Ae<TA AGRONOMieA _

MEZCLAS ETANOL- GASOLINA COMO COMBUSTIBLE DE MOTORES DEENCENDIDO POR CHISPA

Luis Arnoby Rodriguez * Bill Rav Long**

COMPENDIO

E n el Taller de Mecánica Agrícola de Texas A & T University en Kingsville (TX), se usaron seismezclas etanol-gasolina (0,20,40,60,80 Y 100 % etanol) para operar un motor de seis cilin-d ros variando la razón aire- combustible, avance de encendido, carga y velocidad. Con cada com-bustible se usó una tobera principal para obtener su razón estequiométrica. De gasolina a etanol eldiámetro de la tobera se aumentó 1262 veces. El avance de la chispa se varió entre ° y 26 o

APMS (Antes de Punto Muerto Superior). Se seleccionó como óptimo el avance al que el motordesarrolló máxima potencia. Los avances óptimos fueron 6 ,6,10,14,18 Y 220 APMS. No fuenecesario introducir modificaciones para operar e I motor con mezclas que conten ían hasta 20 %

etanol. Para mezclas con más de 20 % etanol, el avance de encendido (V) y el con18nido deetanol (X), siguieron la relación V = 2.0 + 0.2 X. En la prueba final, el motor se sincronizó conel avance óptimo para cada combustible. En todos los casos, el motor se comportó en igual forma,siguiendo las mismas curvas características de potencia, par torsor, consumo específico de com-bustible y eficiencia, con las siguientes diferencias de gasolina a etanol: decrecieron la máx imapotencia (10.6 %) Yel máximo par torsor (8.7 olo) Y aumentaron el consumo específico de com-bustible (49 %) Y la eficiencia (52 olo),

ABSTRACT

In the Agricultural Mechanics Shop at Texas A & I University in Kingsville (TX), six ethanol-gasoline blends (0,20,40,60,80 and 100 % ethanol)' were used to operated a six-cylinder en-gine at different operating conditions of air-fuel ratio, timing, load and speed. A main jet the car-burator was used for each fuel to obtaining its stoichiometric air-fuel ratio. The main jet diame-ter was enlarged 1262 times from gasoline to ethanol. To select the optimun timing, timing wasvaried from Oto 26° BTOC (Before Top Oead Center) and the engine tes1ed at maximun power.The optimun advance timings were respectively 6, 6, 10, 14, 18 and 220 BTOC. It was notnecessary to introduce modifications to operate the engine with blends containing upto 20 %

ethanol. For blends with more than 20 % ethanol, the advance timing (V) and the ethanol con-mnt (Xl, followed the relation V = 2.0 + 02 X. In the last test, the engine was set at the op-timun advance timing for each fuel. AII the fuels performed in the same way. They followed thesame characteristic curves for power, torque, specific fuel consumption and efficiency with thefollowing differences from gasoline to straight ethanol: maximun power and torque decreased10.6010 and 8.7 0/0 respectively; specific fuel consumption and efficiency increased 49010 and520/0.

* Profesor Asociado. Universidad Nacional de Colombia. A. A . 237 , Palmira.**Ph.D. Profesor Asociado. Texas A & 1 University.

Acta Agron.vol.39(3-41 119-126-1989 119

AeGJ'A AHRONOMJ:eA _

1. INTROnUCCION

La alta demanda que la creciente poblacióndel mundo y el incremento de la mecanizaciónhan ejercido sobre el consumo de combusti-bles derivados del petróleo, el consecuente in-cremento de precios y los cortes o em b ar ao sen el suministro; han incentivado el desarrollode fuentes alternas de energía, particularmen-te combustibles líquidos derivados de bioma-sa , de los cuales el alcohol es el más prominen-te.

Aunque el uso de alcohol combustible noes nuevo, su tecnología no está desarrollada.Es necesario estudiar sus propiedades y pro·bar su uso en motores de combustión en dife-rentes condiciones operativas. Este trabajocontribuye a esa tecnología. Se ejecutó paraevaluar la respuesta de un motor de gasolin aoperado con mezclas etanol ga solina de O a100 % etanol con estos obejtivos: introdu-cir las modificaciones necesarias en el motorpara operarlo con las diferentes mezclas; eva-luar el efecto del contenido de etanol en elavance del encendido del motor y evaluar elefecto del etanol en el funcionamiento delmotor en diferentes condiciones de carga yvelocidad.

