Morfología y composición de las partículas emitidas por los

MORFOLOGIA Y COMPOSICION QUIMICA DE LAS
PARTICULAS EMITIDAS POR LOS AUTOMOTORES A DIESEL EN LOS
GRANDES CENTROS DE POBLACION DEL PAIS
Ing. Gabriel López Vidal, Ing. Abraham Estrada Flores.
Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Central Lázaro Cárdenas No. 152 Col. San Bartolo Atepehuacan,
C.P.07730, Tels ( 5 ) 333-8354 y 333-8350, Fax ( 5 ) 3689226, Correo electrónico: gvidal @imp.mx.
RESUMEN
En la República Mexicana los automotores arrojan al aire ambiente de los centros de
población entre 70% a 80 % de los contaminantes emitidos, lo cual depende si la ciudad
es Mediana o un gran centros de población (Zona Metropolitana de la Ciudad de México,
Guadalajara y Monterrey), en específico los principales contaminantes emitidos son
Monóxido de carbono, Hidrocarburos, Oxidos de Nitrógeno, Hidrocarburos precursores
de Ozono, Tóxicos (1,3 Butadieno, Benceno, aldehídos y Cetonas), Partículas
(constituidas de Hidrocarburos Policiclicos Aromáticos, Sulfatos y Trazas de elementos)
entre otros, dichos contaminantes interactuan entre si o con otros elementos y en
presencia de luz solar dan origen a contaminantes secundarios, en tal contexto cada vez
se hace necesario el desarrollar estudios y proyectos de investigación tendientes a
conocer la problemática ambiental en dichos centros de población para con ello
desarrollar programas y acciones específicas que disminuyan en gran medida el impacto
ambiental producido por los vehículos en circulación.
Es importante destacar que los automotores ( gasolina y diesel ) emiten en la Zona
Metropolitana de la Valle de México ( ZMVM ) el 75 % de los contaminantes arrojados a
la atmósfera, en específico las partículas emitidas anualmente son 20,000 Toneladas, las
cuales representan cerca del 5 % del total, sin embargo, su grado de Toxicidad y la
exposición de personas asociadas a este sector es mucho más elevado que las
partículas provenientes de fuentes naturales.
Hasta hace algunos años las partículas emitidas por los motores a diesel no se
consideraban de gran importancia, pero bases científicas, planteaban la necesidad de
caracterizar física, química y biológica, el efecto de estas en el medio ambiente, hoy en
día dado su diminuto tamaño y su composición en gran medida representan un factor de
toxicidad por estar constituidas principalmente de Hidrocarburos Policiclicos Aromáticos
(HPA) de los cuales los Pirenos, Fenantrenos y Antracenos, compuestos que
potencialmente son precursores de cáncer en seres humanos.
INTRODUCCIÓN
Problemática actual.
En la República Mexicana los automotores arrojan al aire ambiente de los centros de
población de un 70% a 80 % de los contaminantes, lo cual depende si la ciudad es
Mediana o un gran centro de población (Zona Metropolitana del Valle de México,
Guadalajara y Monterrey), en específico los principales contaminantes emitidos son
Monóxido de carbono, Hidrocarburos, Oxidos de Nitrógeno, Hidrocarburos precursores
de Ozono, Tóxicos (1,3 Butadieno, Benceno, aldehídos y Cetonas), Partículas
(constituidas de Hidrocarburos Policiclicos Aromáticos, Sulfatos y Trazas de elementos)
entre otros, dichos contaminantes interactuan entre si o con otros elementos y en
presencia de luz solar dan origen a contaminantes secundarios, en tal contexto cada vez
se hace necesario el desarrollar estudios y proyectos de investigación tendientes a
conocer la problemática ambiental en dichos centros de población para con ello
desarrollar programas y acciones específicas que disminuyan en gran medida el impacto
ambiental producido por los vehículos en circulación.
Es importante destacar que los automotores ( gasolina y diesel ) emiten en la Zona
Metropolitana del Valle de México ( ZMVM ) el 75 % de los contaminantes arrojados a la
atmósfera, en específico las partículas emitidas anualmente son 20,000 Toneladas, las
cuales representan cerca del 5 % del total, sin embargo, cabe señalar que su grado de
Toxicidad y la exposición de personas asociadas a este sector es mucho más elevado
que las partículas provenientes de las fuentes naturales, ver figura 1.
CONTRIBUCION A LAS EMISIONES POR SECTORES
EN LA ZMVM
TRANSPORTE
75.0%
SERVICIOS
10.0%
INDUSTRIA
3.0%
VEGETACION
12.0%
FUENTE: PROAIRE 1995-2000.
