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DEPARTAMENTO DE ENERGA Y MECNICA
CARRERA DE INGENIERA AUTOMOTRIZ
PORTADA
PROYECTO DE TITULACIN PREVIO A LA OBTENCIN DEL
TTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
TEMA: DISEO E INSTALACIN DE UN SISTEMA DE
ALIMENTACIN GASOLINAHHO EN EL MOTOR DE
COMBUSTIN INTERNA DEL VEHCULO MONOPLAZA TIPOBUGGY DEL LABORATORIO DE MECNICA DE PATIO DE LA
ESPE EXTENSIN LATACUNGA
AUTORES: DIEGO ALONSO JUMA YAR
HOLGUER WLADIMIR MARTNEZ ANANGON
DIRECTOR: ING. GERMN ERAZO
CODIRECTOR: ING. JUAN CASTRO
LATACUNGA
2015
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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADASESPE
CARRERA DE INGENIERA AUTOMOTRIZ
CERTIFICADO
ING. GERMN ERAZO (DIRECTOR)
ING. JUAN CASTRO (CODIRECTOR)
CERTIFICAN
Que el proyecto titulado DISEO E INSTALACIN DE UN SISTEMA DE
ALIMENTACIN GASOLINA HHO EN EL MOTOR DE COMBUSTIN
INTERNA DEL VEHCULO MONOPLAZA TIPO BUGGY DEL
LABORATORIO DE MECNICA DE PATIO DE LA ESPE EXTENSIN
LATACUNGA, ha sido guiado y revisado peridicamente y cumple con
normas estatuarias establecidas por la ESPE, en el Reglamento de
Estudiantes de la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE.
Debido a que constituye un proyecto de excelente contenido cientfico que
servir para la enseanza/aprendizaje, a la aplicacin de conocimientos y al
desarrollo profesional, por lo que si recomendamos su publicacin.
El mencionado trabajo consta de un documento empastado y un disco
compacto los cuales contienen los archivos en formato porttil de Acrobat
(PDF). Autorizan a los seores: DIEGO ALONSO JUMA YAR y HOLGUER
WLADIMIR MARTINEZ ANANGON que lo entregue al ING. JUAN
CASTRO, en su calidad de Director de la Carrera.
Latacunga, Abril del 2015.
Ing. Germn Erazo Ing. Juan CastroDIRECTOR CODIRECTOR
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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADASESPE
CARRERA DE INGENIERA AUTOMOTRIZ
AUTORA DE RESPONSABILIDAD
Nosotros: Diego Alonso Juma Yar
Holguer Wladimir Martnez Anangon
DECLARAMOS QUE:
El proyecto de grado denominado DISEO E INSTALACIN DE UN
SISTEMA DE ALIMENTACIN GASOLINA HHO EN EL MOTOR DE
COMBUSTIN INTERNA DEL VEHCULO MONOPLAZA TIPO BUGGY
DEL LABORATORIO DE MECNICA DE PATIO DE LA ESPE
EXTENSIN LATACUNGA, ha sido desarrollado con base a una
investigacin exhaustiva, respetando derechos intelectuales de terceros,
conforme las citas que constan al pie de las pginas correspondientes,
cuyas fuentes se incorporan en la bibliografa.
Consecuentemente este trabajo es de nuestra exclusiva autora.
En virtud de esta declaracin, nos responsabilizamos del contenido,
veracidad y alcance cientfico del proyecto de grado en mencin.
Latacunga, Abril del 2015.
Diego Alonso Juma Yar Holguer Wladimir Martnez Anangon
C.I.: 100321392-1 C.I.: 171331974-5
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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADASESPE
CARRERA DE INGENIERA AUTOMOTRIZ
AUTORIZACIN
Nosotros: Diego Alonso Juma Yar
Holguer Wladimir Martnez Anangon
Autorizamos a la Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE la
publicacin, en la biblioteca virtual de la institucin el proyecto de grado
denominado DISEO E INSTALACIN DE UN SISTEMA DE
ALIMENTACIN GASOLINA HHO EN EL MOTOR DE COMBUSTIN
INTERNA DEL VEHCULO MONOPLAZA TIPO BUGGY DEL
LABORATORIO DE MECNICA DE PATIO DE LA ESPE EXTENSIN
LATACUNGA, cuyo contenido, ideas y criterios son de nuestra exclusiva
responsabilidad y autora.
