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TECNOLOGICO
DE MONTERREY®
Instituto Tecnológico y de Estudios
Superiores de Monterrey
Campus Ciudad de México
División de Ingeniería y Arquitectura
Ingeniería en Mecatrónica
~
Departamento de Mecatrónica
DOCUMENTO FINAL
TECNOLÓGICO
DE MONTERREY
Biblioteca
Utilización de Etanol
en un Motor a Gasolina
o twc.lul:lat d911tm1co
José Roberto Álvarez Calvo
Carlos Ernesto Sáenz Camacho
Lilian Andrea Torres Céspedes
Asesor:
Co-Asesor
Profesor:
Dr. RICARDO GANEM CORVERA
Dra. IRMA SALGADO ESCOBAR
Dr. RAUL CRESPO SAUCEDO
México, Distrito Federal; a 12 de noviembre del 2007.
41
ÍNDICE
l. Introducción .................................................................................. J
l. 1. Antecedentes ............................................................................... 1
1.2. Definición del Problema .................................................................. 2
1.3. Objetivos .................................................................................... 4
1.3. 1. General. ............................................................................. 4
1.3.2. Específicos .......................................................................... 4
1.4. Justificación ................................................................................ 5
1.4. 1. Estado del Arte ..................................................................... 6
1.4.1. Brasil. ............................................................................. 6
1.4.2. Estados Unidos .................................................................. 7
1.4.3. México ........................................................................... 8
1.5. Metodología .............................................................................. 10
1.5. 1. Alternativas ........................................................................ 1 O
1.5.2. Solución ............................................................................ 12
11. Marco Teórico ................................................................. .......... 14
II. 1 . Fermentación y Purificación ...................................................... 14
11.2. Etanol como sustituto de la Gasolina ............................................ 16
II.3. Compresibilidad, Combustión y Calor Latente ................................ 18
11.4. Arranque en frío .................................................................... 19
II.5. Materiales utilizados en un Auto a Etanol. ..................................... 20
II.6. Mezclas Etanol - Gasolina ........................................................ 21
11.7. Efectos en el Octanaje ............................................................. 22
II.8 Sustancias provenientes del tubo de escape ..................................... 23
11.9. Economía de Combustible ........................................................ 28
II. l O. Pruebas de Laboratorio .......................................................... 28
II. l O. l. ¿Por qué medir el torque? ................................................................ 28
11.10.2. ¿Por qué medir la potencia? .............................................. 30
11.10.3. Para que es necesario conocer las rpm? ................................. 31
11.10.4. La importancia del torque y la potencia ................................ 32
11.10.5. ¿Por que fueron seleccionados dichos gases para su medición? ...... 32
11.11. Aprovechamiento en un Vehículo ................................................ 32
11.12. Dinamómetro ............................................................................................. 34
11.13. Ley de Hooke para los Resortes .................................................. 36
111. Desarrollo del Proyecto ............................................................... 38
111.1. Diseño ............................................................................... 38
111.2. Construcción ....................................................................... 42
IV. Pruebas y Resultados ................................................................ .. 44
IV. l. Dispositivo Sensor del desplazamiento del Resorte ......................... .44
IV.2. Pruebas de Potencia y Torque ................................................... 54
IV.3. Resultados de Emisiones ......................................................... 57
V. Conclusiones ...................................................................... ......... 60
VI. Referencias ........................................................................ ....... 62
VII. Anexos .................................................................................... 64
VII. l. Evaluación de mezclas Gasolina - Etanol
VII.2. Tabla de pruebas de Torque y Potencia
VII.3. Estudio Matemático y Experimental utilizando mezclas gasolina -
etanol
VII.4. Efecto en el desempeño y emisiones de escape utilizando mezclas
gasolina - etanol
Vll.5. Efectos en la variación del ciclo y emisiones en un motor a combustión
interna utilizando mezclas gasolina - etanol
VII.6. Producción de Etanol Anhidro en Ingenios Azucareros
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
l. INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
En un principio, el equipo estuvo formado por cuatro integrantes, uno de los
cuales participó únicamente en el desarrollo de la primera fase del proyecto
debido a que fue un estudiante de intercambio, Jerome Charmetant,
proveniente del Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas (lnstitut National des
sciences appliquées INSA) en Toulouse, Francia. Los actuales integrantes
Carlos Sáenz, José Roberto Álvarez y Lilián Andrea Torres, somos estudiantes
de Ingeniería Mecatrónica de la generación de Agosto 2002 del Tecnológico de
Monterrey.
En cuanto al proceso de elección del tema, nuestro equipo tenía una
vaga idea del giro que le quería dar al proyecto y basado en que tres de los
cuatro integrantes pertenecemos al "Área de Concentración en Ingeniería
Automotriz" (Carlos, Roberto y Lilián Andrea), decidimos partir y tomar como
base para la elección del tema del proyecto nuestro interés común, los
automóviles.
La cuestión ahora era decidir hacia que rama de la industria automotriz
nos enfocaríamos. En este punto surgieron algunas diferencias, ya que había
dos tendencias muy marcadas. Una de ellas era los vehículos impulsados por
motores eléctricos, por otro lado la marcada tendencia del equipo a enfocar el
proyecto a temas relacionados con motores de combustión interna, finalmente
y como resultado de diversas opiniones surgió el interés común y unánime del
equipo en enfocar el proyecto hacia algún tipo de motor híbrido, interés que
terminó desembocando en propuestas para convertir un motor a gasolina a un
motor que funcionara tanto con gasolina como con cualquier otro combustible
- 1 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
alternativo, pensamos inicialmente el utilizar gas licuado de petróleo como
combustible alternativo pero después de diversas investigaciones y reuniones
con el profesor Raúl Crespo, el equipo optó por desarrollar un motor que
funcione principalmente con etanol y gasolina.
Lo anterior a razón de que es importante estudiar las fuentes alternas de
energía, que sean renovables, por lo cual y otros aspectos que exploraremos
en los siguientes apartados de este trabajo escogimos el etanol como nuestra
mejor opción. Todo esto nos llevo a un consenso y hacer definitivo el que
nuestro tema de proyecto seria:
"Utilización de Etanol en un motor a gasolina"
1.2 Definición del Problema
El que los temas de corte energético hoy en día tengan tanta
importancia, no sólo en México, sino en el mundo, nos obliga a pensar
permanente en la búsqueda de alternativas que sean opciones económicas a
los hidrocarburos, cuya utilización es finita y cada vez se hace más próximo su
agotamiento.Artículos como el escrito por Victor Cardoso para el periódico "La
Jornada" en la edición del 11 de enero de 2007, del cual un trozo se muestra a
continuación:
" ... México debe establecer sustanciales y permanentes apoyos a la producción de maíz,
caña de azúcar y oleaginosas, para garantizar el abasto nacional e impulsar la utilización
de esos cultivos en la producción de gasolina alternativa ... "
Nos reiteran la necesidad de que prestemos más atención a alternativas
de energía renovable refiriéndonos de manera precisa, y para fines de este
trabajo, a gasolinas alternativas que pese a que existen y son utilizadas en
vehículos en distintas partes del mundo, en nuestro país no es representativa
- 2 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
su utilización, pese a que en México tenemos las ventajas comparativas,
naturales, para la producción de combustibles a partir de la caña de azúcar:
" ... En México, se cultivan aproximadamente 50 millones de toneladas métricas de caña,
para una producción de 5.8 millones de TM de azúcar y 1.8 millones de TM de melazas
(zafra 2004/05); uno de cuyos destinos finales es precisamente la producción de
alcoholes de distintas calidades. En años recientes, se instalaron en dos destilerías de
ingenios azucareros, sendas columnas deshidratadoras, para la obtención de alcohol
anhidro, mejor conocido como etanol, para uso como carburante asociado a las
gasolinas convencionales ... "1
A partir de lo anterior decidimos entonces aplicar nuestros
conocimientos y habilidades al desarrollo de un proyecto que aunque no nos
permite entender y resolver las enormes interrogantes que no han permitido a
México apoyar de manera importante la utilización del etanol como gasolina
alternativa en vehículos de cualquier uso, aun habiendo tenido contacto con la
experiencia Brasileña, pilar de dicha iniciativa en el mundo. Nos permite
experimentar de cerca las ventajas y desventajas de la conversión de motores
a gasolina a motores a base de etanol y de su dificultad ya sea económica
como de preparación académica, que tal vez sean algunas de las razones por
las cuales no se ha apoyado la iniciativa de utilización y conversión de y a
dichos motores.
1 Párrafo tomado de el artículo "PRODUCCIÓN DE ETANOL ANHIDRO EN INGENIOS
AZUCAREROS" P.P 1 escrito por el lng. Manuel Enríquez Poy.
www .conae. gob. mx/work/ sites/CONAE/ resources/ LocalContent/ 3714/2/ artmanuelenriquez.
pdf
- 3 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
1.3 Objetivos
1.3.1 General
Monitorear el desempeño de un motor a combustión interna utilizando
diferentes mezclas de gasolina-etanol, y compararlas contra el desempeño del
mismo únicamente con gasolina.
1.3.2 Específicos
•!• Diseñar y construir un dinamómetro para medir el torque y potencia del
motor. Primero se determinarán las opciones más viables para el diseño
del mismo, después se conseguirán las piezas de acuerdo a nuestro
presupuesto para así finalmente adaptarlas al banco de pruebas.
•!• Realizar pruebas con mezclas entre E5 - E20 y registrar los resultados.
Éstas incluyen mediciones de torque, potencia y gases de escape.
•!• Medir las emisiones contaminantes del motor. Para ello determinaremos
cuales son las opciones viables para así seleccionar la mas adecuada
•!• Determinar las ventajas y desventajas con base en los resultados
obtenidos.
-4-
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
1.4 Justificación
El etanol genera menos agentes contaminantes, produce menos daños a la
salud que los combustibles fósiles y es una fuente renovable de energía. Esto
se traduce en uso energético de reservas ilimitadas y más limpias.
