ESTUDIO COMPARATIVO DEL COMPORTAMIENTO DE DISTINTAS MEZCLAS DE BIODIESEL EN MOTORES HEAVY-DUTY EURO IV DE AUTOBUSES CON RELACIÓN A LAS EMISIONES CONTAMINANTES MEDIDAS EN UN CICLO

REAL URBANO.

López Martínez J.M*; Gómez Méndez A; Aparicio Izquierdo F; Sánchez Alejo J; Flores Holgado N.

Instituto de Investigación del Automóvil (INSIA). Universidad Politécnica de Madrid (UPM)Carretera de Valencia, km 7, Madrid 28031, ESPAÑATeléfono: +34913365306; Fax: +34913365305Email: josemaria.lopez@upm.es

RESUMEN

El objetivo del artículo es realizar un estudio comparativo respecto al consumo energético y a las emisiones de gases, tanto locales como de efecto invernadero, sobre autobuses urbanos homologados bajo normativa Euro IV, utilizando diferentes combustibles. Los combustibles seleccionados para la comparación han sido:

- Gasóleo.- B20 (Biodiesel 20%).- B100 (Biodiesel 100%). Las pruebas se han realizado sobre autobuses urbanos dentro de recorridos reales urbanos de la ciudad de

Madrid. El dispositivo de medida de emisiones es novedoso, ya que se trata de un equipo que mide en continuo, y a bordo, NOx, CO, HC, CO2 y lambda. También se han tenido en cuenta las energías invertidas y las emisiones de gases de efecto invernadero emitidas por cada uno de los caminos que han seguido los diferentes combustibles analizados desde su punto de extracción hasta la correspondiente estación de servicio.

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INTRODUCCIÓN

El metil ester obtenido mediante un proceso de transesterificación del aceite vegetal puede utilizarse como combustible alternativo (conocido como biodiesel) en los motores de encendido por compresión. En Europa, la Comisión Europea en su Libro Verde, ha fijado como objetivo para el 2020 la sustitución de un 20% del combustible convencional por combustibles alternativos: biocombustibles, gas natural e hidrógeno. Con relación a los biocombustibles se considera que tenga una penetración de un 5,75% para el 2010 [1]. Recientemente la CE ha ratificado este valor [2].

Las emisiones en los vehículos heavy duty se realiza sobre el motor en banco de pruebas y no sobre el vehículo. La razón de esta condición es que un cierto número de motores se puede utilizar para un número de diferentes aplicaciones. Sin embargo el interés en medir emisiones en vehículo completo bien en banco dinamométrico bien en carretera está creciendo.

Pruebas en transitorios de motores heavy duty se han usado en USA desde 1985. Los bancos de pruebas suelen ser complejos con dilución de los gases de escape y sistema CVS. En Europa y Japón se han utilizado pruebas tipo estacionarias. El transitorio se ha introducido con la aplicación de la Euro III.

Como norma general, cualquier motor de vehículo industrial, en materia de emisiones contaminantes, están regulados por la directiva 88/77 CE, cuya última modificación hasta la fecha es la directiva 2006/51 CE [3]. Según estas directivas, la medición de emisiones para las pruebas de homologación de los motores diesel de vehículos industriales Euro IV, deberá efectuarse conforme a tres tipos de pruebas (ver tabla 1):

- ESC (European Steady Cycle): Ciclo Estacionario Europeo.- ELR (European Load Response Test): Test Europeo de Respuesta en Carga.- ETC (European Transient Cycle): Ciclo Transitorio Europeo.

Tabla 1: Evolución de las diferentes normativas anticontaminantes aplicadas a motores heavy duty.

Vehículos Heavy DutyNOx

[g/kW]HC

[g/kW]PM

[g/kW]Euro I (1992-93) 8.0 1.1 0.36Euro II (1995-96) 7.0 1.1 0.15Euro III (2000) 5.0 1 0.66 2 0.10/0.16 3

Euro IV (2005) 3.5 1 0.46 2 0.02/0.03 3

Euro V (2008) 2.0 1 0.46 2 0.02/0.03 3

EEV 2.0 1 0.25 2 0.02 1

1 Prueba ESC y ETC. 2 Prueba ESC solo. 3 Prueba ESC y ETC respectivamente.

La aplicación de las distintas normas anticontaminantes ha servido para una reducción muy importante de las principales emisiones de carácter local como el CO, HC NOx y las partículas y así continuará en el futuro [4]. Sin embrago, son necesarias medidas adicionales de control de emisiones en el ámbito urbano para preservar la salud de sus habitantes y el entorno ecológico. Parece importante prestar especial atención a las emisiones de CO2, aunque no dañino a nivel local, pero sí a nivel global y su efecto invernadero [5], [6].