Figura1
Debido a la altitud de la ZMVM ( 2240m SNM ) existe una reducción en la concentración
de Oxigeno del 23 %, lo cual propicia que los procesos de combustión a esta altura no
sean eficientes, en el caso específico de los automotores a diesel se incrementa la
emisión de partículas, el cual depende de la tecnología de los motores en uso, con
respecto a los Oxidos de Nitrógeno ( NOx ), estos aumentan debido a el proceso
termódinamico de los motores diesel.
Hasta hace algunos años las partículas emitidas por los motores a diesel no se
consideraban de gran importancia, pero bases científicas, planteaban la necesidad de
caracterizar física, química y biológica, el efecto de estas en el medio ambiente, hoy en
día dado su diminuto tamaño y su composición en gran medida representan un factor de
toxicidad por estar constituidas principalmente de Hidrocarburos Policiclicos Aromáticos
(HPA) de los cuales los Pirenos, Fenantrenos y Antracenos son potencialmente
precursores de cáncer en los seres humanos.
En tal sentido el presente estudio tiene la finalidad de emplear infraestructura y
metodologías de punta implementadas en el Instituto Mexicano del Petróleo para el
muestreo de partículas emitidas por los motores diesel a una altura de 2240 M SNM,
determinar el tamaño de partícula, su morfología y composición química. Con el objetivo
de desarrollar técnicas cualitativas y cuantitativas que ayuden a las autoridades
ambientales en la toma de decisiones para implementar tecnologías de vanguardia en
los vehículos nuevos a diesel comercializados en nuestro país, implementación de
sistemas reductores de emisiones en los automotores a diesel en usos y suministrar a
Petróleos Mexicanos información actual y confiable para el desarrollo de programas en
materia de reformulación de combustibles e incentivar el uso de vehículos particulares y
camiones ligeros con motor diesel.
Emisiones de los motores Diesel
El motor a diesel fue patentado en 1892 por Rudolf Diesel, el cual presentaba ventajas
en la eficiencia de consumo de combustible comparado con los motores por ignición de
bujía. Actualmente, en los Estados Unidos de Norteamérica y en nuestro país los
automotores a diesel son ampliamente usados en camiones, autobuses, aplicaciones en
agricultura, y equipos fuera de carretera ( locomotoras, embarcaciones marinas,
generadoras de electricidad y diversas aplicaciones estacionarias ).
Los motores a diesel han demostrado tener ventajas en economía de combustible y
durabilidad, pero emiten en gran medida emisiones de Oxidos de nitrógeno ( NOx ) y
partículas de carbón en comparación con los motores a gasolina. Actualmente y gracias a
las modificaciones de los componentes internos de los motores diesel se han reducido
sustancialmente las emisiones gaseosas y de partículas.
El motor a diesel funciona por comprensión de aire a alta presión y temperatura, cuando
el combustible es inyectado en la cámara de combustión y el aire se encuentra
comprimido, enciende, transformando la energía química en movimiento, los gases
quemados se expanden originando que trabaje el embolo, para posteriormente emitir las
emisiones de escape. La potencia de salida es controlada por la cantidad de combustible
inyectado proporcional a la admisión de aire, los motores a diesel desarrollan una
eficiencia superior debida a su alta relación de compresión.
Tanto el combustible diesel como los aceites lubricantes que se emplean en los motores
a diesel actualmente cumplen requerimientos de calidad elevados e incorporan aditivos
químicos que confieren a éstos propiedades superiores. El combustible diesel es una
mezcla de diferentes moléculas de hidrocarburos que comprenden desde el C 7 a C 35, con
un rango de ebullición que va de 177 °C a 343 °C, cabe señalar que la composición del
combustible diesel y los lubricantes tiene efecto directo en el desempeño del motor,
mantenimiento y emisiones de escape. Por ejemplo una reducción en el contenido de
aromáticos, azufre y volatilidad tiene efecto directo en la reducción de las emisiones de
escape ( Ullman, 1989 ).
Las emisiones de escape son influenciadas por la combustión completa o incompleta del
combustible y el aceite lubricante, ambos pueden dar origen a mezclas en gases con
partículas de carbón de bajo peso molecular. Los compuestos orgánicos de alto peso
molecular son absorbidos, en la tabla 1 se listan las emisiones de la combustión del
diesel y los productos de sus reacciones en la atmósfera.
TABLA 1.- COMPONENTES EMITIDOS POR LOS MOTORES DIESEL Y SU
TRANSFORMACIONES
EN LA ATMOSFERA.
COMPONENTE EMITIDO
A.- EMISION
DIOXIDO DE CARBONO
MONOXIDO DE CARBONO
OXIDOS DE NITROGENO
DIOXIDO DE AZUFRE
HIDROCARBUROS
ALCANOS ( ≤ C18 ).
