EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE UN MOTOR DE …
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1 EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN CON MEZCLA DE HIDRÓGENO EN EL PROCESO DE ADMISIÓN DE COMBUSTIBLE EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ FELIPE PARRA AGUDELO SERGIO ALEJANDRO SARMIENTO FORERO UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2020
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EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN CON
MEZCLA DE HIDRÓGENO EN EL PROCESO DE ADMISIÓN DE COMBUSTIBLE EN
LA CIUDAD DE BOGOTÁ
FELIPE PARRA AGUDELO
SERGIO ALEJANDRO SARMIENTO FORERO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2020
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EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN CON
MEZCLA DE HIDRÓGENO EN EL PROCESO DE ADMISIÓN DE COMBUSTIBLE EN
LA CIUDAD DE BOGOTÁ
FELIPE PARRA AGUDELO - 20172375021
SERGIO ALEJANDRO SARMIENTO FORERO - 20172375014
Trabajo de grado presentado como requisito para optar por el título de:
INGENIERO MECÁNICO
Director:
Yisselle Indira Acuña Hereira
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2020
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PÁGINA DE ACEPTACIÓN
NOTA DE ACEPTACIÓN
Yisselle Indira Acuña Hereira.
Director
Jurado
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TABLA DE CONTENIDO
justificación ...................................................................................................................... 9
1. Planteamiento Del Problema ................................................................................... 13
2. Objetivos ................................................................................................................. 14
2.1. Objetivo General .............................................................................................. 14
2.2. Objetivos Específicos ....................................................................................... 14
3. Estado Del Arte ....................................................................................................... 15
4. Marco Teórico ......................................................................................................... 18
4.1. Hidrógeno......................................................................................................... 18
4.2. Generador De Hidrógeno De Celda Seca ........................................................ 19
4.3. Electrólisis ........................................................................................................ 19
4.3.1. Leyes De Faraday ......................................................................................... 20
4.4. Motor De Combustión Interna .......................................................................... 21
4.5. Combustión ...................................................................................................... 21
4.5.1. Estequiometría .............................................................................................. 22
4.5.2. Entalpía De Formación ................................................................................. 22
4.6. Análisis De Gases Vehicular ............................................................................ 23
5. Marco Legal ............................................................................................................ 26
6. Procedimiento Para El Montaje Del Equipo Generador De Hidrógeno ................... 28
6.1.3. Recipiente De Almacenamiento De Electrolito ................................................. 30
6.1.4. Regulador Electrónico De Corriente ................................................................. 30
6.1.5. Celda Generadora De Hidrógeno ..................................................................... 31
6.1.6. Accesorios Y Demás Implementos .................................................................. 32
6.3. Montaje Del Sistema En El Vehículo ................................................................ 36
7. Pruebas De Funcionamiento ................................................................................... 39
7.1. Equipos ............................................................................................................ 39
7.1.1. Analizador De Gases Para Motor De Gasolina De 2 Y 4 Tiempos Ags-688 . 39
7.2. Procedimiento De Pruebas .............................................................................. 40
7.2.1. Prueba De Estanqueidad .............................................................................. 41
7.2.2. Auto Cero ...................................................................................................... 41
7.3. Medición De Datos ........................................................................................... 42
7.4. Resultados De Las Pruebas............................................................................. 44
7.4.1. Datos Sin Celda ............................................................................................ 44
5
7.4.2. Datos Con Celda........................................................................................... 46
8. Análisis De Resultados ........................................................................................... 49
8.1. Dosado ............................................................................................................. 49
8.2. Ralentí .............................................................................................................. 51
8.3. Factor Lambda ................................................................................................. 52
8.4. Variación Dióxido De Carbono ......................................................................... 54
8.5. Variación Monóxido De Carbono ..................................................................... 56
8.6. Variación Hidrocarburos Totales ...................................................................... 58
8.7. Variación Oxigeno ............................................................................................ 60
8.8. Variación De Emisiones En La Ciudad De Bogotá........................................... 62
9. Conclusiones ........................................................................................................... 64
10. Referencias ......................................................................................................... 66
6
ÍNDICE DE FIGURAS figura 1. Índice De La Calidad Del Aire Barrio La Sevillana. Fuente Rmcab 2019 ........ 10
Figura 2. Índice De La Calidad Del Aire Barrio El Tunal. Fuente. Rmcab 2019 ............ 11
Figura 3. Índice Calidad Del Aire Cuidad De Bogotá, Fuente Rmcab 2019 .................. 11
Figura 4. Celda Húmeda Y Celda Seca, Fuente Tecverde.Mex.Tl ................................ 19
Figura 5. Variación Lambda Respecto Al Consumo Y Potencia (Geocities) ................. 25
Figura 6.Sistema De Admisión Sin Modificación. (Motors, 2011) .................................. 29
Figura 7. Esquema Sistema Generador Hho. Fuente Propia ........................................ 29
Figura 8. Tanque De Agua Para Realizar Electrolisis, Fuente Propia ........................... 30
Figura 9. Regulador Electrónico De Corriente, Fuente Propia ...................................... 31
Figura 10. Celda Generadora De Hidrógeno, Fuente Propia ........................................ 31
Figura 11.Sistema De Admisión Con Entrada De Hho( Fuente Propia) ........................ 38
Figura 12. Entrada De Gas Hidrógeno Al Ducto De Aire Del Motor, Fuente Propia ...... 38
Figura 13.Sonda Extracción Analizador De Gases (Caldas, 2016) ............................... 41
Figura 14.Panel De Valores Analizador De Gases. Fuente Propia ............................... 42
Figura 15.Ubicacion Sonda En El Sistema De Escape. Fuente Propia ......................... 42
Figura 16.Visión General Medición Gases. Fuente Propia ............................................ 43
Figura 17.Conexión Cpi-030 Al Bloque Del Motor. Fuente Propia ................................ 43
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Normativa Referente Al Hidrógeno .................................................................. 27
Tabla 2. Características Técnicas Vehículo .................................................................. 28
Tabla 3.Dimensiones Del Deposito ............................................................................... 33
Tabla 4. Especificaciones Técnicas Analizador De Gases ............................................ 39
Tabla 5.Condiciones Atmosféricas Bogotá .................................................................... 40
Tabla 6. Rpm Vs Co2 Sin Celda .................................................................................... 44
Tabla 7. Rpm Vs Co Sin Celda ..................................................................................... 44
Tabla 8. Rpm Vs Hc Sin Celda ...................................................................................... 45
Tabla 9. Rpm Vs O2 Sin Celda ..................................................................................... 45
Tabla 10. Rpm Vs Λ Sin Celda ...................................................................................... 46
Tabla 11. Rpm Vs Co2 Con Celda ................................................................................ 46
Tabla 12. .Rpm Vs Co Con Celda ................................................................................. 47
Tabla 13. Rpm Vs Hc Con Celda .................................................................................. 47
Tabla 14. Rpm Vs O2 Con Celda .................................................................................. 48
Tabla 15. Rpm Vs Λ Con Celda .................................................................................... 48
Tabla 16.Valores Emisiones Ralentí Sin Celda ............................................................. 52
Tabla 17.Valores Emisiones Ralentí Con Celda ........................................................... 52
8
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 1. Rpm Vs Co2 Sin Celda. Fuente Propia ........................................................ 44
Gráfico 2. Rpm Vs Co Sin Celda. Fuente Propia .......................................................... 44
Gráfico 3. Rpm Vs Hc Sin Celda. Fuente Propia ........................................................... 45
Gráfico 4 Rpm Vs O2 Sin Celda, Fuente Propia. .......................................................... 45
Gráfico 5. Rpm Vs Λ Sin Celda. Fuente Propia, ............................................................ 46
Gráfico 6. Rpm Vs Co2 Con Celda. Fuente Propia ....................................................... 46
Gráfico 7. Rpm Vs Co Con Celda. Fuente Propia ......................................................... 47
Gráfico 8. Rpm Vs Hc Con Celda. Fuente Propia ......................................................... 47
Gráfico 9. Rpm Vs O2 Con Celda. Fuente Propia ......................................................... 48
Gráfico 10. Rpm Vs Λ Con Celda. Fuente Propia ......................................................... 48
Gráfico 11.Variación Del Dosado. Fuente Propia. ......................................................... 49
Gráfico 12. Dependencia De La Presión Media Indicada Y Del Consumo Específico
Indicado ................................................................................................................... 50
Gráfico 13. Dosado Con Celda Vs Dosado Sin Celda. Fuente Propia .......................... 51
Gráfico 14.Variación Factor Lambda. Fuente Propia .................................................... 53
Gráfico 15. Λ Con Celda Vs Λ Sin Celda. Fuente Propia .............................................. 53
Gráfico 16.Variación Dióxido De Carbono. Fuente Propia ............................................ 55
Gráfico 17. Co2 Con Celda Vs Co2 Sin Celda. Fuente Propia ....................................... 55
Gráfico 18.Variación Lambda Vs Dióxido De Carbono (Turbomax, S.F.) ...................... 56
Gráfico 19.Variación Monóxido De Carbono. Fuente Propia ......................................... 57
Gráfico 20. Co Con Celda Vs Co Sin Celda. Fuente Propia .......................................... 57
Gráfico 21. Variación Hidrocarburos Totales. Fuente Propia ....................................... 58
Gráfico 22.Variación Lambda Vs Hidrocarburos Totales (Turbomax, S.F.) ................... 59
Gráfico 23. Hc Con Celda Vs Hc Sin Celda. Fuente Propia .......................................... 60
Gráfico 24.Varioción Emisiones Oxígeno. Fuente Propia ............................................. 61
Gráfico 25. O2 Con Celda Vs O2 Sin Celda. Fuente Propia ......................................... 61
Gráfico 26. Variación Emisiones Co A Diferentes Latitudes (Tipanluisa, 2017) ............ 62
Gráfico 27. Variación Emisiones O2 A Diferentes Altitudes. (Tipanluisa, 2017) ............ 63
Gráfico 28.Variación Emisiones Co2 A Diferentes Altitudes (Tipanluisa, 2017) ............ 63
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JUSTIFICACIÓN
La organización mundial para la salud (OMS), establece que el 23% de las muertes
están relacionadas con la contaminación del aire , lo cual representa unos 12,6
millones de muertes al año, generando problemas como: Accidentes
cardiovasculares, cáncer, enfermedades respiratorias crónicas, afecciones
neonatales, entre otras; por esto la OMS establece una serie de parámetros para
reducir estas cifras, en las cuales se evidencian: Reducir el carbono en la generación
de energía, la vivienda y la industria. Cambiar el consumo para reducir el uso de
productos químicos nocivos, minimizar la producción de desechos y ahorrar energía.
Incorporar la salud a todas las políticas para crear entornos más saludables y prevenir
las enfermedades. (World Health Organization, 2015).