Mientras se analiza cual debería ser la calidad del aire en un entorno urbano, se ha pretendido en este estudio exponer los resultados de los ensayos realizados sobre un autobús urbano, alimentado con tres combustibles diferentes, gasóleo, B20 (20 % biodiesel) y B100, con relación a sus emisiones contaminantes.

Dentro del estudio, se ha creído importante analizar las emisiones globales de efecto invernadero emitidas desde el pozo a la rueda, ya que los biocombustibles tienen un resultado relativamente positivo en este sentido, debido a su absorción del CO2 durante su crecimiento. Esta situación, sin embargo, puede verse contrarrestada durante su combustión en un motor térmico [7], [8], [9].

El hecho de analizar estos tres carburantes se debe, por un lado, al estado actual de la actividad en este tipo de flotas y, por el otro lado, a las recomendaciones que desde la Comisión Europea plantea en cuanto a la utilización de los biocombustibles para esta década y la siguiente (5,75% para el 2010 y un 8% para el 2020).

Existen otros trabajos relacionados con análisis comparativos con diferentes combustibles pero todos ellos realizados en bancos dinamométricos [10], [11]. Lo novedoso del presente trabajo es el análisis del comportamiento en cuanto a la variación del consumo y de las emisiones contaminantes emitidas por un motor heavy duty Euro IV embarcado en un autobús urbano alimentado por tres combustibles diferentes, durante su ensayo en ciclo real en una ruta urbana, previamente seleccionada.

TRABAJO EXPERIMENTAL

Para la ejecución del estudio experimental, se instaló un equipo de medida de emisiones a bordo, Horiba OBS 2200, en un autobús urbano Euro IV con motor diesel de inyección directa, con sistema de postratamiento de gases de escape (SCR más urea). En la tabla 2 se muestran las características técnicas del motor correspondiente al vehículo seleccionado.

Tabla 2: Características técnicas del autobús urbano.

AUTOBÚS IVECO CURSOR 8 F2BE3682CMotor Diesel IDEuro IV 6L turboalimentado con intercoolerCilindrada 7790 cm3

Potencia máxima 213 kW (2050 rpm)Par máximo 1100 Nm (1000-1800 rpm)Relación de compresión 16:1Carrera/diámetro 115/125 mmSistema de inyección Inyector bombaSistema postratamiento gases de escape SCR+UreaCaja de cambios VOITH 854.3ETara 12.205 kgLongitud 12000 mmAnchura 2550 mm

Equipo de medida a bordo/Sistema de muestreo de emisiones

El aspecto más novedoso de los ensayos lo constituye el sistema de instrumentación empleado, ya que permite la recogida de datos en condiciones reales de utilización del vehículo, como son, las emisiones instantáneas y acumuladas de CO, CO2, THC y NOx, el consumo de combustible y la velocidad en cada instante. Este dispositivo de medida “a bordo” es un equipo Horiba OBS 2200. Gracias al conjunto de analizadores de gases de que consta, es capaz de proporcionar resultados de emisiones másicas reales (g/s) y emisiones instantáneas expresadas en % ó ppm, según de qué gas se trate. Los analizadores de que consta son:

- Analizador múltiple de CO, CO2 y H2O por el método de Infrarrojos no Dispersivos en caliente (HNDIR),- Analizador de THC por el método de Ionización de llama en caliente (HFID).- Analizador de NOx por el método de Quimiluminiscencia en caliente (HCLD).Adicionalmente, incorpora un conducto con sus tubos Pitot para la medida del caudal instantáneo de gases de

escape, sensores para la medida de presión, humedad y temperatura ambiente y un sistema GPS para la medición de la posición exacta y velocidad en cada instante. Consta además de un ordenador portátil con un software específico de control del sistema, de toma y visualización de datos y de generación de informes de resultados de los ensayos. Por otro lado, el equipo dispone de un módulo EIU (External Input Unit) de entradas analógicas libres para conexión de otros equipos, como podrían ser medidores de opacidad de humos, termopares, etc. Gracias a estas entradas analógicas, ha sido posible la conexión a este equipo Horiba, de un equipo de medida de partículas MAHA. La figura 1 ilustra de forma esquemática la instalación en el autobús.