ALCANOS ( ≤ C 4 )
(P.E. 1,3 BUTABIENO)
ALDEHIDOS
FORMALDEHIDO
ALDEHIDOS DE ALTO PESO
MOLECULAR ( P.E. ACROLEINAS )
COMPUESTO AROMATICOS DE UN
ANILLO
BENZENICO
(
BENZENO,
TOLUENO )
PAH ( ≤ MENOR DE 4 ANILLOS )
( FENANTRENO, FLUORANTRENO )
NITRO-PAH( 2 0 3 ANILLOS )
( NITRONAFTALENOS )
TRANSFORMACION EN LA ATMOSFERA
EN FASE VAPOR
ACIDO NITRICO, OZONO
ACIDO SULFURICO
ALDEHIDOS, NITRATOS ALQUILADOS,
CETONAS.
ALDEHIDOS Y CETONAS
MONOXIDO DE CARBON, RADICALES
PEROXIDOS.
PEROXIACETIL NITRATOS ( PAN )
HIDROXILATO Y DERIVADOS DE NITRO
OXILATO
NITRO-PAHs ( ≤ MENOR DE 4 ANILLOS ).
QUINONAS Y DERIVADOS DE NITRO
OXILATOS
B.- PARTICULAS FASE GAS
CARBON ELEMENTAL
SULFATOS INORGANICOS
HIDROCARBUROS ( C 14 a C 35 )
PAH ( ≥ 4 ANILLOS )
( PIRENO, BENZO (a)PIRENO )
NITRO-PAH ( ≥ 3 ANILLOS )
POSIBLEMENTE ALDEHIDOS, CETONAS
Y ALQUIL NITRATOS
NITRO-PAHs (≥
≥ 4 ANILLOS )
NITRO-PAH LACTANOS
DERIVADOS DE NITRO HIDROXILATOS
( NITROPIRENOS )
Asimismo, al ser estudiadas las partículas emitidas por los motores a diesel aportan
información importante acerca del destino del azufre presente en el combustible diesel al
ser quemado dentro de la cámara de combustión. Los sulfatos son compuestos
constituyentes de las partículas provenientes de los motores diesel, generalmente
constituyen el 2 % de azufre presente en el combustible, tales datos constituyen el
balance del dióxido de azufre emitido. Actualmente, la reducción en el azufre del
combustible diesel origina una reducción en los sulfatos presentes en las partículas.
Existen dos formas el control de emisiones diesel e involucra diversas formas y etapas
de desarrollo, la primer forma de control de emisiones es modificando o incorporando
sistemas reductores de emisiones en el escape de los motores
Para modificar los motores es mediante la refinación del combustible, con el cual es
factible la realización de diversos cambios en el proceso, dichos cambios incluyen la
incorporación de inyección electrónica de combustible controlados por una computadora,
lo que ha originado una mayor flexibilidad en el control de las emisiones de escape. Otra
de las tecnologías para el control de emisiones de escape es con el empleo de
turbocargadores e inter-enfriadores. Muchos de los automotores diesel para servicio
pesado manufacturados desde 1991 a la fecha cuentan con estos. El turbocargador
incrementa la masa de aire que se suministra al cilindro y el inter-enfriador reduce la
temperatura de los gases que entren a la cámara de combustión, con este sistema es
relativamente sencillo reducir tanto los NOx como las partículas y se incrementa la
economía de combustible y potencia desarrollada por este tipo de motores.
Por otro lado el control en el aceite lubricante es importante para reducir las partículas
entre un 10 y 50 %, las cuales son producidas por el este en el motor. Es importante
señalar que el consumo de aceite puede reducirse en principio por control en las
especificaciones del aceite lubricante y los sellos de los motores.
Una segunda opción para el control de emisiones es la adición de trampas de oxidación o
el empleo de convertidores catalíticos con impregnación de platino, paladio, rodio, plata ,
vanadio y cobre. Es importante señalar que el Cerio que se encuentra en diversos
aditivos para combustible diesel no debe ser empleado ya que reduce la vida útil de
estos.
Asimismo, los convertidores catalíticos son otro medio para reducir las emisiones
contaminantes y requieren el uso de combustible diesel con baja concentración de azufre
( 500 ppm de Azufre ) y aromáticos, ambas reducciones adicionalmente producen la
disminución significativa en emisiones de partículas e Hidrocarburos policiclicos
aromáticos.
La combustión del combustible en los motores a diesel dan origen a la formación de
mezclas complejas de gases y partículas que se emiten a la atmósfera, las cuales se
asocian a posibles efectos en la salud del ser humano.
