DESARROLLO DEL COMBUSTIBLE HÍBRIDO GASEOSO (GNC +

Cuarto Congreso Nacional – Tercer Congreso Iberoamericano
Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2011
05-232
DESARROLLO DEL COMBUSTIBLE HÍBRIDO GASEOSO (GNC + H2)
EN MOTORES DE TRANSPORTE PÚBLICO Y DE CARGA
Ing. Horacio Trigubó1, Ing. Nicolás Galante2, Ing. Sergio Macchello3, Ing. Roberto Franzi4,
Ing. Carlos Baglioni5
(1) UTN – FRBA, Medrano 951, C.A.B.A., Argentina
(2) UTN – FRBA, Medrano 951, C.A.B.A., Argentina
(3) UTN – FRBA, Medrano 951, C.A.B.A., Argentina
(4) UTN – FRBA, Medrano 951, C.A.B.A., Argentina
(5) UTN – FRBA, Medrano 951, C.A.B.A., Argentina
[email protected]
RESUMEN
La creciente motorización global vehicular, unida a la disminución mundial de las reservas de petróleo
y la imperiosa necesidad de restringir la emisión de gases contaminantes, han impulsado el desarrollo
de combustibles alternativos en reemplazo de los tradicionales.
Por lo mencionado, en el Laboratorio de Máquinas Térmicas de la FRBA/UTN y promocionado por
CNEA-IEDS, se trabajó en el proyecto de utilizar en motores ciclo OTTO un nuevo combustible
gaseoso constituido al mezclar GNC con porcentajes variables de H2 (5 al 30%).
El programa de investigación en el Laboratorio consiste en el ensayo comparativo en dinamómetro de
un motor actual normal de producción al funcionar con combustibles líquido y gaseosos (GNC, GLP y
GNC+H2), verificándose su performance, consumo y emisiones contaminantes, con la premisa de que
en el motor – para optimizar los resultados – se podrán únicamente realizar modificaciones en la
calibración original de los sistemas: encendido, alimentación de combustibles gaseosos y riqueza de
mezcla.
Palabras Claves: combustibles alternativos gaseosos, combustible híbrido GNC + H2, mezcla pobre,
emisiones contaminantes, motor original.
1. INTRODUCCIÓN
En la tabla 1 se observa como se ha potenciado
la utilización de recursos energéticos
renovables y no contaminantes.
1.1 Combustibles alternativos
COMBUSTIBLES
MOTORES USUALES ALTERNATIVOS
Líquidos
Líquidos
Nafta
Alcohol *
Gaseosos
GNC
OTTO
GLP
H2 *
DIESEL
Gasoil
Biodiesel * -----
Tabla 1. Combustibles alternativos
GNC: Gas Natural Comprimido
GLP: Gas Licuado de Petróleo
* Renovables
De los combustibles alternativos mencionados,
se considera al H2 como el combustible del
futuro por su posibilidad de obtenerlo a partir
de recursos renovables y por sus excelentes
propiedades físico-químicas (ver Tabla 2). Sin
embargo, para lograr su uso masivo en los
motores vehiculares, se deberán superar:
- el mayor costo de producción respecto de los
combustibles fósiles y en el que habrá que
incluir la ponderación económica de la
“mejora ambiental”.
- las dificultades que permitan facilitar su
distribución y almacenamiento.
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Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2011
En la actualidad, debido a la magnitud de las
reservas de Gas Natural, como así también su
menor precio de venta, está en pleno auge la
utilización mundial del GNC. Así, en nuestro
país, con 1,8 millones de vehículos que lo
utilizan, ha generado el desarrollo de una
industria de primer nivel en la fabricación de
equipos.
Por las posibilidades y ventajas de su mezcla
con H2 para constituir el nuevo combustible
híbrido
(GNC+H2),
describiremos
las
características fundamentales de ambos:
1.1.1
Gas Natural
Sus ventajas son:
- el bajo costo de la conversión de los motores
ciclo Otto para funcionar con GNC;
- la posibilidad de los motores de trabajar con
relaciones de compresión del orden 13:1,
debido a su elevado número de octano;
- por tener 1 C, el CH4 resulta menos
contaminante en CO y HC, que el iso-octano,
con 8C.