Latacunga, Abril del 2015.
Diego Alonso Juma Yar Holguer Wladimir Martnez Anangon
C.I.: 100321392-1 C.I.: 171331974-5
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DEDICATORIA
Primeramente a Dios por guiarme cada da por el camino del bien y por
alcanzar esta meta, en ocasiones existieron cadas pero solo fueron para
tomar ms fuerza y seguir adelante para cumplir este sueo.
A mis padres Marianita Yar y Alonso Juma quienes me apoyaron
incondicionalmente, cuando ms los necesite siempre estuvieron ah
dndome la mano y una voz de aliento, supieron ensearme a alcanzar
todos mis sueos con humildad y honradez sin importar el obstculo y conperseverancia se hicieron realidad.
A mi hermana Gaby Juma y Francisco Y. que sin llevar la sangre en las
venas somos hermanos, que de una manera u otra siempre estuvieron
ayudndome cuando necesit y por brindarles consuelo en los momentos
de tristeza a mis padres en el tiempo que me ausent de mi querido hogar.
Diego Juma
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DEDICATORIA
A mis queridos padres, Holguer Martnez y Teresa Anangon, los pilaresfundamentales de mi vida, que con su diario esfuerzo y sacrificio me
permitieron salir adelante a pesar de las adversidades que se me
presentaron. Gracias a ellos pude obtener mi ttulo de ingeniera.
A mis hermanos Marco, Ivn y Christian que desde que era nio se
convirtieron en mi ejemplo a seguir y siempre me han apoyado brindndome
un apoyo incondicional
A mi mejor amigo, Edison Salazar, que con sus sueos de ser piloto de
Frmula Uno me inspir a seguir la carrera que siempre anhel y a quien
considero mi hermano.
A Danny Sierra, por brindarme su inagotable amor durante mis aos de
universidad.
Wlady M.
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AGRADECIMIENTO
A Dios por darme la vida y la salud para culminar este proyecto, por darme el
privilegio de compartir momentos maravillosos con unos padres tan buenos, por
haberme dado la oportunidad de conocer distintas clases de amigos y aprender
de ellos que para ser feliz no hace falta tener mucho dinero.
A mis padres por ensearme a ser humilde con los dems, el camino que
recorr en la vida universitaria fue difcil y que el esfuerzo y perseverancia fue
gracias a ellos que me supieron inculcar los valores positivos para alcanzar la
meta.
A la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE por abrirme las puertas ybrindarme todos los conocimientos y enseanzas que tienen los maestros para
llegar hacer un lder.
Al Ing. Leonidas Quiroz por brindar sus consejos y enseanzas para terminar
este proyecto y que a ms de ser un maestro me ha brindado su amistad.
A los ingenieros Germn Erazo como Director y Juan Castro como codirector
que compartieron sus experiencias y enseanzas para direccionar la
elaboracin de este proyecto.
A mis tos, tas, primos, en si toda mi familia que siempre me estuvieron
apoyando, brindndome la mano y con palabras de aliento que me sirvi para
levantarme ante las cadas.
A mi compaero de tesis Wladimir Martnez y a su familia por el apoyo en los
momentos ms difciles que se presentaron en el trayecto del proyecto.
A mis amigos y compaeros que encontr en el trayecto de mi vida profesional
que supieron brindarme su amistad y que los chistes y las risas, las malas
noches y amanecidas de estudio, las ancdotas, las cosas malas y buenas que
pasamos sern un lbum de recuerdos que siempre perduraran en nuestras
mentes.
Diego Juma
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AGRADECIMIENTO
A mis padres, por brindarme el privilegio de darme la vida para poder vivir
hermosos momentos junto a ellos.
A los ingenieros German Erazo y Juan Castro tutores del presente proyecto
y docentes de excelencia que fueron parte fundamental para la culminacin
de esta meta.
A mi compaero de tesis, Diego Juma con quien aprend y compart un
sinnmero de buenas y malas experiencias, las cuales fomentaron nuestra
amistad.
A mis compaeros de carrera Edu Guevara y Andrs Moreno porque con el
pasar del tiempo se convirtieron ms que en compaeros de aula en amigos
incondicionales que siempre me brindaron su apoyo.
A mis grandes amigos, Edison Salazar y Carlos Fustillos a quienes conozco
hace muchos aos atrs y que me han enseado que pase lo que pase la
amistad de un amigo dura toda la vida.
