Efecto de la adición de gas oxihidrógeno (HHO) en la mezcla aire/combustible en un motor de combustión interna. Barco Burgos Jimmy 1; Duran García,Jorge García,Jorge2; Mago Ramos, María Gabriela 3. 1
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Universidad ECCI, Grupo de investigación GIATME 2 Universidad ECCI, Estudiante Ingeniería Mecánica Universidad LIBRE, Grupo de investigación DETECAL Correo electrónico de contacto:
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Energías Alternativas
Resumen Frente a la necesidad de reducir el consumo de combustibles fósiles y disminuir las emisiones generadas en los motores de combustión combustión interna, la comunidad científica ha venido trabajando en combustibles combustibles alternativos alternativos de bajas emisiones. El hidrógeno es uno de estos combustibles alternativos promisorios. En este trabajo experimental se evaluó el efecto de la adición de gas oxihidrógeno en la mezcla aire/combustible en un motor Chevrolet Aveo 1600cc. Se evaluó la influencia de la variación en la corriente que se suministra a la celda de generación y la variación en la señal de intervención del sensor de oxigeno en el consumo de combustible y emisiones. El rendimiento del motor fue evaluado con la mezcla gasolina+HHO a 8A- 0mV, gasolina+HHO a 15A- 0 mV, gasolina+HHO a 8A- 100 mV y gasolina+HHO a 8A- 200 mV. Los resultados muestran una reducción del 36% en el consumo de combustible, un 0% en la concentración del monóxido de carbono 100% en la reducción de hidrocarburos pesados y un 52% en la concentración concentración de dióxido de carbono . combustión, electrólisis, electrólisis, gasolina, emisiones. Palabras claves: Gas HHO, motor de combustión,
I.
Introducción
En la actualidad existe la necesidad de disminuir el consumo de combustibles fósiles y las emisiones de los motores de combustión combustión interna con el fin fin de reducir el el impacto nocivo nocivo que ha generado generado la actividad humana en el planeta, esta problemática ha motivado a investigadores a buscar soluciones alternativas que no requieran drásticas modificaciones modificaciones en el diseño de los motores y que no se generen impactos negativo en el rendimiento y los costos de manufactura. Entre las diferentes soluciones, está el uso de combustibles alternativos como el hidrógeno ( que garantiza un aumento en la eficiencia en el motor y la generación generación de vapor de agua como único subproducto de la combustión combustión [1]. Aunque este tipo de tecnologías es madura, desde el punto de vista comercial no es posible implementar , ya que la construcción de un sistema generador de hidrógeno, integrado al sistema del motor y los elevados costos de manufactura genera un impacto desfavorable en el precio final del vehículo[1]. Varios autores han trabajado con la electrólisis del agua para la generación de una mezcla de gas de hidrógeno y oxigeno (oxihidrógeno) que mezclado con gasolina logra una reducción en las emisiones y consumo de combustible [3]. Musmar et al. al. Diseñaron, Diseñaron, integraron y probaron probaron un dispositivo compacto compacto generador de oxihidrógeno oxihidrógeno en un motor a gasolina. Los resultados mostraron una reducción del 50% del oxido de nitrógeno ( ), un 20% del monóxido de carbono ( y un 30% en el consumo de combustible combustible con la adición del gas de oxihidrógeno [4]. Rajasekaran et al. Caracterizaron Caracterizaron el rendimiento de un mono cilindro a varias velocidades, velocidades, funcionando con la mezcla dual gasolina y oxihidrógeno, oxihidrógeno, para evitar los problemas de almacenamiento almacenamiento y recarga del combustible, combustible, se utilizó la electrolisis electrolisis del agua para para producir el el hidrógeno, su trabajo trabajo reporta una reducción del 9,5% en consumo consumo de combustible, una una reducción del 27,5% en la concentración concentración de monóxido de carbono carbono y una reducción de 25,5 % en la concentración del oxido de nitrógeno () [3]. El presente estudio tiene como objetivo evaluar el efecto de la adición del gas oxihidrógeno oxihidrógeno en el consumo de combustible combustible y emisiones emisiones generadas en un motor a gasolina.
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II.
