1. Introducción.

Todo motor de combustión interna funciona transformando energía química (combustible) a energía de calor (potencia) a energía mecánica (movimiento) utilizada para proveer potencia a una maquina o equipo. Esta energía provee de un beneficio al poner en movimiento el automóvil, y también genera productos dañinos al medio ambiente (Velasco, 2009). Hay muchos productos creados por el hombre los cuales contribuyen a la contaminación de la atmósfera, el vehículo es uno de los mayores contribuyentes. Debido a los cambios que ocurren durante el proceso de combustión, es difícil lograr obtener una combustión perfecta, por esto se generan otros componentes como monóxido de carbono, hidrocarburos, óxidos de nitrógeno, los cuales reaccionan de forma dañina con nuestra atmosfera (Özener et al., 2014; Cedeño et al., 2017). Por muchos años, solamente hidrocarburos y monóxidos de carbono eran de gran preocupación en las pruebas de emisiones, en los ‘70s fue descubierto que óxidos de nitrógeno son los contribuidores de la formación de “smog”, los niveles de bióxido de carbón y oxígeno en el escape son excelentes indicadores de como el motor está operando, estos cinco gases son la base para el sistema de prueba y diagnóstico de emisiones. Cada gas tiene una relación con cada uno y responden al cambio de eficiencia del proceso de combustión (Lambert y Tesfa, 2016; WHO, 2016). Una breve revisión de la literatura revela tanto el alcance de la certificación como la divergencia de emisiones de CO2 en el mundo real. El menor consumo de combustible y las emisiones de CO2 son informados por varios informes y documentos (ACEA, 2014, Ntziachristos et al., 2014). Como resultado, se comunican valores más bajos y, muy probablemente, no representativos a los consumidores y los mecanismos oficiales de supervisión que evalúan el cumplimiento de cada fabricante de equipo original respecto de los objetivos legislados. Además, la brecha entre la realidad y el laboratorio parece ensancharse con el tiempo, la diferencia entre los dos solía estimarse en el orden del 15-20% (Keller et al., 2011) mientras que los estudios más recientes presentan incluso diferencias más amplias que varían hasta 30% o 40% (Dings, 2013). Se espera que estas divergencias en las emisiones de CO2 también puedan aparecer en países donde se utiliza el sistema de certificación europeo, como Australia e India, mientras que en el caso de EE. UU., y China se informan tendencias similares (Fontaras et al., 2017). El análisis de los factores de emisión vehicular se estableció en experimentos dinamométricos siguiendo ciclos de conducción estándar. Los experimentos permiten examinar factores de emisión en varias situaciones experimentales (Cedeño et al., 2018; Wu et al., 2017). (Error 10: La referencia (Fontaras et al., 2017) debe estar ligada) (Error 11: El tipo de referencia (Fontaras et al., 2017) es un elemento obligatorio) (Error 12: No existe una URL relacionada)

En la ciudad de Quito, se propone disminuir la contaminación del aire, a través de la Revisión Técnica Vehicular y otras alternativas, etc., lo que permite la introducción de mejoras en la tecnología vehicular como EURO III próximamente (DMQ, 2015). El trabajo propone estudiar los gases contaminantes generados por el vehículo nissan sentra en prueba estática, y pruebas dinámicas según el protocolo ASM y el IM 240, y las comparaciones respectivas entre cada una de las pruebas y su factor de emisión.

2. Desarrollo:

Metodología

El estudio se basa en una investigación explicativa a partir de la aplicación del método experimental en el cual se tomó el vehículo Nissan sentra 1.6 L. 4P. GLS., él cual es uno de los más vendidos en la provincia de Pichincha, según la estadística de AEADE Anuario (AEADE, 2016). También, en el mismo se determina los niveles de emisiones con gasolina extra mediante las pruebas estáticas y dinámicas. Las pruebas estáticas se realizaron con el analizador de gases que corresponde a la marca alemana MAHA, modelo MTG 5 bajo la norma NTE INEN 2203 norma técnica vigente en el Ecuador (INEN, 2203). Las pruebas dinámicas se realizaron en un dinamómetro MAHA FPS 2700, según el método ASM (Acceleration Simulation Mode) en ciclos 25/25 y 50/15; y el protocolo IM 240 (Sagebiel et al., 1996). Se aplicó tres repeticiones para garantizar la repetitividad del experimento. El convertidor catalítico utilizado en el vehículo fue de medio uso, garantizando los resultados obtenidos a ser comparados en todos los ensayos.