"La Agro Industria de la Caña de Azúcar en nuestro país, está consciente del rol que
la gramínea jugará en el futuro, dada su mayor fortaleza, a saber pronta renovabilidad
y secuestradora potencial de C0
2
. Es aquí donde surge el alcohol etílico, en sus
variantes: anhidro e hidratado, como una contribución al balance energético y a la
detención del mal de los últimos tiempos; "el cambio climático"." 2
Con la utilización del etanol se beneficiaría el mundo entero, ya que al
reducir las emisiones contaminantes, se reduciría de igual modo los efectos
causados por estas en el planeta. Tal es el caso de los drásticos cambios
climáticos que tanto hacen sufrir a poblaciones enteras alrededor del mundo,
es decir son riesgos de desastres ambientales que traen consigo la explotación
y transporte del petróleo.
Por tales razones se realizarán diversas pruebas a un motor a
combustión interna, dichas pruebas son con mezclas de gasolina con distintos
porcentajes de etanol. De tal manera exploraremos el comportamiento de un
motor que ha sido construido para funcionar con gasolina únicamente como
combustible, agregando diversos porcentajes de etanol.
Actualmente a nivel internacional ya se le ha dado uso al etanol como
combustible para automóviles. En algunos casos mezclado con gasolina en
proporciones de 15 al 30 % de etanol, esto sin tener que hacer modificaciones
drásticas a los motores y existen también los motores diseñados especialmente
para funcionar con 100% etanol.
2 Párrafo tomado de el artículo "PRODUCCIÓN DE ETANOL ANHIDRO EN INGENIOS
AZUCAREROS" P.P 1 escrito por el lng. Manuel Enríquez Poy.
www .conae. gob. mx/work/ si tes/ CONA E/ resources/ LocalContent/ 3714/2/ artmanuelenriquez.
pdf
- 5 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
1.4.1 Estado del Arte
1.4.1.1 Brasil
Según un artículo del New York Times, publicado en castellano en el
periódico "El País" el 20 de Abril del 2006. El 70% de los vehículos vendidos
actualmente en Brasil, disponen de un motor preparado para funcionar
indistintamente con etanol o con gasolina.
Actualmente el consumo de etanol, que en Brasil se extrae de la caña de
azúcar, está muy extendido a tal punto que ya algunas gasolineras poseen dos
tipos de surtidores, uno de gasolina y uno de alcohol. Este proceso en Brasil ha
conllevado 30 años pero según la nota sacada por el periódico "New York
Times" Roberto Rodríguez, ministro de agricultura en Brasil para el 2006,
afirma que ha valido la pena: "El combustible renovable ha sido una solución
fantástica para nosotros ... y también ofrece a otros una salida de la trampa de
los combustibles fósiles".
A partir del 2003 el consumo del etanol en Brasil, se ha acelerado
enormemente con la introducción de los flexi-motores, que están diseñados
para trabajar con gasolina, etanol o con una mezcla de los dos combustibles,
en este punto es necesario mencionar que la gasolina que se vende en Brasil
contiene aproximadamente un 25% de alcohol.
El auge del etanol en brasil empezó a principios de la década del 2000,
pero no es el primero en Brasil, ya que el gobierno brasileño presentó su
programa original "pro alcohol" en 1975:
"El Programa Nacional de alcohol en Brasil (Proalcool) fue creado en 1975, con miras
a la emancipación energética del país, principalmente a la sustitución del petróleo;
además otros factores intervinieron en esta creación, como por ejemplo la coyuntura
azucarera internacional y sus posibles reflejos sobre el parque agroindustrial cañero
nacional ... El alcohol producido antes del programa, resultaba en un subproducto de
la actividad azucarera .. .En el transcurso de la creación del Proa/coa/ la situación se
alteró profundamente; en el año en que el programa fue creado, la producción del
- 6 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
alcohol era de 555 mil metros cúbicos, casi todo obtenido mediante el
aprovechamiento de la miel residual. Solamente dos años después, en la zafra
1977178, aparece el alcohol directo, apartir de la caña de azúcar, y hoy
aproximadamente 65% de la caña de azúcar molida es para la producción del alcohol
directo que equivale aproximadamente a 11 millones de metros cúbicos. ,,3
A mediados delos años 80 más de las tres cuartas partes de los vehículos
producidos en Brasil, que eran aproximadamente 800 000 anuales, podían
funcionar con etanol. Pero para 1989 los precios del azúcar se dispararon y
sólo hasta el 2003 empezó de nuevo el auge de Brasil, cuando los fabricantes
de coches, empezando por VolksWagen, presentaron el motor flexible en
Brasil, en la actualidad y a más de tres años de que se introdujera esta
tecnología más del 70% de los coches que se venden en Brasil poseen
motores de este tipo.
1.4.1.2 Estados Unidos
Por otro lado, hablando específicamente de Estados Unidos, éste en la
actualidad prevé usar el 25% de los cultivos de maíz para producir
aproximadamente 26 500 millones de litros de etanol en el año 201 O, según
publica el Boletín de Información Agraria y Pesquera de Estados Unidos y
Canadá.
La publicación mencionada en el párrafo anterior también explica que
Estados Unidos cuenta con 97 plantas productoras (para Junio del 2006) que
tienen una capacidad para 17 millones de litros de etanol, además existen otras
35 en construcción, que posiblemente entrarán en funcionamiento este año y
producirán 8.300 millones de litros adicionales.
De acuerdo a estimaciones del Departamento de Agricultura de Estados
Unidos, las grandes reservas de maíz, que a finales de la cosecha 2004/05
3 "ASPECTOS GENERALES DE LA UTILIZACIÓN DEL ETANOL COMO COMBUSTIBLE PARA MOTORES DE
COMBUSTIÓN INTERNA" P.P 80 Victor Manuel García de la Hoz. México D.F 1989. TRABAJO
MONOGRÁFICO DE ACTUALUZACIÓN.
- 7 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
alcanzaban los 53 000 millones de kilos, podrían producir unos 21 500 millones
de litros de etanol. Por otro lado, el Departamento de Agricultura añade que el
maíz será uno de los muchos cultivos que se utilizarán como materia prima
para la producción de biomasa como una alternativa al etanol. 4
1.4.1.3 México
El principal atractivo de un programa para la utilización de etanol
consistiría en la reducción de las emisiones de C02, esto en comparación con
los combustibles fósiles; contribuyendo así al cumplimiento de los acuerdos de
la Conferencia Internacional sobre Cambio Climático, celebrada en Kioto.
Cualquier iniciativa que pretenda seguirse en nuestro país al respecto, deberá
necesariamente quedar enmarcada dentro del Balance de Energía Nacional
según un artículo publicado por la SAGARPA5,
El balance energético nacional, por razones históricas ha favorecido la
explotación de hidrocarburos y la energía hidráulica; rezagando así el
aprovechamiento de la biomasa vegetal, con sus amplias perspectivas a futuro.
Necesariamente se debe resaltar que dada la ubicación geográfica de
México y sus grandes extensiones agrícolas propensas a la explotación de la
gramínea (en la actualidad se cultivan aproximadamente 650 000 hectáreas de
caña) se, de tal manera que se puede presentar este sector con posibilidades
ilimitadas para realizar un proyecto de producir etanol para diversos fines, tanto
industriales como energéticos.
Según la misma fuente de la SAGARPA la producción de alcohol etílico se
realiza actualmente estos utilizando solo las mieles finales como materia prima,
4 http: / /news.soliclima.com/ con fuente: La región ecoagro, 3 de Junio de 2006
5
¿REPRESENTA EL ETANOL UNA ALTERNATIVA VIABLE PARA LA AGROINDUSTRIA DE LA CAÑA DE
AZÚCAR, /NG. MANUEL ENR/QUEZ POY, P.P 2.
www.sagarpa.gob.mx/forma/documentos/ingenio03.htm
- 8 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
con cifras que alcanzan poco más de 50 millones de litros @ 96º GL, con
rendimiento de 250 1 de alcohol / ton. De melaza.
"Las restricciones a la producción de mayores volúmenes de este producto de caña
han sido en orden de importancia por: elevada carga impositiva, fluctuación de precios
de las mieles en los mercados nacional y de exportación; contaminación ambiental por
el desalojo de las vinazas, importaciones de alcohol con fracciones arancelarias
distintas (menor pago de impuestos) y una tecnología de fermentación atrasada.
Aunque se han realizado diversos estudios para promover la expansión de la industria
sucroalcoholera; la crisis económica ha influido sin duda, además de otros factores
asociados al precio de las materias primas en la contracción de la oferta actual."
ENRIQUEZ POY, P.3
Un avance importante es que el Gobierno del Distrito Federal ha
manifestado disposición para que uniendo esfuerzos con el Gobierno Federal
se realice un plan piloto con el propósito de usar el etanol como aditivo
anticontaminante, para así oxigenar el aire de la Ciudad de México y combatir
la emisión de gases contaminantes de los automóviles. También con el fin de
apoyar al campo cañero y la industria azucarera.
La fuente de suministro del etanol serían destilerías incorporadas a los
ingenios; pudiéndose señalar por el momento a Independencia, localizado en
Martínez de la Torre, Veracruz, San José de Abajo, también del mismo estado
y algún otro del grupo ZUCARMEX.
- 9 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
1.5 Metodología
r Sistema de Inyección .. Gasolina + Etanol
..... Sistema de Escape
L Dinamómetro ...
Figura l. Metodología
1.5.1 Alternativas
Mediciones
- Torque
- Potencia
• Una importante alternativa que tomamos en cuenta para la medición de
los gases propuestos, fueron las mediciones realizadas en los centros de
verificación automotriz, ya que estos tienen estudios previos al respecto y
creemos pertinente tomarlo en cuenta.