Las emisiones antropógenas acumuladas de gases de efectos invernadero (GEI),
desde la industrialización han experimentados en sus niveles de concentración
crecimientos exponenciales de dióxido carbono (𝐶𝑂2), metano (𝐶𝐻4) y oxido nitroso
(𝑁2𝑂), alrededor del 40% de estas emisiones han permanecido en la atmósfera y el
resto removidas de esta y almacenadas en la tierra (plantas y suelos) y en el océano,
Los océanos han absorbido alrededor de un 30% del 𝐶𝑂2 emitido, provocando su
acidificación, adicionalmente desde el año 1750 y 2011 las emisiones de 𝐶𝑂2
antropógenas han sido emitidas en los últimos 40 años.
Con los datos anteriores y las proyecciones realizadas por Intergovernmental Panel
on Climate Change (IPCC), se estima un incremento de la temperatura promedio a
nivel global a lo largo del siglo XXI, olas de calor con mayor frecuencia y duración,
episodios de precipitación más intensos, calentamiento del océano e incremento de
la acidificación del mismo, y el nivel medio del mar continuara elevándose.
(Intergovernmental Panel on Climate Change, 2014)
Con base en las cifras mostradas anteriormente, es de vital importancia determinar
qué procesos generan las emisiones antropógenas, de las que según la Unión
europea, los motores de combustión interna son responsables del 25% de las
emisiones de dióxido de carbono 𝐶𝑂2, 66% de óxido de nitrógeno, específicamente
para motores de combustión interna ciclo otto dentro de sus emisiones el 14%,
corresponde a dióxido de carbono, por ello se deben analizar variaciones de
parámetros del ciclo u otros componentes que generen una reducción en estos
valores, como lo son las celdas generadoras de hidrógeno utilizadas en el sistema de
admisión de combustible, donde diferentes proveedores aseguran altos valores
porcentuales en las reducciones de emisiones, reducción en el consumo de
combustible, entro otros beneficios.
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En la búsqueda de opciones amigables con el ambiente, se ha investigado la utilidad
del hidrógeno como combustible limpio para el reemplazo de los combustibles fósiles
en motores de combustión interna. Se ha utilizado hidrógeno por sus cualidades tales
como su alto número de octano, el cual mide la capacidad antidetonante del
combustible, es decir, la capacidad de no sufrir combustión prematura o detonación
a altos índices de compresión, en comparación a los de la gasolina y el diésel. Otro
aspecto importante es la energía mínima requerida para la ignición, la cual es de
0.017 mJ para el hidrógeno, valor por debajo de otros combustibles como el metano
(0.29mJ) y la gasolina (0.24mJ). Otra de las ventajas de este combustible es su
velocidad de quemado (2.65 m/s y 3.25 m/s), la cual indica que el hidrógeno se quema
rápidamente, es decir, su combustión tiene poca duración. (Santander, 2018)
La ciudad de Bogotá últimamente ha presentado restricciones vehiculares más
largas,
debido a medidas tomadas para disminuir los niveles de emisiones antropógenas, lo
cual genera un fuerte impacto en la economía de la ciudad.
El día 12 de junio a las 17:00 se toman datos de la (RMCAB), Red Monitoreo del aire
de Bogotá, dicha organización utiliza sensores de alta tecnología para medir en
tiempo real la cantidad de material PM 2.5 y PM 10, se toman mediciones de puntos
sensibles de la ciudad y de lugares cercanos a la universidad distrital francisco José
de caldas- facultad tecnológica, los cuales nos dan los siguientes valores:
• La Sevillana, Bogotá, Colombia
Según la figura N°1 se puede concluir que los niños y adultos activos, y personas con
enfermedades respiratorias tales como el asma, deben evitar los esfuerzos físicos
Figura 1. Índice de la calidad del aire Barrio la Sevillana. Fuente RMCAB 2019
11
excesivos y prolongados al aire libre. Debido a que el Índice de calidad del aire es de
119 por lo cual no es saludable para los grupos mencionados anteriormente.
• Tunal, Bogotá, Colombia
Con la figura N°2 se puede concluir que las personas extraordinariamente sensitivas
deben considerar limitación de los esfuerzos físicos excesivos y prolongados al aire libre
ya que como se observa el Índice de calidad del aire es de 53.
• Bogotá, Colombia
Figura 2. Índice de la calidad del aire barrio el Tunal. Fuente. RMCAB 2019
Figura 3. Índice calidad del aire cuidad de Bogotá, Fuente RMCAB 2019
12
En la figura N°3 donde se evidencia en términos generales los valores promedio para la
ciudad de Bogotá se puede concluir que las personas extraordinariamente sensitivas
deben considerar limitación de los esfuerzos físicos excesivos y prolongados al aire libre
debido a que el Índice de calidad del aire es de 53.
Los resultados anteriores muestran el estado crítico de la calidad del aire en Bogotá, y
ampliando más la cobertura de estos datos, se observa que en una zona como la
Sevillana se presentan niveles altos de contaminación y adicionalmente está ubicada
solamente a 4 Km de la Facultad, con base en los datos anteriores se ve la necesidad
de determinar una alternativa para reducir los niveles de contaminación en Bogotá sin
afectar la economía de la ciudad como lo hace el pico y placa extendido, por ello un
alternativa es determinar el comportamiento de un motor de combustión que funcione
con mezcla de hidrógeno en el proceso de admisión de combustible para determinar este
método que reducciones genera en términos de emisión de gases contaminantes y de
consumo de combustible.
Agregar hidrógeno a la admisión hace que la temperatura de la combustión suba con
rapidez, originando una pirolisis controlada que despega, quema, desintegra y elimina
todos los depósitos de carbonilla acumulados en el motor. El hidrógeno se introduce por
la admisión mezclándose con el aire aspirado a través del filtro; en su paso por tuberías
o piezas antes de la cámara de combustión no tendrá ningún efecto, su eficacia se
obtiene en la combustión ya que se elevará la temperatura concentrando el calor en el
centro permitiendo que se quemen los residuos existentes en dicha cámara incluyendo
válvulas, cabezas de inyectores, bujías, cabeza de pistón, sin calentar de más el motor.
Posteriormente todo el calor generado junto con el vapor de agua pasa a formar los gases
de escape que descarbonizarán por efecto de la temperatura y del vapor de agua los
conductos que tengan contacto con estos gases.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Según el informe de la I+D en energía y automoción, a escala mundial el sector del
transporte representa el 25% del consumo mundial de energía, del cual el 95% proviene
del petróleo. Además, el trasporte consume aproximadamente el 62% de los
combustibles fósiles producidos. En este caso el petróleo refinado, ya sea gasolina o
diésel. Tomando en cuenta todos los automóviles del mundo el consumo es
considerablemente elevado, como también las reservas se están agotando. (J. L.
Fernández Nuevo, 2012)
Por la razón anterior se deben empezar a visualizar nuevas opciones respecto al
consumo de combustibles fósiles, por lo cual se genera la iniciativa para determinar la
viabilidad de celdas generadoras de hidrógeno en el sistema de admisión de combustible
en los motores de combustión interna ciclo Otto.
Estas celdas en el mercado ofrecen diferentes valores de operación, por ello se plantea
la determinación de validar si esta modificación al sistema de admisión de gasolina es
verdaderamente efectiva en cuestiones de disminución de consumo de gasolina y de
emisión de gases contaminantes.
Adicionalmente, este trabajo hace parte de las líneas de investigación del grupo de
investigación en energías alternativas (GIEAUD) y su semillero SEA.
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2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GENERAL
Evaluar el comportamiento de un motor de combustión con mezcla de hidrógeno
en el proceso de admisión de combustible en la ciudad de Bogotá
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Establecer el procedimiento para el montaje del equipo generador de
hidrógeno.
• Determinar experimentalmente los valores de emisiones de gases de un motor
de combustión antes y después de instalar el sistema de hidrógeno.
• Analizar los resultados de la implementación de las celdas generadoras de
hidrógeno.
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3. ESTADO DEL ARTE
El primer proyecto relacionado es en el año 2014 en la universidad politécnica salesiana
de la ciudad de cuenca el proyecto curricular de ingeniería mecánica automotriz publica
la tesis de grado titulada “IMPLEMENTACIÓN DE UN GENERADOR DE HIDRÓGENO
DE CELDA SECA EN UN VEHÍCULO CHEVROLET STEEM 1.6L”, donde obtienen las
siguientes conclusiones:
Se concluye que al adicionar gas hidrógeno a la mezcla aire-combustible se puede
disminuir el porcentaje de emisiones contaminantes que se envía al ambiente.
La producción del gas hidrógeno es proporcional al área de las placas y a la intensidad
de corriente que circula por las mismas esto dependerá de la cantidad de solución que
se utilice.
La corriente que circule por las placas no debe ser mayor a 8 amperios, debido a que al
sobrepasar este amperaje el gas que producirá el generador tendrá una alta
concentración de vapor de agua debido a que la temperatura es elevada en las placas.
Entre mayor sea el número de placas negativas va a existir mayor producción de
hidrógeno debido a que en el polo negativo es donde se descompone el hidrógeno del
agua. (ROMERO, 2014)
El segundo proyecto relacionado es INYECCIÓN DE HIDRÓGENO COMO POTENCIAL
MEJORA DE LOS MOTORES ACTUALES este proyecto elaborado por un estudiante de
Ingeniería Técnica Naval de la facultad de neumática de Barcelona este proyecto obtuvo
las siguientes conclusiones.
• Debido a la gran dependencia de la sociedad actual al petróleo y a otros
combustibles fósiles para todo tipo de productos y al consumo a gran escala de
estos como combustible principal para transporte y generación de electricidad, se
han producido graves alteraciones en el medio ambiente e incluso en la economía
mundial.
• A causa de estos efectos sobre el medio ambiente y el cada vez más cercano pico
o agotamiento del petróleo se hace necesario que tanto científicos como
ingenieros investiguen nuevas fuentes de energía renovables y alternativas.
• Una de ellas es el hidrógeno que, aunque aún está en fase de desarrollo, parece
ser uno de los vectores energéticos del futuro. Entre sus principales ventajas está
su gran abundancia en el planeta, siempre combinado con otros elementos, que
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evitaría o reduciría en gran medida los monopolios de las empresas petrolíferas.
Asimismo, mediante procesos como la electrólisis es relativamente fácil su
generación, obteniéndose de manera muy limpia.
