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Uso del etanol para control y disminuci�n de gases contaminantes en automotores

 

Use of ethanol to control and reduce polluting gases in automobiles

 

Uso do etanol para controle e redu��o de gases poluentes em autom�veis

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: joseph.coral810@ist17dejulio.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas �

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 23 de julio de 2022 *Aceptado: 18 de agosto de 2022 * Publicado: 16 de septiembre de 2022

 

 

1. Instituto Superior Tecnol�gico 17 de julio, Urcuqui, Ecuador.
2. Instituto Superior Tecnol�gico 17 de julio, Urcuqui, Ecuador.
3. Instituto Superior Tecnol�gico 17 de julio, Urcuqui, Ecuador.

 

 

 

 

 

Resumen

Debido a los aumentos del precios del petr�leo y sus derivados, as� como el papel que tiene los gases de efecto invernadero en el calentamiento global y los efectos de gases contaminantes como los hidrocarburo, y el NO_X en el medioambiente, adem�s, en la salud de las personas, se hace imperiosa la necesidad de considerar alternativa m�s ecol�gicas y menos contaminantes como combustible para veh�culos, es por ello que este trabajo tiene como prop�sito evaluar el uso del etanol como combustible alternativo en veh�culos de combusti�n interna para el control y disminuci�n de la emisi�n de gases contaminantes y de efectos invernadero, desde una perspectiva te�rica, donde se describe el estado actual del conocimiento acerca del uso del etanol, consiguiendo documental los beneficios para el medioambiente, adem�s de otras ventajas, del mismo modo se desarrollar algunas t�cnicas para mejorar los �ndices de emisiones de este tipo de combustible alternativo.

Palabras claves: Etanol; Combustible Alternativo; Motores de Combusti�n Interna; Emisi�n de Gases; Combustibles Ecol�gicos.

 

Abstract

Due to increases in the price of oil and its derivatives, as well as the role of greenhouse gases in global warming and the effects of polluting gases such as hydrocarbons and NOX on the environment, in addition, on the health of people, the need to consider more ecological and less polluting alternatives as fuel for vehicles is imperative, which is why this work has the purpose of evaluating the use of ethanol as an alternative fuel in internal combustion vehicles for the control and reduction of the emission of polluting gases and greenhouse effects, from a theoretical perspective, where the current state of knowledge about the use of ethanol is described, obtaining documentary benefits for the environment, in addition to other advantages, in the same way some techniques are developed to improve emission rates of this type of alternative fuel.

Keywords: Ethanol; Alternative Fuel; Internal combustion engines; Gas Emission; Ecological Fuels.

 

 

 

Resumo

Devido aos aumentos no pre�o do petr�leo e seus derivados, bem como o papel dos gases de efeito estufa no aquecimento global e os efeitos de gases poluentes como hidrocarbonetos e NOX no meio ambiente, al�m disso, na sa�de das pessoas, a necessidade de considerar alternativas mais ecol�gicas e menos poluentes como combust�vel para ve�culos � imprescind�vel, raz�o pela qual este trabalho tem como objetivo avaliar o uso do etanol como combust�vel alternativo em ve�culos de combust�o interna para o controle e redu��o da emiss�o de gases poluentes e de efeito estufa , de uma perspectiva te�rica, onde � descrito o estado atual do conhecimento sobre o uso do etanol, obtendo benef�cios documentais para o meio ambiente, al�m de outras vantagens, da mesma forma que algumas t�cnicas s�o desenvolvidas para melhorar as taxas de emiss�o desse tipo de alternativa combust�vel.

�Palavras-chave: Etanol; Combustivel alternativo; Motores de combust�o interna; Emiss�o de g�s; Combust�veis Ecol�gicos.

