como se demostró en el
acápite anterior, también se debe mencionar que le permite mayor duración al motor y
del aceite mejorando la conservación de las piezas dentro del motor, ya que el GLP no
deja residuos. El cambio de aceite y reemplazo de bujías se pueden realizar luego de un
mayor número de kilómetros recorridos de esta forma permitiendo al motor una vida
mas larga y con una gran ventaja de contaminar mucho menos el medio ambiente.
Analizando la información existente y de la observación real de la emisión de gases de
escape del motor Toyota 16R. Trabajando tanto con GLP como con gasolina a 3824
m.s.n.m., con influencia directa de la disminución de la presión atmosférica. Se puede
confirmar, los valores aproximados de disminución en la emisión de gases empleando
GLP a diferencia de la gasolina. Existiendo una variación mínima debido a la influencia
de la altitud respecto a condiciones normales de funcionamiento. Por lo que se requiere
adicionalmente, seguir investigando con mayor precisión la emisión de gases de escape
en motores de este tipo a condiciones diferentes a las normales como lo es a 3824
m.s.n.m., empleando gas licuado de petróleo así como gasolina, como combustibles en
motores de combustión interna.
7.4 CONCLUSIONES
Cualquier motor de encendido por chispa diseñado para trabajar con gasolina
puede ser adaptado para trabajar con gas licuado de petróleo (GLP) sin
inconvenientes a altitudes superiores a 3824 m.s.n.m., exceptuándose a
motores de muy baja relación de compresión.
La potencia de un motor de encendido a chispa de gasolina, con alimentación
dual de gasolina y gas licuado de petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m. tiene
diferencia al trabajar con gas licuado de petróleo (GLP), disminuyendo en
promedio 10 % para este caso (Motor Toyota 16R).
El consumo específico de combustible de un motor de encendido a chispa, con
alimentación dual de gasolina y gas licuado de petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m.
es menor cuando trabaja con gasolina en comparación al trabajo con GLP.
Debido a que el motor con el que se trabajó ha sido diseñado para trabajar con
gasolina y al ser un motor antiguo está desgastado por lo que existe más fugas
de combustible vaporizado, al trabajar con GLP, llegando en promedio a una
magnitud de diferencia de 79 %.
El índice económico de un motor de encendido a chispa, con alimentación
dual de gasolina y gas licuado de petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m. se determino
en función del consumo específico de combustible. Obteniéndose un costo
especifico de combustible menor cuando se emplea GLP a diferencia de la
gasolina, disminuyendo en promedio 11 % para el caso del motor Toyota 16R.
Del análisis de las características que tienen las emisiones de gases de escape
de un motor de encendido a chispa, con alimentación dual de gasolina y gas
licuado de petróleo (GLP), se aprecia que disminuyen considerablemente con
el uso de GLP referente a cuando se trabaja con gasolina, a condiciones
normales. Sin embargo, no fue posible evaluar a condiciones diferentes como
a una altitud de 3824 m.s.n.m., por la carencia de analizadores de gases en el
laboratorio. Requiriéndose investigación adicional con mayor precisión
respecto al tema.
El motor Toyota 16R de encendido a chispa, con alimentación dual de
gasolina y gas licuado de petróleo (GLP) a 3824 m.s.n.m. trabajando con gas
licuado de petróleo (GLP), empleado como modulo de pruebas tiene su
potencia máxima y su mínimo consumo especifico de combustible cuando la
mezcla es más rica en referencia al empleo de gasolina. Debido a la
disminución de la presión atmosférica en comparación a condiciones
normales, obteniéndose menor porcentaje de oxigeno en el aire para una
mezcla más pobre y una combustión optima.
• El funcionamiento del motor Toyota 16R, con alimentación dual de gasolina y
GLP a 3824 m.s.n.m trabajando con GLP es mas suave, menos rígido
disminuyendo la contaminación acústica. Obteniéndose un sonido más suave
del motor en referencia al empleo de gasolina, permitiendo predecir un mayor
tiempo de vida útil al motor.