A mi amiga Lore Moya por siempre brindarme su sincera amistad durante mi
etapa de estudiante y despus de la misma.
A mi to Franklin quien aport desinteresadamente con sus conocimientos,
tiempo y paciencia en el desarrollo de este proyecto
A todos mis amigos, compaeros, familiares y conocidos quedesinteresadamente hicieron posible que este proyecto pueda concluir de
forma exitosa.
Wlady M.
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NDICE DE CONTENIDOS
PORTADA ...................................................................................................... i
CERTIFICADO .............................................................................................. ii
AUTORA DE RESPONSABILIDAD ............................................................ iii
AUTORIZACIN .......................................................................................... iv
DEDICATORIA .............................................................................................. v
AGRADECIMIENTO .................................................................................... vii
NDICE DE CONTENIDOS ........................................................................... ix
NDICE DE TABLAS .................................................................................. xiii
NDICE DE FIGURAS ................................................................................. xiv
NDICE DE ECUACIONES ........................................................................ xvii
RESUMEN ................................................................................................ xviii
ABSTRACT ................................................................................................ xix
1. CAPTULO I
INVESTIGACIN DEL USO DEL HIDRGENO COMO COMBUSTIBLE
EN MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA............................................... 1
1.1. ANTECEDENTES ................................................................................... 1
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................... 2
1.3 OBJETIVOS ............................................................................................. 3
1.3.1 Objetivo General ................................................................................... 3
1.3.2 Objetivos Especficos ............................................................................ 3
1.4 HIPTESIS .............................................................................................. 4
1.5 REA DE INFLUENCIA ........................................................................... 4
1.6 JUSTIFICACIN E IMPORTANCIA ......................................................... 4
1.7 VARIABLES DE LA INVESTIGACIN ..................................................... 6
1.7.1. Variable Independiente ....................................................................... 6
1.7.2. Variable Dependiente. ......................................................................... 7
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2. CAPTULO II
MARCO TERICO ........................................................................................ 8
2.1 DESCRIPCIN GENERAL DEL MOTOR KAWASAKI ZX 750F ............. 8
2.1.1 Identificacin del motor ......................................................................... 8
2.1.2 Sstema de alimentacin de combustible ............................................. 10
2.2 EL HIDRGENO ................................................................................... 11
2.2.1 Antecedentes del uso del hidrgeno ................................................... 11
2.2.2 Propiedades del hidrgeno ................................................................. 12
2.2.3 Mtodos de obtencin del hidrgeno .................................................. 13
2.2.4 Almacenamiento ................................................................................. 17
2.2.5 Usos del hidrgeno en automocin ..................................................... 21
2.3 SISTEMA DE GENERACIN DE GAS HHO ......................................... 23
2.3.1 Gas Brown .......................................................................................... 23
2.3.2 Celdas electrolizadoras ....................................................................... 24
2.3.3 Tipos de celdas electrolizadoras ........................................................ 26
2.3.4 Reactivos y materiales seleccionados ................................................ 28
2.4 GASES PRODUCTO DE LA COMBUSTIN DE LA GASOLINA .......... 32
2.4.1 PARTES INTEGRALES PRINCIPALES ............................................. 33
2.4.2 Partes integrales secundarias ............................................................. 34
2.4.3 Niveles permitidos de gases contaminantes ....................................... 35
3. CAPTULO III
DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE GAS HHO
PARA EL VEHCULO MONOPLAZA TIPO BUGGY .................................. 38
3.1 DESARROLLO DEL DISEO DEL GENERADOR DE GAS HHO ........ 38
3.1.1 Levantamiento de requerimientos ....................................................... 38
3.1.2 Volumen interno del generador de gas HHO ...................................... 39
3.1.3 Flujo de gas HHO ............................................................................... 40
3.2 MATEMATIZACIN DE LOS PARMETROS DE DISEO .................. 43
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3.2.1 Clculo del volumen interno ................................................................ 43
3.2.2 Clculo de flujo del gas HHO .............................................................. 44