2. MATERIALES Y METOnOS

Para la ejecución de este trabajo se utilizóun motor Ford 6-240-66, con avance de en-cendido 6° , relación de compresión 9.2: 1 ycarburador Rochester (7025105). lnic i a l·mente se determinaron las modificacionesnecesarias en el carburador para operar el m o-tor con mezclas etanol-gasolina que con te-n ían de O a 100 % etanol. Para evaluar elefecto del contenido de etanol en el funcio-namiento del motor, se realizaron dos prue·baso La primera se condujo para seleccionarel avance óptimo de encendido para cadacombustible. La segunda prueba se realiz ópara evaluar el efecto de contenido de eta-nol en el funcionamiento del motor en dife-rentes condiciones de carga y velocidad.

2.1. Acondicionamiento del motor

Uno de los factores determinantes en la co-rrecta operación de un motor de encendidopor chispa es la cantidad de combustible su-ministrado v su relación con la cantidad deaire necesario para la combustión completaen el cilindro. La regulación de estos dos ele-mentos es función del carburador: este debeser ajustado para suministrar aire y combusti-ble en una razón (A/C) determinada quemuestra las porciones relativas que in tervie .nen en la combustión. Se pretende que aire ycombustible estén en una relación estequio-métrica; que el combustible se convierta enproductos completamente oxidados duranteel proceso (Obert , 1968). Es determinadapor la reacción entre el combustible yel ox Í-geno del aire. Las razones estequiométricaspara las 6 mezclas etanol- gasolina variaron en-tre 15.1 y 9.0 (Cuadro 1).

La relación (A/C) en un motor, se puedevariar ajustando la aguja dosificador a de latobera principal o cambiando la tobera. Eneste trabajo, se calculó y cambió la toberaprincipal para cada mezcla. Su diámetro secalculó median te la relación:

36.20Dt = \!

Y (A/C) VWcdonde, Dt Diámetro de la tobera princi-

pal (mm).

A/C = Relación aire- combustible(Cuadro 1)

w c = Gravedad específicas de lasmezclas (Cuadro 1).

Los diámetros obtenidos se aproximaron alos diámetros comerciales de brocas (Oc)(Cuadro 1).

2.2. Prueba de avance de encendido

Utilizando un equipo electrónico de sincro-nización (Sun 320), el avance de encendido sevarió alrededor del avance recomendado porel fabricante del motor (6° APMS). Cada corn-

120 _

AeGf'A AGRONOMJI[eA

Cuadro 1

Diámetros de las toberas principales

Etanol Gasolina Dt DcCombustible (%) (%) Wc A/C (mm) (mm)

1 O 100 0.750 15.1 1.664 1.65102 20 80 0.760 14.6 1.686 1.65103 40 60 0.765 13.8 1.732 1.70184 60 40 0.775 12.8 1.792 1.77805 80 20 0.785 11.3 1.902 1.93046 100 O 0.795 9.0 2.124 2.0828

bustible se probó con su propia tobera prmcl-pal. Inicialmente el avance se varió 5 veces en-tre Oy 14° APMS. Para las tres últimas mez-clas fue necesario aumentar e1rango h a s t a26° APMS.

Mediante el uso de un dinamómetro h i-dráulico (Go -Power systems Modelo DA),sepudo observar que máxima potencia, máxi-mo par torsor, mínimo consumo específicode combustible y máxima eficiencia ocurrencon el mismo avance de encendido. Este sedefinió como el avance óptimo para cad acombustible.

2.3. Prueba de carga y velocidad variables

Permitió observar el comportamiento yrespuesta del motor en condiciones variablesde carga y velocidad. Para cada combustibleel motor se acondicionó con su correspon -diente tobera y se sincronizó con su avanceóptimo. La velocidad del motor se varió en-tre 1000 y 4200 rpm y la carga se ajustó pa-ra obtener máxima potencia en cada veloci-dad. Esta prueba permitió construír las cur-vas características que muestran la variaciónde potencia, par torsor, consumo específicode combustible y eficiencia respecto a lavelocidad del motor. El efecto del conteni-do de etanol en la respuesta del motor, seanalizó comparando las mezclas con la gaso-lina en cada parámetro de prueba. Para faci-

litar el análisis, se tomaron 3 rangos de velo-cidad: baja, menor a la de máximo par tor-sor, media, entre par torsor y potencia má-ximos, y alta, mayor a la de potencia rná-xima.

3. RESULTADOS Y DISCUSION

3.1. Prueba de avance de encendido

Para todos los combustibles, la potenciavarió al variar el avance de encendido (Fig. 1).

El avance óptimo de encendido al que cadacombustible desarrolló máxima potencia va-rió con el contenido de etanol (Cuadro 2) yse debe al efecto de la velocidad de propaga-ción de la flama cuando el contenido de eta-nol se incrementa.

