OBJETIVO GENERAL:

Evaluar las características termodinámicas y ambientales de un motor a gasolina convertido a GNV ciclos reales. Mezcla de aire comprimido.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Evaluar el balance térmico de un motor Otto, empleando gasolina y GNV. Evaluar los tipos de gases de escape del motor con los dos combustibles e impacto sobre

el medio ambiente. Hacer un análisis económico bajo ciertas condiciones de trabajo y tiempo de recuperación

de la inversión. Analizar las ocurrencias de fallas al realizar el cambio del motor de gasolina a GNV. Ventajas y desventajas del empleo de estos dos tipos de combustibles.

INTRODUCCIÓN:

FUNDAMENTO TEÓRICO:

FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR

Un motor de combustión interna se basa su funcionamiento, como su nombre lo indica, en el quemado de una mezcla comprimida de aire y combustible dentro de una cámara cerrada o cilindro, con el fin de incrementar la presión y generar con suficiente potencia el movimiento lineal alternativo del pistón

Ilustración 1 motor a combustión

Este movimiento es transmitido por medio de la biela respecto al eje principal del motor o cigüeñal, donde se convierte en movimiento rotativo, el cual se transmite a los mecanismos de transmisión de potencia (caja de velocidades, ejes, diferencial, etc.) y finalmente a las ruedas, con la potencia necesaria para desplazar el vehículo a la velocidad deseada y con la carga que se necesite transportar Mediante el proceso de la combustión interna desarrollado en el cilindro, la energía química contenida en el combustible es transformada primero en energía calorífica, parte de la cual se transforma en energía cinética (movimiento), por el

cual a su vez se convierte en trabajo útil aplicable a las ruedas propulsoras; la otra parte se disipa en el sistema de refrigeración y el sistema de escape, en el accionamiento de accesorios y en pérdidas por fricción. En este tipo de motor es preciso preparar la mezcla de aire y combustible convenientemente dosificada, lo cual se realizaba antes en el carburador y en la actualidad, son los inyectores en los sistemas con control electrónico. Después de introducir la mezcla en el cilindro, es necesario provocar la combustión en la cámara del cilindro por medio de una chispa de alta tensión que la proporciona, el sistema de encendido

CICLO OTTO El motor de gasolina de cuatro tiempos se conoce también como “motor de ciclo Otto”, denominación que proviene del nombre de su inventor, el alemán Nikolaus.August.Otto (1832-1891)

CICLO: OTTO (Presión vs Volumen) El ciclo de trabajo de un motor Otto de cuatro tiempos, se puede representar gráficamente, tal como aparece en la ilustración.

Ilustración 2 diagrama P vs. V

Esa representación gráfica se puede explicar de la siguiente manera:

La

parte de B a 1 representa el tiempo de admisión. El volumen del cilindro

conteniendo la mezcla aire-combustible aumenta.

La parte de 1 a 2 representa el tiempo de compresión. La válvula de admisión que ha permanecido abierta durante el tiempo anterior se cierra y la mezcla airecombustible se comienza a comprimir. Como se puede ver en este tiempo, el volumen del cilindro se va reduciendo a medida que el pistón se desplaza. Cuando alcanza el PMS (Punto Muerto Superior) la presión dentro del cilindro ha subido al máximo y minutos antes que se produzca la chispa.

La parte de 3 a 4 representa el tiempo de explosión, momento en que el pistón se encuentra en el PMS. Como se puede apreciar, al inicio de la explosión del combustible la presión es máxima y el volumen del cilindro mínimo, pero una vez que el pistón se desplaza hacia el PMI (Punto Muerto Inferior) transmitiendo toda su fuerza al cigüeñal, la presión disminuye mientras el volumen del cilindro aumenta.

Finalmente la parte de 4 a 1representa el tiempo de escape. Como se puede apreciar, durante este tiempo el volumen del cilindro disminuye a medida que el

pistón arrastra hacia el exterior los gases de escape sin aumento de presión, es decir, a presión normal, hasta alcanzar el PMS.