OBS 2200 + Baterías + Botellas

Unidad OBD

Botón de parada emergencia Control PC

Max 10m

Max 5m

GPS

Fig. 1: Esquema de la instalación del equipo de medida de emisiones a bordo del autobús.

Por el método del balance de carbonos se puede determinar con gran precisión el consumo de combustible, a partir de las emisiones másicas de CO, CO2 y THC. Asimismo, dado que se conoce el caudal de gases de escape y el de combustible, se calcula también la relación lambda con precisión.

En las figuras 2 y 3, se muestra el equipo instalado de emisiones a bordo y del tubo de Pitot al tubo de escape en el autobús ensayado.

Fig. 2: Detalle del equipo de medida, junto a las botellas de funcionamiento y calibración, en el interior del autobús.

Fig. 3: Detalle de la instalación del conducto calibrado con sus tubos Pitot para la medida del caudal de gases de escape, y sensores para la medida de presión, humedad y temperatura ambiente.

Propiedades de los combustibles

El biodiesel es un biocarburante producido a partir de las grasas vegetales de aceites (la colza, el girasol y la soja son las materias primas más utilizadas) y grasas animales, principalmente. Las propiedades del biodiesel son parecidas a las del gasóleo de automoción, en cuanto a densidad, viscosidad y número de cetano. Es por ello, por lo que puede sustituir totalmente al gasóleo o mezclado parcialmente, para su utilización en los MEC. El término biodiesel se refiere de forma exclusiva al éster metílico producido a partir del aceite vegetal o animal que cumple con la norma UNE-EN-14214.

Para el estudio comparativo se utilizaron tres diferentes combustibles: gasóleo, biodiesel al 20% (B20) y biodiesel puro (B100). Las principales propiedades características de estos combustibles se recogen en la tabla 3.

Tabla 3: Propiedades del biodiesel (B100) utilizado frente a las características fijadas por la norma en 14214 y frente a la norma para gasóleos de automoción.

PROPIEDADES GASÓLEOUNE EN 590

BIODIESELUNE EN 14214

B100

Densidad 20ºC (kg/m3) 820-845 860-900 879Viscosidad 40ºC (cSt) 2,0-4,5 3,5-5,0 4,2PCI (MJ/kg) 43 35/38 37NC 51 (mín) 51(mín) >51POFF (ºC) -10…0 Depende del país -Azufre (ppm) 50 (máx) 10 (máx) 0,51Residuo carbonoso 10% (%) 0,30 (máx) 0,30 (máx) 0,11Punto inflamación (ºC) 55 (mín) 120 (mín) 182

Ciclo de Conducción

Los ensayos experimentales se han realizado en trazado urbano, obteniéndose por tanto, un ciclo de conducción dependiente del tráfico existente en cada caso. Con objeto de obtener repetitividad y condiciones de operación similares, el procedimiento de ensayo ha consistido en hacer circular cada autobús por un mismo trayecto (aprox. 15.6 km) varias veces al día y en distintos días a la misma hora.

El ciclo de conducción consta de tramos con velocidad lenta por la existencia de semáforos, rotondas, paso de peatones, etc. y de tramos con velocidad elevada, como es el correspondiente a la incorporación a la M-40. En la figura 4 se muestra el ciclo de conducción tipo, bajo el que se han realizado las pruebas de medida de las emisiones contaminantes.

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Velocidad [km/h]- Tiempo [s]

Fig. 4: Ciclo de conducción seleccionado.

El trazado urbano correspondiente al ciclo de conducción se muestra en la figura 5.

Fig. 5: Trazado urbano realizado en pruebas experimentales.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la figura 6 se muestra, a modo de ejemplo, la variación del gasto másico en gramos por segundo de los siguientes componentes contaminantes: NOx, THC, y CO. Asimismo se representa también las emisiones de CO2 (g/s) y el gasto másico de escape para el caso del gasóleo.