Vehículo de prueba

El vehículo de prueba se considera el más representativo del parque automotor del Distrito Metropolitano de Quito (DMQ), En la Tabla 1 se detallan las características del vehículo seleccionado, el mismo posee sistemas de inyección electrónica multipunto, además del mantenimiento adecuado permanente, esto consistió en cambio de aceite, cambio filtros de combustible, limpieza de inyectores y cambio de bujías del sistema de encendido.

Figura 1
Esquema de prueba estática
Fuente:(Sagebiel et al., 1996).

Protocolo de Pruebas Estáticas

Primero se ubica el vehículo en el dinamómetro, como el vehículo no posee tacómetro con la ayuda de una pistola estroboscópica se instala al vehículo para que el operador pueda identificar las revoluciones del motor para las dos condiciones de prueba, que es en ralentí y a 2500 rpm. Enchufar el tacómetro al sistema de encendido del motor e identificar la realidad de la marcha mínima o “ralentí”. Como se muestra en la figura 2.

Figura 2
Conexión de la lámpara estroboscópica
fuente: Elaboración propia

Con el motor a temperatura normal de operación y una temperatura del aceite del motor constante de 94 ºC, además en estado de marcha mínima o “ralentí” enclavar la sonda de ensayo en el sitio de salida del sistema de escape del automóvil. Se visualiza en la figura 3 este paso. Asegurase de que la sonda permanezca fija adentro del sistema de escape mientras dure el ensayo (Miranda, 2016). El analizador de gases utilizado para las pruebas estáticas, corresponde a la marca alemana MAHA, modelo MTG 5, es un analizador de gases de corriente parcial para analizar monóxido de carbón (CO), Dióxido de carbono (CO2), Oxigeno (O2), hidrocarburos (HC), calculador del valor lambda, con certificado de calibración vigente a la fecha de los ensayos (Antamba et al., 2016).

Figura 3
Colocación de la sonda en el escape del vehículo
fuente: Elaboración propia

Permanecer la duración de respuesta del equipo de medición dado por cada fabricante; Se toman muestras en ralentí, y en aceleraciones de 2500 rpm, se repite el proceso durante tres veces para tomar el valor promedio de los datos obtenidos. Se registra el valor de los datos por el equipo de medición para su posterior análisis, como se visualiza en la figura 4.

Figura 4.
Valores que se registran en el software.
fuente: Elaboración propia

Pruebas Dinámicas ciclo ASM

La prueba ASM (Modo de Aceleración Simulada) fue desarrollada por la Agencia para la Protección del Medio Ambiente de los Estados Unidos (EPA), consiste en probar un vehículo en dinamómetro con la colocación externa de carga al motor a diferentes regímenes en las etapas ASM50/15 y ASM25/25 (Park, Heung–Sung, 2016). ASM50/15 es el ciclo de prueba de un vehículo en dinamómetro al utilizar ASM, en donde a una velocidad constante de 24 km/h se aplica una carga externa al motor equivalente al 50% de la potencia requerida. ASM25/25 es el ciclo de prueba de un vehículo en dinamómetro al aplicar ASM, en donde a una velocidad constante de 40 km/h se aplica una carga externa al motor equivalente al 25% de la potencia requerida. En estas condiciones se toma la concentración de contaminantes que genera el motor de combustión interna, el tiempo aproximado de la prueba es de 50 segundos (Castellazzi et al., 2017; Sagebiel et al., 1996). El esquema de trabajo está en la figura 5.

Figura 5
Esquema de pruebas dinámicas
Fuente: (Sagebiel et al., 1996).

Protocolo de Pruebas Dinámicas ciclo ASM

Se instala el vehículo en el dinamómetro, se coloca las seguridades respectivas ya que en esta prueba se va a ejercer carga al motor a determinadas condiciones de régimen. Con el motor a temperatura normal de trabajo y en condición de marcha mínima o “ralentí” enclavar la sonda de ensayo en el punto de salida del sistema de escape. Se aplica el analizador de gases, marca MAHA modelo MTG -5 y el dinamómetro de rodillos marca MAHA FPS 2700 de 8.5” (21,6 cm), ambos con certificados de calibración vigentes (Miranda, 2016). Se presenta en la figura 6 el arranque del sistema.