• Otra importante alternativa para la medición de gases es la cromatografía
de gases, la cual ha sido usada durante muchos años para analizar las
emisiones de escape. Cuando se habla de "especificación de
hidrocarburos", generalmente se refiere a que es posible identificar y
cuantificar individualmente los hidrocarburos de la mezcla. Cada pico en
el cromatograma es un compuesto. La Especiación de hidrocarburos es
una poderosa herramienta para la evaluación de reactividades en la
formación de ozono y para la toxicidad de las emisiones provenientes de
los vehículos, al utilizar una gasolina determinada.
• Para el estudio de las emisiones de hidrocarburos individuales tanto en
escape como evaporativas, se puede emplear la técnica de Especiación
de hidrocarburos utilizando cromatografía de gases. El análisis consiste
- 1 O -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
en la inyección de una muestra gaseosa de escape o evaporativa, en un
cromatógrafo de gases equipado con una válvula de muestreo
automático y detector de ionización de flama (FID). Durante el proceso
los compuestos son separados individualmente, permitiendo su
identificación y cuantificación. 6
• Las alternativas en cuanto a la medición de torque se describen a
continuación:
Con la ayuda de un motor eléctrico, la medición del torque puede ser
muy sencilla ya que podemos medir el mismo sin tener que rodar o trasladar el
motor. Para poder medir la potencia requerida, tenemos que poner un torque
inverso al torque del motor para detener la marcha de éste y así medir el torque
que vamos a ejercer.
Motor térmico, no podemos utilizar este método porque el motor debe
estar en movimiento para tener un torque. Tenemos que medir el torque en
estado dinámico.
Para medir el torque del motor, tenemos dos alternativas posibles: un
dinamómetro o un sistema de freno y eje.
Figura 1.1. Dinamómetro
Este diseño muestra el sistema con dinamómetro. El eje
del motor está ligado al del dinamómetro.
Este método es muy sencillo de realizar pero es
demasiado caro para nuestro presupuesto. Un
dinamómetro cuesta alrededor de US $700.
Mediante freno y resorte. Este método consiste en la
limitación de la velocidad del eje del motor por un freno.
La energía del motor que se transmite al freno se
transforma en una fuerza en la extremidad del eje.
6 EVALUACIÓN DE MEZCLAS GASOLINA ETANOLEN VEHÍCULOS AUTOMOTORES CON DIFERENTES
TECNOLOGÍAS, Rolón Contreras Roberto Carlos, México 2000. Tesis Licenciatura (Ingeniero Mecánico
Electricista) UNAM P.53.
- 11 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
Después tenemos que medir esta fuerza y de determinar la longitud del brazo
de palanca para poder obtener el torque, el cual corresponde a la relación: T =
F*L con F la fuerza sobre el resorte (Ley de Hooke) y L la dimensión del brazo
de palanca.
,vétoéittaa Rpm ,
, (Motor)
Figura 1.11. Metodología
1.5.2 Solución
Utilizaremos un disco del sistema de freno de coche usado en buen estado
para detener la marcha del motor, y un brazo de palanca para el resorte con el
cual mediremos la fuerza de acuerdo a lo que este se comprima mediante la
ley de Hooke. Nuestra dificultad residió en la fijación del eje del freno al motor,
para que el mismo no vaya a tender a oscilar demasiado durante el
experimento, la solución encontrada se explicará más adelante en este mismo
documento.
El motor que utilizaremos para realizar las pruebas es un Motor VolksWagen,
ubicado en el laboratorio de mecánica, tiene originalmente una cilindrada de
1997 cm cúbicos, inyección electrónica y una potencia de 115 HP con un
torque de 170 N-M (originales). Las acciones tomadas para el funcionamiento
normal de este motor para su posterior estudio fueron las siguientes:
1) Cambio del módulo DIS. Después de que el mecánico especialista revisó
el estado del motor, se llegó a la conclusión que el modulo DIS del
mismo, encargado de enviar la señal de chispa al distribuidor, dejó
de funcionar, por lo que se tuvo que adquirir uno nuevo, marca
BOSCH para asegurar su buen funcionamiento.
- 12 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
11) Bomba de Combustible. Al tener el motor un tanque alterno y pequeño
de combustible, se optó por adaptar una bomba externa para la
distribución del detonante. Con el paso del tiempo y la realización de
diferentes pruebas ajenas a nuestro proyecto, dicha bomba fue
degradándose hasta perder sus propiedades, por lo que se tuvo que
adquirir una semi-nueva, pero en buen estado.
111) Afinación. Para un adecuado funcionamiento del motor, se necesitó una
previa afinación la cual consistió en un cambio de aceite por uno
multigrado, y cambio del anticongelante, cambio del filtro de gasolina,
ya que al ingresar etanol por el mismo, pueden desprenderse
partículas acumuladas en él que podrían afectar el desempeño del
motor, limpieza de inyectores, cambio de bujías y finalmente cambio
del sensor de oxígeno.
- 13 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
11 MARCO TEÓRICO
En México, se cultivan aproximadamente 50 millones de toneladas
métricas de caña, para una producción de 5.8 millones de TM de azúcar y 1.8
millones de TM de melazas (zafra 2004/05)7; uno de cuyos destinos finales es
precisamente la producción de alcoholes de distintas calidades. En años
recientes, se instalaron en dos destilerías de ingenios azucareros, sendas
columnas deshidratadoras, para la obtención de alcohol anhidro, mejor
conocido como etanol, para uso como carburante asociado a las gasolinas
convencionales.
El etanol puede utilizarse como combustible para automóviles sólo, y
también puede mezclarse con gasolina en cantidades variables para reducir el
consumo de derivados del petróleo. El combustible resultante se conoce como
gasohol (en algunos países, "alconafta"). Dos mezclas comunes son E1 O y
E85, que contienen el etanol al 10% y al 85%, respectivamente. El etanol
también se utiliza cada vez más como añadido para oxigenar la gasolina
estándar, como reemplazo para el metil tert-butil éter.
11.1. Fermentación y purificación
La fermentación de los azúcares es llevada a cabo por microorganismos
(levaduras o bacterias) y produce etanol así como grandes cantidades de C02.
Además produce otros compuestos oxigenados indeseables como el metanol,
alcoholes superiores, ácidos y aldehídos. Típicamente la fermentación requiere
unas 48 horas.
7 "PRODUCCIÓN DE ETANOL ANHIDRO EN INGENIOS AZUCAREROS" P.P 1 escrito por el lng. Manuel
Enríquez Poy.
www .conae. gob. mx/work/sites/ CONAE/ resources / LocalContent/ 3714/2 / artmanuelenriquez. pdf
- 14 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
El proceso a partir de almidón es más complejo que a partir de sacarosa
porque el almidón debe ser hidrolizado (reacción química del agua con una
sustancia) previamente para convertirlos en azúcares. Para ello se mezcla el
vegetal triturado con agua y con una enzima (o en su lugar con ácido) y se
calienta la papilla obtenida a 120 - 150°C. Luego se cuela la masa, en un
proceso llamado escarificación, y se envía a los reactores de fermentación.
En cuanto a la purificación el método más antiguo para separar el etanol
del agua es la destilación simple, pero la pureza está limitada a un 95-96%
debido a la formación de un azeótropo de agua-etanol de bajo punto de
ebullición. En el transcurso de la destilación hay que desechar la primera
fracción que contiene principalmente metano!, formado en reacciones
secundarias. Aún hoy, éste es el único método admitido para obtener etanol
para el consumo humano.
Para poder utilizar el etanol como combustible mezclándolo con
gasolina, hay que eliminar el agua hasta alcanzar una pureza del 99.5 al
99.9%. El valor exacto depende de la temperatura, que determina cuándo
ocurre la separación entre las fases agua e hidrocarburos.
Para obtener etanol libre de agua se aplica la destilación aceotrópica en
una mezcla con benceno o ciclohexano. De estas mezclas se destila a
temperaturas más bajas el aceótropo, formado por el disolvente auxiliar con el
agua, mientras que el etanol se queda retenido. Otro método de purificación
muy utilizado actualmente es la adsorción física mediante tamices moleculares.
A escala de laboratorio también se pueden utilizar desecantes como el
magnesio, que reacciona con el agua formando hidrógeno y óxido de
magnesio.
- 15 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
11.2. Etanol como substituto de la gasolinaª
La capacidad calorífica del alcohol hidratado es substancialmente menor que la
de la gasolina, es decir que al comprar un litro de etanol hidratado, se
obtendrían aproximadamente las 2/3 partes de la energía de un litro de
gasolina. En peso entonces se debería de manera teórica suministrar 69% más
alcohol al motor. La cantidad de aire que teóricamente requiere un combustible
para que se haga totalmente su combustión debe contener 937g de aire y 63g
de gasolina ó 895g de aire y 105g de etanol. En la Tabla II se muestran de
manera general las propiedades del alcohol, la gasolina y Diesel, propiedades
importantes posteriormente mencionadas en este mismo documento.
Obsérvese el mayor octanaje del etanol respecto a la gasolina, lo cual se
refiere a que la resistencia que presenta el etanol a detonar prematuramente
cuando es comprimido dentro del cilindro del motor es mayor que la de la
gasolina. Además como puede verse en la tabla a continuación, a diferencia de
la gasolina el etanol no contiene azufre por lo cual no genera S02,
contribuyente importante a la lluvia ácida. Otro punto importante a mencionar
es que la temperatura de autoignición del etanol esta dentro del rango de
temperatura de autoignición de la gasolina sin plomo, lo cual nos asegura un
comportamiento similar al de la gasolina bajo las distintas circunstancias de
temperatura a las que se ve expuesto un motor estándar de automóvil.
8 "ASPECTOS GENERALES DE LA UTILIZACIÓN DEL ETANOL COMO COMBUSTIBLE PARA MOTORES DE
COMBUSTIÓN INTERNA" P.P 56-68 Víctor Manuel García de la Hoz. México D.F 1989. TRABAJO
MONOGRÁFICO DE ACTUALUZACIÓN.
