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Fumigar motores con alcohol

14/10/2015
Por: Sergio A. Urquijo Morales – Vicerrectoría de Investigación

Ingenieros del Grupo de Manejo Eficiente de la Energía, GIMEL, desarrollaron un kit para controlar la inyección de alcohol en motores diésel con el fin de proteger el ambiente sin perder eficiencia.

Motor experimental en el laboratorio de GIMEL. Foto: Sergio Urquijo.

El diésel es un combustible aceitoso, familiar para los colombianos como ACPM, que mueve gran parte del transporte pesado del país. Pero la combustión del diésel genera gases nocivos para el ambiente y la salud, como monóxido y dióxido de carbono (CO y CO2), hidrocarburos y óxidos de nitrógeno (NOx). También emite material particulado (ese humo negro que sale de buses y camiones) que puede afectar la respiración, según su composición química, tamaño, forma y la concentración de sus partículas diminutas.

Controlar desde la ingeniería estas emisiones es complejo. “Cuando se implementan estrategias para disminuir los NOx suele aumentar la emisión de partículas y viceversa”, señaló Andrés Agudelo Santamaría, investigador del Grupo de Manejo Eficiente de la Energía —GIMEL—, “pero hay una forma de disminuir ambos contaminantes al tiempo: combinar diésel con alcoholes”.

Esta combinación tiene ventajas ambientales, pues estos alcoholes son de origen biológico, renovables y generan menos emisiones netas de CO2, gas importante en el calentamiento global. 

Pero mezclarlos directamente genera problemas, pues el diésel es un combustible que no se mezcla con el agua, y uno de los alcoholes usados fue etanol hidratado, que es más barato que el alcohol vehicular comercial (alcohol anhidro). 

La apuesta del grupo fue inyectar en la admisión de aire del motor diésel, dos alcoholes de origen renovable: bioetanol hidratado (con moléculas de agua) y biobutanol. Y para hacer el proceso eficiente diseñaron un kit de inyección con todos los elementos necesarios para su uso controlado.

El grupo se lanzó al proyecto con apoyo del Comité para el Desarrollo de la Investigación, de Ecopetrol (que donó el diésel puro, que no se consigue comercialmente), de la Universidad de Castilla - La Mancha y del grupo GAIA, quienes apoyaron los análisis fisicoquímicos y biológicos del material particulado, respectivamente.

Un control electrónico 

En la primera etapa los investigadores desarrollaron el kit para controlar un motor experimental en laboratorio. Esa fue la labor del ingeniero electrónico Andrés López, quien en su doctorado desarrolló el control electrónico para darle la orden a cada inyector de cuándo inyectar alcohol y qué cantidad. 

“El momento de inyección depende de las condiciones de funcionamiento del motor en cada instante. Podemos lograr diferentes porcentajes de sustitución y lograr la misma engería del diésel, pero con una combinación con etanol”, explicó López. 

Luego procedieron a pruebas completas simulando condiciones reales de operación, punto a punto. “Fumigamos con alcohol el aire que entra al motor diésel. Así puedo sustituir grandes porcentajes de diésel, hasta el 40%. En cada punto medimos consumo de combustible, potencia del motor, temperaturas y presiones en el sistema. Con un modelo termodinámico estimamos el inicio y la velocidad de combustión, y confirmamos que los alcoholes aumentan la velocidad de combustión y bajan la temperatura media”, indicó el profesor Agudelo. 

Resultados sobre ambiente y salud

Con este kit, y tras probar la mejora en el desempeño del motor en laboratorio, el equipo hizo evaluaciones de gases y partículas. Concluyeron que al usar alcoholes amentan las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos totales, THC, pero disminuyen las de NOx y de partículas.Y las emisiones de CO y THC se pueden controlar luego con métodos catalíticos”, afirmó López.

Luego vino el análisis de partículas, que estuvo en gran parte a cargo de Marlon Cadrazco, quien cursaba su maestría. La morfología (forma y tamaño) de las partículas fue evaluada con microscopía electrónica de transmisión y otras técnicas. “Habíamos desarrollado un software que analiza automáticamente las imágenes de microscopía, así determinamos forma, tamaño y dimensión fractal, es decir, el nivel de fragmentación”, señaló Agudelo. 

La dimensión fractal es importante: mientras una partícula más se parezca a una esfera más rápido se precipita, mientras que si es muy irregular (como una hoja de papel mal arrugada) se mantiene más en el aire, y por tanto, es más fácil que sea respirada y pueda causar algún daño.

Se analizó luego la composición química de las partículas y las emisiones, y su capacidad de efectuar reacciones químicas. “No se puede evitar que el motor tenga emisiones, pero se pueden elaborar estrategias para tratarlas y disminuir la toxicidad, por ejemplo con reacciones químicas”, comentó el investigador. “La información que encontramos acá puede ayudar a la formulación de sistemas de postratamiento”.

Por último, un aliado, el grupo de ingeniería ambiental GAIA, extrajo las esencias químicas de las partículas y las aplicó a células vivas in vitro. “Encontraron que cuando usamos alcoholes fumigados las partículas tienen mayor reactividad química y, por tanto, mayor posibilidad de generar problemas tóxicos”, explicó Agudelo. 

Ese es un punto en contra, pero como explica el investigador, cuando se usan alcoholes se emite menos cantidad de partículas por volumen, lo que disminuye la posibilidad de que las personas respiren algo genotóxico. Para un próximo proyecto se evaluará la mutagénesis, es decir, la capacidad de generar mutaciones y cáncer, que se espera que reduzca con el uso de alcoholes.

Solo el comienzo

Junto con Andrés López y Marlon Cadrazco, cuatro estudiantes del pregrado en Ingeniería Mecánica: Santiago Cardona, Felipe Campuzano, Javier Atehortúa, y Jonathan Pianetta, participaron en el proyecto y dos de ellos obtuvieron el premio a la investigación en la feria de Ingeniería de 2014. Todos continúan investigando en el área. “El siguiente proyecto es crear un control autónomo del motor”, indicó Andrés López. “Este nuevo desarrollo permitiría que el sistema sea autónomo y le permitiría al vehículo saber en qué punto de operación está y cuál sería la sustitución óptima para ese punto”.

Y así como el proyecto se enfocó en las emisiones reguladas por las normas ambientales, las no reguladas, como aldehídos y cetonas, serán evaluadas por otro proyecto que ya comenzó, coordinado por otro investigador del grupo, John Ramiro Agudelo.

Cada paso se hace teniendo en cuenta tanto los estándares internacionales como las características propias del país. Como indicó Marlon Cadrazco, “cada país tiene sus problemas y en Colombia hay una tecnología de motores más vieja que en otras partes, con combustibles diferentes, por lo que debemos desarrollar nuestras propias soluciones”. 

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