LAS TRES PARTES FUNDAMENTALES DE UN MOTOR

Bloque: Es la estructura básica del motor y parte más grande del motor, contiene los cilindros donde los pistones suben y bajan, conductos por donde pasa el refrigerante y otros conductos independientes donde circula el lubricante. Generalmente el bloque esta construido en aleaciones de acero o aluminio.

Culata: Sirve entre otras cosas de cierre a los cilindros por su parte superior. En ella va alojadas las válvulas de admisión y escape, las bujías (en los OTTO), el árbol de levas y los conductos de admisión de aire a gasolina y de escape. La junta de la culata: Se utiliza para sellar la unión entre la culata y el bloque. Posee varias perforaciones por las cuales pasan los pistones, los espárragos de sujeción, y los conductos tanto de lubricación como refrigeración.

Cárter: Es la parte donde se deposita el aceite para lubricar las partes del motor normalmente esto se hace de dos formas: Golpeando el propio cigüeñal en su giro sobre el aceite, lubricando en forma de salpicadura y mediante la bomba de aceite. Esta bomba coge el aceite del Carter y lo envía a las zonas a refrigerar a través de los conductos de un ciclo cerrado

FICHA TÉCNICA DEL VEHÍCULO:

Corsa Wagon (Nafta) Autos (modelos anteriores) Corsa Wagon (Nafta) Chevrolet Corsa Wagon (Nafta) Especificaciones técnicas Modelo / Variante MOTOR Modelo Disposición Nº de cilindros Cilindrada Potencia máxima (CV/Rpm) Sistema de alimentación GL (A/A y D/Pot.) GLS 16V Powertech SOHC Powertech DOHC 16V Transversal 4 en línea 1598 cm3 92 / 5600 102 / 6000 Inyección Electrónica Multipunto 4026 1768 1388 2443 46 690 1482 STD STD STD EQUIPAMIENTO INSTRUMENTAL Cuentakilómetros parcial Tacómetro Indicador de combustible Indicador de temperatura Indicador de carga del alternador Indicador de batería Indicador de presión de aceite Regulación eléctrica de faros delanteros Luz indicadora de freno de mano aplicado STD ND STD STD STD STD STD ND STD Eléctricos STD STD STD STD 185 / 60 R14 STD STD STD STD STD

DIMENSIONES (mm) Largo total Ancho total Alto total Distancia entre ejes Capacidad del tanque de combustible (lts.) Capacidad del baúl (lts.) Capacidad del baúl c/asiento rebatido (lts.) FRENOS A disco ventilado en ruedas delanteras A tambor en ruedas traseras DIRECCION Hidráulica

EQUIPAMIENTO EXTERIOR Espejos retrovisores c/comando interno Manuales Desempañador de luneta Lava-limpialuneta Portaequipajes en techo Paragolpes color carrocería Neumáticos 165 / 70 R13 Llantas de aleación ND EQUIPAMIENTO INTERIOR Aire acondicionado integral Radio AM/FM c/pasacasete stereo

Tablero triple información Ventilador/desempañador de aire Luz interior de techo Levantacristales con comando eléctrico Asientos delanteros reclinables Asiento del conductor regulable en altura Cobertura flexible en compartimiento de equipaje Portaobjetos en puertas delanteras SEGURIDAD Inmovilizador de motor Barras protectoras laterales Alarma Cierre centralizado de puertas Columna de dirección colapsable Luces delanteras antiniebla Tercera luz de stop Cinturones de seguridad inerc. de tres puntos del. Cint. de seg. inerc. de tres puntos.+ central abd. Apoyacabezas delanteros y traseros

DESARROLLO DEL CASO 1. Realizar un balance térmico de un motor de una cilindrada determinada empleando gasolina y GNV (GLP), y comparar el rendimiento térmico de cada uno de ellos. 1.1.

Primero procedemos a realizar los cálculos para el GLP:

Datos: Cv = 1.5 J/gK k = 1.12 Cp = 1.68J/gK R = 0.18 J/g.K CP (Poder calorífico)= 46000J/g Qsum = m (masa de combustible entrante en el cilindro) x CP = ?