- considerando su densidad y poder calorífico
inferior:
1,2 lt Nafta ~ 1 N m3 GNC ~ 3 N m3 H2
Sus desventajas:
- por la menor velocidad de propagación de la
llama respecto de la nafta, requiere mayor
avance al encendido originando mayor emisión
de NOx;
- por su menor densidad, el gas ocupa más
volumen en el cilindro del motor que la nafta,
ocasionando una pérdida de potencia de
alrededor de un 15%.
1.1.2. Hidrógeno
Es considerado el combustible más promisorio
por:
- su obtención a partir de recursos renovables;
- elevado poder calorífico (120 Mj/kg);
- velocidad de llama cinco veces mayor que la
nafta;
- mínimo valor de energía para su ignición;
- amplio rango de inflamación que permite que
los motores de CI funcionen con mezclas
pobres, disminuyendo el consumo de
combustible y las emisiones contaminantes.
- la combustión del H2, se genera vapor de
agua y NOx.
XX-XX
- el menor poder calorífico inferior en
volumen, genera menos potencia que los
combustibles nafta y GNC.
Propiedades
Densidad
(líquido)
Densidad
(gas 25°C
1 atm)
Aire/Comb.
Estequiomét
(vol.)
Aire/Comb.
Estequiomét
(masa)
Poder
Calorífico
Inferior
Límites de
inflamab.
Energía
mínima de
encendido
Velocidad
de
llama
laminar
(NPT)
Número
Octano
Research
Unidad
H2
Metano
kg/dm
0,07
0,423
kg/ m3
0,083
0,651
---
2,25
(0ºC)
v/v
2,37
4,75
49,2
27,5
m/m
34,3
17,4
14,7
15,6
MJ/kg
120
50
43,5
46
% vol
4- 75
5,3- 15
1- 7,6
1,5 –
15
mJ
0,02
0,29
0,24
---
cm/seg
170
20
37
43
RON
60
120
97
3
Nafta
0,73 0,74
-
GLP
0,54
---
100
Tabla 2*. Propiedades de Hidrógeno, Metano,
Nafta y GLP
* Bosch, Manual de la Técnica del Automóvil.
1.1.3. Mezclas Gas Natural (Metano) +
Hidrógeno
Frente a la futura utilización de celdas de H2
para el accionamiento de vehículos, el
combustible híbrido presenta un mayor
potencial de aplicación en los motores
actuales. El uso de estas mezclas
(comercialmente, denominadas “Hythane”:
Hy-drogen, Me-thane) tiene como objetivo
aprovechar las ventajas complementarias de
ambos combustibles. Éstas son:
• Para obtener buenos resultados en emisiones
y potencia, se agregan cantidades reducidas
de hidrógeno (la experiencia internacional
indica del 20 al 30%).
• Como consecuencia, no incrementa en forma
elevada el costo del combustible.
• Se utiliza el mismo equipamiento del GNC
instalado en el vehículo, de probada
tecnología y menor costo, lo que posibilita
que los motores puedan funcionar con
combustibles líquidos y gaseosos.
2
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• Se considera como una transición hacia el
uso masivo del hidrógeno en vehículos de
transporte.
• Al incrementar el H2 la velocidad de llama
en la mezcla de combustible, disminuyen las
emisiones de HC, de CO y CO2.
• Por el gran rango de inflamabilidad del H2, el
motor puede funcionar con mezclas pobres,
emitiendo menor NOx y disminuyendo su
consumo.
2. PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN
y
Programa
3.1 Comparación Curvas de Potencia de
Nafta, GLP y GNC
Kw
75.00
NAFTA, GLP * Y GN
Comparación de Pote
65.00
55.00
45.00
Nafta Súper YPF
GLP
GNC
35.00
El Grupo de Investigación de la FRBA
planificó el ensayo en dinamómetro de un
motor actual de producción -Volkswagen
modelo Gol- con todos los combustibles
existentes en nuestro ámbito con el que se
efectuaron pruebas comparativas para obtener
potencia, par motor, consumo específico y
emisiones contaminantes.
2.1. Consideraciones
Ensayos
XX-XX
de
- Los ensayos en dinamómetro se efectuaron
según la norma CETIA 3-1 (Comisión
Estudios Técnicos Industria Automotriz
Argentina).
- La medición de las emisiones contaminantes
se realizó antes del catalizador para tener una
lectura real.
- La temperatura de los gases de escape se
midió antes del catalizador.
- Los ensayos de los combustibles líquidos
fueron realizados en el motor con la
calibración de fábrica.
- Para los combustibles gaseosos, se utilizarán
los sistemas de alimentación de combustible
por aspiración e inyección gaseosa.
- Hasta el presente, se ensayaron los siguientes
combustibles:
Naftas Súper “YPF” y “Shell”; Alconafta
“YPF” al 5% y 10% de alcohol (E5; E10);
GLP (Gas Licuado de Petróleo); GNC (Gas
Natural Comprimido); CH4 (Metano); [CH4 +
H2 (5%)] (Metano + 5% Hidrógeno).
3. ENSAYOS EN DINAMÓMETRO
A continuación, se presentan los resultados
energéticos y ambientales de algunos de los
combustibles ensayados.
25.00
--- Nafta Súper
--- GLP
--- GNC
15.00
*Sistema depresión
5.00
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 RPM
Figura 1 Comparación curvas de potencia
Nafta “Súper”, GLP y GNC
Aclaración: Los combustibles gaseosos GNC
y GLP fueron ensayados con el sistema por
depresión ( o aspiración) por lazo cerrado
para el cual. se mantiene (λ) = 1
En el siguiente cuadro (Tabla 3),
presentamos un resumen de los resultados
más significativos de los ensayos
efectuados, con características de los
combustibles utilizados.
Asimismo, adoptando como base (100%) los
resultados obtenidos de la Nafta para el
consumo específico mínimo (3500 RPM),
efectuamos la comparación con los obtenidos
para el GLP y GNC, calculando el rendimiento
térmico total.
Valores
PCI (kj / kg)
N° Octano
λ
N
máxima
(kw)
(5500
RPM)
Ce
mínimo
(gr / kwh)
(3500 RPM)
ηtt
(Ce
mínimo)
NAFTA
"SÚPER"
43500
97
0,85
GLP
GNC
46000
100
1
50000
120
1
70,45
63,98
56,71
287,68
234,45
211,52
100%
+18%
+21%
Tabla 3 Valores comparativos de los ensayos
Nafta, GLP y GNC
N = Potencia
Ce = Consumo específico
3
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En la tabla anterior se observa:
- No obstante que el número de octano del
GNC es muy elevado, se utiliza, en general, en
motores con relación de compresión rc = 10:1.
Se podrían disminuir las emisiones y el
consumo de combustible al utilizarse en
motores dedicados con rc = 13:1.
- Al utilizar un sistema de alimentación de
combustible gaseoso más moderno (λ = 1),
disminuyen el consumo específico y las
emisiones, mientras aumenta el rendimiento
térmico total.
3.2 Sistema por inyección de gases
Es el sistema más moderno utilizado en la
actualidad, por el cual la cantidad de
combustible está determinada por el cálculo
que
efectúa
una
central
electrónica
independiente de la original del motor. Así se
logra un mejor llenado de los cilindros y un
control continuo de la mezcla aire-gas para
disminuir las emisiones.