Figura 6.
Software para ciclo ASM
fuente: Elaboración propia

Una vez hecho esto, la prueba ASM consiste en acelerar de manera uniforme el vehículo hasta llegar a los 24 km/h permanece 15 segundos para estabilizar la velocidad, en esta condición se aplica el 50% de carga al motor mediante el dinamómetro durante 10 segundos más, aquí se obtiene el promedio de estos 10 segundos que es la prueba ASM50/15, luego aceleramos el vehículo hasta alcanzar los 40 km/h donde se estabiliza la velocidad en 15 segundos, y se aplica la carga al motor mediante el dinamómetro al 25% durante 10 segundos más y los valores se registran en el software del analizador (Miranda, 2016; Antamba et al., 2016). El software guarda los datos obtenidos minuto a minuto, como se visualiza en la figura 7, en una planilla de Excel, que permite posteriormente realizar el análisis respectivo.

Figura 7.
Prueba dinámica ASM
fuente: Elaboración propia

Pruebas Dinámicas ciclo Inspección y mantenimiento (IM) 240

El Protocolo IM 240 es un análisis corto desarrollado para vehículos usados, especialmente por el propósito de tener una prueba rápida cuyos resultados sean correlativos a los del Protocolo FTP 75 (Wi y Park, 2013). En la figura 8 se esquematiza la ruta de trabajo, esto se ha implementado en algunos estados de la Unión Americana. El ciclo dura 240 s, recorre 1.96 millas (3.1 km) y su velocidad media es de 29.4 mph (47.3 km/h) con una velocidad máxima de 56.7 mph (91.2 km/h) (Sagebiel et al., 1996). Este tipo de pruebas se realiza en un dinamómetro y con la ayuda de un software que permite al operador llevar y mantener las condiciones de manejo que se necesitan a lo largo del ciclo, para de esta manera determinar el nivel de contaminación en los diferentes regímenes del motor (Antamba et al., 2016; Sagebiel et al., 1996; Fontaras et al., 2017).

Figura 8
Esquema de velocidad vs tiempo del ciclo IM 240
Fuente:(Sagebiel et al., 1996).

Protocolo de Pruebas Dinámicas ciclo IM 240

Se instala el vehículo en el dinamómetro, se asegura el vehículo mediante anclajes hacia el piso por las altas velocidades que va a tener el mismo en la prueba. Una vez anclado el vehículo en el dinamómetro se empieza a iniciar la prueba, para este ciclo se debe seguir una condición de manejo ya pre establecido que ayuda a dar el software de aplicación del ciclo IM240 (Recalde y Revelo, 2015). Parte de la ruta experimenta se presenta en la figura 9. Donde se utiliza el analizador de gases, marca MAHA modelo MTG -5 y el dinamómetro de rodillos marca MAHA FPS 2700 de 8.5” (21,6 cm), ambos con certificados de calibración vigentes. Se realiza la medición de gases contaminantes en las condiciones de marcha dada por el software, la prueba debe tener un porcentaje mínimo de error sino no es dada como válida, también existe un ventilador que ayuda a enfriar el motor en prueba. El software guarda los datos en la prueba en una planilla de Excel, que permite posteriormente realizar el análisis respectivo. Los resultados se analizaron bajo el NTE INEN 2204 sobre los límites permitidos de emisiones producidas por fuentes móviles terrestres a gasolina, evaluando como gases ponderantes el CO y HC.

Figura 9.
Software para ciclo IM240
fuente: Elaboración propia

Análisis de factores de emisión de gases contaminantes

El modelo resumido de combustión representa la transformación de la mezcla aire- combustible en sus principales productos según la Ecuación 1, en que las variables a, b, c, d, e, f y m son factores estequiométricos desconocidos y definidos en moles desarrollados por mol de combustible consumido; Como conocimiento que el CO2, CO y HC son resultados de la combustión que contienen carbono, es posible desarrollar un balance de masa respecto al total de carbono presente en el combustible. Los productos se consideran como fundamento para el análisis de las emisiones y las características medias de los combustibles, por consiguiente, del balance de masa para el carbono se escribe como la ecuación 1 y 2 (Cedeño et al., 2018; Frey, Unal, Rouphail, y Colyar, 2003).