7.5 SUGERENCIAS
• A la Universidad Nacional del Altiplano por consiguiente a la escuela
profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica, implementar adicionalmente con
módulos de pruebas, instrumentos digitales, accesorios y aparatos de
laboratorio. Con las que no se cuenta actualmente para el desarrollo de futuras
investigaciones y no se presenten los inconvenientes y limitaciones que se
tienen actualmente.
• Realizar un mantenimiento periódico al modulo de pruebas motor Toyota 16R
y demás aparatos e instrumentación adaptados, con la finalidad que para
futuras investigaciones no se presenten inconvenientes.
• A los que corresponda dar mayor difusión acerca de las ventajas de emplear
gas licuado de petróleo (GLP) como un combustible alternativo en los motores
de combustión interna. Así como se demostró que presentan ventajas en
cuanto al ahorro económico en costo de combustible, menos contaminante que
los combustibles tradicionales y la poca diferencia de potencia útil a altitudes
superiores a 3824 m.s.n.m. de emplear gasolina y GLP de forma dual. Frente
al desconocimiento de los usuarios de estas ventajas que ofrece el GLP como
combustible en nuestra región.
• Al estado peruano y a la empresa privada la apertura de venta del gas licuado
de petróleo (GLP) en los grifos de toda la región, debido que a la fecha no
existe grifo alguno que suministre GLP al consumidor de forma segura y de
fácil acceso.
• La capacitación adecuada a personal técnico en la conversión de motores
gasolineros a GLP debido a que existe una limitación de personal calificado
para este trabajo.
• El reemplazo gradual del empleo de la gasolina por el gas licuado de petróleo
(GLP) en el transporte vehicular.
7.6 SUGERENCIAS PARA FUTUROS TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN
• Estudios de problemas de la deficiencia de potencia en los motores de
encendido a chispa, funcionando en altitudes superiores a 3824 m.s.n.m. por
influencia de la presión atmosférica y proponer soluciones a este problema.
• Evaluación del empleo del gas licuado de petróleo (GLP) Boliviano en
referencia al gas licuado de petróleo (GLP) empleado en el Perú, para uso
vehicular.
• Evaluación de la operación con gas licuado de petróleo (GLP) a motores de
encendido a compresión a altitudes superiores a 3824 m.s.n.m.
• Evaluación del análisis energético (Balance Térmico) de motores de encendido
a chispa, empleando gas licuado de petróleo (GLP) a altitudes superiores a
3824 m.s.n.m.
• Evaluación de la performance de motores diesel de encendido a compresión a
altitudes superiores a 3824 m.s.n.m. y su influencia al utilizar sobre
alimentadores de aire (Turbo).
• Evaluación del análisis energético (Balance Térmico) de motores diesel de
encendido a compresión a altitudes superiores a 3824 m.s.n.m. y su influencia
al utilizar sobre alimentadores de aire (Turbo).
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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site.[Pagina de Internet Visitada].