Con el sistema de inyección de combustibles
gaseosos, se efectuó el siguiente programa de
ensayos:
- Gas Natural Comprimido (GNC)
- Metano (CH4) – Proveedor: Air Liquide
- [Metano + Hidrógeno (5%)] [CH4 + H2 (5%)]
– Air Liquide
Para cada uno de estos combustibles, se
efectuó la determinación de la mejor curva de
potencia a través de la modificación del avance
inicial al encendido (APMS), verificándose
que con 18° se obtenía el valor óptimo,
optimizándose después los tiempos de
inyección de los combustibles gaseosos.
XX-XX
Kw
70.00
500.00
450.00
CH
Curvas Ca
60.00
400.00
50.00
350.00
300.00
40.00
gr / Kw h
250.00
Potenc
30.00
200.00
Consu
Par m
150.00
20.00
100.00
Nm
10.00
50.00
*Sistema in
0.00
0.00
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 RPM
Figura 2 Curvas características CH4
--- Potencia (Kw)
--- Consumo Específico (gr/Kw h)
--- Par motor (Nm)
3.2.2 Curvas características [CH4 + H2
(5%)] - Inyección
Con el fin de adquirir confianza en el manejo
de un gas de alta reactividad, como el H2, se
comenzaron a ensayar mezclas al 5% en
volumen, por lo cual las propiedades de la
mezcla son, principalmente, las del CH4.
Al funcionar el motor con este combustible
híbrido, se verificó nuevamente que 18° APMS
era el valor óptimo para las curvas
características.
3.2.1 Curvas características CH4 – Inyección
Recordemos que en el GNC varían los
porcentajes de sus componentes según el
yacimiento del que proviene (mezclas de
Metano ~ 90%, Etano, Propano, Butano).
Por ello y dado que en la mezcla del
combustible híbrido provista por la empresa
Air Liquide, se utilizaba Gas Metano, se
ensayó el motor con este combustible, para
utilizarlo como referencia respecto a los
ensayos con mezclas de [CH4 + H2], y el GNC.
4
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XX-XX
Kw
70.00
500.00
CH4/ + H2 (5 % ) *
Curvas 500
Características
gr kw h
450.00
60.00
GNC * Comparació
450
400.00
gr / Kw h
50.00
400
350.00
350
300.00
Potencia (Kw)
40.00
Consumo
300 Específico (gr/kw h)
250.00
30.00
Par motor (Nm)
20.00
150.00
200
100.00
150
100
*Sistema inyección
50.00
0.00
0.00
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 RPM
0
1000
--- Potencia (Kw)
--- Consumo Específico (gr/Kw h)
--- Par motor (Nm)
3.2.3 Comparación de potencias y consumos
específico GNC - CH4 - CH4 + H2 (5%) Inyección
De la comparación se observa que no existen
diferencias apreciables entre el CH4 y el
combustible híbrido CH4 + H2 (5%), ya que
este porcentaje de H2 no influye.
Con el GNC, se verifica un menor valor en la
potencia y en el consumo específico.
Kw
75.00
65.00
55.00
18º APMS
50
Figura 3 Curvas características [CH4+H2(5%)]
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
Figura 5 Comparación consumo específico
GNC – CH4 – [CH4 + H2 (5%)]
3.3 Medición de temperatura de gases de
escape y emisiones contaminantes a 3000
RPM para todos los combustibles ensayados
De la tabla 4, surge:
- Las temperaturas de gases de escape
aumentan al pasar de los combustibles líquidos
a los gaseosos por aspiración, incrementándose
cuando se utiliza el sistema de inyección por la
variación λ (de 1 a 0,85).
- De manera coincidente con el incremento de
la4 *temperatura,
GNC * - CH
- CH4 + H2(5% ) * aumenta el valor de NOx (no
Comparación
de Potencia
pudieron
medirse por exceder el rango del
instrumento)
- Las emisiones contaminantes (CO y HC)
disminuyen al utilizar el combustible hibrido.