Los contaminantes son medidos en el sistema de escape y se analizan según la ecuación 3, en que: RCO es la proporción de CO respecto a CO2 en porcentaje y RHC es la proporción de HC respecto a CO2 en porcentaje. El equipo de comprobación de gases compara el volumen de todos los resultados de la combustión, y aplicando las relaciones anteriores se obtiene la porción de CO2 (Cedeño et al., 2018).

Mediante la ecuación 4 se determinan los factores de emisión , donde el subíndice se relaciona con los contaminantes CO, HC y NOx; significa el peso molecular equivalente del combustible, al peso molecular equivalente de los contaminantes, es la densidad del combustible en g/m3 y es el consumo de combustible por distancia recorrida en m3/km8 (Calero, 201; Cedeño et al., 2018).

Para determinar el nivel de consumo del vehículo en carretera se encero el odómetro se llena el tanque de combustible con la gasolina que utiliza el vehículo en nuestro caso súper. Se toma como referencia para la prueba de carretera la ruta Latacunga - Quito que posee una distancia de 90 Km, y en la zona que se logra mantener una velocidad constante de aproximadamente 100 Km/h. Una vez recorrido esta distancia se vuelve a llenar el tanque de combustible para determinar el consumo de combustible en este ciclo de trabajo. Las pruebas se realizan tres veces cada una para determinar un valor promedio de cada una de las condiciones de ruta, se registra los valores para realizar el cálculo respectivo para determinar el nivel de contaminación del mismo.

· Resultados y Discusión de Resultados:

Prueba Estática

La concentración másica de oxígeno en el aire admitido disminuye con la altitud (Lapuerta et al., 2006). En la figura 10, se nota claramente las concentraciones de CO, en ralentí se mantiene alto 2.69 % V., pero a 2500 rpm se reduce a 0.7 %; Las emisiones de CO2 del tubo de escape se considera como la energía de salida del motor, donde el funcionamiento del motor con combustibles que contienen carbono conducirá a emisiones de CO2 (Tuner, 2016). En las emisiones de CO2, donde los valores en ralentí están en 5.33 %. A 2500 rpm se aumenta a 11.83 %V.; Los hidrocarburos (HC) son provocados por la combustión incompleta, el apagado de la llama cerca de las superficies de la cámara de combustión y la formación de depósitos en las paredes interiores (Ramadhas et al., 2016). Las emisiones de HC, donde los valores en ralentí están en 244.3 ppm mientras que a 2500 rpm se reduce a 151 ppm; las emisiones de O2, donde el valor en ralentí está en 11.37 % V., a 2500 rpm se reduce a 3.87 % V. El motor del vehículo tiende a mantener un valor de lambda muy cercano a 1, lo que explica que la mezcla estequiométrica de aire – combustible, se encuentra en la proporción correcta de 14.7:1 (Rocha et al., 2018), el sistema de inyección del vehículo está trabajando de forma incorrecta en ralentí porque se mantiene en 1.79, y afecta en la operación normal del motor; Las concentraciones de NOx, en ralentí se mantiene en 17.3 % V., pero a 2500 rpm aumenta a 83.3 %.

Figura 10.
Resultados de los contaminantes de prueba estática
fuente: Elaboración propia

Prueba Dinámica ASM

En el ciclo ASM se nota que el vehículo mejora su relación aire/combustible, el cual es cercano a 1. En la figura 11 y tabla 2 se nota claramente las concentraciones de CO, se mantiene semejante en las pruebas ASM50/15 Y ASM 25/25; las emisiones de CO2 de igual manera semejante a 13 % V. Los hidrocarburos (HC), donde los valores están en 246.59 ppm para ASM50/15 mientras que para ASM 25/25 se reduce a 203.08 ppm; las emisiones de O2, el valor para ASM50/15 está en 0.81, para ASM 25/25 se reduce a 0.68 % V.; Las concentraciones de NOx, para ASM50/15 está en 977.48 ppm, pero para ASM 25/25 se reduce a 651.48 ppm.

