Manual de combustibles alternativos y tecnología automotriz

MANUAL DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS Y TECNOLOGÍA AUTOMOTRIZ

Juan Carlos Goñi Delión • Mario Rojas Delgado

Colección Textos Universitarios

Manual de combustibles alternativos y tecnología automotriz

Primera edición digital, octubre de 2016

© Juan Carlos Goñi Delión, Mario Rojas Delgado

© Universidad de Lima

Fondo Editorial

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Lima - Perú

Se prohíbe la reproducción total o parcial de este libro sin permiso expreso del Fondo Editorial.

ISBN versión electrónica: 9789972453540

Índice

Presentación

Capítulo 1. Fundamentos de combustibles, energías y tecnología automotriz

1. Generalidades de combustibles

2. Combustibles convencionales

3. Combustibles alternativos

3.1 Biodiésel

3.2 Bioetanol

3.3 Gas natural

3.4 Gas licuado de petróleo

3.5 Electricidad

3.6 Dimetiléter

3.7 Hidrógeno

4. Combustibles emergentes

4.1 Biobutanol

4.2 Series pentano

4.3 Biometano

4.4 Combustibles sintéticos para transporte

5. Energía y potencia

5.1 Energía mecánica

5.2 Energía eléctrica

5.3 Energía térmica

5.4 Diferentes tipos de potencia

6. Tecnología automotriz

6.1 Generalidades de los motores de combustión interna y combustibles

6.2 Principio de funcionamiento de un motor de combustión interna

6.3 Consumo de combustible y consumo específico de combustible

6.4 Cálculo de la eficiencia de los motores

Capítulo 2. Biocombustibles: clasificación, insumos y producción

1. Biocombustibles e insumos de primera generación

1.1 Biodiésel

1.2 Bioetanol

1.3 Biogás

2. Producción de biocombustibles de primera generación

2.1 Biodiésel por transesterificación

2.2 Bioetanol

2.3 Biogás y transformaciones bioquímicas

3. Biocombustibles e insumos de segunda generación

3.1 Algas para la obtención de biodiésel y bioetanol

3.2 Biomasa lignocelulósica para obtener bioetanol

4. Producción de segunda generación de combustibles

4.1 Biodiésel a partir de especies no alimentarias

4.2 Bioetanol a partir de productos lignocelulósicos

4.3 Dimetiléter a partir del metanol y del gas de síntesis

4.4 Obtención del hidrógeno

4.5 Biocombustibles Fischer-Tropsch

5. Biorrefinación

Capítulo 3. Motores de vehículos con combustibles alternativos

1. Clasificación de los motores para automóviles

2. Motores según el ciclo termodinámico Otto

2.1 Partes principales del motor Otto

2.2 Funcionamiento del motor de cuatro tiempos

2.3 Parámetros de funcionamiento del motor de encendido por chispa

2.4 Diagrama cerrado de los motores de encendido por chispa

2.5 Diagrama abierto de los motores de encendido por chispa

2.6 Detonación y octanaje en motores de encendido por chispa

3. Motores según el ciclo termodinámico Diésel

3.1 Parámetros del motor Diésel

3.2 Diagrama cerrado del ciclo termodinámico Diésel

3.3 Diagrama abierto presión versus ángulo de rotación del cigüeñal en los motores de petróleo

3.4 Sistema de inyección de petróleo

3.5 Turbocompresor e intercooler

4. Curvas características de los motores de combustión interna

4.1 Curva potencia efectiva versus presión de admisión y temperatura de admisión

4.2 Curva potencia efectiva y torque versus velocidad angular del cigüeñal

4.3 Curva eficiencia total versus relación de compresión, presión de admisión y presión de escape

4.4 Comparación de las curvas características

Capítulo 4. Rendimiento y uso de combustibles en motores de combustión interna

1. Combustibles convencionales y balance energético

2. Combustibles alternativos y electricidad

2.1 Rendimiento y uso del biodiésel

2.2 Rendimiento y uso del bioetanol

2.3 Rendimiento y uso del gas natural

2.4 Rendimiento y uso del gas licuado de petróleo

2.5 Rendimiento y uso de la electricidad

2.6 Rendimiento y uso del dimetiléter

2.7 Rendimiento y uso del hidrógeno

3. Utilización de biocombustibles en motores de vehículos y máquinas industriales

3.1 Utilización de biodiésel en motores

3.2 Utilización de bioetanol en motores

3.3 Utilización de biogás en motores

3.4 Comparación de uso de mezclas gasolina-bioetanol y diésel-biodiésel

4. Uso de biocombustibles en diversos tipos de motores

4.1 Biocombustibles en motores de aviones