Fig. 6: Variación con el tiempo de las emisiones de CO, THC y NOx, así como del gasto de escape y de la velocidad del autobús.

La emisión de óxidos de nitrógeno en motores con mucha recirculación de gases de escape está condicionada al mapa característico del ciclo de trabajo de la válvula EGR. Se puede observar del comportamiento cinemático del vehículo que, cuando aumenta la velocidad (en torno a los 85 km/h y 2000 rpm) los NOx alcanzan sus valores máximos. Esto se puede deber a la no existencia de EGR. En estas condiciones, las partículas disminuyen debido a que la temperatura en cámara de combustión ha aumentado.

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

PM [g/s]

Fr

Time [s]

Fr PM

Fig. 7: Variación con el tiempo del dosado, consumo, partículas emitidas por el motor y régimen de giro.

Como en cualquier motor diesel, la regulación de la carga es cualitativa, esto quiere decir que se regula con el dosado. Esta situación se puede observar en la figura 7, donde incrementos del gasto de combustible van acompañados de aumentos del dosado relativo (valor máximo en torno a 0,9).

Asimismo, los incrementos del dosado suelen ir acompañados de incrementos de partículas, como consecuencia de la incapacidad del combustible de englobar el suficiente aire para su combustión por difusión. A elevados regímenes de giro, la emisión de partículas decae como consecuencia del aumento de presión de inyección del inyector bomba. Los incrementos del consumo de combustible van acompañados, por lo general, de procesos de aceleración en el ciclo de conducción, alcanzándose los máximos con los máximos de régimen de giro.

En la tabla 4 se muestran los valores correspondientes a las emisiones en g/km de NOx, THC, PM, CO 2 y el consumo de combustible en los tres casos de combustibles utilizados.

Tabla 4: Promedio de las emisiones contaminantes para los tres combustibles

Componentes (g/km) GASÓLEO B20 B100NOx 6,23 6,45 8,35THC 0,06 0,07 0,07PM 0,07 0,05 0,02Consumo 277,71 280,89 283,23CO2 874,67 884,92 892,91

Como se puede observar en la tabla 4, el valor de NOx aumenta con la utilización de biodiesel y es mayor cuanta más cantidad de biodiesel se utilice. Esto se debe, principalmente, al carácter más oxigenado del biodiesel. Los hidrocarburos totales no sufren una variación significativa al variar de combustible. Las partículas emitidas disminuyen cuanto más biodiesel se utilice, consecuencia de la facilidad de encontrar oxígeno en la tercera fase de la combustión, fruto de su composición más oxigenada. Por último el consumo aumenta, al aumentar el porcentaje de biodiesel debido a su menor poder calorífico y, por tanto, las emisiones de CO2

también aumentan.A continuación se van a evaluar las energías invertidas y las emisiones de gases de efecto invernadero

involucradas para llevar el combustible desde su extracción hasta la estación de servicio. En la tabla 5 se

presenta un resumen global de las entradas de energía y emisiones de gases de efecto invernadero para los combustibles analizados [12].

Tabla 5: Requerimientos de energía y emisiones de GHG (CO2 equivalente) para los caminos de los combustibles analizados. 1) Calculado para una mezcla del 20 % de metil éster y 80% de gasóleo.

2) Calculado: [gCO2/MJMJ/kgkg/km]. Fuente: General Motors.

  

Entrada de energía[MJ/MJ]

Emisiones de GHG [g CO2-eq./km]2)

Emisiones de GHG [g CO2-eq./MJ]

Gasóleo 1,119  478,82 10,2Metil Ester (B100) 2,120 -191,62 - 18,3B20 1) 1,319 671,78 4,5

Por último se procede a evaluar los gases de efecto invernadero emitidos durante el ciclo de vida, del pozo a la rueda (análisis well to wheel-WtW).

Tabla 6.- Análisis del pozo a la rueda.

Well-to-Wheel (WTW)

GHG[gCO2-eq./km]

Gasóleo 1353,49701,291556,70

B100B20

De los valores calculados en la tabla 6, se puede extraer que, a pesar de que el biodiesel es un biocombustible, sus emisiones de CO2, en su conjunto, son mayores que las emitidas por el gasóleo.