Figura 11.
Resultados de contaminantes ciclo ASM50/15 y ASM25/25
fuente: Elaboración propia

Prueba Dinámica IM240

Con los valores determinados en la prueba IM 240 que proporciona el software genera los resultados de una manera gráfica en la cual es más fácil identificar en que momento cada uno de los contaminantes presenta la mayor concentración, para esto se presenta la tabla con valores minimos y maximos lo cual se analiza. El contenido de CO presenta un valor máximo de 8.2 % V. en el tiempo de prueba; Para el CO2, se muestra el valor de 13.8 % V. como máximo para este contaminante dentro de la prueba de 240 s; el HC llega en este periodo de prueba a un valor máximo de 1628 ppm; el O2 presenta un valor máximo de 11.98 %V; el NOx presenta valores máximos de 952.1 ppm en el periodo de prueba; el motor del vehículo tiende a mantener un valor de lambda muy cercano a 1, pero en cierto instante se dispara a un valor de 1.83, como se aprecia en la figura 12 y tabla 3. La calidad de combustible tiene incidencia en las emisiones contaminantes gaseosas vehiculares, otros factores críticos también maximizan esta realidad como la movilidad, el estado de las vías, la edad del parque automotor y la tecnología del vehículo. Otro elemento en relación, es cuando menor es la relación de compresión de un motor, menor es el número de octanos requerido, por ello, la reducción de emisiones gaseosas, se obtiene al combinar el menor contenido de azufre (30 ppm) y un elevado número de octanos (90-100) (Antamba et al., 2016). El HC aumenta con la altitud en mayor medida que los CO y NOx, por lo tanto, una gasolina de mayor calidad y mejor tecnología de inyección de combustible, reducirían la tendencia de aumento (Antamba et al., 2016; Portilla y Caiza, 2010).

Figura 12.
Resultados de contaminantes ciclo IM 240
fuente: Elaboración propia

Las emisiones depende completamente de la movilidad de la ciudad, las pruebas dinámicas evidencian una reducción de emisiones de CO respecto a la prueba estática aunque no baja del límite permitido según la norma NTE INEN 2204; los resultados de HC, en el caso de los vehículos a gasolina, en condiciones operativas, es poco probable la condición de mezcla pobre en el motor, por lo que se evidencia en el trabajo una alta cantidad de emisión de HC en la mayoría de casos, y para la condición estática acelerado en la condición de menor emisión, por tanto todos superan los límites permitidos según la norma NTE INEN 2204. Se identifica que el sistema de inyección del vehículo trabaja de forma incorrecta en la prueba estática porque lambda se mantiene entre 1.18 y 1.79, y se ve afectada la operación normal del motor, mientras que en el sistema de prueba dinámico se acerca a la condición de 1, evidenciando un ciclado del motor ideal.

Figura 13.
Comparativa de resultados de contaminantes
fuente: Elaboración propia

Estimación de Factor Emisión

Con ayuda del odómetro se determina el consumo de combustible del vehículo en diferentes distancias, el promedio determina el consumo de litros por kilómetro recorrido, se presenta en la tabla 4. Las pruebas realizadas con el ciclo ASM50/15, permite obtener las concentraciones de gases, y se utilizan en las ecuaciones simplificadas de la combustión, conjuntamente con los valores de consumo de combustible de cada ciclo y la densidad de la gasolina, para obtener los factores de emisión de cada contaminante. En la figura 4 se indica la estimación de los factores de emisión para CO 0.58 gr/km, el factor para HC es 0.01006 gr/km y el NOx está en 0.09 gr/km con respecto al vehículo de prueba.

Figura 14.
Factores emisión de contaminantes estimados CO, HC, NOx
fuente: Elaboración propia

3. Conclusiones.

Del análisis de los gases de escape en diferentes condiciones de prueba tanto estática como dinámica se indica que existen variación entre los resultados debido a que el motor no se exige de la misma manera en cada una de las pruebas, además se nota que el motor en la condición de ralentí contamina más que cuando se encuentra acelerado, en razón que su lambda es elevada.

• En la prueba estática existe la disminución de los contaminantes cuando el vehículo acelera a 2500 rpm. El mayor contaminante que se nota es de HC para ralentí que equivale a 244 ppm, no cumple la norma ambiental locales vigentes.

• En el ciclo ASM, el vehículo mejora su relación aire/combustible el cual es cercano a 1 pero su nivel de contaminantes por hidrocarburos aún se mantiene elevado de 246.598 ppm, el nivel de NOx también se eleva.

• La evaluación ASM50/15 aporta en la estimación de los factores de emisión del vehículo como el CO2, y la relación con los factores de emisión CO, HC, y NOx.

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Notas de autor

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