En los años recientes a cobrado gran importancia el estudio de las emisión de partículas
emitidas por los automotores a diesel, en los Estados Unidos de Norteamérica, fue en
1973 cuando el termino smoke ( opacidad ), asociado a la emisión de estas se dejo de
aplicar ya que bases científicas, planteaban la necesidad de caracterizar física, química y
biológica, el efecto de estas en el medio ambiente.
Formación de Partículas.
La formación de las pequeñas partículas de carbón emitidas por los motores a diesel no
esta completamente establecida, pero se considera que es debido a la formación de
compuestos policiclicos aromáticos. El carbón es un producto estable presente en las
partículas y se forma en un rango estrecho de temperatura.
Las partículas emitidas por los motores diesel son núcleo sólido constituidos de carbón,
fracción orgánica soluble, sulfatos y trazas de elementos, cuando comparamos el tamaño
de partícula emitida entre los motores a gasolina y diesel, estos últimos emiten partículas
de mayor tamaño con rangos entre 0.1 a 1.0 µm con picos de 0.15µm, las partículas
provenientes de los motores a gasolina emiten estas con rango de 0.01 a 0.1 µm con un
pico de 0.2µm. Los vehículos denominados para servicio ligero ( Ligh duty ) a diesel
emiten entre 30 a 100 veces más partículas que los automotores a gasolina equipados
con convertidor catalítico. Las partículas a 500 °C son esferas sólidas constituidas de
cadenas de carbón e hidrogeno con diámetros de 100 a 800 Anstrongs. Estas son
atribuibles a la combustión incompleta del combustible, aceite lubricante o otros
componentes del combustible cuya densidad se encuentra en 0.07g/m3 , ver figura 2.
A temperaturas debajo de 500 °C, las partículas sufren un proceso de absorción y
condensación lo que produce que se cubran de compuestos con alto peso molecular. Es
importante señalar que típicamente, cerca del 25 % de las partículas se encuentran
constituidas de compuestos orgánicos factibles de extraer, este porcentaje puede variar
dependiendo de las condiciones de operación del automotor. Estos compuestos se
encuentran constituidos de cadenas abiertas de hidrocarburos con 14 a 35 átomos de
carbón., alkyl-benzeno, derivados de hidrocarburos policiclicos aromáticos ( HPA ),
cetonas, carboxilaldehidos, ácido anhídrico, compuestos Oxidrilos, quinonas, nitratos y
ácidos carboxilicos. Adicionalmente compuestos heterociclicos con átomos de azufre,
nitrógeno y oxigeno con anillos aromáticos. Compuestos inorgánicos con dióxido de
azufre, dióxido de nitrógeno y ácido sulfúrico, ver figura 3
Representación del tamaño de partícula, proveniente de las emisiones de
los automotores a diesel.
Figura 2
Figura representativa de los constituyentes de las partículas emitidas
por los motores a diesel
Figura 3
La fracción soluble que constituye las partículas a diesel se encuentran formada de
cadenas abiertas de hidrocarburos con 14 a 35 átomos de carbón., alkyl-benzeno,
derivados de hidrocarburos policiclicos aromáticos ( HPA ), cetonas, carboxilaldehidos,
ácido anhidrico, compuestos Oxidrilos, quinonas, nitratos y ácidos carboxilicos.
Adicionalmente compuestos heterociclicos con átomos de azufre, nitrógeno y oxigeno
con anillos aromáticos. Compuestos inorgánicos con dióxido de azufre, dióxido de
nitrógeno y ácido sulfúrico.
Los hidrocarburos Policiclicos aromáticos producidos en el proceso de combustión son
absorbidos en la superficie de las partículas, algunas de estas como el Benzo(a) pireno y
1 Nitropireno, han sido reconocidos como compuestos tóxicos y potenciales de cáncer en
los seres humanos.
PRUEBAS DE LABORATORIO
Determinación de Emisiones de Escape reguladas CO, HC, NOx, Partículas y
Opacidad.
Las pruebas para el muestreo de partículas emitidas por los motores diesel se efectuarón
en un motor de inyección mecánica de 210 H.P. de potencia, representativo de los que
circulan en la ZMVM, el combustible de prueba fue diesel comercial, dicho motor se
acoplo a un dinamómetro de banco a corrientes directas, marca Schenck, el cual tiene la
capacidad de frenar motores hasta 500 H.P. ( 373 Kw ) y motor de aceleración de 450
H.P. ( 336 Kw ).