- 16 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
Propiedades físicas de los combustibles alternos, gasolina y diesel
'Propiedades 1 Gasolina sin ¡plomo 1DieselMetano! Etanol
Mezcla Mezcla de
Composición dehidrocarburos hidrocarburos CH30H C2H50H (principalmente (principalmente
C4 - C10) c·12 - C20)
Rango de
Ebullición(° c 26.6 a 215.5 160 a 382.2 65 78.13
® 1 atm)
Densidad 688.7 a 784.8 a
(kg/m3)(kg/l) 784.80.695 a 880.90.778 a
0778 0.87 788.0'I0.79 788.010.79
Contenido de
energía
MJ/kg 43.49-44.42 43.96 20.0 26.74
MJ/1 31.22-33.72 34.28-35.68 15.76 2·109
Temperatura de
autoignición (° 232.2 a 482.2 204.4 a 260 470 423.8
C)
Punto de
inflamabilidad -42.77 51.66 (min) ·11.11 21.11
(º C)
Rango de No.
de octano 87 a 93 N/A 99 100
(R+M) / 2
limites de
inflamabilidad bajo=·1.4 bajo=0.7 bajo=6 7 bajo=4.3
(%vol.en alto=7.6 alto=5.0 alto=36.0 alto= 19.0
aire)e
Contenido de 0.020 a 0.045 0.20 a 0.25 Ninguno Ninguno azufre (% oeso)
Velocidad de la 0.3962 0.3962 0.3962 0.3962
flama {mis\
Tabla 11. Propiedades del alcohol, gasolina y diesel.9
Es necesario mencionar, al igual que lo menciona el ingeniero Víctor
Manuel García en su tesis ya referenciada, que dada la cantidad adicional en
peso que se requiere de etanol (65% más que la gasolina) y la menor
capacidad calorífica 10 del etanol contra la gasolina (69%), se obtiene
prácticamente la misma cantidad de energía en las mezclas (1 Kg de mezcla
aire-gasolina contiene 2683 KJ y 1 Kg de mezcla de aire-etanol contiene 2642
KJ). Lo que significaría que un motor a etanol entrega prácticamente la misma
potencia que uno de igual tamaño a gasolina.
9 "FICHA TÉCNICA VEHÍCULOS CON ETANOL", Comisión Nacional para ahorro de energía.
www.conae.gob.mx
1° Capacidad calorífica: Medida del contenido de energía en La mezcla
- 17 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
11.3. Compresibilidad, combustión y calor latente
La compresibilidad del etanol es más alta que la de la gasolina esto por el
mayor octanaje del etanol respecto a la gasolina en este sentido debemos
mencionar que para determinar la calidad antidetonante de un combustible, se
efectúan corridas de prueba en un motor, de donde se obtienen dos
parámetros diferentes:
• El Research Octane Number (Número de Octano de Investigación) que
se representa como RON o simplemente R y que se determina a una
velocidad de 600 revoluciones por minuto (rpm) y a una temperatura de
entrada de aire de 125ºF (51.?ºC)
• El Motor Octane Number (Número de Octano del Motor) que se
representa como MON o simplemente M y se obtiene mediante una
corrida de prueba en una máquina operada a una velocidad de 900
revoluciones por minuto y con una temperatura de entrada de aire de
300ºF (149ºC). Para propósitos de comercialización y distribución de las
gasolinas, los productores determinan el octanaje comercial, como el
promedio de los números de octano de investigación (RON) y el octano
del motor (MON), de la siguiente forma:
Número de octano comercial = RON + MON = R + M
2 2
Esta característica hace que la relación de compresión del motor se pueda
incrementar sin peligro para lograr una mayor cantidad neta de energía del
motor.
La alta velocidad de combustión de la mezcla etanol-aire, da como resultado
una mayor eficiencia térmica que se traduce como una mejor utilización del
combustible además de que es fácil lograr que todo el etanol alcance la
combustión completa, aumentando la cantidad de aire.
- 18 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
El calor latente de evaporación del etanol es significativamente mayor que el de
la gasolina. En otras palabras se le debe entregar una mayor cantidad de calor
al etanol para evaporarlo, que a la gasolina 11 . Como el etanol se evapora más
lentamente que la gasolina, se debe suministrar una cantidad adicional de calor
a la mezcla, precalentándola. Aún con el motor caliente el múltiple de admisión
está demasiado frío para un funcionamiento adecuado del motor con alcohol
(se deben adoptar medidas de suministro adicional de calor), esto significaría
operar el motor con una mezcla demasiado rica, a consecuencia se tendrían
consumos y emisiones de escape excesivos.
A continuación se menciona un ejemplo que ilustra adecuadamente la mejor
utilización de la energía en el motor a etanol, partiendo de que 1 Kg de mezcla
aire-gasolina contiene 2683 KJ y 1 Kg de mezcla de aire-etanol contiene 2642
KJ:
"Para recorrer una determinada distancia en auto, se consumen 10 litros de
gasolina, o sea 310 Mega joules; para recorrer la misma distancia con etanol se
requieren 12 litros ó 240 Mega joules 23% de ahorro en el consumo potencial
de energía"
(García de la Hoz, P.61)
11.4. Arranque en frío
Para el arranque en frío de un motor una pequeña parte de combustible
debe estar vaporizado, esta cierta parte debe llegar cerca de la bujía para
incendiarse, pero el alto calor latente de vaporización que posee el etanol
hace imposible la vaporización de éste a temperaturas menores a 15ºC. Por
esta razón cuando la temperatura ambiente es relativamente baja es necesario
agregar gasolina a la admisión de los cilindros durante el arranque.
11 En la mezcla ideal de aire combustible, una parte de combustible debe entrar en forma de pequeñas
gotas y otra en forma de vapor. Si esto no ocurre en la proporción adecuada ocurre una mala
combustión y el consumo de combustible aumenta.
- 19 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
Ya una vez en marcha el motor, se desconecta la marcha y se suspende la
alimentación de gasolina, ya que para ese momento hay suficiente calor en la
cámara de combustión para que se evapore el etanol.
Se podría decir que la cantidad de gasolina necesaria para esta
operación es muy pequeña 12 .
11.5. Materiales utilizados en un auto a etanol
El etanol puro reacciona o se disuelve con ciertos materiales de goma y
plásticos y no debe utilizarse en motores sin modificar. Por otro lado cambiar
un coche que utilice gasolina pura como combustible a un coche que utilice
etanol puro como combustible, necesita carburadores y orificios en los
inyectores más grandes (un aumento de área de cerca del 30-40%).
Específicamente el etanol es más agresivo con la mayoría de los
elastómeros que la gasolina. Así, según el libro "Alternatíve Fuels Guídebool<'
de RICHARD L. BECHTOLD, hay diversos materiales que pueden resultar
afectados por el etanol teniendo que ser reemplazados por teflón o elastómeros
altamente fluorados. En el mismo sentido, la AIE13 señala que los alcoholes
tienden a degradar ciertos tipos de plástico, caucho y otros elastómeros y,
puesto que el alcohol es mejor conductor que la gasolina, acelera la corrosión
de ciertos metales blandos como el aluminio, latón, zinc y plomo. Esta
degradación podría dañar ciertos componentes de los vehículos como los
inyectores de carburante y los reguladores de la presión del carburante.
12 La cantidad de gasolina necesaria podría ser provista por un recipiente de 2 L de capacidad, el cual
suministraría la gasolina necesaria para bastantes arranques en frío.
11 lnternational Energy Agency, Institución autónoma relacionada con la Organización para la
Cooperación Económica y el Desarrollo (OCDE), que reúne a 25 estados miembros con el objetivo de
establecer medidas comunes en caso de escasez petrolífera y de compartir información sobre temas
energéticos, coordinar sus políticas de energía y cooperar en el desarrollo de programas
relacionados con la energía.
- 20 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
Por último, también señala la AIE que ciertas aleaciones que se utilizan
normalmente para los tanques de gasolina también podrían ser incompatibles
con el E-85 (mezclas del 85% de etanol y 15% de gasolina)14 .
Así pues, la VW de Brasil utilizaba para hace unos años y según las
fuentes encontradas, una protección plástica especial en la parte interna del
tanque de combustible; en cuanto a las líneas y tuberías que conducen el
combustible se protegen con una película anti-corrosiva o sefabrican en
plástico resistente al etanol . En el motor en si no detectaron para ese entonces
problemas de corrosión
Los motores de etanol también necesitan un sistema de arranque en frío,
como se mencionó anteriormente, para asegurar la suficiente vaporización con
temperaturas por debajo de ºC 15 para maximizar la combustión y reducir al
mínimo la no combustión de etanol no vaporizado.
11.6. Mezclas etanol-gasolina
Una mezcla de gasolinas con un 1 O a un 25% de etanol, no necesita en
general ninguna modificación del motor. La mayoría de coches modernos
pueden funcionar con estas mezclas sin ningún problema. De tal manera que el
gasohol E1 O, la variante más común, se ha introducido por toda Dinamarca. En
1984, toda la gasolina consumida en Brasil fue mezclada con 22% de etanol.
Experimentos del Consejo nacional de petróleo de Brasil, probaron que el
etanol puede ser añadido a la gasolina hasta en una proporción de 25%, sin
daños ni necesidad de cambios a los motores convencionales de gasolina en
ciclo Otto 15.
Las mezclas similares incluyen el E5 y el E?. Estas concentraciones son
generalmente seguras para los últimos motores de automóvil, sin modificar, y
14 INFORME SOBRE EL MARCO REGULATORIO DE LOS BIOCARBURANTES, CON IDENTIFICACIÓN DE
BARRERAS PARA SU DESARROLLO EN ESPAÑA Y ESPECIAL CONSIDERACION DE LOS ASPECTOS ASOCIADOS A
LAS ACTIVIDADES DE LOGÍSTICA Y DISTRIBUCIÓN, 2 de septiembre de 2005 , Comisión de energía
(dirección de petróleo), P.58
15 En 1989, Brasil produjo 12 mil millones litros de etanol para combustible a partir de la caña de
azúcar, que fue utilizado para mover 9.2 millones de coches.