En el año 2013 la universidad libre en la ciudad de Bogotá plantea el siguiente proyecto
“EVALUACIÓN TÉCNICA DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA POR IGNICIÓN
UTILIZANDO COMO COMBUSTIBLE MEZCLA DE GASOLINA CORRIENTE CON
HIDRÓGENO AL TREINTA POR CIENTO (30 %) EN VOLUMEN.” En donde tienen como
objetivo estudiar el funcionamiento del motor trabajando netamente con gasolina
teniendo en cuenta el consumo, torque, potencia y observar el porcentaje de
contaminación de los siguientes componentes; hidrocarburo, monóxido de carbono y
dióxido de carbono, en este documento plasman las siguientes conclusiones de sus
análisis:
• Las emisiones del motor utilizando el equipo son notablemente reducidas debido
a la implementación del hidrógeno (foto 28), donde el monóxido se redujo en un
0,20%, los hidrocarburos bajaron 154PPM y el dióxido subió un 2,88% mostrando
una mejor calidad de combustión.
• Los datos de potencia y torque obtenidos en la práctica utilizando gasolina son
menores que los estipulados por el fabricante debido al degaste continuo del
motor durante aproximadamente 17 años y 160.000 Km recorridos, sin embargo,
el motor está en buenas condiciones como su compresión, sincronización,
refrigeración y lubricación para la implementación del equipo. (Rodriguez, 2013)
En la ciudad de Bucaramanga, la universidad UIS, realiza la siguiente investigación
denominada “ANÁLISIS DE UN GENERADOR DE HHO DE CELDA SECA PARA SU
APLICACIÓN EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA”, el cual luego de realizar los
respectivos análisis y pruebas correspondientes, obtienen las siguientes conclusiones:
• En la prueba de gases se observaron mejoras importantes, indicando altos
beneficios de la mezcla de gas HHO - gasolina para el proceso de combustión, en
comparación a la combustión solo con la gasolina. Estos resultados fueron: una
disminución en las emisiones de monóxido de carbono (CO) del 13% al 18%.
• Se obtuvo una disminución en el valor del consumo específico de combustible,
SFC, de 7.3 % al ser adicionado a la mezcla gas HHO, haciendo un análisis a
5000, 6000 y 7000 RPM, lo que corrobora que este sistema disminuye el SFC.
(Diaz, 2017)
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El grupo de investigación GIATME perteneciente a la universidad ECCI en cooperación
con el grupo de investigación DETECAL de la universidad libre realizaron la investigación
denominada “EFECTO DE LA ADICIÓN DE GAS OXIHIDRÓGENO (HHO) EN LA
MEZCLA AIRE/COMBUSTIBLE EN UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA.”,
presentado en el tercer congreso internacional de energía sostenible, llevado a cabo en
la ciudad de Bogotá, presentaron los siguientes resultados:
Los resultados experimentales muestran que la adición de gas oxihidrógeno en la mezcla
aire/combustible en un motor Chevrolet Aveo 1600cc genera una reducción en el
consumo de combustible del 36% a bajas revoluciones (800 rpm) y de un 30 % a altas
revoluciones (2500rpm) para una operación con mezcla gasolina+HHO a 15 A y sin
intervención del sensor de oxígeno cuando se compara con el funcionamiento solo a
gasolina. (GIATME)
En Bogotá existen varias empresas que ofrecen la venta de equipos e instalación del
sistema en los vehículos, algunas de ellas son:
Sistema Ecológico Universal, empresa fundada en el 2009 que ofrece equipos para la
producción de hidrógeno e instalación de estos en los vehículos, donde asegura un
ahorro en combustible del 30% a 35% en motores a gasolina ya sea de carburador o
inyección. Se ofrecen dos kits básicos: 700cc y 1000cc de capacidad de almacenamiento
de agua con los que ofrecen que el rendimiento de la mezcla de 700cc es de 1000 a
1500 km y la mezcla de 1000cc alcanza para recorrer entre 1500 y 2000 km.
dependiendo del estado del motor y el cilindraje del mismo. (Sistema Ecológico
Universal, 2019)
Imsoltec es otra empresa que ofrece un sistema permite reducir los gastos de
combustible del vehículo a un costo muy bajo. Simplemente el vehículo que utiliza un
combustible convencional (diesel, gasolina, GNC o GLP) y cuando se añade una
pequeña cantidad de gas oxi-hidrógeno para la toma de aire del motor, producido por los
generadores de hidrógeno a bordo de la mezcla aire-combustible aumenta la eficiencia
del proceso de combustión y la combustión.
Los sistemas de hidrógeno vehicular de esta empresa dicen que le permite reducir los
gastos de combustible de su vehículo en mínimo un 30%, y las emisiones de gases
mejorando el rendimiento y contribuyendo con la mitigación del cambio climático.
(IMSOLTEC, 2019)
La empresa Hydrogen Advanced Tecnology Fuel Economizer ubicada en la ciudad de
Bogotá ofrece equipos e instalación del sistema generador de hidrógeno, con los que
asegura se obtiene una economía del 20% en ciudad y hasta 35% en carretera, los
equipos sirven tanto para vehículos de carburador como de inyección y el equipo con la
instalación tiene un valor de $867,000
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4. MARCO TEÓRICO
4.1. HIDRÓGENO
El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, pero la mayoría de los
átomos del hidrógeno (H2). Están unidos con otros átomos de carbono y/o oxígeno, si
queremos tener solo átomos de hidrógeno tendremos que separarlos y para ello
necesitaremos gran cantidad de energía.
En la Tierra el hidrógeno se encuentra mayormente. Como agua (líquida, vapor, hielo) o
combinado con otros elementos formando compuestos. Como el metano o gas
natural (CH4), metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm).
La manera más fácil y limpia de obtener hidrógeno. Es mediante la “electrólisis “: se
sumergen dos electrodos en agua. Se aplica electricidad y se obtiene gas hidrógeno. Del
electrodo negativo y oxígeno del positivo. Pero la electrólisis sólo es económica y limpia
cuando la electricidad. Que se utiliza sea obtenida por medios que no contaminen el
medio ambiente. Lo que quiere decir que no lo es tanto actualmente. Ya que la mayoría
de la energía eléctrica que se produce. Está basada en la combustión de combustibles.
Derivados del petróleo, carbón, etc. Se llamaría Hidrógeno “sucio”. A todo aquel
generado por medio de combustibles derivados de combustibles fósiles. (Motor, s.f.)
Según la Resolución número 2604 del 24 de diciembre de 2009 del Ministerio de minas
y energía, de la protección social y de ambiente, vivienda y desarrollo territorial, en el
artículo 5, se considera el hidrógeno como un combustible limpio. En el capítulo III se
definen los límites máximos de emisión permisibles para fuentes móviles en prueba
dinámica para vehículos de servicio público y motores diésel.
El hidrógeno no se encuentra en la naturaleza en su estado fundamental, por motivo de
que este combinado con algunos elementos; es producido a partir de fuentes como es el
agua, gas natural, y con el aporte de energía. Idealmente, la energía aportada sería igual
a la energía contenida en el gas sinterizado. Sin embargo, la producción de hidrógeno a
partir de cualquier proceso implica una transformación de energía. Y por consiguiente las
transformaciones de energía siempre están ligadas a pérdidas de energía. (ROMERO,
2014)
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4.2. GENERADOR DE HIDRÓGENO DE CELDA SECA
También es conocido hidrolizador, celda de hidrógeno o como generador de hidrógeno.
A este tipo de generador se lo conoce como de celda seca, no porque no contenga agua,
si no por el motivo de que la celda es diferente a la celda sumergida en agua.
Al igual que el de celda húmeda tienen el mismo funcionamiento, pero en este caso el
agua circula por la parte interna de la celda; en la Figura 4 se puede observar que a su
izquierda vemos una celda sumergida en agua en su depósito y sus respectivas
conexiones eléctricas y a su derecha se puede observar el de celda seca (fecha azul
indica la entrada de agua y la flecha roja la salida gas hidrógeno).
4.3. ELECTRÓLISIS
En la electrólisis del agua, la electricidad se utiliza para descomponer el agua en sus
componentes elementales: hidrógeno y oxígeno. El dispositivo que se utiliza para llevar a
cabo la electrólisis del agua es una cuba electrolítica, que consta de una serie de células,
cada una con un electrodo positivo y otro negativo. Los electrodos se sumergen en un
electrolito (agua eléctricamente conductora, agregando los iones del hidrógeno,
generalmente bajo la forma de hidróxido alcalino de potasio, KOH) para facilitar la
migración de los iones.
El índice de generación de hidrógeno se relaciona con la densidad de corriente (cantidad
de corriente dividida por el área del electrodo, medida en amperios por área).
Generalmente cuanto más alta es la densidad de corriente, mayor es el voltaje requerido
de la fuente de alimentación, y por tanto mayor será el costo de energía por unidad de
Figura 4. Celda húmeda y celda seca, Fuente tecverde.mex.tl
20
hidrógeno. No obstante, valores elevados de voltaje disminuyen el tamaño de la cuba
electrolítica y por lo tanto dan lugar a un coste menor de la instalación. Las cubas
electrolíticas avanzadas son fiables, con rendimientos energéticos entre 65% y 80%,
funcionan con densidades de corriente en torno a 2000 A/m2. La cantidad de energía
eléctrica requerida para la electrólisis del agua puede compensarse agregando energía
térmica a la reacción. La cantidad mínima de voltaje requerida para descomponer el agua
es de 1.23 V a 25ºC. A este voltaje, la reacción requiere energía térmica del exterior para
producirse. A 1.47 V y la misma temperatura que en el caso anterior, no se requiere
ninguna cantidad de calor aportada. (Tamayo, 2016)
Para obtener hidrógeno en estado puro, es necesario extraerlo de los compuestos en
los que se encuentra combinado, principalmente el agua, los combustibles fósiles y la
materia orgánica (biomasa).
Mediante la electrólisis, el agua se descompone para formar hidrógeno y oxígeno.
Realmente se trata de llevar a cabo el proceso inverso a la reacción de combustión de
hidrógeno.
Como puede observarse, en esta reacción se necesita un aporte energético, que será
suministrado mediante energía eléctrica. El mecanismo de electrólisis es el siguiente: en
una célula electroquímica hay dos electrodos (cátodo y ánodo) unidos por un medio
conductor formado por iones H+ (protones) disueltos en agua. El paso de corriente
eléctrica entre cátodo y ánodo hace que el agua se disocie, formándose hidrógeno en el
cátodo y oxígeno en el ánodo. Más adelante veremos otro tipo de células electroquímicas
(«pilas de combustible») que actúan justamente a la inversa, consumiendo hidrógeno y
oxígeno para producir electricidad y agua.
4.3.1. Leyes de Faraday
Las Leyes de Faraday son fórmulas que expresan de manera cuantitativa las cantidades depositadas en los electrodos. Estas leyes fueron enunciadas por Michael Faraday en 1834.
• 1ª Ley de Faraday de la Electrólisis
La cantidad de masa depositada en un electrodo es proporcional a la cantidad de electricidad que ha circulado por el electrodo
21
• 2ª Ley de Faraday de la Electrólisis
La cantidad de masa depositada de un elemento en un electrodo es proporcional a su peso equivalente (peso atómico dividido entre su número de oxidación)
• 3ª Ley de Faraday de la Electrólisis
La cantidad de electricidad que es necesaria para que se deposite 1 equivalente gramo de un elemento es F = 96500 culombios (constante de Faraday). Como 1 equivalente gramo es igual al peso atómico / nº de oxidación en gramos. (Educa, s.f.)
