Estudio de las emisiones contaminantes y de la durabilidad del sistema de inyección utilizando mezclas etanol diésel en vehículos

Resumen

El transporte, en general y en particular el terrestre, es uno de los pilares fundamentales del mundo moderno. El aumento del número de vehículos ha supuesto un aumento exponencial del uso de combustibles fósiles no renovables. Desde hace años se hacen estimaciones del fin de la era del petróleo abogando por un uso más racional del mismo. Junto a esta circunstancia, existe una restricción medioambiental, que exige la disminución de los contaminantes expulsados a la atmósfera por los vehículos, a través de dos frentes de investigación fundamentales: las mejoras de las tecnologías utilizadas en la industria automovilística para elevar la eficiencia energética y reducir la emisión de contaminantes, y la sustitución total o parcial de los combustibles fósiles por otros menos contaminantes. Entre las alternativas actuales de combustibles líquidos sustitutivos de combustibles fósiles están los combustibles de origen renovable entre los cuales se encuentran el biodiésel procedente de diferentes orígenes (soja, colza, girasol, grasas animales, algas etc.) y las mezclas alcoholizadas (con etanol o butanol). Sin embargo, la sustitución masiva o total de los combustibles fósiles está limitada en buena parte por las restricciones existentes en el planeta para obtener la materia prima necesaria para producir estos biocombustibles. Asimismo, otra restricción no menos importante radica en el hecho de que la producción de biocombustibles de primera generación compita con la necesidad de los países del denominado tercer mundo para acceder a alimentos de primera necesidad. Al mismo tiempo, las legislaciones medioambientales en materia de emisiones contaminantes son cada vez más exigentes, y están obligando a las compañías productoras de vehículos a buscar alternativas para cumplirlas, viéndose éstas actualmente con una cierta incapacidad técnica para disminuir las emisiones y así cumplir las normativas futuras. En este sentido, es interesante recordar la apuesta europea por la denominada "dieselización" de los parques automovilísticos. Si bien esta tendencia viene motivada por las ventajas energéticas que tienen los motores diésel frente a los de encendido provocado, tiene como inconveniente que los primeros son los responsables fundamentales de dos importantes contaminantes atmosféricos: los óxidos de nitrógeno y el material particulado, ambos inherentes al diseño del proceso de combustión. Tal y como se ha comentado antes, una de las soluciones alternativas podría ser la sustitución parcial del combustible fósil por un biocombustible que, aunque en un porcentaje bajo, consiga disminuir las emisiones contaminantes y reduzca la dependencia del petróleo. Este trabajo de tesis doctoral se centra en el estudio de una de estas soluciones: evaluar la efectividad del empleo de un tipo de mezcla alcoholizada en flotas cautivas en España. La utilización de mezclas etanol diésel (en adelante e-diésel) en vehículos, sin modificar su tecnología, tiene algún inconveniente ya que el etanol no es miscible con el diésel directamente en ciertas condiciones ambientales, por lo que para que sea estable se emplea de un aditivo. La estabilidad de la mezcla, también se podría conseguir mediante la adición de un biodiésel de origen vegetal. En este trabajo se ha utilizado una mezcla volumétrica de etanol en diésel al 7.7%. Los estudios previos de estabilidad de mezclas e-diésel fueron desarrollados previamente a este trabajo en el Grupo de Combustibles y Motores [1-3]. En los trabajos antes citados se llegó a la conclusión que la mezcla con un 7.7% v/v de etanol y 0.6% del aditivo "O2Diesel" sería segura para su uso en vehículos en cualquier circunstancia climática. En este trabajo de tesis doctoral se estudia la efectividad de esta mezcla (e-diésel) para ser utilizada como carburante en flotas cautivas. Por este motivo