- 21 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
algunas regiones y municipios asignan por mandato los límites en la cantidad
de etanol en los combustibles vendidos.
El término "E85" se utiliza para la mezcla de un 15% de gasolina (por
volumen) y de un 85% de etanol. Esta mezcla tiene un octanaje de cerca del
105. Lo cual es sensiblemente más bajo que el etanol puro, pero mucho mayor
que el de la gasolina normal. El E85 no contiene siempre exactamente un 85%
de etanol. En invierno, especialmente en climas más fríos, se agrega una
mayor proporción de gasolina (para facilitar el arranque en frío).
11.7. Efectos en el octanaje
El etanol puede ser utilizado como un aditivo que eleve el octanaje en la
gasolina, pues presenta de acuerdo con la media (R+M)/2 16, un octanaje de
117.5, que es muy superior al de gasolinas básicas de uso común, que varía
dependiendo del país de origen, de 83 a 89.
El etanol se considera como un aditivo para elevar el octanaje de las
gasolinas. Puede ser usado para manufacturar ETBE; ( etil terciario butil éter)
elemento para la gasolina reformulada. Al ser mezclado con la gasolina
aumenta su octanaje y por lo tanto previene el golpeteo. El etanol también tiene
efectos importantes reduciendo la llamada "penalidad de petróleo crudo" que
sucede cuando el octanaje se eleva por métodos de refinación con uso
intensivo de energía; estos métodos aumentan la cantidad de aromáticos en la
gasolina, substancias de comprobada acción carcinogénica.
A continuación en la Tabla 11.1 se muestra el incremento del número de
octanos de la mezcla de gasolina con diferentes proporciones de etanol17 :
16 Dos métodos frecuentemente utilizados para medir el octanaje de los combustibles son el Método de
investigación (R) y el Método de motor (M), en Estados Unidos y países de Europa, es utilizada la media
simple de estos dos métodos.
17 "ASPECTOS GENERALES DE LA UTILIZACIÓN DEL ETANOL COMO COMBUSTIBLE PARA MOTORES DE
COMBUSTIÓN INTERNA" P.P 72 Victor Manuel García de la Hoz. México D.F 1989. TRABAJO
MONOGRÁFICO DE ACTUALUZACIÓN.
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Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
Etanol en mezcla Octano Cambio en
octano
0% 72.5 -
5% 74.8 2.3
10% 76.6 1.8
15% 78.5 1.9
20% 80.3 1.8
25% 81.4 1.1
Tabla 11.1. Número de Octano en gasolina
respecto a la proporción de etanol.
La experiencia Brasileña con el uso de etanol muestra que en mezclas
con rangos de porcentajes de O a 20% de etanol, se obtiene un incremento de
aproximadamente 1.8 puntos en el octanaje de mezcla, por cada 5 puntos
porcentuales de etanol agregado (usando gasolina brasileña de bajo octanaje
como base).
11.8. Substancias provenientes del tubo de escape
La combustión se denomina completa o perfecta, cuando toda la parte
combustible se ha oxidado al máximo, es decir, no quedan residuos de
combustible sin quemar.
Ecuación General de la combustión:
La ecuación muestra una combustión perfecta, sin embargo no resulta
tan completa como la ideal, en general los gases de escape mantienen algo de
combustible sin quemar además de los productos de la disociación; en
consecuencia la cantidad de calor desprendido es inferior al calor que se
espera con una mezcla estequiométrica.
- 23 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
La relación entre la cantidad de kilo-joules efectivamente desprendidos
por la combustión en el cilindro y la cantidad de Kilo-joules correspondientes al
poder calorífico inferior de la cantidad de combustible empleado se denomina
rendimiento de la combustión (C).
Este rendimiento de la combustión (C) o rendimiento químico puede
determinarse por el análisis químico de los gases de escape y del combustible.
Con exceso de aire y muy buena mezcla, la ignición puede aproximarse
a la ideal de modo que es posible llegar hasta C = 1, mientras que en la
práctica los motores trabajan con un rendimiento
e = o.95 - o.98.
Los diagramas a continuación comparan de manera gráfica la
combustión ideal con la combustión real:
Combustión ideal con mezcla estequiométrica:
Gasolina (1 Kg) Aire (14,7 Kg)
Compresi6n/Explosi6n/Expansi6n
Nitrógeno (N2) Dióxido de Carbono (C02) Agua (H20)
- 24 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
Combustión real:
Gasolin Aire
Compresi6n/Explosi6n/Expansi6n
Nitrógeno (N2) Dióxido de Carbono (C02) Agua (H20)
Oxígeno
Mon6xido de Carbono (CO)
Hidrocarburos (HC)
Oxidos de Nitrógeno (NOx)
Carbón
Dióxido de Azufre (S02)
Sales de Plomo
Oxidantes
El monóxido de Carbono, los hidrocarburos y los óxidos de nitrógeno,
son causas de problemas de salud. El monóxido de carbono daña la habilidad
del cuerpo para transportar oxígeno; los hidrocarburos causan dolores de
cabeza, somnolencia, y limitan la capacidad de las plantas para realizar la
fotosíntesis al aumentar el contenido de ozono en la atmósfera; los óxidos de
nitrógeno han sido asociados con serias irritaciones del sistema respiratorio
como bronquitis y asma.
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Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
Monóxido de carbono (CO):
Este es un subproducto de la combustión y es tóxico. Este gas es
producido por una combustión incompleta debido a un insuficiente suministro
de oxígeno en la cámara de combustión. En palabras mas simples es
combustible parcialmente quemado. Este aumenta cuando se presentan
mezclas muy ricas.
Las causas para la presencia de un alto nivel de CO son:
• Mezcla muy rica de combustible.
• Baja velocidad de marcha en RALENTI o mínima.
• Avance de chispa incorrecto.
• Fallas en el analizador de gases. (Sistema PCV, filtro sucio, etc)
• Estrangulador defectuoso (Choque).
Hidrocarburos (HC):
Es fruto de la combustión incompleta, que se produce cuando la mezcla
dentro del cilindro llega a las paredes de este y se apaga dejando combustible
sin quemar. Se mide en partes por millón en volumen.
Hay otros factores que contribuyen a esta emisión, como lo son: aceite
en la cámara de combustión, falla en el encendido, traslape valvular,
sobrecarga del vehículo, temperatura del motor y altura del sitio en donde se da
la combustión. El exceso de HC en vehículos se debe a fallas o defectos
mecánicos, eléctricos o en el carburador.
Oxígeno (02):
Este es uno de los mejoresindicadores de la forma en que se realiza la
operación en el motor. Indica la cantidad de oxígeno residual a la salida del
escape, luego de la quema. La lectura se da en porcentaje de volumen.
El 02 residual aumenta directamente proporcional con la relación aire -
combustible hasta un límite en que la mezcla es incombustible.
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Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
En mezclas ricas en combustible la lectura de 02 residual será baja pero
la lectura de CO será alta. Por lo cual es indispensable disponer de ambas.
Dióxido de Carbono (C02):
Al igual que los anteriores es un producto de la combustión. En bajas
concentraciones no es tóxico ya que es procesado por las plantas. Se mide en
porcentajes de volumen.
• El monóxido de Carbono, los hidrocarburos y los óxidos de nitrógeno,
son causa de problemas de salud. El monóxido de carbono daña la
habilidad del cuerpo para transportar oxígeno; los hidrocarburos causan
dolores de cabeza, somnolencia, y limitan la capacidad de las plantas
para realizar la fotosíntesis al aumentar el contenido de ozono en la
atmósfera; los óxidos de nitrógeno han sido asociados con serias
irritaciones del sistema respiratorio como bronquitis y asma.
• Los aldehídos han sido asociados con el cáncer en pruebas con ratas, y
el formaldehído ha sido encontrado como el principal precursor en la
formación de ozono fotoquímico.
Oxido de Nitrógeno (NOx)
El nitrógeno que es el gas que constituye el 79% de la atmósfera es
estable en condiciones normales. Sometido a altas temperaturas; sobre 1,500
grados centígrados y alta concentración de oxígeno; reacciona al oxígeno para
formar óxido de nitrógeno (NOx). Esta reacción ocurre cuando se realizan
aceleraciones extremas que ocasionan una alta temperatura en la cámara de
combustión. Los sistemas de control del motor reaccionar pasando oxígeno
para bajar la temperatura pero en el proceso se produce óxido de nitrógeno.
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Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
11.9 Economía de combustible
La economía de combustible se mide en un dinamómetro de chasis que
produce las velocidades y cargas típicas del manejo urbano y en carretera. La
economía de combustible del vehículo de prueba se calcula a partir de los
datos de las emisiones de descarga. La economía urbana de combustible se
mide durante el FTP-75 y la economía de combustible en carretera se mide
mediante la prueba de economía de Combustible en carretera de la EPA
HWFET18
11.1 O PRUEBAS
Para desarrollar nuestros objetivos específicos tenemos planeadas las
siguientes mediciones:
Emisiones Propiedades
contaminantes mecánicas
HC Torque
co RPM
C02 Potencia
02
NOx
Tabla 11.2 Emisiones y Propiedades Mecánicas a medir.
11.10.1. ¿Por qué medir el torque?19
En términos científicos el torque es la fuerza aplicada multiplicada por el largo
de la palanca y se mide comúnmente en Newtons- metro. En éste caso, es el
producto de la fuerza que genera la explosión del combustible en el cilindro por
el brazo de palanca es decir la longitud del cigüeñal. (Torque = F x D). El
18 High Way Fuel Economy Test
19 _http: / /www.lubrimax.com. mx/ boletin10. ihtml
- 28 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
torque y la potencia son dos indicadores del funcionamiento del motor, nos
dicen qué tanta fuerza puede producir y con qué rapidez puede trabajar.