4.4. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
Los motores de combustión interna son máquinas que obtienen energía mecánica a
través del proceso químico de combustión, resultado de la quema de un combustible
dentro de la cámara de combustión. En principio, el ciclo que rige la mayoría de motores
de combustión interna es el denominado ciclo Otto, comúnmente llamado motor de cuatro
tiempos, el cual precisa de cuatro carreras de pistón (dos vueltas completas de cigüeñal)
para completar el ciclo termodinámico de su combustión. Estos cuatro tiempos se deben
a la admisión, compresión, combustión, y escape (Diaz, 2017)
4.5. COMBUSTIÓN
Una reacción química durante la cual se oxida un combustible y se libera una cantidad
de energía, recibe el nombre de combustión. El oxidante empleado con mayor frecuencia
en los procesos de combustión es el oxígeno presente en el aire. El oxígeno puro, O2,
se emplea como oxidante sólo en algunas aplicaciones especializadas, como el corte y
la soldadura, donde no se puede utilizar aire. En consecuencia, son pertinentes unas
cuantas palabras acerca de la composición del aire.
Cualquier material que pueda liberar energía en el proceso de combustión recibe el
nombre de combustible. La mayoría de los combustibles conocidos se componen
principalmente de hidrógeno y carbono. Reciben el nombre de combustibles
hidrocarburos y se denotan por la fórmula general CnHm. Los combustibles
hidrocarburos existen en todas las fases, y algunos son el carbón, la gasolina y el gas
natural. (Cengel, 2014)
22
4.5.1. Estequiometría La estequiometría es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre los reactantes (oxígeno y combustible) y los productos de la combustión. El balance de estas reacciones depende de la conservación de la masa o el volumen en función del número de moles de cada una de las especies químicas que intervienen en la reacción. En un proceso de combustión ideal de un hidrocarburo, si hay suficiente oxígeno disponible, el carbono y el hidrógeno que componen el combustible pueden ser completamente oxidados en dióxido de carbono yagua. Para un mol de un hidrocarburo genérico formado únicamente por carbono e hidrógeno, el balance de la reacción de combustión completa puede expresarse de acuerdo con la ecuación, en la que se supone que reacciona un mol de CnHm con na moles de 02 (Payri, 2011)
4.5.2. Entalpía de formación
La entalpía de formación de un compuesto se define como la energía necesaria para
formar un mol de dicha sustancia a partir de los elementos que la componen, partiendo
éstos de condiciones estándar. Las condiciones estándar son por convenio 25°C y 1 atm.
Los valores del calor de formación estándar se encuentran tabulados en la literatura. El
signo de entalpía de formación es negativo cuando las reacciones puestas en juego son
exotérmicas y positivo cuando son endotérmicas.
Estas propiedades se utilizarán para determinar la energía generada por la reacción,
determinar la energía necesaria en la electrolisis y la producida por la combustión del
ciclo para determinar la viabilidad del proceso.
23
4.6. ANÁLISIS DE GASES VEHICULAR
En una combustión real nos podemos encontrar varios compuestos:
• No tóxicas: Nitrógeno, Oxigeno, CO2, hidrogeno y vapor de agua.
• Nocivas: Monóxido de carbono CO, Hidrocarburos HC, Óxidos de Nitrógeno, Plomo
y compuestos de plomo Pb, Dióxidos de azufre SO2, hollín, etc.
Un análisis de gases vehicular se utiliza para evaluar la emisión de gases contaminantes
producidos por los motores de combustión interna.
En un análisis de gases vehicular se comparan y analizas gases como monóxido de
carbono, dióxido de carbono, oxígeno e hidrocarburos.
Hidrocarburos HC: son los restos de hidrocarburos sin quemar que salen por el escape.
Se producen por mezclas pobres en Oxigeno Es nocivo, cancerígeno e irritante.
Dependiendo de su estructura molecular, presentan diferentes efectos nocivos. El
Benceno, es venenoso por sí mismo, y la exposición a este gas provoca irritaciones de
piel, ojos y conductos respiratorios; si el nivel es muy alto, provocará depresiones,
mareos, dolores de cabeza y náuseas, también causa cáncer.
Los hidrocarburos que salen del motor sin quemar. La conversión es de 1% =
10000ppm
• HCx = lo que no se quema
• HCx alto = exceso de combustible y falta de oxígeno en la mezcla
• HCx alto = Mezcla rica, si el CO también da un valor alto. Mala combustión de
mezcla pobre. Escape o aceite contaminado.
• HCx bajo = poco combustible y sobra oxígeno
• NORMAL: entre 100 y 400ppm
24
Monóxido de carbono CO: Se produce cuando hay poco oxigeno disponible para la
combustión y por tanto no llega para quemar todo el Carbono del combustible
completamente quedando átomos de carbono unidos a solo un oxigeno formando el CO.
Es letal para los seres vivos ya que por ejemplo en el hombre puede fijarse a la
hemoglobina 5 veces mejor que el oxígeno. Se genera en el interior del motor. En
concentraciones altas y tiempos largos de exposición puede provocar en la sangre la
transformación irreversible de la Hemoglobina, molécula encargada de transportar el
oxígeno desde los pulmones a las células del organismo, en Carboxihemoglobina,
incapaz de cumplir esa función. Por eso, concentraciones superiores de CO al 0,3 % en
volumen resultan mortales.
Se forma siempre que la combustión es incompleta. Valores altos de CO indican una
mezcla rica o una combustión incompleta. El valor correcto está entre 0,5 y 2%, siento la
unidad de medida el porcentaje en volumen.
• CO (menos de 0,5%) = Combustión incompleta, falta de aire o exceso de
combustible (mezcla rica).
• CO alto (Mezcla Rica) = alto nivel de hidrocarburos y bajo de oxígeno =
combustión incompleta.
Dióxido de carbono CO2: Es un excelente indicador de la eficiencia del motor. El motor
funciona correctamente cuando el CO2 está a su nivel más alto, este valor porcentual se
ubica entre el 12-15%.
• CO2 alto = eficiencia en la combustión y buen funcionamiento del motor.
• CO2 bajo = fallas en la combustión o mezcla pobre
Por regla general, lecturas bajas iniciativas de un proceso de combustión malo,
representa mala mezcla o un encendido defectuoso.
25
• Combustión %CO2 = 12% Regular
14% Muy buena
15% Excelente
16% Optima
Un valor de CO2 alto en vehículo con inyección electrónica (gasolina) con mezcla
estequiométrica (valor más alto) alrededor de 14%, en carburador y platino, mucho más
bajo 8 – 12%.
Cuando la combustión es perfecta es todo CO2 y a medida que va siendo incompleta la
combustión va disminuyendo el CO2 y aumentando el CO y HC.
El valor λ el cual nos define la riqueza de mezcla, el cual está determinado como la
relación entre la cantidad de aire real admitido sobre el aire teórico necesario.
Figura 5. Variación lambda respecto al consumo y potencia (Geocities)
26
Para el análisis de este proyecto se contextualiza inicialmente la modificación en el
sistema de admisión mediante el concepto de las celdas generadoras de hidrogeno y los
procesos físicos y químicos que se llevan a cabo en dichas celdas. Para dar lugar al
proceso de combustión que se lleva a cabo dentro de un motor de combustión interna,
lo cual nos da una visibilidad de las emisiones resultantes luego del proceso de
combustión, lo cual será la base del análisis para determinar la viabilidad de la
modificación de sistema de admisión con el sistema de generación HHO, mediante la
comparación de las emisiones.
5. MARCO LEGAL
El trabajo de estandarización en tecnologías del hidrógeno se lleva fundamentalmente
a cabo a nivel internacional. La Organización Internacional de Estandarización (ISO) y
la Comisión Internacional Electrotécnica (IEC) están implicadas. Los estándares
internacionales pueden finalmente convertirse en estándares europeos, con o sin
modificaciones, que reemplazaría cualquier estándar nacional en Europa. A escala
europea, las organizaciones equivalentes son el Comité Europeo de Estandarización
(CEN) y el Comité Europeo de Estandarización Electrotécnica (CENELEC).
El principal objetivo de esta normalización es garantizar la seguridad minimizando los
riesgos evitables hasta un nivel aceptable que pudiesen sufrir las personas y los bienes
expuestos al hidrógeno. Sin embargo, éste no es el único motivo, sino que la
normalización afectará muy positivamente a la introducción de las tecnologías
asociadas al hidrógeno. Por lo tanto, otros objetivos de la normalización serían:
• Eliminar las barreras al comercio internacional permitiendo la pronta
implementación de tecnologías rápidamente emergentes.
• Determinar las especificaciones y características del Combustible Hidrógeno.
• Armonizar los métodos de ensayo y los criterios de calidad para el uso del
hidrógeno en todas sus formas.
• Asegurar la protección del medio ambiente de los daños inaceptables debido
a la operación y a los efectos de procesos y servicios vinculados a H2
(Fernandez, 2016).
27
Normas en
desarrollo Tema
ISO/DIS 13985.3 Hidrógeno líquido –Tanques para vehículos terrestres.
ISO/CD 13986 Tanques para transporte multimodal de H2 líquido.
ISO/DPAS 15594 Instalaciones de carga de hidrógeno para aeropuertos.
ISO/DIS 17268 Hidrógeno gaseoso - Conectores para carga de
combustible para vehículos terrestres.
ISO/DIS 15869
1/2/3/4/5
Hidrógeno gaseoso y mezclas de H2 gaseoso -
Tanques de combustible para vehículos terrestres.
ISO/WD 20012 Hidrógeno gaseoso – Estaciones de Abastecimiento.
ISO/CD 16110.1/2 Generadores de hidrógeno usando tecnologías de
procesamiento
de combustibles.
ISO/CD 22734 Generadores de hidrógeno que emplean procesos de
electrolisis
del agua.
IEC/CD 62282 Tecnologías de Celdas de combustible. (Liaison con IEC
105)
Tabla 1. Normativa referente al hidrógeno
Dentro del marco legal se encuentra que el montaje exige un sistema de seguridad para el sistema generador de hidrógeno, así mismo en caso de almacenar el hidrógeno se requiere un recipiente a presión que cumpla con las normas vigentes. Se aplicó la protección del sistema mediante el uso de un tanque burbujeador de seguridad para evitar que, en caso de ignición del hidrógeno, la llama no pueda llegar a la celda generadora de hidrógeno, Lo cual se referencia en la norma ISO/CD 22734. El tanque a presión no se tuvo en cuenta puesto que el hidrógeno no se almacena.