Cuadro 2Avance óptimo de encendido para cada'combustible

Combustible Etanol (%) AE( APMS)

1 O 62 20 63 40 104 60 145 80 186 100 22

_______________________________________________________________ 121

AecrA AGRONOMleA _

----- .•.. -- ..•

40

.....

qa s o Li.ns

.¿()? E.'té~-l.nol

" le 8()~/~ E? tan 01

10 18 223 6 14 26C)

AVANCE DE ENCENDIDO f APMS,Fig.l. Efecto del avance ~2 2ncendlGO sObre la potencla en

mezclas etanolgasollna.

Los combustibles 1 y 2 se probaron conla misma tobera y dieron su máxima poten-cia con el mismo avance (6 o APMS), sin dife-renciaapreciable en su valor. La potencia des-cendió sólo el 0.34 % de gasolina a la mez-cla con 20 % etanol. Esto muestra quemezclas conteniendo hasta el 20 % etano 1no requieren modificación alguna en el mo-tor para obtener máxima eficiencia. Por estarazón, en países donde el gasohol (mezcla oegasolina con 20 % etanol) ha llegado aser un combustible comercial, los motores deautos pueden alimentarse indistintamente congasolina o gasohol.

Al comparar la variación de potencia, se no-tó que la pendiente de las curvas disminuyóal aumentar el contenido de etanol. E s t omuestra que variar el avance de ene en d idotiene más afecto en mezclas con bajo conte-nido de etanol. El regl~je o sincronización

de la chispa es más riguroso en estos combus-tibles.

Los resultados mostraron relación directaentre el avance de encendido (Yi) yel conte-nido de etanol (Xi) para mezclas entre 20 y100 % etanol (Fig. 2).

3.2. Prueba de carga y velocidad variable

Todos los combustibles siguieron las cur-vas características en los cuatro parámetrosevaluados.

3.2.1. Torque y Potencia

A baja velocidad no hubo diferencia nota-ble entre las 6 mezclas. Todos siguieron lamisma curva (Fig. 3). El torque presentó li-gera diferencia al final del intervalo por efectodel menor calor disponible cuando se incre -mentó el contenido de etanol.

122 _

AecrA AeRONOMleA _

y

22

3

o 20 x40 60 80CONTENIDO DE ETANOL (%)

100

Fl.q Relacl.on entre el contenldo de etanol • el avance optlmode encendldo para mezclas desde 20 a 100% etanol.

En el punto de máximo torque el mayor va-lor correspondió a gasolina (25.2 kg. m) y elmenor a etanol (23.0 kg. m). El torque máxi-mo se redujo 8.7 % de gasolina a etanol.

La velocidad a la que se obtuvo el torq u emáximo no varió con el contenido de etanol,1800 rpm.

A velocidad media se presentó un pequeñoefecto del contenido de etanol al disminuír lapotencia y el torque que además presentó al-ta reserva. Esto indica que alimentados conmezclas etanol-gasolina, los motores de gaso-lina también presentan sus mejores condicio-nes de operación a velocidades medias.

En el punto de máxima potencia se presen-tó un descenso de 85 a 76 kW, de gasolina alas mezclas con 60,80 y 100 % etanol. Es-to es un descenso de 10.6 % en la poten-cia de gasolina a etanol.

Todos los combustibles desarrollaron lamáxima potencia a igual velocidad, 3600rpm.

3.2.2. Consumo específico de Combustible(CEC)

La tendencia general mostró incremento enel consumo de combustible al aumentar el

contenido de etanol (Fig .4 ) y se debe al ma-yor suministro de combustible al variar la re-lación aire- combustible de 15.1 a 9.0.

En el punto de mínimo consumo, la máxi-ma diferencia fue entre gasolina (0.255 kg /k Wh) y etanol (0.380 kg/kWh); lo cual re-presentó incremento de 49 % en consumoespecífico a baja y media velocidad, valor in-tennedio al que registra la literatura y queoscila entre 43 (Cruz O.!!J.,1981) y 60 %

(Bashford ~.!!J., 1981).

A velocidad media el CEC presentó ligeroarmento pero c~mserva bajos valores con to-das las mezclas. Esto indica que operadoscon etanol, los motores de gasolina deben tra-bajar en este ranzo (velocidad de r~gimen) pa-ra operación más económica.

A alta velocidad el CEC de los combusti-bies con 0, 20 y 40 % etanol fue mayor a lacaída más rápida de la potencia a alta veloci-dad.

3.2.3. Eficiencia

La eficiencia de conversión de la energíadel combustible en trabajo mecánico aumen-tó con el contenido de etanol (Fiz, 4).