Dentro del motor de un vehículo los gases de combustión generan una
presión dentro de los cilindros que empuja los pistones con determinada fuerza
hacia abajo que es transmitida hacia el cigüeñal haciéndolo girar debido al
torque generado.
El calor que se genera en la cámara de combustión cuando se quema la
mezcla produce una fuerza de expansión en los gases presentes. Esta
característica expansiva de los gases es lo que ejerce la fuerza para generar el
movimiento del motor es decir es la fuerza que es transmitida hacia el
cigüeñal. Esta es la razón por la cual los motores de mayor tamaño están
equipados con cigüeñal de brazo más largo. Esto les da la posibilidad de
ejercer igual par de torsión con menos fuerza de expansión de los gases.
A un determinado régimen de revoluciones del motor, se alcanza la
mayor presión de combustión y, por lo tanto, el torque máximo. En este punto
resultan óptimos el intercambio de gases, la formación de mezcla y la
combustión.
Este es el valor numérico que se especifica en los datos técnicos del
vehículo junto con el respectivo número de revoluciones. Por ejemplo: 310
Newton metro a 2500 rpm. Sin embargo, si el número de revoluciones sigue
aumentando - es decir, se acelera más - vuelve a disminuir el torque. Esto se
debe a que ya no hay suficiente tiempo para crear una presión de combustión
elevada en el cilindro; el motor sencillamente gira demasiado rápido. Por lo
tanto, desmejoran los parámetros de intercambio de gases, formación de
mezcla y combustión.
- 29 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
\
Figura 11.3. Torque F x D
11.10.2. ¿Por qué medir la potencia?
La potencia es la rapidez con que se efectúa un trabajo, es decir, el trabajo
por unidad de tiempo (Potencia = Trabajo / tiempo). Tomando los conceptos
básicos de física sabemos que Trabajo = fuerza x distancia, que son
precisamente las unidades del torque. Además sabemos que la velocidad
rotacional de un motor se mide en rpm (cuyas unidades son 1/min). Entonces si
multiplicamos el torque por las rpm's del motor tenemos F X D / tpo que es
precisamente la potencia.
Si utilizamos una palanca de 1 m y aplicamos una fuerza de 1 N en el
extremo estaremos aplicando un torque de 1 N m. ¿Pero sería posible hacer
girar esta palanca a 3000 rpm? Pues esto es precisamente lo que hace el
motor de su vehículo. La potencia es la rapidez con que se efectúa un trabajo,
es decir, el trabajo por unidad de tiempo (Potencia = Trabajo / tiempo).
Sabemos que Trabajo = fuerza x distancia, que son precisamente las unidades
del torque. Además sabemos que la velocidad rotacional de un motor se mide
en RPM. La potencia máxima es el mayor número obtenido de multiplicar el
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Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
torque del motor por la velocidad de giro en que lo genera. Potencia = Torque
x velocidad angular
11.10.3. ¿Para qué es necesario conocer las rpm?
En todos los motores de combustión interna el torque no es constante,
depende de la velocidad de giro del motor (rpm). Normalmente inicia con un
torque muy bajo, aumenta paulatinamente hasta alcanzar un máximo y
posteriormente vuelve a caer. La potencia, al ser el resultado de la
multiplicación del torque y las rpm tiene un comportamiento similar aunque la
potencia máxima se alcanza a una mayor velocidad de giro del motor debido a
que a pesar de que el torque ya no se encuentra en su máximo este es
compensado por el aumento de la velocidad del motor, la potencia finalmente
cae cuando el torque es definitivamente muy bajo y no puede ser compensado
por la velocidad de giro del motor.
Desde el punto de vista del conductor, el torque es el responsable de
empujar el vehículo o bien de acelerarlo. El torque es esa sensación en el
respaldo al pisar el acelerador. El torque máximo se alcanza en aquel punto del
tacómetro en donde la sensación de aceleración es máxima. Si usted quiere
remolcar una carga o subir una cuesta, se recomienda mantener el motor en su
régimen de giro de máximo torque.
La potencia no está ligada directamente con la aceleración del vehículo,
sino más bien, es una medida de cuánto dura la aceleración o esa sensación
de empuje. Una vez que se ha alcanzado el torque máximo el vehículo
empieza a acelerar contundentemente hasta cierto punto en el tacómetro en
donde el vehículo ya no acelera con la misma intensidad, el punto en el
tacómetro hasta el cual el vehículo logra acelerar contundentemente es el de
máxima potencia.
- 31 -
Utilizaciónde Etanol en un Motor a Gasolina
11.10.4. La importancia del torque y la potencia
Cada motor se diseña según el uso que se le pretende dar. Si lo que se
desea es un vehículo de carga con un motor fuerte o bien un vehículo que
responda bien en ciudad a bajas rpm, entonces se deberá buscar un alto
torque aunque la potencia no sea muy alta. Por lo contrario, si lo que se desea
es un vehículo con capacidad de ser revolucionado para responder en
autopista a altas velocidades, entonces se deberá buscar potencia aunque el
torque no sea muy alto. Como en todas las cosas, lo mejor es buscar un
equilibrio entre ambas para tener un vehículo versátil capaz de responder a
cualquier situación.
11.10.5. ¿Por qué fueron seleccionados dichos gases para su medición?20
El principal problema con los gases contaminantes es la destrucción por
culpa de estos de la capa de ozono, formada por moléculas compuestas por
tres átomos de oxígeno. Esto ha generado grandes problemas en el clima,
tales como los fenómenos naturales conocidos como "El Niño", y
posteriormente "La niña", caracterizados por drásticos cambios de temperatura
e intensas y prolongadas temporadas ya sea de lluvia o de sequía en diversas
regiones.
11.11. APROVECHAMIENTO EN UN VEHÍCULO
En todos los motores de combustión interna el torque no es constante,
depende de la velocidad de giro del motor (rpm). Normalmente inicia con un
torque muy bajo, aumenta paulatinamente hasta alcanzar un máximo y
posteriormente vuelve a caer. La potencia al ser el resultado de la
multiplicación del torque y las rpm tiene un comportamiento similar aunque la
potencia máxima se alcanza a una mayor velocidad de giro del motor debido a
que a pesar de que el torque ya no se encuentra en su máximo este es
compensado por el aumento de la velocidad del motor, la potencia finalmente
20
http://www.ine.gob.mx/ueajei/publicaciones/libros/374/cap8.html
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Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
cae cuando el torque es definitivamente muy bajo y no puede ser compensado
por la velocidad de giro del motor.
kW
120
05
90
1s
- :Rtndimiento
dcfmotor-
17.D-J;!;P@ 6000 rpq¡
Figura 11.4. Potencia Vs Torque en un motor a Gasolina.
Figura 11.5. Potencia Vs Torque en un motor a Diesel
- 33 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
11.12 DINAMÓMETRO
Se denomina dinamómetro a un instrumento que sirve para medir
fuerzas. Normalmente, un dinamómetro basa su funcionamiento en un resorte
que sigue la Ley de Hooke, siendo las deformaciones proporcionales a la
fuerza aplicada.
Estos instrumentos consisten generalmente en un resorte contenido en
un cilindro, con dos ganchos, uno en cada extremo. Los dinamómetros llevan
marcada una escala, en unidades de fuerza, en el cilindro hueco que rodea el
resorte. Al colgar pesos o ejercer una fuerza sobre el gancho inferior, el cursor
del cilindro inferior se mueve sobre la escala exterior, indicando el valor de la
fuerza. Los dinamómetros los incorporan las máquinas de ensayo de
materiales cuando son sometidos a diferentes esfuerzos, principalmente el
ensayo de tracción.
Figura 11.6. Principio básico de la Ley de Hooke
Para efectos del presente proyecto, en motores a combustión interna se
utilizan generalmente el freno de Prony de acción mecánica, el dinamómetro de
rodillos o el dinamómetro eléctrico.
El freno De Prony: Primer dispositivo conocido, para conocer la potencia
mecánica real de un motor. Sobre el extremo del eje del motor (Cigüeñal), se
fijaba un tambor que giraba solidario al eje. Sobre la periferia de este tambor,
- 34 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
se aplicaban dos zapatas, unidas entre si por muelles que se comprimían con
un husillo, aplicaban un esfuerzo frenante sobre la periferia del tambor. Este
sistema, se montaba flotante y concéntrico al eje del motor y de el se sacaba
una barra lateral, sobre la que se colgaban pesos de valor progresivo en su
extremo libre. Por un lado el par motor tendía a hacer girar el sistema en su
sentido de giro , gracias a la fricción entre el tambor y las zapatas , pero por
otro lado, el par que introducían los pesos aplicados por la palanca tendían a
hacer girar el sistema en sentido contrario. Cuando el sistema se equilibraba,
era evidencia de que el par motor era igual al par resistente. Como el par
resistente se conocía porque era el producto de un peso conocido aplicado a
una distancia conocida, se deducía el par motor de la maquina que
evidentemente era el mismo. En definitiva un freno De Prony es una máquina
que opone una resistencia al giro por fricción. Este freno entro en desuso al
aparecer los frenos hidráulicos.
Figura 11.7. Freno de Prony
Dinamómetro de rodillos:
El dinamómetro inercial o banco de rodillos permiten efectuar
mediciones de potencia, torque, velocidad, aceleración y mezcla, además
grafica las curvas de estos parámetros.
Ya sea que se utilice para desarrollar un chip, modificación mecánica o
- 35 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
simplemente para medir el auto, esta herramienta es fundamental para la
potenciación, ya que permite la medición de los datos más importante del
vehículo en tiempo real y en un ambiente controlado.
La potencia y torque son calculados por medio del software del
dinamómetro en base a la velocidad medida y la inercial del banco, estos
resultados son presentados de manera gráfica en la pantalla de una PC.