El dinamómetro está controlado por una computadora central de control, marca Hewlett
Packard, modelo 700i, la cual controla en su totalidad la aceleración, desaceleración y
frenado del dinamómetro. Asimismo, controla el suministro de combustible al motor,
verifica las temperaturas ( agua, aire, aceite, etc. ), presiones, sistema de
acondicionamiento de emisiones y banco de análisis, Fotos 1 y 2.
Foto 1
Foto 2
Las evaluaciones se llevaron a cabo siguiendo la metodología establecida en el Código
Federal de Regulaciones ( CFR ), Titulo 40, Subparte N, Sección 86.1304-84 a 86.1605 y
Pt.86. App I de los Estados Unidos de Norteamérica, que especifica la realización de una
prueba de acondicionamiento del motor para llevar a una temperatura estable de agua y
aceite, la cual no debe de variar en un 2% por 2 minutos, seguido de la estabilización. El
motor inicia la construcción de su curva representativa de potencia, iniciando desde
marcha mínima sin carga hasta determinar la máxima velocidad del motor de prueba, con
este procedimiento se obtiene con exactitud el punto máximo de torque-velocidad y
potencia-velocidad, durante todo el desarrollo de la prueba, los datos de velocidad,
potencia y torque son recolectados por la computadora de control para finalmente
construir la curva de potencia que se empleara durante la evaluación de emisiones de
escape y opacidad.
Las pruebas para determinar las emisiones contaminantes y consumo de
combustible se realizaron en el dinamómetro de corrientes directas descrito
anteriormente, marca Schenck con capacidad de frenado de 500 H.P. (373 Kw ) de
potencia y aceleración de 450 H.P. ( 336 Kw ). Se utiliza un túnel de dilución de 18
pulgadas de diámetro con un venturis que tiene como capacidad máxima 4000 SCFM, los
gases de escape son diluidos con aire de dilución el cual tiene una concentración de
contaminantes menor a 1ppm y homogeneizados en el túnel primario de 18 pulgadas de
diámetro, 10 diámetros después del punto de entrada de los gases de escape es tomada
una alicuota representativa y se envía a un juego de bolsas de Tedlar, esto se efectúa
durante todo el tiempo de evaluación, para finalmente ser enviada la muestra
representativa al banco de análisis, dicho banco consta de analizadores donde se
determina la emisión de CO, HC y NOx, los cuales emplean las técnicas de análisis
señaladas en los procedimientos de prueba.
Los datos de emisiones de escape son correlacionados con los parámetros de
prueba del motor, tales como temperatura, humedad, presión barométrica, datos de
torque, potencia y velocidad del motor para ser reportados en g/Kw-hr, ver figura 3.
Determinación de Partículas Totales.
Para el caso de las Partículas, estas son conducidas del túnel primario al
secundario por un sistema de succión de bombas controladas por un banco proporcional
de dilución, posteriormente son atrapadas en filtros de con membrana de Fluoro carbono
de 70 mm de diámetro, dichos filtros se encuentran previamente a peso constante y se
colocan en portafiltros especiales en el túnel secundario, durante toda la evaluación es
recolectada una muestra representativa y al final de la evaluación se remueve el papel
filtro y se lleva a un cuarto de balanzas especial el cual se encuentra a temperatura y
humedad indicadas en la metodología respectiva, al cabo de 24 horas se vuelvan a
pesar empleando para ello una microbalanza marca KANN CT16 y por diferencia de peso
se determine el volumen de partículas emitidas por el motor de prueba, ver fotos 3 y 4.
Foto 3
Foto 4
Las pruebas se llevaron a cabo siguiendo la metodología establecida en el Codigo
Federal de Regulaciones de los Estados Unidos, titulo 40, subparte N, sección 86.132784, donde se especifica la realización de una prueba de “ Ciclos Transitorios “,
procedimiento adoptado en la República Méxicana por las autoridades ambientales, esta
metodología esta diseñada para evaluar motores para servicio pesado que emplean
combustible diesel, el procedimiento consiste en evaluar el motor de prueba en
condiciones de velocidad proporcional a Potencia y Torque máximas, tratando de simular
puntos de torque positivos y negativos que no excedan el valor máximo obtenido
previamente en la curva de potencia, dicho procedimiento tiene una duración total de 60
minutos, ver figura 4.