Materiales y métodos
En este trabajo experimental, las pruebas se han ejecutado con el fin de determinar el rendimiento en consumo de combustible y porcentaje de emisiones generadas en un motor de combustión interna de inyección electrónica operado con gasolina y oxihidrógeno. Los detalles del motor, propiedades de los combustibles, celda de generación de oxihidrógeno, tanque de almacenamiento de combustible y unidad de control se discuten a c ontinuación.
Especificaciones del motor Un motor Chevrolet Aveo 1600cc es usado para la prueba experimental, las especificaciones del motor se muestran en la Tabla 1. Tabla 1: Especificaciones del motor [5] Marca Tipo Torque kg-m (Nm) @rpm Potencia (HP @rpm) Sistema de encendido Bomba de gasolina Desplazamiento (cc) Diámetro x carrera (mm) Numero de cilindros Numero de válvulas Posición Relación de compresión Relación de giro
Chevrolet Aveo 4CIL DOHC 16V 14,7 (144.1) @ 3600 103 @ 6000 Eléctrico Eléctrica 1,598 79 x 81,5 4 en línea 16 Transversal 9,5:1 4,89/5,12
Propiedades del combustible Las propiedades de la gasolina y el hidrógeno son mostrados en la Tabla 2. Tabla 2: Propiedades del combustible Propiedad Estructura química poder calorífico inferior () poder calorífico superior () Numero de octanos Punto de inflamabilidad (°C) Temperatura de ignición (°C) Densidad ( Limites de inflamabilidad en aire (% vol)
Gasolina
Hidrógeno
43
120
47 84-93 -43 257 803 1,2-7,1
142 130 566-582 0.082 4-75
Celda de combustible En la Figura 1 se muestra la celda de generación de oxihidrógeno usada en la ejecución experimental. La celda está fabricada en láminas de acero inoxidable 304L, placas de acrílico y empaques de neopreno que unidos con tornillos y tuercas de ¼” garantizan la hermeticidad necesaria para la generación de la solución electrolítica. La celda tiene acoplados dos tanques contenedores que funcionan como burbujeador primario de la solución electrolítica generada, conectados por medio de racores en nilón de rosca 3/8”, espinas de pescado de 1/4” y manguera reforzada de PVC a un tercer tanque en acrílico que sirve como burbujeador secundario y filtro de gas. Conectado por medio de mangueras reforzadas de PVC se instala una trampa de agua y dos arrestadores de llamas en tubo de acero para proteger el sistema del agua y de posibles explosiones generadas por el gas combustible que se conduce al sistema de admisión del motor.
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Tanque de almacenamiento de combustible En la Figura 2 se muestra el tanque de combustible usado para almacenar la gasolina, fabricado en lámina de acrílico de 20x25x1 cm con un volumen de 12,5 litros.
Figura 1: Celda de combustible
Figura 2: Tanque de combustible
Unidad de control En la Figura 3 se muestra el circuito usado para la intervención del sensor de oxigeno, este circuito utiliza una batería de 1,5 voltios, un switch on/off, un conjunto de resistencias y un potenciómetro que fijan la señal que será enviada por el sensor a la unidad de control del motor (ECU), con el fin de indicarle una condición tal que se mantenga un suministro mínimo de gasolina.
Figura 3: Circuito intervención sensor de oxigeno
La unidad de control está equipada con un regulador de ancho de pulso de corriente constante (CCPWM), circuito utilizado para controlar los impulsos de corriente eléctrica que fluyen a través de la celda de oxihidrógeno que permiten regular el flujo de modo que se produzca oxihidrógeno de forma más eficiente. Asimismo se integra un tablero de control que permite accionar interruptores y potenciómetros para definir cantidad de corriente con la que se alimenta la celda de generación y señal enviada al sensor de oxigeno. En la Figura 4 se muestra el esquema del montaje experimental usado. El gas oxihidrógeno es generado por medio del proceso de electrólisis en una celda húmeda. El gas es contabilizado por un caudalímetro y es mezclado con aire fresco antes de ingresar a la cámara de combustión. La prueba se lleva a cabo con el fin de evaluar el rendimiento del motor operando en una condición de carga constante, velocidad variable (8002600 rpm), funcionando solo con gasolina y con la mezcla dual gasolina-oxihidrógeno. Las lecturas de consumo de combustible se registran cada minuto en una balanza digital y los gases de escape son procesados por un analizador de gases capaz de identificar y determinar el porcentaje en volumen (% vol.) de hidrocarburos pesados (, monóxido de carbono (, dióxido de carbono , oxido nitroso y oxigeno . Un escáner automotriz es utilizado para registrar rpm, temperatura del carter del motor, señal sensor de oxigeno y r elación aire combustible.