Figura 11.8. Dinamómetro de rodillos
Dinamómetro eléctrico:
Se conecta el cigüeñal a un generador eléctrico y se mide la potencia
producida por el mismo generador.
11.13. Ley de Hooke para los Resortes
La forma más común de representar matemáticamente la Ley de Hooke
es mediante la ecuación del resorte, donde se relaciona la fuerza F ejercida por
el resorte con la distancia adicional x producida por alargamiento del siguiente
modo:
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Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
F = -kD.r
AE
k=-
siendo L
Donde k se llama constante del resorte (también constante de rigidez) y
/),_x es la separación de su extremo respecto a su longitud natural. La energía
de deformación o energía potencial elástica Uk asociada al estiramiento del
resorte viene dada por la siguiente ecuación:
1 ') uk· = -kx-
2
Para los resortes reales, esta ley anterior y la ecuación de la energía sólo son
válidas por debajo de un cierto valor del cociente de la tensión FIA < aE, tras
superar ese límite el material sufre internamente transformaciones
termodinámicas irreversibles y pierde la capacidad de recuperar su longitud
original al retirar la fuerza aplicada, persistiendo un remanente de deformación
denominado deformación plástica. Originalmente la ley se utilizaba solo para
resortes sometidos a tracción pero también es válida en resortes o materiales
sometidos a compresión.
- 37 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
111 DESARROLLO DEL PROYECO
111.1 Diseño
Antes de empezar a realizar los arreglos y las transformaciones a
nuestro motor, se realizaron diversas investigaciones y se encontró que el
etanol puro reacciona o se disuelve con ciertos materiales de goma y plásticos
y no debe utilizarse en motores sin modificar. Por otro lado cambiar un coche
que utilice gasolina pura como combustible a un coche que utilice etanol puro
como combustible, necesita carburadores y orificios en los inyectores más
grandes (un aumento de área de cerca del 30-40%). Para éste proyecto no se
necesitaron realizar modificaciones importantes ya que los porcentajes de
etanol utilizados en las mezclas son bajos.
Figura 111.1 Banco de Pruebas
- 38 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
Obtención de Piezas.
Uno de los resultado más importantes en éste proyecto fue la compra de
las piezas para la construcción del dinamómetro, la realización del diseño
definitivo y los ensayos de compresiónal resorte.
Para poder tomar la decisión de las piezas que utilizaríamos, realizamos
previamente diversas visitas a depósitos de piezas de segunda mano
preguntando los precios con diferentes configuraciones, resaltando finalmente
las tres opciones siguientes:
A) Una maza de camioneta con su respectivo disco y cáliper, esta debía ser de
camioneta 4x4 ya que solo de este modo tenía el estriado necesario para
realizar un acoplamiento de la flecha en el mismo. Éste detalle hacia que se
elevara demasiado el precio, ya que el sistema fue cotizado desde $3500,
encontrando precios mayores. Con este conjunto faltaba además
complementar con un eje sobre el que se montara el sistema el cual
involucraba otro gasto extra de material y maquinado de aproximadamente
$1500.
B) Un doble disco de Chevy, que también venía ya con sus mazas y cálipers,
su precio era accesible ya que por el par pedían $1500, sin embargo, a esto
habría de sumarse el eje con doble maquinado lo que serian $2000 más, pero
el motivo mas fuerte para descartarlo fue el hecho de que involucraba
demasiado trabajo extra y acoplar correctamente ambos discos seria una labor
muy delicada.
C) Finalmente y como opción más viable encontramos el sistema completo de
un Jetta, el que incluía el disco, la maza, el cáliper, las balatas, las juntas
homocinéticas y la horquilla. Éste sistema tan completo nos evitaba demasiado
trabajo como construir un soporte extra para la masa y realizar el maquinado
del eje. El precio final de dichas piezas fue de $2000 y se tenía la ventaja de
- 39 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
que todo el sistema acopla a la perfección sin tenerle que hacer modificaciones
importantes.
Desmonte de Carcasa
Comenzamos a desarmar la parte del motor a la cual uniríamos el eje
junto con la junta homocinética, y notamos que no habíamos previsto que el
sistema del embrague se acopla directamente a la marcha con ello decidimos
hacerle una modificación más a nuestro diseño, la cual incluyó no utilizar la
copa de la junta homocinética, ésta copa además tenía un costo demasiado
elevado, por lo que tomamos la decisión de acoplar la junta homocinética a una
placa central en lugar del plato del embrague como se esquematizó en la
sección de avances, dejando las partes del sistema de arranque y la marcha
sin modificaciones.
Diseño Final del Sistema
Se diseñó también el sistema que ayudará a soportar el mango, con un
par de brazos de PTR triangulados de la base que soporta al motor. Igualmente
se planeó la medición de la fuerza con un resorte de suspensión de un
automóvil Ibiza, el cual se colocará en la parte superior, a 1 metro de distancia
del centro de giro para simplificar la realización de los cálculos. Para la
medición de la fuerza obtenida del motor se necesitaba saber la constante del
resorte (N/m) y al no tener maquina universal de compresión en la escuela, se
contacto a un profesor de la UNAM para poder hacer dichas mediciones en esa
institución, sin embargo el precio propuesto para el uso de la maquina fue de
$2000, y nosotros no teníamos este presupuesto. Lo que se hizo fue calcular
nosotros mismos la escala utilizando pesas del gimnasio y comprimiendo el
resorte sobre un eje que construimos, tabulando el peso cargado y la longitud
del resorte con esas diversas cargas.
- 40 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
Figura 111.2 Diseño Final del Sistema
Planos en Pro-e
En la parte del diseño del dinamómetro se realizaron planos de Pro-e
con mayor precisión y más apegado al sistema real, esto en inicio fue para
poder realizar el análisis que nos indicaran el comportamiento de las balatas y
el freno, sin embargo, después de investigar más acera del programa Pro-e,
con asesoría del profesor Alejandro Mejía, vimos que la paquetería requerida
para hacer dichos estudios no están contratadas en las licencias de la escuela.
Aun así decidimos modificar el diseño previo, aumentando las partes del
soporte de la masa y del motor.
Figura 111.3 A la izquierda disco de freno, a la derecha plato de embrague.
- 41 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
111.2 Construcción
Durante el proceso de reconstrucción y acondicionamiento del banco de
pruebas o motor, encontramos varios desperfectos en el mismo, los cuales
fueron arreglados durante el curso del proyecto. Entre las principales
anomalías encontramos:
• Sistemas de cableado deficientes (trozados o sueltos).
• Módulo DIS (distribución de la chispa) gastado e inoperante.
• Mangueras de flujo de combustible deficientes.
• Bomba de gasolina en mal estado, debido al punto anterior.
• Chicote de la garganta de aceleración faltante.
• Aceite y anticongelante en mal estado.
• Bujías desgastadas y en mal estado (piezas originales).
• Inyectores operando ineficientemente (tapados por falta de uso).
Eje
F
Brazo de
palanca
Disco
d
Figura 111.4. Diseño preliminar del sistema
de medición de torque
En el caso de nuestro sistema de
medición de torque, se realizó un boceto
preeliminar el cual nos daría una idea de
cómo podría ser nuestro sistema. En el
mismo se incluyen diferentes partes para
poder medir el rendimiento de nuestro
motor: un disco de freno de segunda mano
pero en buen estado, una mordaza con su
par de balatas para detener parcialmente el
movimiento del motor, un eje o flecha junto
con sus juntas homocinéticas que conecte
la salida del cigüeñal con el disco, y unos
soportes de PTR que limiten el movimiento
del sistema. Más adelante se realizaron bosquejos mas conceptualizados en
ProE, para tener una perspectiva mas clara y precisa del sistema de medición.
- 42 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
~
~
Figura 111.5. Piezas para sistema de doble disco.
Figura 111.6. Piezas de sistema de Jetta
- 43 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
IV Pruebas y Resultados
Una vez realizadas todas las
modificaciones antes mencionadas al
banco de pruebas, nos dispusimos a
arrancar el mismo para verificar su
funcionamiento. El motor resultó
encontrarse en buenas condiciones,
con ello podremos lograr realizar las
mediciones con distintas
concentraciones de gasolina-etanol,
como lo dispusimos en nuestros
objetivos. Dichas mezclas son ES,
E10,E15yE20.
Figura IV.1. Dinamómetro
acoplado al banco de pruebas.
IV.1. Dispositivo Sensor del desplazamiento del Resorte
Figura IV.2. Dispositivo sensor de Desplazamiento.
- 44 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
El sistema implementado consiste en un potenciómetro tipo "B"
(logarítmico), unido a la palanca que por acción y efecto de la fuerza que ejerce
el motor, comprime el resorte generando cambios en la resistencia de dicho
potenciómetro que a su vez conectado a un convertidor A/D (Figura IV.4) y este
al microcontrolador, genera voltajes entre O y 255 que finalmente después de
realizar diversas mediciones, pruebas, específicamente pruebas realizadas
simulando el recorrido de la palanca, y curvas características; nos
proporcionaron diversas distancias a las que se comprimiría el resorte de
acuerdo a diversos ángulos recorridos por la palanca que al moverse cambia la
resistencia del potenciómetro, resistencias que tienen su equivalente en voltaje
digital. (Observe de la Figura IV.3 a la Figura IV.7)
Para nuestro sistema de medición utilizamos El Microcontrolador Basic
Stamp 2 (BS2), el cual tiene 16 pines de ( entrada / salida) 1/0 que pueden ser
conectados directamente a dispositivos digitales o de niveles lógicos, tales
como botones, diodos LEDs, altavoces, potenciómetros, y registros de
desplazamiento.
Para utilizar el microcontrolador necesitamos:
Un microcontrolador Basic Stamp 2, Ref. #BS2
Un cable serial RS-232 (no null modem)
Un Pulsador Momentáneo (N.O.)