Los trabajos consistieron en evaluar las emisiones de escape reguladas ( CO, HC, NOx
y PM ), empleando para ello el procedimiento de prueba “ Ciclos Transitorios”, el cual
consiste en evaluar un motor acoplado a un dinamómetro a Corrientes Directas, ambos
equipos son controlados por una computadora central la cual genera un ciclos de prueba
donde se simula el recorrido de un vehículo automotor para servicio pesado en ciudad y
carretera, desarrollando cambios rápidos de torque-velocidad teniendo una duración de
20 minutos en frío, reposo de 20 minutos y 20 minutos en caliente para totalizar 1 hora,
los gases de escape son diluidos con aire ambiente y almacenadas en bolsas de Tedlar
para posteriormente ser analizadas en un banco de analizadores las emisiones de CO,
HC y NOx, el material particulado es recolectado en filtros con membrana de Fluoro
Carbón conectados al túnel secundario y por diferencia de peso se obtiene los miligramos
emitidos. Metodología descrita en el Código Federal de Regulaciones ( CFR ), titulo 40,
Subparte N, dichas evaluaciones se efectuarían en el Laboratorio de Emisiones para
Servicio Pesado del IMP, ver figuras 4 .
ESQUEMA DE OPERACION DEL LABORATORIO
DE EMISIONES DIESEL
DEL INSTITUTO MEXICANO DEL PETROLEO
AIRE
VENTURIS
SIMULACION
TORQUE
NEGATIVO
SIMULACION
TORQUE
POSITIVO
TUNEL DE DILUCION
CONSUMO
DE
COMBUSTIBLE
BOLSAS DE
AIRE
"CICLO
TRANSIENT"
MONITOREO
DE
PARAMETROS
CENTRO
DE
SEGURIDAD
DINAMOMETRO
GASES
DE
ESCAPE
MOTOR
BOLSAS DE
MUSTREO
UNIDAD
CLIMATICA
MICROBALANZA
BANCO DE ANALIZADORES
COMPUTADORA
CENTRAL
Figura 4
Determinación de Opacidad Federal.
Para la determinación de Opacidad Federal se emplea la misma infraestructura para
acondicionamiento y muestreo de emisiones de escape del Laboratorio de Emisiones
Diesel del IMP en Pachuca, Hgo., el procedimiento consiste en operar el motor acolado al
dinamómetro de banco hasta alcanzar una temperatura de combustible de 37.8 °C ( 100
°F ), posteriormente el motor es operado a velocidad mínima de giro durante 5 o 5.5
minutos, para posteriormente desarrollar tres secuencias separadas de aceleración con
dos desaceleraciónes, una al final de la segunda aceleración y otra al finalizar la tercer
aceleración.
La determinación de opacidad se efectúa, empleando para ello un medidor de opacidad
óptico que registra la emisión de partículas emitidas por el motor de prueba y reporta
dicha emisión en % de Opacidad, dicha evaluación se efectúa en tres ocasiones, la
primer determinación es la denominada punto “ A “ que se efectúa desde la primer.
aceleración hasta el final de la segunda aceleración (85% de aceleración proporcional
máxima), la segunda es denominada punto “ B “ que comprende desde el inicio de la
tercer aceleración hasta finalizar esta y finalmente el punto “ C “ que cubre en su
totalidad la última desaceleración, finalizando en el punto donde inicia la velocidad
mínima de giro; los datos obtenidos se reportan en % de opacidad, en tres ocasiones ( A,
B y C ), ver figura 4.
S
L
L
E
PROPORCIONAL
+-50 RPM
E
E
N
I
LINEABILIDAD
+-100 RPM
ENTRE I Y J.
VELOCIDAD INTERMEDIA
O
I
VELOCIDAD
INTERMEDIA +- 50
RPM
LINEALIDAD +-100 RPM
CURVA DE VELOCIDAD
MINIMA DE GIRO SIN
CARGA
5.0 A 5.5 MIN
E
I
85% DE
VELOCIDAD
PROPORCIONAL
1º ACELERACION
CON BAJA ACEL.
+200 +-50 RPM
50 RPM PROMORCIAONAL
ALA VELOCIDAD
C
NI F
A
FIN DE BAJA
VELOCIDAD/PRI
NCIPIO DE 1º
ACEL.
VELOCIDAD DEL MOTOR-RPM
D
95% DE
VELOCIDAD
PROPORCIONAL
FIN DE LA
D
I
V
D
F
CERRADO
FIN 2ª
TRANSICION
PRINCIPIO DE
LA
DESACELERAC
IÓN
G
FIN DE 3ª
ACELERAC
ION
E
C
INICIO DE LA 3ª ACEL.
MAXIMA
ACELERACION
PRINCIPIO DE LA 2ª
ACELERACIÓN Y FIN
DE LA PRIMERA
B
LIGERA
ACELERACION
C
POSICION
DE
ACELERAD
OR
CICLO FEDERAL DE OPACIDAD
ENTRE C Y D
2+-1.5
SEC
10 +- 2 SEC
DE 50 A 60 SEG
35 +- 5 SEG.