 

Introducci�n

A nivel mundial, se ha encontrado una paulatina reducci�n de los recursos energ�ticos provenientes del petr�leo, por lo que el empleo de este recurso se ve comprometido para el futuro, aunado al aumento de la cantidad de veh�culos circulando, as� como, a la industrializaci�n, ha demandado la investigaci�n y desarrollo en la producci�n de combustibles alternativos. A su vez con una visi�n ecol�gica (Gawale y Srinivasulu, 2020)

En el mismo orden de idea, la tendencia al alza de los precios de los combustibles, y a su vez a los inconvenientes causados al medioambientales, que los cient�ficos de todo el mundo alertan sobre el impacto negativo al ambiente producto del uso de combustibles f�siles, donde los veh�culos representa un factor a tener en cuenta. (Solache y Garc�a, 2021)

Del mismo modo, en recientes investigaciones, han determinado que el sistema de transporte de la Uni�n Europea (UE) por ejemplo, generaron 1.097 megatoneladas de emisiones de gases de efecto invernadero en 2017, al mismo tiempo la UE espera lograr la descarbonizaci�n los sistemas de transporte, mediante el aumento del uso de combustibles alternativos, entre las acciones propuestas, as� como la electricidad. En la figura 1 parte izquierda se puede observar la evoluci�n de las emisiones del transporte desde 2005, as� como los objetivos de mitigaci�n para 2030 y 2050, y en el lado derecho las fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero del transporte en la Uni�n Europea en el a�o 2016 (G�mez, 2020)

Asimismo, al considerar los veh�culos como un factor del cual emiten gases contaminantes para el medio ambiente, con las consecuencias que esto trae, para la salud a los seres humanos, gobiernos de todo el mundo ha estado recomendando estrictas normas sobre las emisiones de los veh�culos, por lo que cobra importancia el empleo de combustibles alternativos (Gawale y Srinivasulu, 2020).

 

Fuente: (G�mez, 2020)

Figura 1: Evoluci�n de las emisiones de gases de los veh�culos (izquierda), fuente de emisi�n de gases

 

De este modo, el desarrollo de los biocombustibles, representa una excelente alternativa para disminuir el impacto de las emisiones de gases. sin embargo, se debe tener en cuenta que estos tipos de combustibles presentan diferentes propiedades que pueden aceptar las prestaciones del motor, tal como, las proporciones de los componentes de las emisiones que se ven influenciadas por la procedencia o la proporci�n de etanol/gasolina que se emplean (Zapata et al., 2019)

Con relaci�n a este punto, se ha encontrado que, el uso de etanol en motores de combusti�n interna, presenta muchas ventajas sobre el combustible di�sel convencional. Entre los beneficios incluyen la reducci�n de hidrocarburos no quemados (HC), mon�xido de carbono (CO) y la formaci�n de holl�n. No obstante, existen algunas barreras t�cnicas para el uso directo de etanol en sustituci�n de combustible di�sel debido a las propiedades del etanol, de las cuales se puede mencionar la escasa solubilidad del etanol en el di�sel en climas fr�os, punto de inflamaci�n bajo, al igual que, proveer una �ptima proporci�n condiciones/propiedades de encendido necesarias para el funcionamiento del motor (Saravanan et al., 2020).

No obstante, debido al bajo costo de producci�n de biocombustibles mediante el uso de etanol en los motores de combusti�n interna y por lo tanto en motores di�sel es bajo. Igualmente, el etanol debido a su baja viscosidad puede f�cilmente conseguir una buena homogeneidad en la mezcla aire-combustible (Mat et al., 2019)

Debe se�alarse que para la producci�n de etanol se puede emplear como materia prima la remolacha azucarada, ca�a de az�car, papas y plantas que contengan almid�n, de igual modo, se a empleado con �xito durante un tiempo en algunos pa�ses, como combustibles en motores de combusti�n interna luego de realizar modificaciones t�cnicas menores (Kuszewski, 2018)

Tambi�n, puesto que el etanol tiene un n�mero de cetano muy bajo, en el caso de los motores di�sel no se puede utilizar. En consecuencia, se est� continuamente investigando en combustibles que son mezclas de di�sel con fracci�n de etanol. Entre los combustibles di�sel que contiene hasta un 15% (v / v) de etanol son conocidos como e-di�sel o di�sel oxigenado (Saravanan et al., 2020)