se analiza el efecto del combustible en dos direcciones diferentes pero altamente relacionadas entre sí: a)Sobre las emisiones contaminantes producidas por tres vehículos pertenecientes a dos flotas diferentes de autobuses urbanos (autobuses urbanos de Ciudad Real y Sevilla) y por una máquina de construcción perteneciente a una empresa que, al momento del desarrollo del trabajo, estaba dedicada a la construcción de un tramo de vía férrea de alta velocidad. b)Sobre el desgaste que sufren algunos de los componentes más importantes del sistema de inyección al trabajar con la mencionada mezcla durante un largo período de tiempo. En un principio los ensayos para determinar las prestaciones de un motor que se instalaría en un vehículo se hacían tradicionalmente en banco de ensayos y en condiciones estacionarias. Este proceder aún se utiliza para la optimización de los motores que se instalan en los vehículos y forma parte del denominado proceso de calibración. Sin embargo, en los últimos años, debido a las exigencias de las nuevas normativas de restricción de emisiones, (ver Capítulo 2) se han desarrollado distintos procedimientos donde el objeto de estudio puede ser el motor simulando las condiciones reales de conducción (Road load simulation) o el vehículo completo. Para la realización de los trabajos con vehículos completos, existen distintas metodologías experimentales para ser desarrolladas dentro de un laboratorio en condiciones de funcionamiento y ambientales controladas (empleo de banco de rodillos bajo cámara climatizada haciendo ciclos de certificación) y fuera de un laboratorio (medidas on-board, in-situ, etc. en condiciones reales de movimiento controladas o aleatorias). Este tipo de ensayos está enfocado al estudio de las emisiones contaminantes y las prestaciones en condiciones transitorias, de gran peso sobre la emisión total de contaminantes. Esta tesis doctoral se distingue por cuatro aspectos fundamentales: el trabajo se ha realizado en condiciones reales de transporte urbano de pasajeros en dos ciudades diferentes, se ha utilizado entre los combustibles una mezcla de etanol con combustible diésel, se han medido las distribuciones de tamaño de partículas y, finalmente, se ha incluido un apartado, que si bien es el principio de un trabajo que puede abordarse con mayor profundidad, es pionero estudiando el efecto de una mezcla alcoholizada sobre la vida útil de un sistema de inyección actual. Esta distinción se ha hecho debido fundamentalmente a que los estudios en banco no pueden reflejar completamente las situaciones reales que se producen en la circulación de un vehículo como han puesto de manifiesto algunos autores [5-9]. [1]M. Lapuerta, et al. "Stability of diesel-bioethanol blends for use in diesel engines" Fuel, vol. 86, pp. 1351-1357, 2007. [2]M. Lapuerta, et al. "Effect of ethanol on blending stability and diesel engine emissions" Energy and Fuel, vol. 23, pp. 4343-4354, 2009. [3]M. R. García "Estudio de mezclas basadas en bioetanol sobre las emisiones de un motor diesel" Tesis Doctoral, Universidad de Castilla-La Mancha, Ciudad Real, 2009. [4]Web of ISI Knowledge. (2010, 15/10/2010). http://portal.isiknowledge.com. [5]T. W. Kirchstetter, et al. "On-road measurement of tne particle and nitrogen oxide emissions from light- and heavy-duty motor vehicles" Atmospheric Environment, vol. 33, pp. 2955-2968, 1999. [6]D. Schurman and J. Staab "On-the-road measurements of automotive emissions," Science of the Total Environment, vol. 93, pp. 147-157, 1990. [7]I. D. Vlieger "On-board emission and fuel consmption measurement campaign on petrol-driven passenger cars" Atmospheric Environment, vol. 31, pp. 3753-3761, 1997. [8]M. André and U. Hammarström "Driving speeds in Europe for pollutant emissions estimation" Transportation Research Part D, vol. 5, pp. 321-335, 2000. [9]R. Joumard, et al. "Infuence of driving cycles on unit emissions from passenger cars" Atmospheric Environment, vol. 34, pp. 4621-4628, 2000.