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Figura 4: Esquema ejecución experimental
III.
Resultados y Análisis de resultados Rendimiento La Figura 5 y 6 se muestra el efecto de introducir gas oxihidrógeno en la cámara de combustión sobre el consumo de combustible a diferentes velocidades cuando el motor es operado solo a gasolina y con la mezcla dual gasolina-oxihidrógeno a diferentes condiciones de corriente de alimentación de la celda (8 y 15 amperios) e intervención del sensor de oxigeno (0, 100 y 200 mV). En la Figura 5 la mezcla gasolina+HHO a 8A- 0 mV reduce el consumo de combustible en un 18% a bajas revoluciones (800rpm) y en un 26 % a altas revoluciones (2500 rpm) cuando se compara con el funcionamiento solo a gasolina. Para la mezcla gasolina+HHO a 15A- 0mV la reducción a bajas revoluciones (800 rpm) es de un 36% y de un 30% a altas revoluciones (2500rpm) cuando se compara con el funcionamiento solo a gasolina. Estos resultados indican que el gas oxihidrógeno mejora el proceso de combustión mediante el aumento de la eficiencia térmica del motor y la reducción del consumo de combustible. Al comparar el gas oxihidrógeno con la gasolina comercial, el gas oxihidrógeno es mucho más eficiente en términos de la estructura química del combustible. El hidrógeno y el oxigeno presentes en el gas oxihidrógeno existen como dos átomos por unidad de combustible como grupos independientes que facilita la interacción con la chispa de encendido y la compresión de la mezcla combustible/aire + HHO en comparación con las miles de largas moléculas de hidrocarburos de las que se compone la gasolina [1].
Figura 5: Efecto de gas oxihidrógeno en consumo de combustible sin intervenir sensor de oxigeno
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En la Figura 6 la mezcla gasolina+HHO a 8A- 100mV reduce el consumo de combustible en un 0% a bajas revoluciones (800 rpm) y en un 18% a altas revoluciones (2500rpm) cuando se compara con el funcionamiento solo a gasolina. Para la mezcla gasolina+HHO a 8A- 200 mV la reducción a bajas revoluciones (800rpm) es del 18% y de un 11% a altas revoluciones (2500rpm) cuando se compara con el funcionamiento solo a gasolina. Estos resultados indican un mayor efecto d e la variación de la corriente que se suministra en la celda de gen eración en el consumo de combustible que la variación de la señal en viada al sensor de oxigeno. Una mayor corriente generará mayor cantidad de oxihidrógeno, este gas al hacer combustión libera la energía necesaria para facilitar la ruptura de los enlaces moleculares de la gasolina y por lo tanto se aumenta la velocidad de reacción, velocidad de llama y un aumento en la eficiencia de la combustión. Asimismo la introducción del gas oxihidrógeno a la mezcla de combustible/aire tiene un impacto positivo en el índice de octano del combustible. Por lo tanto la relación de compresión del motor se puede subir y la eficiencia del motor aumenta. Es así que a mayor cantidad de oxihidrógeno presente en la mezcla mayor eficiencia y menor consumo de combustible.