4.2 Biocombustibles en motores de trenes y barcos

4.3 Biocombustibles en motores de transporte terrestre

4.4 Uso de biocombustibles en motores Diésel

4.5 Combustibles para mezclas con biodiésel

4.6 Biodiésel para uso en buses y camiones

4.7 Casos de uso militar de biocombustibles en barcos y aviones

4.8 Uso de biogás purificado en motores de combustión

Capítulo 5. Seguridad energética y aspectos ambientales

1. Seguridad energética y aspectos ambientales de los combustibles

1.1 Seguridad en combustibles convencionales

1.2 Seguridad en biocombustibles y en electricidad

2. Seguridad energética en general: información estadística

2.1 Producción de petróleo, gas natural y productos derivados

2.2 Reservas de petróleo y gas natural en el Perú

2.3 Exportación e importación de hidrocarburos y aditivos

2.4 Reservas, demanda y oferta de hidrocarburos en el Perú y el mundo

3. Aspectos ambientales

3.1 Consumo de energía

3.2 Emisión de gases y partículas

3.3 Balance de energía eléctrica

Capítulo 6. Combinaciones de los combustibles investigados

1. Selección de combustibles comprendidos en la investigación

1.1 Mezclas de gasolina y alcohol carburante

1.2 Mezclas diésel-biodiésel

2. Mezclas de combustibles y biocombustibles a partir de los combustibles base

2.1 Lineamientos de verificación de las mezclas de combustibles ensayados

2.2 Contenido de alcohol carburante y otros componentes

3. Propiedades térmicas de los combustibles

3.1 Poder calorífico y densidad energético-volumétrica

3.2 Propiedades térmicas de los combustibles en general

4. Normalización comercial y técnica

4.1 Normalización para alcohol carburante NTP 321.126 - 2011

4.2 Normalización para biodiésel NTP 321.125 - 2008

4.3 Normalización para gasolina NTP 321.102 - 2002

4.4 Normalización para diésel NTP 321.003 - 2005

4.5 Normalización para gas licuado de petróleo NTP 321.116 - 2004

4.6 Normalización para diésel marino NTP 321.139 - 2003

4.7 Normalización para motores de combustión interna. Definiciones NTP 383.066 - 1989 (2012)

5. Seguridad en transporte y almacenamiento de combustibles

5.1 Seguridad y riesgos del diésel B5 S-50

5.2 Seguridad y riesgos del gasohol 95 plus*

Capítulo 7. Pruebas en el banco de motores de combustión interna

1. Pruebas de potencia y torque en motores de encendido por chispa

2. Pruebas de potencia y torque en motores de encendido por compresión

3. Descripción de los equipos de ensayo

3.1 Freno dinamométrico de corrientes parásitas

3.2 Medidor del consumo de combustible

3.3 Tablero de control

3.4 Software de medición de parámetros

3.5 Medición del consumo de aire

3.6 Motor Ford a gasolina

3.7 Motor Volkswagen Diésel

4. Curvas de comportamiento con las diferentes mezclas ensayadas

4.1 Curvas de mezclas G95 E7.8

4.2 Curvas de mezclas G95 E10

4.3 Curvas de mezclas G95 E12

4.4 Curvas de mezclas DB2

4.5 Curvas de mezclas DB5 S-50

4.6 Curvas de mezclas DB10 S-50

4.7 Curvas de mezclas DB12 S-50

4.8 Ángulo de adelanto de chispa

5. Componentes tóxicos de los gases de escape

6. Conclusiones de los ensayos

7. Cuadros comparativos y conclusiones generales referidas a las mezclas recomendadas. Razones para su uso en el mercado nacional

7.1 Mezclas de combustibles disponibles actualmente en el mercado y componentes base

7.2 Mezclas de combustibles de origen fósil y biocombustibles, probadas en el banco de motores

7.3 Caracterización técnica y comercial

7.4 Información para la seguridad en transporte y almacenamiento de combustibles

7.5 Relación combustible, seguridad energética y servicio de motor

7.6 Producción de gases de efecto invernadero

7.7 Conclusiones generales

Referencias bibliográficas

Anexos

Anexo 1. Curvas características de los motores ensayados

Anexo 2. Simbología

Anexo 3. Propuesta de ensayo de laboratorio de motores a gasolina y Diésel

Presentación

El presente trabajo, titulado Manual de combustibles alternativos y tecnología automotriz, es el resultado de la investigación sobre combustibles alternativos realizada con el auspicio del Instituto de Investigación de la Universidad de Lima. La investigación fue desarrollada mediante ensayos con diversos combustibles y utilizando un banco de ensayo para motor.