Relación aire combustible = 15.11(Kg de aire/Kg de GLP) Densidad del aire = 1.18x10-3g/cm3 Densidad del GLP= 2.15x10-3g/cm3 Relación de Compresión: 9.4:1

Hallando las presiones, volúmenes y temperaturas que se producen en el motor: Se encontró que el combustible ingresa al cilindro a P1 = 1 atm (bar) de presión y debido a que esta licuado tiene una temperatura de T1 = -25.5°C (247.5 K).

Remplazando (2) en (1)

El proceso entre 1 y 2 es adiabático

Y luego se usó la formula….

Para hallar T2. T2 = 323.85 K Luego se necesita la T3 para ello:

Poder Calorífico es 46000J/g y se usa la sgte. Fórmula:

Para hallar mcomb se usa la relación de aire-combustible:

Usando la ecuación 6

Luego usando la ecuación 5

P3 se halla con la ecuación 4 P4 se halla con la ecuación 3 en el proceso de 3-4 y T4 se halla con la ecuación 4

Proceso 1 2 3 4

P(bar) 1 12.3 83.61 6.8

V(cm3) 447.63 47.62 47.62 447.63

T(K) 247.5 323.85 2201.38 1683

Se halla la eficiencia del ciclo:

POR LO TANTO:

………Para 1 cilindro Potencia del motor: 60536x4 =242.144 kW

1.2. Procedemos a realizar el cálculo para el GNV. Datos: Cv = 1.846 J/gK k = 1.27 Cp = 2.345J/gK R = 0.426 J/gK CP (Poder calorífico)= 48100J/g Qsum = m (masa de combustible entrante en el cilindro) x CP = ? Relación aire combustible = 17.4 (Kg de aire/Kg de GLP) Densidad del aire = 1.18x10-3g/cm3 Densidad del GNV= 0.803x10-3g/cm3

Hallando las presiones, volúmenes y temperaturas que se producen en el motor:Se encontró que el combustible ingresa al cilindro a P1 = 1 atm (bar) de presión y debido a que esta licuado tiene una temperatura de T1 = 15°C (288 K).

Remplazando (2) en (1)

El proceso entre 1 y 2 es adiabático

Y luego se usó la formula….

Para hallar T2. T2 = 526.97 K Luego se necesita la T3 para ello:

Poder Calorífico es 48100J/g y se usa la sgte. Fórmula:

Para hallar mcomb se usa la relación de aire-combustible:

Usando la ecuación 6

Luego usando la ecuación 5

P3 se halla con la ecuación 4 P4 se halla con la ecuación 3 en el proceso de 3-4 y T4 se halla con la ecuación 4

Proceso 1 2 3

P(bar) 1 17.2 64.43

V(cm3) 447.63 47.62 47.62

T(K) 288 526.97 1973.94

4

3.74

447.63

1077.07

Se halla la eficiencia del ciclo:

ENTONCES:

…… Para 1 cilindro Potencia del motor: 100968x4= 403.872 KW • comparando los cálculos de las potencias del GNV y el GLP, determinamos que para nuestro caso el GNV tiene mayor potencia en el motor.

2. Realizar un análisis de los gases de escape empleando ambos combustibles y determinar, en función a la conservación del medio ambiente, si existe ventaja al emplear el GNV (GLP), y el impacto actual en función a la cantidad de autos a gasolina que ha sido convertidos a GNV (GLP).

Son los compuestos

gaseosos formados en el proceso de combustión como

observamos en el siguiente gráfico, producto de unión de los átomos de oxígeno con los átomos que conforman las moléculas de hidrocarburos.

Ilustración 6

Gases de escape producido por el GNV y GLP Dióxido de carbono CO2:

Es un gas inerte, que aparentemente no afecta la salud, pero es uno de los principales responsables del efecto invernadero, ya que al no reaccionar con otros compuestos, permanece en la atmósfera y evita que el calor generado en la tierra salga al espacio. Este efecto invernadero es el que ha aumentado la temperatura del planeta en las últimas décadas. Es el producto principal de la combustión, ya que en su formación se genera la mayor cantidad de calor en el proceso. Su presencia en los gases de escape en el porcentaje adecuado es un índice de una combustión eficiente. Dependiendo de las características del motor, el porcentaje de CO2 emitido debe estar entre el 12% y el 17% del total de gases que salen por el tubo de escape.