En el mismo orden de idea, se ha investigado y encontrado que el uso de una mezcla de gasolina con etanol, en veh�culos carburados ha mejorado el funcionamiento del motor, aumentando la potencia de este, y se ha reducido los niveles de emisiones de gases contaminantes en motores Otto, sin la necesidad de realizar extensas adecuaciones en el motor (Flores y Gutierrez, 2022)

Se plantea entonces en este trabajo de investigaci�n como objetivo principal evaluar el uso del etanol como combustible alternativo en veh�culos de combusti�n interna para el control y disminuci�n de la emisi�n de gases contaminantes y de efectos invernadero, desde un punto de vista documental y te�rico, en el cual se describir� el estado del arte del empleo de etanol como combustible, las consecuencias desde el una perspectiva t�cnica, de igual modo los beneficios del uso de este en el medioambiente, por lo que se realiz� un an�lisis sistem�tico de la literatura cient�fica, con el prop�sito de reflejar de fundamentos te�ricos acerca de la implementaci�n de los combustibles alternativos derivados del etanol.

 

Metodolog�a

Considerando que el prop�sito de este trabajo de investigaci�n es evaluar el uso del etanol como combustible alternativo en veh�culos de combusti�n interna para el control y disminuci�n de la emisi�n de gases contaminantes y de efectos invernadero, centr�ndose en obtener bases conceptuales acerca del uso del etanol como combustibles por lo se considera este trabajo de investigaci�n lo mismo que una investigaci�n te�rica b�sica (Mej�as, 2005)

Asimismo, teniendo en cuenta que se espera describir los beneficios que presenta el empleo del etanol como combustible alternativo, tal como las consideraciones t�cnicas de su utilizaci�n, se considera esta investigaci�n de tipo descriptiva y al mismo tiempo, transversal y no experimental, debido a que en absoluto se manipulo variables y el an�lisis se enfoca en los actuales momentos. (Hern�ndez et al., 2014)

Dentro de este orden de idea, considerando que este trabajo de investigaci�n pretende plasmar estado actual del conocimiento acerca del uso del etanol como combustible alternativo se valora este trabajo como una investigaci�n de tipo documental, en base a un an�lisis met�dico de las referencias cient�ficas consideradas para el estudio (Bernal, 2010)

En base a lo planteado de anteriormente, y mantener la excelencia acad�mica en la informaci�n desarrollada de este trabajo, la investigaci�n en l�nea se emplearon buscadores de car�cter cient�fico tales como Google Acad�mico, Elsevier, Researchgate, MDPI, Springer, adem�s de que la documentaci�n estudiada obedec�a a los siguientes lineamientos: art�culos de revistas indexadas, de car�cter cient�fico, publicada a partir del 2018, ser tesis de grado, maestr�a o doctorado de universidades, desarrollar contenido acerca del uso del etanol como combustible.

 

Resultados y discusi�n

Considerando que el continuamente ha ido en aumento del consumo de combustible en diversas industrias, especialmente en el sector transporte, adem�s, del continuo aumento del precio de los combustibles de origen f�sil, existe el inter�s de aumentar la proporci�n en el mercado de combustibles alternativo, que sean renovables, y al mismo tiempo que sea ecol�gicos (Saravanan et al., 2020)

Existen estudios que han evaluado las emisiones de motores de combusti�n interna en veh�culos, usando gasolina de diferente procedencia, analizando que para producir gasolina tipo extra con un octanaje de 87, se emplean un 76% de nafta de alto octano y un 24% de nafta de bajo octano para obtener la mezcla, en cambio para producir una gasolina tipo eco, se requiere de un 62% nafta de alto octanaje un 33% de nafta de bajo octanaje y solo un 5% de bio etanol, para obtener una gasolina con 87 octano (P�rez, 2018).