28
6. PROCEDIMIENTO PARA EL MONTAJE DEL EQUIPO GENERADOR DE HIDRÓGENO
Para el análisis de la implementación de la celda generadora de hidrogeno en el sistema de admisión de un motor de combustión interna, se caracteriza el vehículo donde se proceden a realizar las pruebas, para determinar la disposición de los elementos, la ubicación y el montaje de los mismos La implementación de este sistema es a partir de un prototipo que se comercializando actualmente, por lo cual es necesario analizar aspectos como la distribución ubicación forma del montaje y capacidad de los elementos del sistema
6.1. CARACTERÍSTICAS Y REQUERIMIENTOS DEL MONTAJE
6.1.1. CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO
El vehículo utilizado para las pruebas es una camioneta Pick-Up NISSAN Frontier NP300 Sabanera 4x2 modelo 2020 con las siguientes características:
Características
Tipo combustible Gasolina
Cilindrada (cc) 2.500
Kilometraje (Km) 8.000
Potencia máxima (HP/rpm) 158/6.000
Par torsión máximo (Nm/rpm) 233/4.000
Cilindros 4
Sistema alimentación combustible
Inyección electrónica multipunto
Relación compresión 10-1 Tabla 2. Características técnicas vehículo
Sistema de admisión del motor sin modificación
29
Figura 6.Sistema de admisión sin modificación. (Kia Motors, 2011)
6.1.2. ESQUEMA DEL SISTEMA GENERADOR DE HIDRÓGENO
A continuación, se muestra el esquema del sistema generador de hidrógeno, con sus conexiones y la dirección del electrolito y el HHO.
Figura 7. Esquema Sistema generador HHO. Fuente Propia
30
6.1.3. RECIPIENTE DE ALMACENAMIENTO DE ELECTROLITO
Este depósito contiene la mezcla de agua destilada con hidróxido de sodio al 4% en peso. La función de NaOH es facilitar la electrólisis. Este recipiente sirve para almacenar el electrolito y como protección del sistema, principalmente de la celda en caso de una combustión del hidrogeno en el sistema de admisión antes de llegar al múltiple, pues el hidrogeno entra por la parte inferior del recipiente y sale por la parte superior del mismo, convirtiéndolo en un burbujeador de seguridad de forma que la llama del hidrógeno se arrestaría la llama en el recipiente y no llegará a la celda.
6.1.4. REGULADOR ELECTRÓNICO DE CORRIENTE
Este aparato regula electrónicamente la corriente que puede pasar a la celda para
efectuar la electrólisis, es un componente vital pues evita sobrecarga en el sistema
eléctrico y electrónico del vehículo.
Figura 8. Tanque de agua para realizar electrolisis, Fuente propia
31
6.1.5. CELDA GENERADORA DE HIDRÓGENO
Es el componente más importante del sistema, tiene una conexión por la parte superior que es por donde ingresa el electrolito y al mismo tiempo sale el hidrógeno. Además, están las conexiones eléctricas.
Figura 9. Regulador electrónico de corriente, Fuente Propia
Figura 10. Celda generadora de hidrógeno, Fuente Propia
32
6.1.6. ACCESORIOS Y DEMÁS IMPLEMENTOS
• 2m de manguera de alta presión de 3/8” con capacidad máxima de 300 psi
• 1 acople tipo unión de 3/8”
• 5 abrazaderas de tornillo de acero inoxidable de 1” de diámetro
• 10 tornillos autoperforantes de 1/4” por 3/4” de largo
• terminal tipo unión de 3/8”
6.2. CRITERIOS DE SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES
En este punto no se entra en detalles de diseño pues el objeto del presente trabajo es la evaluación del comportamiento del motor y no el diseño o fabricación de alguno de los componentes. Se presentan los materiales en los que están fabricados o algunas consideraciones relevantes para un óptimo funcionamiento y evitar riesgos que puedan acarrear accidentes o daños fatales en el vehículo.
6.2.1. CELDA GENERADORA DE HIDRÓGENO
El uso de NaOH como uno de los compuestos del electrolito, hace que el mismo sea un agente oxidante por lo tanto los materiales para su fabricación deben ser resistentes a la corrosión. Las placas donde se efectúa la electrólisis son de acero inoxidable 304 puesto que son conductoras de la electricidad y no se corroen, los tornillos con los que se sujetan también son en acero inoxidable, las juntas son hechas con goma vulcanizada y la carcasa está elaborada a partir de poli metil metacrilato (lamina de acrílico) pues no se corroe y no conduce la electricidad. La carcasa está elaborada a partir de varias partes por lo que debe pegarse y ser muy cuidadoso con la revisión de que no presente fugas ni en la unión de sus costados ni en los racores. El cierre debe ser hermético. Para determinar la cantidad de masa producida de gas HHO, se calcula la masa de gas generada en 1 minuto, con una intensidad de 30 A. Para esto se utilizará la ley de Faraday.
𝑚 =𝐸 ∗ 𝐼 ∗ 𝑡
𝐹
Ecuación 1.Ley de Faraday-electrolisis
33
Donde: m= Masa de la sustancia alterada (g) E= Peso equivalente (g/mol) I= Intensidad de corriente (A) t= Tiempo (s) F= Constante de Faraday= 96500 𝐶/𝑚𝑜𝑙
𝑚 =18,015
𝑔𝑚𝑜𝑙
∗ 30𝐴 ∗ 60𝑠
96500𝐶𝑚𝑜𝑙
𝑚 = 0,336 𝑔
Este valor quiere decir que por cada minuto que la celda está produciendo HHO, se consumen 0,336g de electrolito.
6.2.2. DEPÓSITO DE ELECTROLITO
El recipiente también debe ser resistente a la corrosión y no debe ser conductor de la electricidad, por lo que también se fabrica en acrílico y se deben tener en cuenta los mismos criterios usados para la carcasa de la celda, es decir, está elaborada a partir de varias partes por lo que debe pegarse y ser muy cuidadoso con la revisión de que no presente fugas ni en la unión de sus costados ni en los racores. El cierre debe ser hermético y debe contar con una tapa roscada que permita hacer el rellenado cuando el nivel de electrolito sea bajo. Las medidas del recipiente utilizado son las siguientes:
DIMENSIONES DEL DEPÓSITO
Altura (m) 0,1
Ancho (m) 0,05
Largo (m) 0,1
Capacidad (m3) 5𝑥 10−4 Tabla 3.Dimensiones del deposito
A partir del valor de capacidad se calcula la masa de electrolito que cabe en el recipiente.
34
𝑚 = 5𝑥 10−4 𝑚3 ∗1𝑥 106𝑐𝑚3
1𝑚3∗
1𝑔
1𝑐𝑚3
𝑚 = 500𝑔
Dividiendo el valor de la masa de electrolito que cabe en el depósito entre el valor de masa de electrolito transformada en la celda por minuto obtenemos:
500𝑔
0,366𝑔/𝑚𝑖𝑛= 1488.09𝑚𝑖𝑛
Este valor sería equivalente a decir que para que por medio de la electrólisis se consuma la totalidad del electrolito del recipiente, el vehículo debería estar encendido durante 24.08 horas seguidas por lo que con un uso normal de un vehículo particular la capacidad del recipiente es suficiente.
6.2.3. REGULADOR ELECTRÓNICO DE CORRIENTE
El regulador electrónico de corriente debe trabajar en un rango de entre 10-20VDC puesto que entre ese rango se encuentra el voltaje de la batería del vehículo, además tener un fusible de protección y un relevo con capacidad máxima de 30A para evitar sobrecargar el sistema eléctrico y electrónico del vehículo.
6.2.4. COMBUSTIÓN OCTANO
𝐶8𝐻18(𝑙) +25
2𝑂2(𝑔) → 8𝐶𝑂2(𝑔) + 9𝐻2𝑂(𝑙)
∆𝐻°𝑟(𝐶8𝐻18) = ∑ 𝑎 ∗ ∆𝐻°𝑓𝑝𝑟𝑜𝑑 − ∑ 𝑏 ∗ ∆𝐻°𝑓𝑟𝑒𝑎𝑐
= 8 ∗ (∆𝐻°𝑓[(𝐶𝑂2)(𝑔)] + 9 ∗ ∆𝐻°𝑓[(𝐻2𝑂)(𝑙)] − ∆𝐻°𝑓[(𝐶8𝐻18)(𝑙)
= 8 ∗ (−393.5𝐾𝐽
𝑚𝑜𝑙) + 9 ∗ (−285.8
𝐾𝐽
𝑚𝑜𝑙) + 249.9
𝐾𝐽
𝑚𝑜𝑙
= −5470.3𝐾𝐽
𝑚𝑜𝑙
Entalpía molar de combustión de octano Consumo promedio del vehículo = 11.6 Km/l
35
Tomando como referencia una velocidad = 11.6Km/h Obtenemos un consumo de = 1l/h Densidad del octano = 703 g/l Se tiene que el consumo = 703 g/h Peso molecular del octano = 114.23 g/mol Tenemos que el consumo es de 6.154 mol/h Energía producida por combustión del octano en 1 hora
6.124𝑚𝑜𝑙
ℎ∗ −5470.3
𝐾𝐽
𝑚𝑜𝑙= −33665.59
𝐾𝐽
ℎ
Energía requerida para llevar a cabo la electrólisis del agua durante 1 hora. La energía requerida para disociar el agua es de 285 KJ/Kmol Por lo tanto: Masa de agua en 1 hora
0.336𝑔 ∗ 60𝑚𝑖𝑛 = 20.16𝑔
ℎ
Peso molecular del agua= 18.01528 g/mol Energía requerida para disociar el agua durante 1 hora
20.16𝑔ℎ
18.101528𝑔
𝑚𝑜𝑙
∗ 285𝐾𝐽
𝑚𝑜𝑙= 318.93
𝐾𝐽
ℎ
Energía obtenida por combustión de hidrógeno Energía específica de combustión de H2 = 120 MJ/Kg Ecuación balanceada
2𝐻2𝑂 → 2𝐻2 + 𝑂2
36
Quiere decir que de 2 mol de H2O obtenemos 2 mol de H2 A partir de 2 mol de H2O=36.03g de H2O Obtenemos 2 mol de H2= 4gr de H2 Entonces de 20.16g de H2O se obtienen 2.238g de H2. Energía por combustión de H2
120000𝐾𝐽
𝐾𝑔∗
1𝐾𝑔
1000𝑔∗ 2.238
𝑔
ℎ= 268.56
𝐾𝐽
ℎ
El sistema es ineficiente pues por la combustión del H2 se obtiene menos energía que la energía requerida por la celda para llevar a cabo la electrólisis.
6.3. MONTAJE DEL SISTEMA EN EL VEHÍCULO
El vehículo objeto del análisis ya tenía el sistema instalado cuando se hicieron las pruebas, por lo tanto, se enunciarán las recomendaciones del fabricante del sistema.