Vapor de agua H2O: Resulta de la unión del hidrógeno contenido en las moléculas del hidrocarburo y el oxígeno presente en el aire. El vapor de agua es un gas oxidante y corrosivo que al unirse con los óxidos forma ácidos, los cuales son los principales responsables del daño en los tubos de escape, fuera que contribuyen a la formación de la lluvia ácida en el ambiente. El vapor de agua es el elemento que se encuentra en mayor cantidad en los gases de escape, entre un 20% y 25%.

Oxígeno O2 Existe en el aire y es absolutamente necesario para que la combustión se realice en el cilindro. Es medido en porcentaje del volumen y es un buen indicador de la riqueza o pobreza de la mezcla.

Monóxido de carbono CO Es un gas “invisible”, sin olor, sabor, ni color; es altamente venenoso, ya que se combinación la sangre más fácilmente que el oxígeno y puede producir la muerte.

Es producto de un mal proceso de combustión, ya sea por variaciones de la mezcla estequiométrica, fallas mecánicas o combustión incompleta. Es el parámetro principal en él diagnostico por emisión de gases, y su valor en porcentaje depende del año y modelo del vehículo. Se ha encontrado que en la formación de CO se pierde un 72% de energía calórica con respecto a la formación de CO2, lo que significa que en este gas se pierde eficiencia en el funcionamiento del motor. El CO es medido en porcentaje del volumen y es también considerado como un indicador de la riqueza o pobreza de la mezcla. En la atmósfera el CO reacciona con el O3 y lo disminuye, produciendo CO2, lo cual afecta la capa de ozono.

Hidrocarburos NO quemados (HC) Hacen referencia a la gasolina no quemada en el proceso de combustión, y es el segundo parámetro en importancia en el análisis de gases. Su presencia en los gases que salen por el tubo de escape es un indicativo de combustión incompleta, ya sea por fallas mecánicas, eléctricas o mezcla fuera de especificaciones. Adicionalmente en todos los motores se deja de quemar cierta cantidad de HC, debido a las llamadas zonas de extinción, ya que la temperatura de las paredes es la más baja de toda la cámara. Su presencia en el medio ambiente es causa de asfixia e irritaciones en la piel y los ojos.

Óxidos de nitrógeno (NOx) El nitrógeno es un elemento que se encuentra en grandes cantidades en el aire y entra simultáneamente con el oxígeno a la cámara, participando de manera conjunta en la combustión. Su unión con el oxígeno en diferentes proporciones depende de cuan alta está la temperatura. A mayor temperatura mayor será la cantidad de NOx que se formará. Su presencia en atmósferas húmedas, aumenta la formación de los ácidos, contribuyendo al incremento de la lluvia ácida.

Los NOx son sustancias sumamente nocivas para la salud, ya que en presencia de hidrocarburos no quemados y la luz solar, incrementa la formación de smog y ozono, los cuales afectan las mucosas nasales y el globo ocular, siendo los responsables del incremento de formación de cataratas. En cualquier motor se formará NOx, especialmente en cercanías a los electrodos de las bujías, en donde la temperatura es más alta; pero la cantidad se incrementará con el aumento de la relación de compresión, o cuando existan daños en el sistema de refrigeración que eleven la temperatura. La presencia en un alto porcentaje de NOx puede ser un indicador de alta temperatura del motor o mal funcionamiento del sistema de recirculación parcial de gases de escape.

Óxidos de azufre (SOx) El azufre se encuentra como un elemento extraño e indeseable en la gasolina, generalmente en forma de hidróxido y al igual que con el nitrógeno, cuando la temperatura es suficientemente alta, en la cámara forma óxidos, utilizando el oxígeno necesario para la formación de SO2, incrementando así la formación de CO. El SOx en presencia de atmósferas húmedas forma ácido sulfúrico y además es el principal responsable del daño de los catalizadores, el sensor de oxígeno y el tubo de escape. Un alto contenido de SOx puede significar combustible con alto contenido de azufre o alta temperatura del motor.

