EFECTO DEL CONTENIDO DE AZUFRE DEL COMBUSTIBLE DIESEL EN LAS EMISIONES DE UN MOTOR

DE COMBUSTIÓN

Enrique Posada R.Asesor y Director de Proyectos

EspecialesINDISA S.A.

GENERALIDADES DEL ESTUDIO

• Se llevó a cabo un estudio de emisiones utilizando un motor Isuzu del banco de ensayos del grupo de investigación GIMEL de la Universidad de Antioquia.

• El estudio tenía como finalidad determinar el impacto de trabajar con combustibles diesel mejorados sobre las emisiones de material partículado PM 2.5.

• Se trabajó con tres tipos de combustibles diesel, reportados con contenidos de azufre de 50, 500 y 2100 ppm, cada uno de ello bajo dos condiciones de funcionamiento del motor, a 1770 rpm y a 2420 rpm.

• Cada una de las condiciones se sometió a dos ensayos con el fin de tomar dos muestras de material partículado pm 2.5 para análisis químico con dos tipos de filtro-Teflón y Cuarzo.

>PM10PM2.5 < <PM10

<PM2.5

METODOLOGÍAMonitoreo de PM2.5 en fuentes fijas:

método 201A

Motor estudiado

Equipo de muestreo de MP

Equipo de muestreo de MP que clasifica según tamaños

Estudio con 50 diesel de 50 ppm de S

Velocidad del motor

[rpm]

Carga [Nm]

Acelerador [%]

Consumo de Aire

[Nm3/h]

Consumo de Comb.

[mg/s]

Consumo específicoDe comb. [g/KWh]

Potencia [KW]

T de entrada al

motor [°C]

T de salida del

motor [°C]

T de gases de escape

[°C]

1770 26,0 40,2 96 478 367 4,69 69,03 82,1 344

2420 95,0 73,4 181 1600 239 24,08 78,63 87,2 662

Estudio con diesel de 500 ppm de S

1770 26,0 40,6 98 501 379 4,76 67,16 82,9 366

2420 95,0 72,8 176 1647 248 23,89 80,25 89,2 708

Estudio con diesel de 2100 ppm de S

1770 26,0 41,1 97 513 388 4,75 77,57 85,7 371

2420 95,0 70,9 173 1652 249 23,89 78,83 87,2 706

CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DEL MOTOR

CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN

Velocidad (rpm)

Carga [Nm] O (%) CO [%] CO2 % NOX [ppm] Opacidad [%]

Estudio con 50 diesel de 50 ppm de S

1770 26 16,6 0,03 3,0 542,4 0,06

2420 95 13 0,01 5,58 1459 2,34

Estudio con diesel de 500 ppm de S

1770 26 16,4 0,02 3,2 604 0,2

2420 95 12,6 0,01 5,9 1192 3,78

Estudio con diesel de 2100 ppm de S

1770 26 16,3 0,03 3,28 700 0,3

2420 95 12,5 0,01 5,98 1575 3,4

Es posible apreciar a simple vista como la velocidad del motor influye directamente en la cantidad de gases generados.

RESULTADOS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN

Concentración de azufre en el diesel ppm 50 50 500 500 2.1 2.1

Potencia de operación del motor HP 6.29 32.29 6.38 32.04 6.37 32.04

velocidad o condición del motor RPM 1770 2420 1770 2420 1770 2420

Emisión de PM mayor de 10 µg Kg/ton diesel 4.45 0.42 2.61 0.59 2.69 0.67

Emisión de PM entre 2.5 y 10 µg Kg/ton diesel 2.35 2.61 4.31 0.97 3.14 3.99

Emisión de PM menor de 2.5 µg Kg/ton diesel 3.74 0.98 5.33 0.95 9.92 3.44

Emisión de PM menor de 10 µg Kg/ton diesel 6.09 3.59 9.64 1.92 13.06 7.43

Emisión CO2 Kg/ton diesel 3,638 2,959 3,424 2,746 3,204 3,022

Emisión NOx Kg/ton diesel 65.8 78.7 64.9 56.5 68.3 81.0

Emisión CO Kg/ton diesel 23.2 3.4 15.0 3.0 22.4 3.2

Exceso de aire % 460 147 396 117 362 141

Es posible reconocer en la tabla que el impacto sobre las emisiones de la potencia de operación del motor es mayor que el impacto del contenido de azufre en el diesel.

FACTORES DE EMISIÓN Azufre en el diesel ppm 50 500 2.100 50 500 2.100Velocidad del motor rpm 1.770 1.770 1.770 2.420 2.420 2.420

Consumo de combustible kg/hr 1,72 1,80 1,85 5,76 5,93 5,95

Eficiencia % 22,4 21,7 21,1 34,3 33,1 33,0

Exceso de aire % 460 396 362 146 117 140

Rendimiento equivalente de vehículo km/kg 9,7 9,4 9,1 14,8 14,3 14,2

Potencia mecánica del motor kw 4,7 4,8 4,7 24,1 23,9 23,9

Emisiones de PM 2,5 kg/ton diesel 3,8 5,5 8,8 0,8 0,8 2,5

Emisiones de PM total kg/ton diesel 10,6 12,6 13,9 3,3 2,1 6,0

Emisiones de CO kg/ton diesel 23,3 15,1 23,0 3,4 3,0 3,3

Azufre del combustible emitido como SO2 % 25,6 82,2 95,9 64,5 96,4 76,7

Azufre del combustible emitido como PM 2,5 % 8,7 35,8 60,4 15,8 34,9 31,0

Carbón OC kg/ton diesel 2,234 3,303 5,239 0,275 0,218 0,526

Carbón EC kg/ton diesel 0,060 0,068 0,175 0,293 0,328 0,949

Carbón total kg/ton diesel 2,294 3,372 5,413 0,568 0,547 1,475

Hidrógenos y oxígenos asociados con OC kg/ton diesel 1,191 1,761 2,793 0,147 0,116 0,280