5 A 1.5
SEC
3 SEGUNDOS
O MENOS
TIEMPO
Figura 4
Discusión de Resultados
Para el desarrollo del presente estudio se selecciono un motor con inyección mecánica
de combustible, con una potencia de 210 H.P: a 1800 RPM, representativo de los que
circulan en la ZMVM, dicho motor empleó como combustible de prueba diesel comercial y
se acoplo a un dinamómetro de banco, marca Schenck con capacidad de frenar motores
de 500 H.P. y cuenta con motor de aceleración de 450 H.P. a dicho motor se
determinaron las emisiones de escape reguladas (CO, HC, NOx y Partículas) y
Opacidad Federal, como procedimiento de prueba se empleó el denominado “ Ciclos
Transitorios “ y “Ciclo Federal de Opacidad “, las determinaciones fueron por triplicado y
presentan los siguientes resultados:
PRUEBA
1
2
3
CO
HC
NOx
Partícula Opacida
(g/Kw-hr) (g/Kw-hr) (g/Kw-hr)
s
d
(g/Kw-hr)
“A”
6.91
6.43
14.84
0.45
37.69
6.83
6.40
15.82
0.50
38.40
6.90
6.42
14.92
0.47
37.55
Opacida
d
“ B”
35.1
36.8
35.6
Opacida
d
“ C”
36.48
37.25
36.76
En especifico las partículas obtenidas, una vez pesadas a peso constante y
correlacionadas con los datos de prueba ( Torque, Velocidad y Potencia ) para
determinar los miligramos emitidos por prueba ( foto 5 ). Al termino de esto se procedió a
seleccionar las técnicas de evaluación con la finalidad de conocer la morfología, tamaño
de partícula y composición química
J
Foto 5
Determinación de Morfología y Tamaño de Partícula.
Debido a que las partículas contenidas en el Filtro especial con membrana de fluoro
carbón presentan una distribución uniforme de estas, se propuso seccionar dichos filtros
en muestras representativas para su posterior análisis y determinación.
Foto 6
Foto 7
Estudio con Microscopía Electrónica de Barrido.
Para esta determinación se empleó un Microscopio Electrónico marca JOEL,
modeloJSM35CF, los trozos de filtro fueron colocados en un soporte especial y
recubiertos con una capa de oro por medio de un evaporados especial, acorde a la
metodología establecida ( IMP-QA-703 ), posteriormente se incidió un haz de 20 Kv. en la
muestra y se tomaron diversas fotografías a diferentes amplificaciones, seleccionándose
las más representativas, ver fotos 6 y 7 .
De estas tomas fotográficas y en relación a su análisis se pueden observar agregados y/o
agregados de partículas redondas
Estudio con Microscopía Electrónica de Transmisión
La presente determinación se efectúo con un microscopio electrónico de transmisión,
marca JOEL, modelo JEOL 100CX, fueron tomadas otras muestras representativas de
los filtros impregnados de partículas provenientes del motor diesel de prueba, estos se
colocaron en viales y se dispersaron en Etanol, con ayuda de un equipo Ultrasónico el
cual operó durante 5 minutos, posteriormente se tomo una muestra representativa con
una pipeta Pasteur y se coloco en una rejilla de cobre para ser observada al microscopio.
Para la observación se incidió un rayo de 100Kv y se amplifico la visión de la muestra a
100,000 y 13,000 aumentos y se efectuaron tomas fotográficas, obteniéndose negativos
que posteriormente fueron impresos y amplificados 2 veces más con lo que se obtuvieron
fotografías de 200,000 y 26,000 aumentos, en estas se determino el tamaño de partícula,
fotos 8 y 9.
Foto 8
Foto 9
De dicha fotografías se puede concluir que el material contenido en los filtros de fluoro
carbón presenta agregados y aglomerados de partículas con tamaños entre 0.3 y 0.5
micras ( um ) y el tamaño de las partículas cilíndricas presentan un tamaño inferior a 0.1
micras.
Determinación de análisis elemental (microanálisis ).
Para la determinación elemental constituyente de las partículas se empleo un
microscopio electrónico de barrido marca JEOL, modelo JSM35CF y un dispersor de
energía marca Microanalyst, modelo 7500, se tomaron trozos representativos
impregnados de partículas emitidas por el motor diesel de prueba, dichos trozos se
colocaron en soporte de grafito y se recubrió la muestra con el mismo material,
empleando un evaporador.