6.3.1. DEPÓSITO DE ELECTROLITO
El montaje se debe realizar preferiblemente en un lugar accesible para que pueda ser
rellenado y se pueda verificar fácilmente el nivel.
En el conector superior se instala la manguera que se conectará al ducto del aire de
entrada al motor y en el racor inferior va conectada la manguera que va a la celda
generadora de hidrógeno que es el punto más bajo del depósito y que siempre debe
tener el nivel de agua por encima de esa conexión. Se ajustan las conexiones con
abrazaderas.
37
6.3.2. REGULADOR ELECTRÓNICO DE VOLTAJE
Preferiblemente se debe hacer el montaje bajo el capot, anclado a la carrocería del
vehículo y alejado de la computadora o componentes electrónicos pues podría llegar a
generar interferencia.
La conexión eléctrica se debe hacer directamente desde la batería del vehículo y el
positivo va conectado a un relevo, el cual se activa por la señal de corriente de la bomba
de combustible del vehículo. De esta forma la celda solo se energizará cuando la bomba
está enviando combustible a los inyectores y este caso se da cuando el motor está
encendido.
6.3.3. CELDA GENERADORA DE HIDRÓGENO
Se debe montar en la parte delantera del vehículo cerca al radiador para que haya buen
flujo de aire, pues el calentamiento excesivo de la celda puede llegar a que se genere
vapor de agua lo cual es indeseable para el sistema.
La entrada de corriente se debe conectar de la salida de la tarjeta reguladora de corriente. El racor se debe conectar al otro extremo de la manguera que está sujetada al punto más bajo del recipiente con agua y se ajusta con una abrazadera.
38
6.3.4. ENTRADA DEL HIDRÓGENO AL DUCTO DE AIRE
La conexión de entrada del hidrógeno se realiza entre el filtro de aire y el múltiple de
admisión de manera que por la aspiración que ejerce el motor pueda ingresar el
hidrógeno mezclado con el aire, según se ve en el siguiente esquema.
La modificacion nombrada anteriormente se muestra el montaje real en la siguiente
figura.
Figura 12. Entrada de gas hidrógeno al ducto de aire del motor, Fuente Propia
Figura 11.Sistema de Admisión con entrada de HHO ("Elaboración Propia"Adaptado de:Kia Motors, 2011))
39
7. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
7.1. EQUIPOS
7.1.1. Analizador de gases para motor de gasolina de 2 y 4 tiempos AGS-688
Analizador de gases para motor de gasolina AGS-688 utilizado para determinar las diferentes concentraciones de gases contenidos en el escape de coches con encendido asistido, puede ser utilizado ya sea para el control de emisiones en las inspecciones obligatorias, ya sea para mantenimiento ordinario o reparación de coches. El instrumento puede operar de modo estático o dinámico extrayendo el gas de los tubos de escape utilizando la específica sonda suministrada. [12]
Parámetro Escala Unidad Resolución
CO 0 – 9.99 % vol. 0.01
CO2 0 – 19.9 % vol. 0.1
HC hexano 0 – 9999 PPM 1
O2 0 – 25 % 0.01
NOx 0 – 5000 PPM 10
Lambda 0.5 – 5.0 0.001
Revoluciones motor
300 – 9990 min-1 10
Temperatura aceite
20 – 150 °C 1
Tabla 4. Especificaciones Técnicas Analizador de Gases
Aspiración gas de medición 4L/min Tiempo de calentamiento de 20 °C, 10 minutos máx. Tiempo de respuesta CO, CO2 < 15 segundos Cámara de medición: AMB2 Sensores. Control automático del flujo mínimo Control automático sensor O2 agotado (< 5mV).
40
7.1.1.1. Factor lambda
Indica la relación aire combustible λ>1 Carburación rica λ<1 Mezcla pobre λ=1 Mezcla correcta desde el punto de vista químico La relación que utiliza el analizador de gases para determinar el factor Lambda es el siguiente
𝜆 =
[𝐶𝑂2] +[𝐶𝑂]
2+ [𝑂2] + {(
𝐻𝐶𝑉
4∗
3.5
3.5 +[𝐶𝑂][𝐶𝑂2]
−𝑂𝐶𝑉
2) ∗ ([𝐶𝑂2] + [𝐶𝑂])}
(1 +𝐻𝐶𝑉
4−
𝑂𝐶𝑉
2) ∗ {([𝐶𝑂2] + [𝐶𝑂]) + (𝐾1 ∗ [𝐻𝐶])}
Donde:
• K1 Factor de conversión para los HC
• HCV Relación atómica del hidrogeno al carbono en el combustible
• Ocv Relación atómica del oxígeno al carbono
7.2. PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS
El análisis de gases se lleva a cabo en la faculta tecnológica de la universidad distrital francisco José de caldas en la ciudad de Bogotá con las siguientes condiciones atmosféricas
CONDICIONES ATMOSFÉRICAS
Temperatura (°C) Altura (msnm) Presión (KPa)
19 2630 74,66 Tabla 5.Condiciones atmosféricas Bogotá
Luego de realizar el montaje del equipo de mediciones de gases se procede a la toma de mediciones de los valores de emisiones, pero antes de ello se debe proceder por unos pasos de preparación.
41
7.2.1. Prueba de Estanqueidad
Luego del calentamiento del equipo se realiza la prueba de estanqueidad donde se verifica si en el circuito neumático del sistema del analizador de gases se presentan perdidas, las cuales pueden generar variaciones en las medidas.
Para dicha prueba se debe ubicar la punta de la sonda de extracción en el orificio del mango como se muestra en la figura 9.
7.2.2. Auto cero
El sistema absorbe aire del ambiente a través del filtro de carbones activos hacia la cámara de medición interna y realiza otra calibración a cero de la concentración de gases CO, CO2, HC, y a 20.8% Vol. de valor de O2
Luego de realizar los procesos mencionados anteriormente se procede a especificar en el analizador de gases las siguientes variables:
• Tipo de Combustible, para el caso de este análisis corresponde a gasolina
• Numero de Tiempos del motor de combustión interna, para el caso de este análisis
corresponde a 4 Tiempos
• Selección del número de cilindros del motor, para el caso de este análisis
corresponde a 4 cilindros
Figura 13.Sonda extracción analizador de gases (Caldas, 2016)
42
7.3. MEDICIÓN DE DATOS
Las mediciones de las emisiones del vehículo se proceden a registrar cuando este se encuentre en temperatura de funcionamiento y la transmisión se encuentre en neutro.
Se realizarán medidas desde bajas revoluciones ralentí (aproximadamente 700 rpm), incrementando hasta aproximadamente 2500 rpm, para asegurarse en una medición
Figura 14.Panel de valores analizador de gases. Fuente Propia
Figura 15.Ubicacion Sonda en el sistema de escape. Fuente Propia
43
aproximadamente exacta se procede a tomar mediciones aproximadamente 30segundos manteniendo aproximadamente constante las revoluciones del vehículo.
Realizar la conexión del instrumento CPI-030 sonda revoluciones con el bloque del motor
para determinar las revoluciones por minuto al momento de la toma de datos de emisiones de gases.
Figura 16.Visión General medición gases. Fuente Propia
Figura 17.Conexión CPI-030 al bloque del motor. Fuente Propia
44
7.4. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS
7.4.1. DATOS SIN CELDA
RPM CO2
700 13,7
670 13,7
1000 14,2
1320 14,2
1540 14,3
1790 14,4
1950 14,4
2000 14,4
2230 14,4
2500 14,4
Tabla 6. RPM VS CO2 Sin Celda
RPM CO
700 0,01
670 0,01
1000 0,05
1320 0,04
1540 0,1
1790 0,11
1950 0,07
2000 0,08
2230 0,06
2500 0,08
Tabla 7. RPM VS CO Sin Celda
13,6
13,7
13,8
13,9
14
14,1
14,2
14,3
14,4
14,5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
RPM Vs CO2
Gráfico 1. RPM VS CO2 Sin Celda. Fuente Propia
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
RPM vs CO
Gráfico 2. RPM VS CO Sin Celda. Fuente Propia
45
Tabla 9. RPM VS O2 Sin Celda
RPM HC
700 30
670 31
1000 215
1320 271
1540 99
1790 31
1950 24
2000 15
2230 17
2500 7
Tabla 8. RPM VS HC Sin Celda
RPM O2
700 13,4
670 13,7
1000 0,34
1320 0,34
1540 0,16
1790 0,13
1950 0,11
2000 0,1
2230 0,1
2500 0,08
0
50
100
150
200
250
300
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
RPM Vs HC
Gráfico 4 RPM VS O2 Sin Celda, Fuente Propia.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
RPM Vs O2
Gráfico 3. RPM VS HC Sin Celda. Fuente Propia
46
7.4.2. Datos con celda
RPM Λ
700 1,067
670 1,064
1000 1,006
1320 1,004
1540 1,001
1790 1,002
1950 1,002
2000 1,002
2230 1,002
2500 1
Tabla 10. RPM VS λ Sin Celda
RPM CO2
1120 13,7
1530 14,2
1930 14,3
2040 14,3
2080 14,3
2280 14,3
2490 14,2
2550 14,2
2570 14,3
2610 14,3
2930 14,3
3000 14,3
3110 14,2
3230 14,3
Tabla 11. RPM VS CO2 Con Celda
0,99
1
1,01
1,02
1,03
1,04
1,05
1,06
1,07
1,08
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
RPM Vs λ
13,6
13,7
13,8
13,9
14
14,1
14,2
14,3
14,4
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
RPM Vs CO2
Gráfico 5. RPM VS λ Sin Celda. Fuente Propia,
Gráfico 6. RPM VS CO2 Con Celda. Fuente Propia
47
RPM CO
1120 0,03
1530 0,17
1930 0,15
2040 0,29
2080 0,29
2280 0,24
2490 0,44
2550 0,37
2570 0,29
2610 0,35
2930 0,44
3000 0,26
3110 0,45
3230 0,32
Tabla 12. .RPM VS CO Con Celda
RPM HC
1120 118
1530 129
1930 220
2040 320
2080 150
2280 67
2490 50
2550 42
2570 35
2610 32
2930 118
3000 129
3110 220
3230 320
Tabla 13. RPM VS HC Con Celda
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
RPM Vs CO
Gráfico 7. RPM VS CO Con Celda. Fuente Propia
Gráfico 8. RPM VS HC Con Celda. Fuente Propia
0
50
100
150
200
250
300
350
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
RPM Vs HC
48
RPM O2
1120 1,31
1530 0,18
1930 0,15
2040 0,11
2080 0,11
2280 0,11
2490 0,09
2550 0,08
2570 0,08
2610 0,07
2930 0,05
3000 0,07
3110 0,04
3230 0,07
Tabla 14. RPM VS O2 Con Celda
RPM Λ
1120 1,061
1530 0,998
1930 0,998
2040 0,994
2080 0,994
2280 0,995
2490 0,989
2550 0,991
2570 0,994
2610 0,991
2930 0,988
3000 0,994
3110 0,987
3230 0,992
Tabla 15. RPM VS λ Con Celda
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
RPM Vs O2
Gráfico 9. RPM VS O2 Con Celda. Fuente Propia
0,98
0,99
1
1,01
1,02
1,03
1,04
1,05
1,06
1,07
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
RPM Vs λ
Gráfico 10. RPM VS λ Con Celda. Fuente Propia
49
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS
8.1. DOSADO
Se denomina dosado absoluto como la relación másica entre el aire y el combustible para que se pueden dar las condiciones de combustión
𝐹 =𝑚𝑓
𝑚𝑎
Cuando todo el oxígeno y todo el combustible reaccionan sin quedar nada de reactivos, se tiene el valor de dosado estequiométrico Fe, la relación entre el dosado absoluto y el estequiométrico se denomina dosado relativo.