Ilustración 7 COMPARACIÓN DE GASES DE ESCAPE

• Esta comparación observamos que es necesario usar un gas en vez de gasolina, ya que la gasolina genera excesiva contaminación.

3. Determinar el consumo empleando cada uno de estos dos combustibles y realizar un análisis económico para una unidad que opera mediante un determinado patrón, en un año de funcionamiento y en cuanto tiempo se recuperaría la inversión.

Determinar el consumo empleando cada uno de estos dos combustibles y realizar un análisis económico para una unidad que opera mediante un determinado patrón, en un año de funcionamiento y en cuanto tiempo se recuperaría la inversión. Para determinar el consumo de combustible empleado, primero procedemos a comparar el costo de conversión de tercera generación.

Costo de conversión tercera generación GLP S./ 1500 GNV S./ 4005 Tabla 3.1

Observamos en la tabla 4.1 que el costo de conversión de tercera generación más económica es el GLP, entonces elegimos a esta por su bajo precio de conversión. Segundo, para comparar el consumo de combustible en nuestro caso, tenemos que el recorrido que hace este vehículo es de tres vueltas de Chosica a Lima, llegando a desplazarse 47km por día.

Costo de los distintos combustibles Precio por Consumo diario Combustible galón (s./) (gal) GLP 5.37 7.49 GNV 4.62 6.49 Gasohol 13.51 4.44 Tabla 3. 2

Precio del consumo diario (s./) 40 30 60

En la tabla 2, observamos que el precio de consumo diario con combustible Gasohol es de s. / 60 siendo este el más caro, también tenemos al GLP con un costo de s. / 40, el precio de este combustible es moderado, el precio de consumo más económico es del GNV siendo s. / 30, finalmente en esta comparación escogemos el combustible GNV para el vehículo. Tercero, procedemos a ver el costo de mantenimiento en 500 km.

Costo de mantenimiento en 500Km GLP GNV S./ S./ 78.25 100

gasolinero

S./ Tabla 3.3

99.4

El costo de mantenimiento en 500 km para este vehículo con motor gasolinero es de s. /99.4, si hacemos la conversión a GNV el costo de mantenimiento es s. / 100 y para el GLP el costo de mantenimiento es s. / 78.25, en esta comparación elegimos la conversión a GLP, ya que nos produce un costo de mantenimiento bajo. Cuarto, ahora procedemos a comparar el costo de funcionamiento del vehículo, este costo incluye el mantenimiento y el consumo de combustible en gasolinero, GLP, GNV.

Costo de funcionamiento tipo mensual GLP S./ 1278.25 GNV S./ 1000 Gasolinero S./ 1899.4 Tabla 3.4

anual S./ 16839 S./ 16005 S./ 2279.8

Observamos en la tabla anterior que el costo mensual y anual más elevado es del motor gasolinero y generación a GNV. En esta comparación de las tablas anteriores podemos observar que en el costo de tercera generación nos conviene el GLP, para el costo de distintos combustibles el GNV, para el costo de mantenimiento es el GLP y finalmente en el costo de funcionamiento del vehículo tenemos el más económico al GNV, en conclusión llegamos a determinar que la conversión rentable para este vehículo es la de GNV. el costo más económico es la conversión de tercera

4. Determinar las ventajas y desventajas del empleo de GNV (GLP).

Los vehículos convertidos para usar GLP, pueden usar GNV? NO, debido a que las condiciones de trabajo de cada equipo son diferentes, por ejemplo: mientras que en los cilindros de vehículos convertidos para usar GLP este es almacenado a 7 bar de presión; en los vehículos convertidos para usar GNV este es almacenado a 200 bar de presión, adicionalmente todos los demás componentes del equipo completo de conversión están diseñados para diferentes presiones de trabajo.