En el mismo sentido, se ha obtenido que con la utilizaci�n de combustibles como el E10 (10% de etanol), es posible reducir los niveles contaminantes en los gases de escape en motores de ciclo Otto carburados, y a su vez, implica que el ciclo de combusti�n que se realiza es m�s limpio. (Flores y Gutierrez, 2022)

Debe se�alarse que, los altos contenido de etanol en las mezclas de combustible di�sel/etanol afecta la inflamabilidad de las del combustible, trayendo como consecuencia la deposici�n del combustible en el cilindro. Por consiguiente, se debe ajustar los par�metros de inyecci�n con el objetivo de mejorar la inflamabilidad de las mezclas. Entre los cuales se puede considerar la masa de inyecci�n, la presi�n de inyecci�n, la duraci�n de la inyecci�n y el momento de la inyecci�n. Sin embargo, a pesar de los ajustes puede que no se puede resolver eficientemente el problema de la inflamabilidad de la mezcla (Mat et al., 2019)

En la figura 2 se puede observar, algunas modificaciones t�cnicas a considerar para el uso de mezclas de gasolina y etanol, en funci�n de la proporci�n de etanol en el combustible.

Se ha conseguido evaluar que el porcentaje de obstrucci�n de la malla de los microfiltros de los inyectores que utilizan la gasolina convencional es mayor si se compara con combustibles mezcla gasolina etanol, puesto que el etanol puede disolver los residuos del combustible que obstruyen la malla de los microfiltros (Rocha y Andrade, 2018)

Igualmente, modificando la relaci�n de compresi�n y la temperatura ambiente se puede mejorar la inflamabilidad de la mezcla di�sel/etanol. Asimismo, aumentar la temperatura mediante la implementaci�n de un sistema de calentamiento de aire o EGR en el motor se logra mejorar la inflamabilidad. En el caso de una mezcla de 50% di�sel, 40% etanol y 10% de �ter met�lico de aceite de palma, la temperatura de admisi�n m�s adecuada es de 350 K, de la misma manera se puede observar en la figura 3 que se disminuye la cantidad de gases como el CO, CO₂, HC y NO_X. (Mat et al., 2019).

 

 

 

 

Fuente: propia a partir de (Padilla-Padilla et al., 2021)

Figura 2: Modificaciones a realiza a los vehicules para acondicionarlos para el uso de mezcla de gasolina/etanol

 

Como se ha comentado anteriormente, el uso del alcohol al tener un �ndice de cetano bajo, el uso en motores de encendido por compresi�n (CI) son necesarios emplear asistente de encendido. Generalmente, los combustibles a base de alcohol se emplean motores de encendido por compresi�n con carga homog�nea o HCCI por sus siglas en ingles. En los cuales se obtienen bajas emisiones de NO_X y holl�n, adem�s de adaptarse a varios tipos de combustibles (Gawale y Srinivasulu, 2020)

En cuanto al rendimiento, se ha probado y comparado en motores de 995 cc, el uso de gasolina y biocombustible E50 (50% etanol, 50% gasolina), dando como resultado que hay una ligera p�rdida de potencia, espec�ficamente en un 14,66% con respecto a la gasolina convencional. Por otro lado, presento un mayor desempe�o en cuanto al consumo, puesto que este fue de 50,51 km/gal en comparaci�n a los 541,67 km/gal de la gasolina convencional. (Celi y Ortega, 2018)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fuente: (Mat et al., 2019)

Figura 2: Emisi�n de gases en motores empleando mezcla combustible gasolina, etanol, �ter de aceite de palma, en funci�n de la temperatura del aire de combusti�n

 

En el mismo sentido, se han determinado mediante ensayo de emisiones est�ticas usando el m�todo NTE INEN 2004 empleando tanto gasolina como bioetanol E50 (50% etanol, 50% gasolina), obteniendo como resultado que se produce mayor cantidad de CO usando gasolina que con bioetanol E50, como se puede observar en la figura 4, en la figura 5 donde se observa que el bioetanol E50 se produce menos cantidad de CO₂ y un comportamiento similar en las emisiones de HC, figura 6 (Celi-Ortega et al., 2018)