A baja velocidad el etanol presentó mayoreficiencia y alcanzó máximo valor del 35 oto,

____________________________________________________________ 123

AcerA AG-RONOMleA _

90.

80

70

60

50.-::?: 40~<H 30.u \:z

\~E-<~ 20. gaso1in~

~o. - -- 20% etanol

o o 40.% etanolal.. _0.- 60.% etanol

x_ 80% etanol

• -100.% etanol

30.

- --------E --. 2Q00

~o:: \ 0-."o \ "-ti)~ .i c \~o::<e,

O 1000. 20.00 30.00. 40.00

VELOCIDAD DEL MOTOR (rpm)

Fig. 3. Variación de la potencia y el par torsor para mezclas etanol- gasolina.

124 _

AeGTA AG-RONOMIeA _

1.0

0.9

0.8

0.7

§0.6~<, i.,~O. 5 -,-

0.4u~u0.3

0.2

0.1

O

gasolina II

20% etanol

c>-----<I 40% etanol

60% etanol

-- 80% etanol

--lOO% etanol

- - ---

40r30

dP 20<:Hu:z:~ 10HUH

I~~

O 1000 2000 3000 4000

VELOCIDAD DEL MOTOR (rpm)

Fig. 4. Variación del consumo específico de combustible y la eficiencia

para mezclas etanol - gasolina._____________________________ ~ 125

AeCCA A~RONOMleA _

A velocidad media todas las mezclas man-tuvieron alta eficiencia, especialmente aque-llas con alto contenido de etanol que ademáspresentaron menor variación. En este rangola eficiencia promedio 34 % para etanol y28.8 % para gasolina. Diferencia que se de-be a dos ventajas del alcohol: la combustiónmás limpia del etanol, con menores emisio-nes de óxidos de nitrógeno e hidrocarburos,significa combustión más completa que pro-porciona eficiencias hasta 5 % mayores quela gasolina (Thring, 1983). Otra ventaja esla razón de compresión del motor utilizado,9.2: 1, favorece al etanol que por su mayoroctanaje, permite uso más eficiente y conmenor consumo, en motores de alta compre-sión (Stephenson, 1980).

El ligero descenso en la eficiencia a veloci-dades medias muestra que con mezclas eta-nol-gasolina, los motores de encendido porchispa deben operar en este rango de veloci-dad para lograr alta eficiencia y bajos nivelesde emisiones.

A velocidades altas, la eficiencia decreciócomo resultado del incremento en CEC. Lasmezclas con alto contenido de etanol conser-varon alta eficiencia debido a la combustiónmás completa del etanol.

4. CONCLUSIONES

4.1. El avance óptimo de encendido va r 1ocon el contenido de etanol. Mezclas con-teniendo hasta 20 % etanol no requi-rieron modificaciones en el motor paraobtener máxima potencia. Para mezclascon más de 20 % de etanol, el avancede encendido (Y) se sincronizóde acuer-do al contenido de etanol (X),siguiendola relación Y = 2.0 + 0.2 X.

4.2. Pequeñas variaciones en el avance de en-cendido produjeron mayores caídas depotencia en las mezclas con menos e t a -no1.

4.3. Todas las mezclas conteniendo etanol secomportaron en la misma forma que lagasolina, siguiendo las curvas caracterís-ticas.

4.4. La potencia y el torque máximo decre-cieron 10.6 % Y8.4 % respectivamen-te desde gasolina a las mezclas con 60,80, Y 100 % de etanol.

4.5. El consumo específico de combustiblese incrementó con el contenido de eta-nol. Este incremento fue de 49 % degasolina a etanol y permaneció c a s iconstante a baja y media velocidad. Es-ta es una desventaja grande del etanole incide directamente en los cos-tos de operación.

4.6. La eficiencia presentó un incremento de5.2 % de gasolina a etanol.

5. 'BIBLIOGRAFIA

1. BASHFORD, L. and SULLlVAN, N.W. Con-version of a gasoline engine to alcoholfuel. ASAE Paper 81 -3583. 1 981.

2. CRUZ, J.M., SWARR,H;ROTZ,C. andWllKINSON, R. Engine conversíon for al-cohol fuel. ASAE paper 81 - 1052.1981.

3. GO - POWER SYSTEMS. Operation and ins-tallation of the DA dynamometer. Go-Power System5. 1972.

4. OBERT, E. F. Internal combustion engines.Internatíonal Texbook Co. 1968.

5. STEPHENSON, K. O. Alcohol fuel blendsand srnall engines performance. ASAEpaper 80 - 1033. 1980.

6. THR ING, R. Alternative fuels for sp ar k-ignition engines. Automotive Enginee-ringo Vol. 91, No.2, p.30-33.1983.

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