𝐹𝑟 =𝐹
𝐹𝑒
Se maneja un valor reciproco al dosado relativo el cual se referencia en la siguiente ecuación.
𝜆 =1
𝐹𝑟
Los valores tomados están en función del valor λ, se realizará la conversión respectiva para tener los valores en función del dosado relativo.
-2,00
-1,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
950 1150 1350 1550 1750 1950 2150 2350 2550 2750
Variacion % Dosado
Gráfico 11.Variación del Dosado. Fuente Propia.
50
Para un ciclo ideal se obtienen las siguientes tendencias del dosado relativo en función del consumo especifico indicado y la presión media indicada. (Payri, 2011)
La presión media indicada se define como la presión constante que ejerce que se ejerce durante la carrera de expansión ocurrida producida por el trabajo dentro del cilindro.
𝑝𝑚𝑖 =𝑊𝑖
𝑉𝐷
Se definen mezclas ricas (Fr>1) En la gráfica 12 se evidencia para el caso de la sección pmi una tendencia de reducción desde su valor máximo presentado en un valor de Fr=1, con una pendiente mucho mayor para la zona de mezclas pobres, para el caso puntual de análisis tenemos un valor de dosado promedio de uno, para el vehículo cuando no tiene instalado la modificación de HHO en su sistema de admisión de aire-combustible. Para el caso donde se instala el nombrado sistema el valor del dosado se incrementa un promedio de 2% como se observa en la gráfica 11, este incremento implica una ligera
Gráfico 12. Dependencia de la presión media indicada y del consumo específico indicado con el dosado (Payri, 2011)
51
reducción de la presión media indicada y a su vez del trabajo medio indicado en el cilindro. Para el consumo especifico indicado se observa que, en la zona de mezcla rica, (que es el resultado que genero la implementación del sistema de HHO), podemos ver que el consumo indicado tiene tendencia a incrementarse esto se debe a la reducción de la relación de calores específicos en las mezclas progresivamente más ricas y debido a que la energía de las cantidades adicionales de combustible por encima de la estequiométrica no se puede aprovechar como energía en el motor
La variación del dosado se presenta en un incremento promedio del 1% utilizando el
sistema de generación de HHO en el sistema de admisión, a diferentes regímenes de
rotación se observa una variación aproximadamente constante.
8.2. RALENTÍ
La función del control ralentí es evitar la parada del motor cuando la demanda de carga es nula, para esto se actúa sobre la cantidad de combustible introducida en el motor, estableciendo un control de forma que el motor funcione bajo un régimen de rotación constante.
0,88
0,9
0,92
0,94
0,96
0,98
1
1,02
1120 1530 1930 2040 2080 2280 2490 2550 2570 2610
Dosado Relativo
λ Sin celda λ Con Celda
Gráfico 13. Dosado con Celda Vs Dosado Sin celda. Fuente Propia
52
Parámetros Ralentí (700 Rpm) Rpm alto (2500 Rpm)
CO2 13,7 14,4
CO 0.01 0.08
HC 30 7
O2 13.4 0.08
Λ 1.067 1
Tabla 16.Valores Emisiones Ralentí sin celda
Parámetros Ralentí (1120 Rpm) Rpm alto (3000 Rpm)
CO2 13,7 14,3
CO 0.03 0.26
HC 118 32
O2 1.31 0.07
Λ 1.061 0.994
Tabla 17.Valores Emisiones Ralentí Con Celda
A partir de los resultados obtenidos en los análisis, se evidencia una variación en el
comportamiento del motor cuando está en ralentí y eso se debe a que la mezcla HHO es
un combustible que efectivamente se quema en las cámaras de combustión y que se
puede tomar como un exceso de combustible pues es significativo el aumento en los HC
sin quemar cuando la celda está en funcionamiento.
El sistema de admisión del motor no tiene un sensor que logre detectar el ingreso de ese
combustible adicional por lo que con la misma cantidad de aire que está ingresando al
motor se debe quemar la gasolina y la mezcla HHO. Al ingresar más combustible se
incrementan las RPM del motor en ralentí, pero los datos de emisiones nos indican que
se presenta una mezcla rica en combustible reflejado en una disminución significativa de
O2.
8.3. FACTOR LAMBDA
Este valor nos determina la riqueza de la mezcla, para este factor se pueden presentar los siguientes rangos: λ =1: Implica una mezcla estequiométrica λ <1: mezcla rica λ >1:mezcla pobre
53
Al realizar las pruebas sin la modificación del sistema de admisión, se observa que este factor lambda tiende a tener un valor de uno, como se observa en el gráfico 13, luego de realizar la modificación se presenta una reducción de este valor, lo cual implica que se presenta una mezcla rica.
Esta caracterización de la mezcla implica un incremento de combustible en la mezcla, en
el análisis de emisiones de hidrocarburos sin quemar se identificará que este exceso de
combustible no logra aprovecharse adecuadamente al no poder ser quemado en su
totalidad en el proceso de combustión.
-7,00
-6,00
-5,00
-4,00
-3,00
-2,00
-1,00
0,00
1,00
2,00
950 1150 1350 1550 1750 1950 2150 2350 2550 2750
Variacion % λ
Gráfico 14.Variación Factor Lambda. Fuente Propia
0,94
0,96
0,98
1
1,02
1,04
1,06
1,08
1120 1530 1930 2040 2080 2280 2490 2550 2570 2610
Factor λ
λ Sin celda λ Con Celda
Gráfico 15. λ Con Celda VS λ Sin Celda. Fuente Propia
54
En la figura 5, se puede observar una relación directa de la variación del factor lambda
con la potencia generada en el ciclo otto y en el consumo de combustible necesario para
el proceso de combustión, como se mencionó anteriormente la modificación en el
sistema de admisión de aire combustible genero una disminución del factor lambda, lo
cual implica que se obtiene un mayor consumo de combustible al incrementarse la
relación aire combustible y se genera un incremento en la potencia del ciclo.
En cuestión del comportamiento de la variación, inicialmente se tiene una mayor
variación a bajas RPM lo cual hace que en esta parte del proceso se tenga una mezcla
rica, para romper la inercia propia del mecanismo del motor e incrementar la temperatura
del proceso y a medida que se incrementan las revoluciones por minuto el factor lambda
tiende a ser una mezcla estequiométrica debido ya que no se requiere vencer la inercia
del motor y se desea optimizar el consumo de combustible.
8.4. VARIACIÓN DIÓXIDO DE CARBONO
Se tomarán como referencia los datos de emisiones tomados sin utilizar la celda generadora de HHO, para determinar la variación que se presentó al momento de utilizar la celda.
La variación de las emisiones de dióxido de carbono depende de dos parámetros: el tipo de combustible consumido y las condiciones operativas, analizando inicialmente el primer parámetro, en la gráfica 16, se observa que con la disminución del parámetro lambda por la instalación de la celda generadora de HHO se evidencia un incremento en el consumo de combustible, lo cual implica que las emisiones de CO2 son directamente proporcionales al consumo de combustible, este comportamiento de emisiones se presenta hasta las 1500 rpm aproximadamente.
55
Luego de sobrepasar las 1500 rpm las emisiones presentan una tendencia a disminuir hasta el punto de reducir sus valores a los referenciados con el sistema de admisión sin la celda generadora de combustible, este cambio en el comportamiento se debe al cambio de la mezcla aire combustible generado por el sistema HHO, luego de estabilizar el proceso a medida que se incrementan las revoluciones por minuto, este valor de lambda disminuye lo cual implica una mezcla rica llegando a valores de 0.99, como se observa en la gráfica, esta disminución implica una reducción de los valores de emisión de CO2 el cual es el comportamiento que se evidencia en la variación de CO2.
-2,00
-1,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800
RPM
VARIACIÓN % CO2
Gráfico 16.Variación dióxido de carbono. Fuente Propia
13,2
13,4
13,6
13,8
14
14,2
14,4
14,6
1120 1530 1930 2040 2080 2280 2490 2550 2570 2610
CO2
CO2 Sin Celda CO2 Con Celda
Gráfico 17. CO2 Con Celda VS CO2 Sin Celda. Fuente Propia
56
Este comportamiento de disminuir las emisiones de CO2 luego de tener una
estabilización del régimen de rotación alrededor de 2000 rpm, es de vital importancia
para la conservación del medio ambiente, pero cuando se tienen regímenes variables de
rotación como es el caso en el cual vehículo este en constante arranque genera un
incremento significativo de CO2..
8.5. VARIACIÓN MONÓXIDO DE CARBONO
En la gráfica 17 se observa un incremento significativo de las emisiones de CO con el sistema de HHO debido principalmente al incremento del dosado, lo cual genero una mezcla rica, esto tiene en consecuencia un deficiente mezclado del hidrocarburo evaporado con el aire presente en la cámara, no permite el tiempo apropiado a las reacciones de oxidación del combustible, adicionalmente estas emisiones de CO se generan por la disociación de las moléculas de CO2 generado por las altas temperaturas presentadas en la cámara de combustión.
Gráfico 18.Variación Lambda VS Dióxido de carbono (Turbomax, s.f.)
57
Adicionalmente se puede verificar este incremento de las emisiones de CO en la gráfica
16, donde se observa que a medida que el factor lambda disminuye las emisiones de
monóxido de carbono se incrementan.
-200,00
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1000,00
1200,00
1400,00
1600,00
1800,00
950 1150 1350 1550 1750 1950 2150 2350 2550 2750
VARIACIÓN % CO
Gráfico 19.Variación Monóxido de carbono. Fuente Propia
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
1120 1530 1930 2040 2080 2280 2490 2550 2570 2610
CO
CO Sin Celda CO Con Celda
Gráfico 20. CO Con Celda VS CO Sin Celda. Fuente Propia
58
La variación del monóxido de carbono tiene un incremento con la utilización del
generador de HHO en el sistema de admisión, a partir de 1120 rpm se evidencia un
incremento aproximadamente lineal a medida que se incrementa el régimen de rotación,
esto implica el incremento en las RPM incrementaba la deficiencia del mezclado del
hidrocarburo, lo cual incrementaba las emisiones de CO.