¿Qué ventajas ofrece el Gas Natural como combustible para vehículos? Ventajas Económicas: En países en los que el GNV ha tenido un gran

desarrollo la diferencia de precio de este con los combustibles líquidos alternativos ha sido significativa por los altos precios de estos. A los precios actuales de los combustibles líquidos, se ha estimado que costaría un 65% menos que la gasolina de 90 octanos, 50% menos que el diesel y 48 % menos que el GLP. Además el usuario ahorraría mucho mas ya que el motor extenderá su vida útil requiriendo menos gastos de mantenimiento por un alargamiento del periodo de cambio de aceite lubricante, de las bujías de encendido y de a necesidad de afinamiento. Las reservas de petróleo crudo están disminuyendo al no descubrirse nuevos yacimiento con valor comercial, mientras que las reservas de gas natural existen en abundancia y se espera que estas reservas se incrementen, especialmente de las zonas adyacentes a los lotes actualmente en etapa de explotación de Camisea Por otro lado, en el mes de Mayo 2004 el país produjo 83,533 barriles de petróleo crudo por día y las cargas de petróleo crudo a las refinerías fueron en total

152,360 barriles por día, de los cuales 87,180 barriles fueron petróleo crudo importado, pero además también el país importa en promedio entre 15,000 a 20,000 barriles por día de diesel. El resultado neto resulta en una balanza comercial negativa. La sustitución del Gas Vehicular a los combustibles líquidos para uso vehicular contribuirá a mejorar la Balanza Comercial de Hidrocarburos Ventajas Medio Ambientales: La toma de conciencia de la degradación del

medio ambiente causada por las emisiones de gases de escape de origen vehicular, ha inducido a la búsqueda de combustibles más “limpios”. El factor geográfico de la ciudad de Lima con cercana presencia de la cordillera de Los Andes impide la limpieza de la atmósfera por barrido de los vientos, creando así una capa de inversión de baja altura y una consiguiente acumulación de partículas contaminantes. El GNV posee innumerables beneficios medio ambientales entre los cuales podemos mencionar:

• • • • •

No contiene Azufre ni plomo. Reducción de hasta 97% en emisiones de monóxido de carbono (CO) con respecto a los combustibles líquidos Reducción de hasta 97% de emisiones contaminantes con respecto a los combustibles líquidos Reducción de hasta 100% de emisiones de particulado. Los vehículos transformados a GNV superan las Normas EURO III vigentes actualmente e inclusive las normas EURO IV que están por ser emitidas.

Ventajas en Seguridad: El GNV al ser más liviano (d = 0.65 kg/m3) que el aire

en caso de alguna fuga esta se disipará en la atmósfera sin formar acumulaciones peligrosas.

El cilindro de almacenamiento de GNV para los vehículos está construido sin soldaduras evitando puntos de concentración de esfuerzos y posee hasta 8 mm de espesor en sus laterales y hasta 2 pulgadas en las bases. Como medida de seguridad adicional se utilizaran picos de carga diferentes en los surtidores de las estaciones de servicio de GNV a los ya existentes para combustibles líquidos y GLP, evitando así posibles confusiones. • Como tenemos entendido el GLP y GNV están creados para disminuir la contaminación, pero se puede decir que el GNV contamina menos al medio ambiente.

CONCLUSIONES: • El GNV genera más potencia que el GLP debido a que sus propiedades como el butano conlleva a tender a comprimirse fácilmente. • Llegamos a determinar respecto a los costos que el GNV es más rentable para este vehículo que se usará como taxi. • La conversión de gasolina a gas ya sea GNV o GLP es muy conveniente ya que son muy pocas las desventajas y es necesaria para así la contaminación sea menos en la ciudad ya que tenemos suficiente con las minas.

• Nuestro vehículo necesita trabajar con GNV si se quiere generar ganancias y beneficios.

BIBLIOGRAFÍA: •

Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Petróleo, Estudio de Factibilidad Económica para la Conversión de Vehículos Gasolineros a Gas Licuado de Petróleo, FLOR DE MARÍA LOURDES VALDEIGLESIAS LÓPEZ 2007.

•

Centro Tecnológico del Gas, gas natural comprimido vehicular, Instructores de Mecánica Automotriz 2002.

• Evaluación del programa de conversión a GNV de vehículos, centro de entrenamiento técnico automotriz 2001.