El objetivo principal de esta investigación fue determinar en forma experimental la energía obtenida, la eficiencia en los motores de combustión interna y la conveniencia técnica de utilizar combustibles alternativos con diferentes porcentajes de combustible ecológico, pues el parque automotor en Lima ha usado convencionalmente gasolinas y petróleo provenientes de hidrocarburos fósiles. Se han tomado dos grandes rangos de combustibles en función del tipo de motores de combustión interna: los motores de ciclo Otto o a gasolina y los motores de ciclo Diésel o a petróleo.

En el estudio se ha considerado, por un lado, el combustible biodiésel mezclado con el petróleo diésel 2 comercial, haciendo pruebas con diferentes porcentajes de biodiésel, como son el biodiésel DB2, DB5, DB10 y DB12. Por otro lado, se ha trabajado con el etanol como alcohol carburante o bioalcohol, mezclado con la gasolina para obtener mezclas como la GE5, GE7.8, GE10, GE12, con las que se realizan ensayos para establecer los parámetros de consumo de combustible, potencia, torque y rendimiento, entre otros.

Este manual de combustibles y tecnología de vehículos comienza explicando los fundamentos básicos de los combustibles; asimismo, explica las propiedades que caracterizan a los combustibles, punto de ignición, grado de pureza, número de octano, número de cetano, y plantea los cálculos para obtener el poder calorífico a partir de los componentes que los integran. También se dan algunos ejemplos ilustrativos, y se continúa con las propiedades físicas, químicas y térmicas que se deben considerar para el funcionamiento y regulación de un motor de combustión interna.

En el inciso referente a los combustibles convencionales, se trata de los combustibles regularmente usados en la industria automotriz y en nuestro medio, como el petróleo diésel D2, las gasolinas en sus diferentes octanajes, el gas licuado de petróleo (GLP) y el gas natural vehicular (GNV).

Dentro de los combustibles no convencionales se estudiarán el dimetiléter, el hidrógeno, los diversos alcoholes carburantes y los diferentes aceites para usar en motores a gasolina y Diésel.

Los combustibles alternativos serán la parte central de este texto y se estudiarán a partir de los motores de vehículos (capítulo 3), donde se revisarán con profundidad el biodiésel, el bioetanol, las mezclas biodiésel-petróleo fósil y bioetanol-gasolina. Se iniciará el capítulo con generalidades, para terminar con casos aplicados. En esta sección se presenta una clasificación de los motores de combustión interna y se explica el ciclo de funcionamiento de cada uno. De esta manera se pueden comprender las diferentes características técnicas y fisicoquímicas que debe respetar un combustible para ser aplicado a los motores. Se termina explicando las curvas características de los motores de combustión interna y la relación entre cada una de estas curvas.

Entre los temas que se abordan, es imprescindible mencionar el estudio del rendimiento y utilización de los combustibles en los motores de combustión interna de uso comercial, como son los aviones, trenes, barcos, grupos electrógenos y otros. Asimismo, se concede la debida importancia a la seguridad energética y al respeto ambiental, para lo cual se revisa la seguridad de los combustibles convencionales, de los biocombustibles, de la electricidad, con la información y el marco legal; para terminar con el consumo de energía y el medio ambiente.

Finalmente, para poder demostrar la utilidad práctica de la investigación y exponer resultados concretos, se muestran los ábacos y las curvas obtenidos con motores de ensayo en laboratorio, haciendo uso de un banco de pruebas para motores de combustión interna. Este punto exige el conocimiento del comportamiento de un motor vehicular, su geometría, su sistema de funcionamiento, su mecanismo, su alimentación de combustible (inyección), carburación, sistema eléctrico y sistema de refrigeración. Luego de estos puntos se presentan las curvas ensayadas, con las respectivas conclusiones y sugerencias que pueden ser aplicadas comercialmente, con sustento técnico.

Se observa que existen en nuestro medio fuertes reservas y preocupaciones técnicas que impiden seguir incrementando el porcentaje de biocombustibles en la gasolina y el petróleo diésel. Los ensayos han demostrado que el aumento volumétrico razonable de biocombustibles es factible en nuestro parque automotor, no reduce la potencia ni la eficiencia de los motores; además, se conserva el motor más limpio y se favorece al ecosistema.