En: http://www.conama.org
ANEXO 1
PROTOCOLO DE PRUEBAS DEL MOTOR SUMINISTRADO CON
GASOLINA
PROTOCOLO DE PRUEBAS
MOTOR: 4 CILINDROS CONDICIONES DE PRUEBA
MARCA: TOYOTA 16 R Po = 64980 Pa
TIPO: ENCENDIDO POR CHISPA To = 8,5 ºc
COMPRESIÓN: Cilindro (Nº 1, 2, 3 y 4 = 95 PSI, 100 PSI, 98 PSI y 105 PSI)
PRUEBA DE LAS CARACTERISTICAS DE VELOCIDAD
PARÁMETROS MEDIDOS
Nº N (rpm) F( Kg ) h (mmGASOLINA) T ( seg ) ∆h (mm H2O) 1 530 4 0.5 378 32 2 750 8 1,0 152 45 3 1000 10 2,0 244 58 4 1250 13 2,0 178 66 5 1500 16 2,0 138 94 6 1750 15 2,0 137 124 7 2000 14 1,0 68 180
PARAMETROS CALCULADOS
Nº Me(N-m) Ne ( KW ) Gc(Kg/h) Ga(Kg/h) α ge(Xg/KW-hX) 1 17,64 0,98 0,34 96,11 19,04 346,08 2 35,28 2,77 0,88 113,97 8,72 316,59 3 44,10 4,62 1,05 129,39 8,27 227,33 4 57,33 7,50 1,44 138,02 6,44 191,74 5 70,56 11,08 1,86 164,72 5,96 167,47 6 66,15 12,12 1,87 189,19 6,79 154,60 7 61,74 12,93 1,88 227,94 8,12 145,66
PROTOCOLO DE PRUEBAS
MOTOR: 4 CILINDROS CONDICIONES DE PRUEBA
MARCA: TOYOTA 16 R Po = 64980 Pa
TIPO: ENCENDIDO POR CHISPA To = 8,5 ºc
COMPRESIÓN: Cilindro (Nº 1, 2, 3 y 4 = 95 PSI, 100 PSI, 98 PSI y 105 PSI)
PRUEBA DE LAS CARACTERISTICAS DE CARGA
PARÁMETROS MEDIDOS
Nº N(rpm) F( Kg ) h (mmGASOLINA) T ( seg ) ∆h (mm H2O) 1 2000 13 1 74 174
2 2000 14 1 68 180
3 2000 15 1 55 185
PARAMETROS CALCULADOS
Nº Me(N-m) Ne ( KW ) Gc(g/h) Gc(Kg/h) Ga(Kg/h) α ge(g/KW-h) 1 57.33 12.01 1730.66 1.73 224.11 8.69 144.15
2 61.74 12.93 1883.36 1.88 227.94 8.12 145.66
3 66.15 13.85 2328.52 2.33 231.08 6.66 168.08
ANEXO 2
PROTOCOLO DE PRUEBAS DEL MOTOR SUMINISTRADO CON GLP
PROTOCOLO DE PRUEBAS
MOTOR: 4 CILINDROS CONDICIONES DE PRUEBA
MARCA: TOYOTA 16 R Po = 64980 Pa
TIPO: ENCENDIDO POR CHISPA To = 8,5 ºc
COMPRESIÓN: Cilindro (Nº 1, 2, 3 y 4 = 95 PSI, 100 PSI, 98 PSI y 105 PSI)
PRUEBA DE LAS CARACTERISTICAS DE VELOCIDAD
PARÁMETROS MEDIDOS
Nº N (rpm) F( Kg ) ∆h (mmGLP) ∆h (mm H2O) 1 530 2 1,0 36 2 750 6 1,0 47 3 1000 9 2.5 117 4 1250 12 3,0 131 5 1500 15 3,0 140 6 1750 14 4.5 228 7 2000 13 5.5 277
PARÁMETROS CALCULADOS
Nº Me(N-m) Ne (KW) GGLP(kg/h) Ca(Kg/h) α ge(Kg/KW-h) ge(g/KW-h) 1 8.82 0.49 3.74 101.94 1.76 7.63 7633.73 2 26.46 2.08 3.74 116.47 2.01 1.80 1798.17 3 39.69 4.16 5.91 183.77 2.01 1.42 1421.58 4 52.92 6.93 6.47 194.45 1.94 0.93 930.00 5 66.15 10.39 6.47 201.02 2.00 0.62 622.90 6 61.74 11.31 7.93 256.54 2.09 0.70 700.62 7 57.33 12.01 8.76 282.76 2.08 0.73 729.88
PROTOCOLO DE PRUEBAS
MOTOR: 4 CILINDROS CONDICIONES DE PRUEBA
MARCA: TOYOTA 16 R Po = 64980 Pa
TIPO: ENCENDIDO POR CHISPA To = 8,5 ºc
COMPRESIÓN: Cilindro (Nº 1, 2, 3 y 4 = 95 PSI, 100 PSI, 98 PSI y 105 PSI)