45.00
GNC
CH4
CH4 + H2 (5%)
35.00
15.00
--- GNC
--- CH4
--- [CH4 + H2 (5%)]
Nm
10.00
25.00
GNC
CH4
CH4 +
250
200.00
--- GNC
--- CH4
--- [CH4 + H2 (5%)]
*Sistema inyección
5.00
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 RPM
Figura 4 Comparación potencias GNC – CH4
– [CH4 + H2 (5%)]
5
*Sistema in
6000 RPM
Cuarto Congreso Nacional – Tercer Congreso Iberoamericano
Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2011
Temperatura
NOx
de gases de CO HC
**
Combustible λ
% (ppm)
escape
(ppm)
ºC
Nafta Súper
0,85
540
2,68 69 >2000
YPF
E 5 YPF
0,85
--
2,8
54
>2000
E 10 YPF
0,85
--
2,96
60
>2000
560
2,46
48
>2000
620
2,11
40
>2000
640
2,13
54
>2000
642
2,08
48
>2000
648
1,88
44
>2000
GLP
1
(Aspiración)
GNC
1
(Aspiración)
GNC
0,85
(Inyección)
CH4
0,85
(Inyección)
CH4 + H2
0,85
(5%)
(Inyección)
Tabla 4 Temperatura de gases de escape y
emisiones contaminantes* a 3000 RPM
* Mediciones antes del catalizador
**
2000 ppm límite medición del
instrumento
4. CONCLUSIONES
Los resultados de los diferentes ensayos
efectuados con los combustibles líquidos y
gaseosos indican:
- Con los combustibles gaseosos, se logra
disminuir el consumo de combustible y las
emisiones contaminantes, a excepción de los
NOx.
- Las experiencias efectuadas con el
combustible híbrido al 5% de H2 incentivan
efectuar ensayos con mayores porcentajes de
H2, para así poner en evidencia la
potencialidad de las características que
presenta este combustible al ser combinado
con GNC.
Las mediciones que habría que efectuar son:
a) Determinar la concentración de H2 para
lograr el punto de equilibrio entre
rendimiento energético y emisiones
contaminantes.
b) Investigar la relación λ, para la cual se
logra la menor emisión de contaminantes,
con un correcto funcionamiento del
XX-XX
motor para diferentes relaciones de la
mezcla (GNC + H2.)
-
Para lo mencionado, el Laboratorio de
Máquinas Térmicas de la FRBA cuenta con
el equipamiento que permite modificar las
variables λ y curva de avance al encendido,
independientemente de la computadora del
motor (ECU), y así optimizar el
funcionamiento del motor con el
combustible híbrido. También permitirá luego de la nueva calibración- que el motor
pueda funcionar con combustible líquido en
su calibración original
5. REFERENCIAS
[1] Lean Burn Natural Gas Spark Ignition
Engines, SAE, EE. UU., 2003.
[2]
Esteban Estévez y otros, Effects of
hydrogen
supplementation
in
the
combustion of natural gas fuelled engines,
Hydrogen Research Institute, Universite du
Quebec, Canadá, 2003.
[3] Jesús Kindelan, El hidrógeno, combustible
en motores, Politécnica de Valencia,
España, 2009.
[4] G. Karim, Hydrogen an additive to
methane for spark ignition engine
applications, Pergamon, EE. UU., 1999.
[5] Roger Sierens, Hydrogen fuelled internal
combustion engines, Universiteit Gent,
Holanda, 2007.
Agradecimientos
Los autores de este trabajo desean agradecer al
Dr. Daniel Pasquevich y a la Dra. Cristina
Fernández de Giorgi, de la CNEA-IEDS
(Instituto de Energía y Desarrollo Sustentable),
a los docentes y alumnos del Laboratorio de
Máquinas Térmicas1, y a los integrantes de los
departamentos de Mecánica y de Ciencia y
Técnica de la FRBA/UTN, que han participado
con nosotros en la realización del trabajo de
investigación
1
Ing. Francisco Hubana, Ing. Martín Rodríguez, Ing. Oscar
Varela, Sr. Néstor Frangi. Alumnos: Germán De Acetis,
Ignacio Corro, Javier González.
6