Fuente de alimentación (+5 V - +15 V)
Una computadora personal PC; S.O. Windows95/
Programa Editor PBASIC
Una tablilla de experimentación
- 45 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
1
S:f ,_
,
BS2-IC
.62" (16 mm)
YIN
vss
RES
voo
P15
pq
P12:
P11
P10
F'9
PI\
Figura IV.3. Diagrama
esquemático o BS2
.--..
E
E
......
~ -
~
,.....
Figura IV.4. Microcontrolador Basic Stamp 2
El programa del BasicStamp es el que se muestra a continuación:
' {$STAMP BS2}
' {$PBAS1C 2.5}
W R PIN 8
INT R PIN 9
'DIRL = O 'LECTURA ADC
AN_DIG VAR Byte
X VAR Byte
- 46 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
sPin CON 16 ' Serial transmit pin
Baud CON 84 ' 9600, 8-bit, no polarity, true
MAIN:
lnitialize:
SEROUT sPin,Baud,[CR] 'prep StampDAQ buffer
SER OUT sPin, Baud, [CR, "LABEL, TIME.X", CR]
SEROUT sPin,Baud,["CLEARDATA",CR] 'Clear all data
LECTURA:
FOR X=O TO 50
HIGHW R
PAUSE 10
LOWW R
CICL01: IF INT R = O THEN CICL01
HIGHW R
CICL02: IF INT R = 1 THEN CICL02
AN DIG=INL
SEROUT sPin,Baud,["DATA,TIME,", DEC AN_DIG,CR] 'Send data to
StampDAQ
NEXT
END
Los puntos más importantes a mencionar en el programa anterior son:
• AN_DIG, es la variable donde se guarda el dato que manda el
convertidor.
• sPin, es el puerto serial que para el BasicStamp es el 16 y ya está
predefinido.
• BAUD, es la velocidad a la que se transmiten los datos (ponerle 84
equivale a 9600 baudios para este micro)
• lnitialize: Es para preparar a Excel para recibir datos
• CR: Es la llamada de atención a Excel.
• Time: También es un comando para Excel es para ponerle la hora a la
tabla donde tomamos las mediciones.
- 47 -
1
i
11
. ,, ..
f
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
A B e D E F 1
1 TIME X
2 07:48:00 ¡>.m. o -
3 07:48:00 p.m. o
BASIC Stamp Data Acquisition for ... ~ -4 07:48:00 p.m. o
5 07:48:00 p.m. o - Settings ~ l -6 07:48:00 p.m. o Port: [i'EJ -
7 07:48:00 p.m. o ~
Baud: 1 9600 El Press F1 for Help -8 07:48:00 p.m. o ~ LoggedData = -
9 07:48:00 p.m. o 1 Reset Stamp on
Connect rJ Download Data -10 07:48:00 p.m. o - Q c lear SIDred Data -11 07:48:00 p.m. o -12 07:48:00 p.m. o
11 1 I[ Clear Columns 1
-
13 07:48:00 p.m. o Connect -
14 07:48:00 p.m. o
1 BASIC Stamp Messages 1 -15 07:48:00 p.m. o
1 1 StampDAQ Status
-
16 07:48:00 p.m. o
17 07:48:00 p.m. o
Figura IV.S. Registro de Datos
• AN_DIG=INL: Lee la parte baja de los puertos es decir (PO a P7) y la
guarda a (AN_DIG)
• DATA: Es para decirle a Excel que tome los datos.
• ": Es para avisar que el usuario ya dejó de mandar comandos y que
ahora si será enviado el dato.
•I I H ¡......e..¡ ----,.....e,¡
C3
15~F IOK
vcc
t\DCOS(M
DGND
AGND
DBO
DB1
DD2
DB3
1JH4
DR5
DB6
DD7
Figura IV.6. Convertidor A/D
- 48 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
El convertidor analógico digital utilizado tiene la siguiente configuración:
• Posee 20 Pines
• 8 bits de bus de datos (DB 0-7)
• 2 tierras (AGND y DGND), una para la parte digital y una para la parte
analógica.
• VIN-, es para hacer las conversiones de de un voltaje negativo
analógico, en nuestro sistema no se ocupa.
• VIN+, aquí es donde conectaremos nuestra señal analógica, es decir el
voltaje que genera el potenciómetro.
• CLK (in) y CLK (R), son circuitos de reloj que se reemplazaron por un
circuito RC, de acuerdo a la res la velocidad a la que se transfieren los
datos.
• RD y CS (negados), están siempre habilitados porque son para leer el
ChipSelect el cual habilita el convertidor.
• Para leer el dato debo tener:
WR
DATO
INT ...... R.__ _ __,
LJ
1
/
7 Dato 8 bits
Grados-x Ohms-y
0.1 3.15
13 266
42 1650
59 2391
74 3150
90 4150
118 5550
128 6470
153 7260
175 8260
196 8640
234 8840
266 9120
297 9150
Tabla IV.7 Grados vs Ohms
- 49 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
------ -
10000
9000
8000 -
.!!! 7000
u 6000 -e:
a,
5000 ] .. 4000 a,
a: 3000
2000
1000
o
o
12000
10000
ni
"ü 8000 -e
G> 6000 --en ·¡¡;
4000 G> a::
2000
o
o
5000
4000
ni
"ü 3000
e .e en
·¡¡;
1000 GI a::
o
-1000
50
----~------- ----- --------~
POTENCIÓMETRO
100 150 200 250
Grados
Figura JV.8. Grados vs Resistencia
100
Parte logarítmica
200
Grados
300
I • Series11
300 350
y = 4628.8Ln(x) - 16388
R2 = 0.9638
400
• Series1
-Log. (Series1)
Figura IV.9. Parte Logarítmica del Potenciómetro
Parte lineal
Grados
y = 46.278x - 209.94
R2 = 0.9905
• Series1
--Linear (Series1)
Figura IV.10. Parte Lineal del Potenciómetro
- 50 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
300
250
200
= e, '6
150 a,
"ii'
:: o
>
100
50
o
o
Resistencia Voltaje
3.15 o
2500 70
4576.575 128
4577.575 128
8200 229
9000 251
9150 255
Figura IV.ll. Resistencia Vs Voltaje
y= 0.0279x- 0.0476
R2 = 1
• Series 1
-Linear (Series 1)
2000 4000 6000 8000 10000
Resistencia
Figura IV.12. Resistencia Vs Voltaje Digital
Grados Voltaje digital
83 0.1
86.5 1
88.5 2
91 7
93 18
94 28
Tabla IV.13. Grados Vs Voltaje Digital
- 51 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
DINAMÓMETRO
35
30
¡; 25 -:21 20 ,,
CII
"ñi' 15 -o
10 >
5
o
82 84 86 88 90 92
Grados
94 96
y= 1 E-19e04998x
R2 = 0.9923
• Series1
--Expon. (Series 1)
Figura IV.14. Grados Vs Voltaje Digital en el Dinamómetro
Voltaje Distancia (x)
0.1 o
1 2.443081057
2 3.838250282
7 5.5805179
18 6.97245942
28 7.667660202
Figura IV.15. Voltaje y Distancia
X
\- - - - - - -I
Palanca
Figura IV.16. Comportamiento de la palanca
X
. 0 (2)
sm(-)=-
2 40
- 52 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
~ Rad
o o
3.5 0.06
5.5 0.1
8 0.14
10 0.17
11 0.19
Tabla IV.17. Ángulo Vs Radianes
9 y= 1.3841 Ln(x) + 2 .9039
8
7
6
.! 5 u
i: 4 "'
• Series1 ..
.!! 3 e
- Lag. (Series 1)
2
1
o
-1
Voltaje digital
Figura IV.18. Voltaje vs Distancia en el Dinamómetro
- 53 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
IV.2. Pruebas de Potencia y Torque
A continuación, en la Tabla 111.25, podemos observar los resultados finales
obtenidos durante el periodo de experimentacón.
Potencia (HP) Toraue (Nm) Velocidad troml %Etanol
35.07303154 99.90074895 2500 5
53.0174517 107.8664168 3500 5
37.60571489 105.9648757 2500 10
58.87961161 119. 79324 77 3500 10
41.19366653 117 .8626354 2500 15
58.61369367 119.2773992 3500 15
38.64559145 119.2773992 2500 20
54.32665832 110.5300572 3500 20
42.25129276 119.4685714 2500 o
57.70499079 116.698792 3500 o
Tabla IV.19. Resultados finales obtenidos de la experimentación
En la Figura IV.20 podemos observar los resultados en las pruebas hechas a
2500 rpm, en donde la mezcla con 15% de etanol obtuvo la más alta potencia.
Para el torque, observamos su más alto rendimiento en mezclas que incluyen
20% de etanol. Las mediciones más bajas en potencia se obtuvieron econ
mezclas entre 5% y 20% de etanol; en el toque su medición más deficiente se
obtuvo a 5% de etanol. Estos resultados resultaron contrastantes en
comparación con las pruebas hechas con gasolina pura ya que a 2500 rpm se
obtuvo una potencia de 42.5HP, la más alta de todas las pruebas realizadas a
2500 rpm, como lo visto en nuestras investigaciones (a pesar de no realizar los
cambios de compresibilidad en el motor), el etanol elevó el octanaje de la
mezcla (Ver anexos 1 ). Por otro lado, al aumentar el etanol en la mezcla aire
combustible, resulta la disminución progresiva de la capacidad calorífica en la
mezcla, aunque es preciso mencionar que a 20% de etanol la potencia alcanza
casi los niveles obtenidos en las pruebas con gasolina pura; una mezcla con un
20% de etanol le da al combustible el balance adecuado entre un mayor
octanaje y una menor capacidad calorífica.
- 54 -
Utilización de Etanol en un Motor a Gasolina
2500 RPM
45
40
35
c.:
::I: 30 -s 25
o z 20 UJ
1-
15 o
Q.
5
o
o
+---~--~-___;_~___;_---~----+, 95
25
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