 

 

 

 

Fuente: (Celi-Ortega et al., 2018)

Figura 3: Emisi�n de CO en motores usando gasolina y bioetanol E50

 

De igual manera, en sistema de combustibles dual de inyecci�n, es decir sistema donde suministra el etanol u otro alcohol como el metanol, en el m�ltiple de admisi�n y se inyecta di�sel la c�mara combusti�n, se han obtenidos resultados donde se demuestra que el uso de etanol, logra disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero, de igual manera gases contaminantes, bajo diferentes condiciones de carga del motor, y diferentes cantidades de etanol inyectado. En la figura 7 se observa la emisi�n de NO_X (Gawale y Srinivasulu, 2020)

Se ha evaluado el efecto del uso de alcohol como el metanol, etanol, n-butanol y nanoaditivos como el aluminio (Al₂O₃) sobre las caracter�sticas de combusti�n y emisi�n de un motor di�sel de inyecci�n directa, a diferentes cargas de motor y a velocidad constante. Como datos relevantes, se tiene que la incorporaci�n de nanopart�culas de Al₂O₃ a la mezcla de alcohol/di�sel mejoraron significativamente el proceso de combusti�n, adem�s de una disminuci�n del retraso de ignici�n, y aumento de la duraci�n de la combusti�n. En comparaci�n con el combustible di�sel puro, el motor impulsado por combustibles de alcohol / di�sel y nanopart�culas emiti� menos emisiones de CO, HC y humo con una amplitud de reducci�n de 36.2�77.8%, �8.8�10.7% y 24.2�55.6%, respectivamente. (Chen et al., 2022)

 

 

 

 

Fuente: (Celi-Ortega et al., 2018)

Figura 4: Emisi�n de CO₂ en motores usando gasolina y bioetanol E50

 

Existe investigaciones donde se propone la recirculaci�n de gases de escape, con el prop�sito de minimizar las emisiones de motores de encendido por compresi�n que se alimenta con etanol, el cual una parte del gas de escape se extrae del sistema de escape, es enfriado y se redirige de nuevo a la c�mara de combusti�n y a los cilindros. Obteniendo que, al aumentar el nivel de gas de escape recirculado, la emisi�n de NO_X se reduce para todas las condiciones de carga evaluadas, lo que se debe a la reducci�n de la concentraci�n de ox�geno y la disminuci�n de las temperaturas de la llama en la mezcla combustible. En general, la adici�n de gases de escape reduce la liberaci�n de calor de cualquier combustible debido a la presencia de gases quemados, lo tambi�n redujo la liberaci�n de calor (Saravanan et al., 2020)

 

Fuente: (Celi-Ortega et al., 2018)

Figura 5: Emisi�n de CO₂ en motores usando gasolina y bioetanol E50

 

Fuente: (Gawale y Srinivasulu, 2020)

Figura 6: Emisi�n de NO_X en funci�n de la carga y cantidad de etanol inyectado

 

Conclusi�n

En base a la informaci�n analizada acerca del el uso del etanol como combustible alternativo en veh�culos de combusti�n interna para el control y disminuci�n de la emisi�n de gases contaminantes y de efectos invernadero, se puede concluir que el empleo del etanol como combustible alternativo representa grandes beneficio desde el punto de vista econ�mico, puesto que el costo de producci�n es menor que el de la gasolina o di�sel, adem�s el empleo en forma de mezcla gasolina/etanol, di�sel/etanol tambi�n se puede disminuir el costo de producci�n, desde el punto de vista ecol�gico, el uso de etanol reduce la emisi�n de gases de efecto invernadero as� como gases contaminantes. Si bien en algunos casos se necesita realizar ajustes en los sistemas de combusti�n interna de los motores, en la mayor�a de los casos son ajustes menores, o se est�n desarrollando sistemas de combustibles duales, as� como empleo de aditivos para mejorar las prestaciones de estos combustibles, sin dejar de lado el impacto ambiental que representa las emisiones de los motores.

 

Referencias

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� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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