8.6. VARIACIÓN HIDROCARBUROS TOTALES
Los hidrocarburos sin quemar se emiten principalmente como consecuencia de la combustión incompleta del combustible, y por tanto su composición resulta extremadamente heterogénea
En la gráfica 18 se observa la variación de emisiones de los hidrocarburos sin quemar,
donde se evidencia un incremento de los valores durante todo el análisis, lo cual implica
que la implementación del sistema HHO en el sistema de admisión del vehículo genera
un incremento en las emisiones de Hidrocarburos totales
Al presentar una mezcla rica se genera un exceso de combustible que no puede.
reaccionar en su totalidad durante el proceso de combustión generando el incremento
de las emisiones de hidrocarburos no quemados, La mezcla al no reaccionar totalmente
se debe principalmente a los siguientes factores:
La gasolina tiene una temperatura de ignición de 260°C (Cengel, 2014) presentada en
aire atmosférico, sin embargo, este valor de temperatura para el hidrógeno es de 580°C
(Cengel, 2014), lo cual implica que cuando se tenga modificación del sistema de
admisión se incrementará el valor masico de hidrogeno en la mezcla lo cual implica que
-50,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
950 1150 1350 1550 1750 1950 2150 2350 2550 2750
Variacion % HC
Gráfico 21. Variación Hidrocarburos totales. Fuente Propia
59
la temperatura de ignición global de la mezcla se incremente, incrementando las
posibilidades de tener una combustión incompleta.
Adicionalmente en el proceso de combustión se debe tener en cuenta una propiedad del
combustible la cual es el calor latente de vaporización, para la gasolina tenemos un valor
350 Kg/KJ (Ferrero, 2006) y para el hidrogeno de 446,7 KJ/KG (Cengel, 2014), lo cual
implica que la mezcla generada con la admisión de hidrogeno se genera un incremento
del valor del calor latente de vaporización de la mezcla, lo cual implica que al momento
de generarse la combustión se presentan facciones de masa liquidas en el cambio de
fase de la mezcla, lo cual implica que estas masas no quemen de manera adecuada
incrementando el valor de hidrocarburos no quemados.
En la gráfica 19, se puede apreciar el comportamiento que tienen las emisiones de
hidrocarburos totales en función del factor lambda, en la modificación del sistema de
admisión se obtuvo una disminución del valor lambda lo cual indica que la mezcla aire-
combustible se volvió más rica.
La grafica nos indica como al disminuir el valor del factor lambda se incrementa el valor
de emisiones de HC lo cual es un comportamiento que se evidencio en los análisis de
gases.
Gráfico 22.Variación Lambda Vs Hidrocarburos Totales (Turbomax, s.f.)
60
La variación de los hidrocarburos totales presenta un incremento general a diferentes
regímenes de rotación. En ralentí se observa un incremento considerable de las
emisiones de HC, esto debido al incremento de la riqueza de la mezcla en este punto,
que tiende a equilibrarse a medida que se incrementan las RPM.
8.7. VARIACIÓN OXIGENO
Este valor de oxígeno en los valores de emisiones implica la cantidad que sobró en el
proceso de combustión, como se evidencia en la gráfica, este valor de emisiones con las
pruebas donde se tenía el sistema de generación de hidrogeno presentó una reducción
significativa, esto implica que se utilizó una mayor cantidad de oxígeno en el proceso de
combustión al generarse una mezcla rica, y adicionalmente esto también genera que se
incremente el valor de emisiones de CO como se mostró en apéndices anteriores.
0
50
100
150
200
250
300
350
1120 1530 1930 2040 2080 2280 2490 2550 2570 2610
HC
HC Con celda HC Sin celda
Gráfico 23. HC Con Celda VS HC Sin Celda. Fuente Propia
61
La variación de O2 Se evidencia una disminución significativa de las emisiones en las
mediciones con la implementación del sistema de generación de HHO, esto debido a la
utilización de una mayor cantidad de oxígeno para compensar el incremento de
combustible en la mezcla, pero a medida que se incrementa el régimen de rotación la
variación se tiene a estabilizar.
-120,00
-100,00
-80,00
-60,00
-40,00
-20,00
0,00
20,00
40,00
950 1150 1350 1550 1750 1950 2150 2350 2550 2750
Variación % O2
Gráfico 24.Varioción Emisiones Oxígeno. Fuente Propia
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
1120 1530 1930 2040 2080 2280 2490 2550 2570 2610
O2
O2 Sin celda O2 Con celda
Gráfico 25. O2 Con Celda VS O2 Sin Celda. Fuente Propia
62
8.8. VARIACIÓN DE EMISIONES EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ
La concentración másica de oxígeno en el aire admitido disminuye con la altitud, bajo esta premisa, con parámetros de admisión constantes, se encuentran mezclas pobres en lugares con latitudes bajas, debido a que se admite la misma cantidad de combustible, pero la cantidad de aire admitida es mayor. En lugares de menor altitud se presentan mayores temperaturas por lo cual la densidad del combustible disminuye, en función de esto el volumen del cilindro se mantiene constante por lo cual la cantidad másica de combustible que ingresa al proceso de combustión es menor por lo cual se genera una mezcla pobre respecto a una ciudad de mayor altitud. Como se menciona anteriormente a mayor latitud se presenta menor concentración de oxígeno en la admisión de aire-combustible, lo cual implica que se tenga menor cantidad de exceso de oxígeno en el proceso generando una mayor concentración en las emisiones de CO a mayor latitud, como se muestra en el siguiente gráfico.
En el grafico anterior se observa un análisis de emisiones a dos latitudes a un régimen
de rotación constante en ralentí, el incremento de las emisiones de CO a una altura de
2860 m.s.n.m, la cual podría ser una altura aproximada a Bogotá respecto a una altura
de 15 m.s.n.m podría ser una aproximación de una ciudad como Cartagena
Respecto a las emisiones de O2 se incrementan a menor latitud debido a que existe un
exceso de aire, debido a una mezcla pobre respecto a las generadas en mayores
latitudes, dicho comportamiento se presenta en la siguiente grafica
Gráfico 26. Variación emisiones CO a diferentes latitudes (Tipanluisa, 2017)
63
Debido que la densidad a menor latitud se incrementó por efecto de la temperatura y al
mantener el volumen del proceso constante, se trabaja en el ciclo con una cantidad
menor de combustible, debido que las emisiones de CO2 son directamente
proporcionales al consumo de combustible, se presenta una reducción de estas
emisiones a una menor altitud
Gráfico 27. Variación emisiones O2 a diferentes altitudes. (Tipanluisa, 2017)
Gráfico 28.Variación emisiones CO2 a diferentes altitudes (Tipanluisa, 2017)
64
9. CONCLUSIONES
Se implementó un sistema de HHO en un motor de 2500 cm3 donde se registraron las emisiones respecto a las RPM generadas. Realizando pruebas con el sistema de admisión estándar del vehículo y con la modificación del sistema de HHO se evidenció para el factor lambda una disminución en un 7% a 1500 RPM(Gráfico 14), pero luego de incrementar el régimen de rotación, se estabiliza la variación hasta una disminución promedio de 1%, lo cual implica que la adición del gas HHO en el sistema de admisión genera una mezcla más rica en el proceso respecto a la mezcla adicionada sin modificaciones, por lo tanto se obtiene un incremento en la potencia del ciclo pero también se presenta un incremento en el consumo de combustible. El dióxido de carbono presenta un incremento de 3,5% a 1500 RPM(Gráfico 16) con la implementación del sistema de HHO lo cual implica un incremento en el consumo de combustible, Para el caso del monóxido de carbono se presentó un incremento significativo lo cual implica una combustión incompleta en el proceso y adicionalmente este incremento no es deseado por sus efectos medio ambientales). Los valores de Hidrocarburos totales presentan un incremente durante todo el proceso de implementación del sistema generador de HHO, esto se genera al presentar una disminución de factor lambda se presenta una mezcla rica la cual genera un exceso de combustible el cual no puede reaccionar en su totalidad generando el incremento de estas emisiones). La disminución de las emisiones de oxígeno implica que se utilizó una mayor cantidad de oxígeno en el proceso de combustión al incrementarse la riqueza de la mezcla, pero al presentarse un exceso de combustible que no reacciono en su totalidad este exceso de oxígeno genera un incremento en las emisiones de monóxido de carbono. El incremento del dosado en el sistema de admisión implica un incremento en la presión media ejercida sobre la carrera de expansión del cilindro, al mantenerse contante el volumen de este, el trabajo neto sobre el eje presenta un incremento lo cual repercute en un aumento de la potencia. El motor en ralentí con la celda funcionando tuvo una variación significativa aumentando un 62% el valor de las RPM(51), y en los gases de escape se evidencio una mezcla rica en combustible por su aumento en las emisiones de CO y disminución en el valor del CO2, este fenómeno se presentó por que la admisión del motor no se compenso la entrada de aire al aumentar el ingreso combustible y también debido a la altura de la ciudad de Bogotá donde la presión atmosférica es baja lo cual produce que el ingreso de oxígeno por unidad de volumen sea menor.
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A medida que se incrementaron gradualmente las RPM durante el análisis, se pudo observar que la implementación del sistema generador de hidrogeno en la admisión presentó un comportamiento significativamente diferente en las emisiones a bajas revoluciones respecto a las emisiones sin el sistema de HHO a los mismos regímenes de rotación. Se presentó una disminución del factor lambda de 7% a 1530 RPM(Gráfico 15)Gráfico 14, lo cual implicó un incremento del CO2 en un 3.5%(Gráfico 17) en el mismo valor de RPM, un incremento del 416%(Gráfico 23) en las emisiones de HC esto debido al enriquecimiento de la mezcla, la cual no pudo ser compensada generando el incremento de los valores anteriormente enunciados. A medida que el régimen de rotación se incrementó, los valores presentaron una tendencia a igualar a los valores generados por el vehículo sin la implementación del sistema generador de HHO. El montaje de los componentes en el vehículo se hizo con las debidas protecciones de los sistemas eléctricos, electrónicos y de admisión, y no se presentaron inconvenientes o interferencias con el funcionamiento normal del motor o sus sistemas fundamentales permitiendo concluir que la selección de componentes, armado y montaje se efectuaron correctamente.
Con respecto a otros estudios realizados se tiene en común que la implementación del
sistema de generación de hidrógeno enriquece la mezcla y a causa de esto disminuyen
las emisiones de O2 y aumentan las emisiones de CO. De forma contraria ocurrió con
las emisiones de HC que para nuestro caso aumentaron con la celda en funcionamiento.
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10. REFERENCIAS
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