Los autores

En este capítulo se tratan los siguientes temas:

• Generalidades de combustibles

• Combustibles convencionales

• Combustibles alternativos

• Combustibles emergentes

• Energía y potencia

• Tecnología automotriz

Los combustibles para la alimentación de los motores de la ingeniería automotriz han sido, desde sus primeros diseños, el factor más importante en su funcionamiento. Las propiedades de un combustible determinan el tipo de motor de combustión interna a utilizar, y asimismo, un ciclo de funcionamiento que se adecúa a ciertas características especiales de un combustible.

El presente capítulo trata de las generalidades de los combustibles, combustibles convencionales, combustibles alternativos, combustibles emergentes, energía, potencia y la tecnología automotriz compatible con los combustibles existentes en el mercado.

En esta sección se introducen los fundamentos de los combustibles convencionales, alternativos, emergentes y la tecnología de los motores de combustión interna que requieren de estos combustibles.

1. GENERALIDADES DE COMBUSTIBLES

En esta introducción se reseña el origen de la energía y los combustibles en el planeta Tierra, presentando una distribución de la energía solar en nuestro orbe.

a) Energía de posición del planeta Tierra en el universo:

La energía de posición del planeta Tierra comprende la energía asociada a los otros planetas y al universo con los campos gravitatorio, electromagnético, radioeléctrico y otros. Esta energía de posición es de mínima magnitud comparada con la energía solar incidente sobre nuestro planeta.

b) Energía solar incidente sobre el planeta Tierra:

La energía solar se divide en energía actual o energía incidente sobre el planeta y la energía almacenada, que es la que incidió en el pasado y se depositó como energía interna del planeta.

La energía actual se divide en directa e indirecta. La energía directa comprende la captación térmica mediante paneles y concentradores de energía, y la captación fotónica, que se da por medio de celdas fotovoltaicas o por biomasa vegetal y animal residual.

La energía indirecta la forma la energía eólica del aire de la atmósfera e hidráulica de mares, ríos, lagos y otras masas acuáticas.

La energía almacenada es la energía interna del planeta y comprende la energía en materia radioactiva, la energía geotérmica y la energía en materia fósil.

El combustible fósil proveniente de la materia fósil, combustible convencional, se relaciona con el combustible proveniente de la biomasa actual, combustible renovable o biomásico, para dar lugar a los combustibles alternativos. Estos dan lugar a biocombustibles puros, combustibles emergentes, y también mezclas entre combustibles convencionales y biocombustibles. Actualmente, estas mezclas de biocombustible están mundialmente comercializadas en diversas composiciones convencionales y de biocombustible.

A continuación se indican brevemente algunos ejemplos de combustibles fósiles y biomásicos.

Combustibles fósiles (cuasi-directos, agotables):

– Gas natural (natural gas) y derivados.

– Carbón mineral (coal) y derivados.

– Petróleo (petroleum, oil) y derivados.

Combustibles biomásicos (cuasi-directos, renovables):

– Residuales forestales (leña, ramas, hojas, aserrín de madera).

– Carbón vegetal (charcoal, subproducto de la destilación seca de madera).

– Residuales agrarios y agroindustriales (ramas, hojas, tallos, bagazo, orujo).

2. COMBUSTIBLES CONVENCIONALES

Para esta sección se ha tomado como base la información del Grupo de Trabajo n.° 10 del Congreso Nacional del Medio Ambiente 8 (Conama, 2006b), que detalla:

a) Definición y propiedades:

La gasolina y el diésel n.° 2 son mezclas complejas de hidrocarburos que destilan en un intervalo de temperaturas determinado; menor temperatura en gasolina como más volátil y mayor temperatura en diésel n.° 2 como menos volátil.

Además de hidrocarburos de origen fósil, los combustibles pueden mezclarse con biocombustibles, gasolina con alcohol carburante y diésel n.° 2 con biodiésel; y en el caso de la gasolina puede tener aditivos como agentes oxigenantes, generalmente etil-éter, butil-éter o metil-terbutil-éter.

En el Perú, la normatividad oficial de combustibles corresponde al Instituto Nacional de Defensa de la Competencia y de la Protección de la Propiedad Intelectual (Indecopi).

b) Beneficios:

– Almacenamiento y distribución de los combustibles deben ser confiables.

– Precios competitivos.

– Adecuados para la introducción de los biocombustibles.

– Muy eficientemente adaptados a los vehículos.

c) Inconveniencias:

– Obligación legal de uso de mezclas con combustibles alternativos.