PRUEBA DE LAS CARACTERISTICAS DE CARGA
PARÁMETROS MEDIDOS
Nº RPM F( Kg ) ∆h (mmGLP) ∆h (mm H2O) 1 2000 12 5,0 268 2 2000 13 5,5 235 3 2000 14 6,0 55
PARÁMETROS CALCULADOS
Nº Me(N-m) Ne (KW) Gc(Kg/h) Ca(Kg/h) Α ge(Kg/KW-h) ge(g/KW-h) 1 52.92 11.08 8.36 278.13 2.23 0.75 753.90 2 57.33 12.01 8.76 260.45 1.99 0.73 729.88 3 61.74 12.93 9.15 126.00 0.92 0.71 707.88
ANEXO 3
DISEÑO DEL TUBO VENTURI
VENTURIMETRO
El tubo venturi es un dispositivo que provoca una diferencia de presiones en la corriente
mediante un estrechamiento en doble tronco de cono de geometría normalizada, cuyo
principio de funcionamiento se basa en la transformación de energía estática en energía
dinámica. Siendo en el cuello del venturí menor la energía de presión, con un
piezómetro diferencial de mercurio, agua, etc. se lee la diferencia de niveles que nos
expresa la energía dinámica. El tubo venturi posee una gran precisión y permite la
determinación indirecta de la velocidad de flujo de fluidos a través de ella.
CALCULO DEL TUBO VENTURI DE GLP
Las condiciones necesarias serán:
Caudal másico (Qm): que viene a ser el caudal promedio de servicio:
sKgQm /18.0=
Diámetro de la Tubería (Dtub):
mmDTUB 16=
Coeficientes para el Cálculo:
Coeficientes de velocidad de Acercamiento (E):
5.04 )1(
1
V
Eβ−
=
Donde:
V
VV
D
d=β (Relación de diámetros)
Coeficiente de descarga (C): Se considera la rugosidad - tubería.
C = 0.995 (para ductos mecanizados)
Coeficiente de Caudal ( α ):
α = CE
Factor de Expansión ( ε ):
15=ε
Presión Diferencial (Pd): Viene a ser la altura de desnivel máxima del agua que el
venturi puede medir.
El procedimiento para el cálculo del tubo venturi es el siguiente:
Se calcula el valor aproximado de Vβ de acuerdo a la fórmula:
0,6513
***10*3.12
25.0
410
2
=
+=
−
V
mV
m
VQPdD
Q
β
ρβ
Luego recalculando el valor de Vβ hasta encontrar la convergencia tendremos:
0,3372
0,3372
0,3372
0,3374
0,3219
)1(
05.2847
4
3
2
1
250.0
250.04
2
=
=
=
=
=
×
−
××
×=
V
V
V
V
V
V
V
mV
PdCD
Q
β
β
β
β
β
ρ
β
εβ
Luego de realizadas las iteraciones, se ve que se aproxima a la centésima y se concluye
que el valor de Vβ será:
0,3372=Vβ
El cálculo del diámetro de la garganta del venturi se realizará de la siguiente manera:
mmd
Dd
D
d
V
VVV
V
VV
_5≈
×=
=
β
β
El material de fabricación será de Aluminio maquinado, luego las dimensiones
características del tubo venturi se muestran en el Plano.
( mmDTUB 16= , mmdV _5≈ )
OCTUBRE 2006FECHA
Rider H. Carcausto Cc.DIBUJADO
ING. MECÁNICA ELÉCTRICA
Ms.C. Norman Beltran Castañon
Ing. Mateo Alejandro Salinas Mena
ESCUELA PROFESIONAL
ASESOR
DIRECTORTITULO
Dimencionamiento: mm
DETALLE
A,B: Agujeros
B
A