Carbono total y sus O y H asociados kg/ton diesel 3,485 5,132 8,206 0,715 0,663 1,755

Iones kg/ton diesel 0,207 0,267 0,307 0,029 0,038 0,729

Óxidos kg/ton diesel 0,029 0,050 0,155 0,054 0,067 0,040

Azufre kg/ton diesel 0,0132 0,0389 0,0546 0,0043 0,0068 0,2081

BaO kg/ton diesel 0,0044 0,0024 0,1083 0,0193 0,0558 0,0006

Fe2O3 kg/ton diesel 0,0005 0,0018 0,0009 0,0019 0,0010 0,0161

ZnO kg/ton diesel 0,0001 0,0000 0,0300 0,0000 0,0082 0,0000

Nitratos kg/ton diesel 0,0468 0,0554 0,0383 0,0046 0,0036 0,0032

Fosfatos kg/ton diesel 0,0470 0,0031 0,0005 0,0000 0,0007 0,0008

Sulfatos kg/ton diesel 0,0396 0,1166 0,1638 0,0130 0,0203 0,6244

R² = 0,864

R² = 0,509

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

0 500 1.000 1.500 2.000 2.500

Efici

enci

a m

ecán

ica

del m

otor

, %

Azufre en diesel, ppm

Eficiencia % a 1770 rpm, med= 21,73 Eficiencia % a 2420 rpm, med= 33,48

Se observa que no se tuvo impacto sobre el funcionamiento mecánico del motor por haber trabajado con los distintos contenidos de azufre.

Se aprecia que el motor trabajó bastante mejor con altas revoluciones y que en cada velocidad ensayada los rendimientos no se alteran con el contenido de S.

MATERIAL PARTÍCULADO TOTAL (PMtotal)

R² = 0,832

R² = 0,783

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00

Emis

ione

s de

PM t

otal

, g/k

m

Azufre en diesel, ppm

Factor de emisión según estudio de la (UPB) g/km = 0,90

Emisiones de PM total g/km a 1770 rpm, med= 1,32

Emisiones de PM total g/km a 2420 rpm, med= 0,26

Se observa una disminución de las emisiones al trabajar con bajos contenidos de azufre. Estas disminuciones al pasar de trabajar con 2100 ppm a 50 ppm son del orden del 28 % para el trabajo 1770 rpm y del orden del 48 % para el trabajo a 2420 rpm. Igualmente se observa que las emisiones al trabajar a bajas velocidades son del orden de 5 veces más grandes.

MATERIAL PARTÍCULADO PM2.5

R² = 0,980

R² = 0,956

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 500 1.000 1.500 2.000 2.500

Emis

ione

s de

PM 2

.5, g

/km

Azufre en diesel, ppm

Emisiones de PM 2,5 g/km a 1770 rpm, med= 0,65 Emisiones de PM 2,5 kg/ton diesel a 2420 rpm, med= 0,10

Se observa una disminución de las emisiones al trabajar con bajos contenidos de azufre. Estas disminuciones al pasar de trabajar con 2100 ppm a 50 ppm son del orden del 59 % para el trabajo 1770 rpm y del orden del 69 % para el trabajo a 2420 rpm. Igualmente se observa que las emisiones al trabajar a bajas velocidades son del orden de 6.7 veces más grandes.

GENERALIDADES DEL ESTUDIO

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

Emis

ione

s,g/

kw-h

r mec

ánic

o

Potencia mecánica del motor, kw

Emisiones de PM 2,5 kg/kwh a 50 ppm S en diesel, media= 0,79

Emisiones de PM 2,5 kg/kwh a 500 ppm S en diesel, media= 1,14

Emisiones de PM 2,5 kg/kwh a 2100 ppm S en diesel, media= 2,02

Este gráfico muestra el impacto separado del trabajo con los tres tipos de combustibles sobre las emisiones de PM2.5, jugando con las potencias mecánicas del motor (que en este caso están asociadas con la velocidad de giro y las eficiencias, a mayores potencias mecánicas, en estos ensayos, mayores eficiencias y mayores velocidades de giro).

CONCLUSIONES DEL ESTUDIO

Se pudo apreciar mediante los resultados que trabajar con diesel de menor contenido de azufre tiene un impacto directo y positivo en la disminución de las emisiones de PM2.5

El impacto de las condiciones de trabajo del motor puede ser mucho mayor que el del cambio del contenido de azufre en el combustible. Por esta razón es posible establecer que la disciplina de los conductores tiene una influencia muy fuerte en la emisión de contaminantes.

La situación encontrada para el PM total es semejante a la encontrada para el PM 2.5, si bien el impacto del contenido de azufre en el combustible es mayor. Se observa una clara disminución de las emisiones al trabajar con bajos contenidos de azufre.

Es de esperar que la ciudad experimente una sana reducción de las concentraciones de PM 2.5 en el ambiente urbano, dada la importancia de los vehículos diesel en las emisiones. Pero este beneficio puede estar opacado si no se trabaja decisivamente en garantizar altas eficiencias de trabajo en los motores de los vehículos y en el desarrollo de prácticas operativas que eviten la inestabilidad y las bajas velocidades de giro de los motores.

MUCHAS GRACIAS POR SU AMABLE ATENCIÓN