La muestra preparada se coloco en el Microscopio descrito se selecciono una partícula
característica esta fue fotografiada ( Foto 10 ), se hizo incidir un rayo de luz de 20 Kv y
empleando el dispersor de energía se pudo obtener un espectro de rayos X, el cual nos
indico la presencia de dichos elementos
Foto 10
Foto 11
ELEMENTOS ( % )
PESO
Na
Al
Si
K
Ca
Ti
Zn
GLOBAL 40 X
GLOBAL 300X
6.85
8.58
52.08
8.11
7.51
6.04
10.84
6.13
8.43
50.26
7.67
6.63
5.52
13.56
Determinación de Hidrocarburos Constituyentes de las Partículas
Para la determinación de los Hidrocarburos constituyentes de las partículas emitidas por
el motor diesel de prueba se procedió a emplear el procedimiento establecido por el
Coordinating Research Council ( CRC-APARC CAP-1-64 Measurement of un regulated
diesel Emissions), dicho procedimiento establece emplear el método de Extracción
Soxlet, para tal efecto los filtros impregnados de partículas diesel se introdujeron en un
dedal, el cual fue colocado en el Extractor Soxlet, como solvente se empleó el
Diclorometano, el sistema se ajusto a una temperatura de 60 °C y se dejo operar este por
un lapso de 8 horas, posteriormente se concentro la muestra con un rotovapor, marca
LABCONCO, se obtuvo un volumen de muestra de 2.5 ml, fue introducida a un
Cromatografo con acople masas (GS/MS ), marca JEOL, modelo 505 WHA, mediante el
cual se obtuvo el espectro constituyente de los siguientes componentes quimicos:
Componentes Químicos
Fenantreno
Antraceno
3-Metilfenantreno
2-metilfenantreno
2-Metilantraceno
1-Metilfenantreno
Pireno/ Benzo(a)pireno
Benzo(a)pantraceno
Criseno
Fluorantano entre otros.
Conclusiones.
1.- Del presente estudio se puede concluir que el tamaño de partícula emitido por los
motores diesel que circulan actualmente se encuentra en un rango menor a 0.1 micra,
tamaño de partícula que fácilmente puede llegar a los alvéolos pulmonares y dada su
composición química puede ser en ciertos casos precursor de cáncer.
2.- Los principales elementos que se encuentran en las partículas son atribuibles a aceite
lubricante del motor ( Ca, Na, K y Zn ) y polvo ( Si ) en contra parte los restantes
elementos son atribuibles a desgaste del motor y otras fuentes.
3.- Los hidrocarburos que constituyen las partículas emitidas por los motores diesel se
encuentran compuestos catalogados como Hidrocarburos Policiclicos Aromáticos ( HPA
), de los cuales la Agencia de Protección del medio ambiente de los E.U.A. ( USEPA ) ha
señalado como posibles precursores de cáncer en el ser humano.
4.- El presente estudio sienta las bases de las consideraciones necesarias para el
desarrollo de proyectos tendientes a reducir la emisión de partículas provenientes de los
motores diesel en los grandes centros de población del país, tales como el determinar si
es factible la incorporación de sistemas reductores de emisiones en los automotores en
uso, el desarrollar normatividades por las autoridades competentes para que en su caso
se vea la conveniencia de que los vehículos nuevos a diesel que se comercialicen en
nuestro país cuentes con tecnologías de punta que reduzcan las emisiones de partículas,
determinar los efectos de la reformulación de combustible diesel y la incorporación de
Oxigenantes que reduzcan las emisiones de partículas.
5.-Actualmente se están desarrollando diversos trabajos que tienen la finalidad el poder
incorporar tecnología de vanguardia por parte del IMP para la extracción, determinación
cualitativa y cuantitativa de los hidrocarburos Policiclicos Aromaticos ( HPA ) y Sulfatos
con lo cual determinar con certeza la cantidad de dichos hidrocarburos que son emitidos
en la atmósfera de los grandes centros de población de nuestro país.
BIBLIOGRAFIA
1.- The Meausurement and Control of Diesel Particulate Emissions
Society of Automotive Engineers
Papers 1979
2.-The Phisical and Chemical Character of Diesel Particulate Emissions
William H. Lipkea and John H. Johnson
Michigan Technological Univ.
Paper 1985
3.- Chemical Methods for the Measurement of Unregulated Diesel Emissions
Coordinating Research Council
( CRC-APRAC No. CAP1-1-64 )
J.M.Perez, R.E. Jass and D.G. Leddy.
August 1987.
4.-Chemical Ecotoxicology
Jaakko Paasivirta
Lewis Publishers
Printed in 1991
5.- Motor Vehicle Related Air Toxics Study
Emission Planing and Strategies Division
Office of Mobiles Sources
Office of Air and Radiation
U.S. Environmental Protection Agency
April 1993
6.-Health Assesment Document for Diesel Emissions
National Center for Environmental Assesment-Washington Office
U.S. Environmental Protection Agency
February 1998.