CONCLUSIONES

Se ha realizado un estudio comparativo para un motor Euro IV heavy duty con tres tipos de combustibles, para analizar el efecto del biodiesel en dicho motor, con relación al consumo, CO2 y emisiones contaminantes. Los combustibles analizados han sido el gasóleo, el B20 y el B100.

Como ciclo operativo se ha seleccionado el utilizado por la EMT cuando pretende evaluar el comportamiento de autobuses recién adquiridos. Se trata de una combinación de parte urbana y parte extra-urbana. De estos ensayos se han obtenido las velocidades medias, kilómetros recorridos y consumos combinados.

El Biodiesel se presenta como un combustible alternativo con muchas ventajas: no es fósil, CO2 neutro y su combustión está libre de óxidos de azufre. Sin embargo, las emisiones de NOx están por encima de las correspondientes a las mecánicas alimentadas con gasóleo. Por otra parte, las emisiones de partículas disminuyen.

Del presente estudio comparativo se extraen las siguientes conclusiones fundamentales:- Los vehículos alimentados con gasóleo son los que menores emisiones NOx emiten al exterior, pero en

cambio emiten más partículas. Las emisiones de gases de CO2 son menores que en el caso del B20.- Los vehículos con B100 son los que menores emisiones de gases de CO2 emiten durante su ciclo de vida,

por lo que su impacto medioambiental global (efecto invernadero) es menor. Las emisiones NOx son las mayores, pero en cambio, las emisiones de partículas son las menores.

- Los vehículos alimentados con B20, en cuanto a emisiones de carácter local se encuentran entre los anteriores combustibles, pero en cuanto a las emisiones de carácter global (CO2), son los más contaminantes.

REFERENCIAS

[1] Green Paper, European Commission, Towards a European strategy for the security of energy supply, 2001.[2] Alternative Fuels Group, An Assessment of the Emissions Performance of Alternative and Conventional Fuels, 2003.

[3] Directiva 88/77 CE de la Comisión, de 3 de diciembre de 1987, relativa a la emisión de gases y de partículas contaminantes procedentes de motores diesel destinados a la propulsión de vehículos. Última modificación hasta la fecha: Directiva 2006/51 CE [4] J.M. Burón, J.M. López, F. Aparicio, M.A. Martín, A. García, Estimation of Road Transportation Emissions in Spain from 1988 to 1999 using COPERT III program, Atmospheric Environmental, Vol. 38, Issue 5, Pages 715-724, 2004.[5] M. Argiri y F. Birol, World Energy to 2020: prospects and challenges, International Energy Agency (IEA).[6] Jefferson,M., Global Energy Issues, Long-term energy scenarios: the approach of the World Energy Council, vol. 13 nº 1-3, 2000.[7] Kawamo, H. Ishii, Y. Gotyo y A. Noda, Application of Biodiesel Fuel to Modern Diesel Engine. SAE Technical Paper 2006-01-0233. 2006.[8] J. Patterson, M.G. Hassan, A. Clarke, G. Shama, K. Hellgart y R. Chen, Experimental Study of DI Diesel Engine Performance Using Three Different Biodiesel Fuels. SAE Technical Paper 2006-01-0234, 2006.[9] A. Senatore, M. Cardone, D. Buono, V. Rocco, L. Alloca y S. Vitolo, Performances and Emissions Optimization of CR Diesel Engine Fuelled with Biodiesel. SAE Technical Paper 2006-01-0235, 2006.[10] N. Nylund, K. Erkkilä, M. Lappi y M. Ikonen, Transit Bus Emission Study: Comparison of Emissions from Diesel and Natural Gas Buses, 2004.[11] A. Ayala, N.Y. Kado, A. Okamoto, B.A. Holmén, P.A. Kuzmicky, R. Kobayashi, K.E. Stiglizt, Diesel and CNG Heavy-duty Transit Bus Emissions over Multiple driving Schedules: Regulated Pollutants and Project Overview, SAE Technical Paper 2002-01-1722, 2002.[12] General Motors, Well-To-Wheel Analysis of Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Advanced Fuel/vehicle Systems – European Study, 2002.