Figura 6: Efecto de gas oxihidrógeno en consumo de combustible con intervención de sensor de oxigeno
Emisiones En la figura 7 se muestra el efecto de la adición del gas oxihidrógeno en la mezcla aire/combustible sobre la concentración de monóxido de carbono para diferentes velocidades cuando el motor es operado solo a gasolina y con la mezcla dual gasolina-oxihidrógeno a diferentes condiciones de corriente de alimentación de la celda (8 y 15 amperios) e intervención del sensor de oxigeno (0, 100 y 200 mV). La mezcla gasolina+HHO a 8A- 0 mV y gasolina+HHO a 15A- 0 mV no presenta cambios significativos en la concentración del monóxido de carbono para bajas y altas revoluciones (800 y 2500 rpm). En la figura 8 se muestra el efecto de la adición del gas oxihidrógeno en la mezcla aire/combustible sobre la concentración de los hidrocarburos pesados para diferentes velocidades cuando el motor es operado solo a gasolina y con la mezcla dual gasolina-oxihidrógeno a diferentes condiciones de corriente de alimentación de la celda (8 y 15 amperios) e intervención del sensor de oxigeno (0, 100 y 200 mV). La mezcla gasolina+HHO a 8A- 0 mV reduce en un 100% la concentración de hidrocarburos pesados para bajas velocidades (800rpm) y en un 97% para altas velocidades (2500r pm) cuando se compara con el funcionamiento solo a gasolina. La mezcla gasolina+HHO a 15A- 0 mV reduce en un 98% la concentración de hidrocarburos pesados para bajas velocidades (800rpm) y en un 100% para altas velocidades (2500 rpm) cuando se compara con el funcionamiento solo a gasolina. En la figura 9 se muestra el efecto de la adición del gas oxihidrógeno en la mezcla aire/combustible sobre la concentración del dióxido de carbono para diferentes velocidades cuando el motor es operado solo a
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gasolina y con la mezcla dual gasolina-oxihidrógeno a diferentes condiciones de corriente de alimentación de la celda (8 y 15 amperios) e intervención del sensor de oxigeno (0, 100 y 200 mV). La mezcla gasolina+HHO a 8A- 0 mV aumenta en un 2% la concentración de dióxido de carbono para bajas velocidades (800rpm) y reduce en un 47% para altas velocidades (2500rpm) cuando se compara con el funcionamiento solo a gasolina. La mezcla gasolina+HHO a 15A- 0 mV reduce en un 52% la concentración de dióxido de carbono para bajas velocidades (800rpm) y en un 100% para altas velocidades (2500rpm) cuando se compara con el funcionamiento solo a gasolina.
Figura 7: Cambio en concentración de monóxido de carbono
Figura 8: Cambio en concentración de hidrocarburos pesados
Figura 9: Cambio en concentración de dióxido de carbono
IV.
Conclusiones
Los resultados experimentales muestran que la adición de gas oxihidrógeno en la mezcla aire/combustible en un motor Chevrolet Aveo 1600cc genera una reducción en el consumo de combustible del 36% a bajas revoluciones (800 rpm) y de un 30 % a altas revoluciones (2500rpm) para una operación con mezcla gasolina+HHO a 15 A y sin intervención del sensor de oxigeno cuando se compara con el funcionamiento solo a gasolina. Se obtuvo mayor variación en el consumo de combustible con la variación de la corriente que se suministra a la celda de generación que al variar la señal de intervención del sensor de oxigeno. Se obtuvieron reducciones del 100% en la concentración de hidrocarburos pesados a bajas velocidades (800rpm) para mezclas de gasolina+HHO a 8A- 0mV y altas velocidades (2500rpm) para mezclas de gasolina+HHO a 15A- 0mV cuando se compara con el funcionamiento solo a gasolina. Se lograron reducciones de 52% en la concentración de dióxido de carbono para bajas velocidades (800rpm) y de 100% para altas velocidades para mezclas de gasolina+HHO a 15 A- 0mV cuando se compara con el funcionamiento solo a gasolina.
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Referencias Bibliográficas
[1] [2] [3]
[4] [5]
M. M. El-Kassaby, Y. A. Eldrainy, M. E. Khidr, and K. I. Khidr, “Effect of hydroxy (HHO) gas addition on gasoline engine performance and emiss ions,” Alexandria Eng. J., vol. 55, no. 1, pp. 243 – 251, 2016. S. A. Musmar and A. A. Al-Rousan, “Effect of HHO gas on combustion emissions in gasoline engines,” Fuel , vol. 90, no. 10, pp. 3066 – 3070, 2011. T. Rajasekaran, K. Duraiswamy, M. Bharathiraja, and S. Poovaragavan, “Characteristics of engine at various speed conditions by mixing of HHO with gasoline and LPG,” ARPN J. Eng. Appl. Sci., vol. 10, no. 1, pp. 46 – 51, 2015. A. A. Al-Rousan, “Reduction of fuel consumption in gasoline engines by introducing HHO gas into intake manifold,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 35, no. 23, pp. 12930 – 12935, 2010. General Motors Company, “Technical Data Sheet Chevrolet Aveo,” pp. 6 – 7, 2013.
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