3.3 CONSTRUCCIN DEL GENERADOR DE GAS HHO .......................... 46
3.3.1 Elaboracin de las placas neutras ...................................................... 50
3.3.2. Elaboracin de placas positivas y negativas ...................................... 51
3.3.3 Elaboracin de las placas para topes ................................................. 52
3.3.4 Elaboracin de los separadores de las placas .................................... 54
3.4. DISEO Y CONSTRUCCIN DEL DEPSITO Y DEL
BURBUJEADOR .......................................................................................... 58
3.4.1 Especificaciones tcnicas del depsito y burbujeador ....................... 58
3.4.2 Componentes del depsito y del burbujeador ..................................... 59
3.4.3 Construccin del depsito y del burbujeador ...................................... 60
3.5 DISEO DEL CIRCUITO ELCTRICO ................................................. 63
3.6 COMPONENTES DEL CIRCUITO ELCTRICO ................................... 65
4. CAPTULO IV
INSTALACIN DEL SISTEMA DE GENERACIN DE HHO EN EL
VEHCULO MONOPLAZA TIPO BUGGY ................................................... 68
4.1 INSTRUCCIONES DE SEGURIDAD ..................................................... 68
4.2 CONSIDERACIONES INICIALES .......................................................... 68
4.3 COMPONENTES DEL SISTEMA PARA LA INSTALACIN ................. 69
4.4 PROCESO DE INSTALACIN DEL SISTEMA ...................................... 70
4.4.1 Generador de hho ............................................................................... 70
4.4.2 Depsito y burbujeador ....................................................................... 71
4.4.3 Sistema de control ............................................................................. 72
4.4.4 Mangueras .......................................................................................... 72
4.5 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA ....................................................... 72
4.6 MANTENIMIENTO DEL SISTEMA DE GENERACIN DE GAS HHO .. 73
4.6.1 Nivel de agua destilada ....................................................................... 73
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4.6.2 Mangueras y acoples .......................................................................... 73
4.6.3 Limpieza del generador....................................................................... 74
5. CAPTULO V
PRUEBAS Y ANLISIS DE RESULTADOS ............................................... 75
5.1 PRUEBAS DE POTENCIA Y TORQUE ................................................. 75
5.2 PRUEBAS DE AUTONOMA (CONSUMO DE COMBUSTIBLE) .......... 80
5.3 EMISIONES DE GASES CONTAMINANTES ....................................... 82
6. CAPTULO VI
MARCO ADMINISTRATIVO........................................................................ 86
6.1 RECURSOS ........................................................................................... 86
6.1.1 Recursos humanos ............................................................................. 86
6.1.2 Recursos tecnolgicos ........................................................................ 87
6.1.3 Recursos materiales ........................................................................... 87
6.2. COSTO DE CONSTRUCCIN E INSTALACIN DEL SISTEMA DE
GENERACIN DE HHO .............................................................................. 88
CONCLUSIONES ........................................................................................ 91
RECOMENDACIONES ................................................................................ 93
BIBLIOGRAFA ........................................................................................... 94
NETGRAFA ................................................................................................ 94
ANEXOS ...................................................................................................... 97
ANEXO A: FICHA TCNICA - ACERO INOXIDABLE 316L
ANEXO B: HOJA DE DATOS DE SEGURIDADAGUA DESTILADA
ANEXO C: HOJA DE DATOS DE SEGURIDADHIDRXIDO DE POTASIO
ANEXO D: PLANOS
ANEXO E: ARTCULO DE INVESTIGACIN
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NDICE DE TABLAS
Tabla 1.1 Operacionalizacin de la variable independiente ........................... 6
Tabla 1.2 Operacionalizacion de la variable dependiente .............................. 7
Tabla 2.1 Especificaciones tcnicas del motor Kawasaki Zx 750F ................ 9
Tabla 2.2 Caractersticas del hidrgeno ...................................................... 13
Tabla 2.3 Caractersticas del agua destilada ............................................... 29
Tabla 2.4 Caractersticas del hidrxido de potasio ...................................... 30
Tabla 2.5 Tabla de umbrales (Rangos de calificacin ................................. 36
Tabla 3.1 Ficha tcnica del generador de gas HHO .................................... 38
Tabla 3.2 Dimensiones de los componentes ............................................... 39
Tabla 3.3 Resultado de rea y volumen ...................................................... 40
Tabla 3.4 Disociacin del agua .................................................................... 42
Tabla 3.5 Clculo de variables ..................................................................... 42
Tabla 3.6 Volumen de gas HHO obtenido ................................................... 42
Tabla 3.7 Componentes del generador de hidrgeno .................................. 47
Tabla 3.8 Ficha tcnica del depsito y burbujeador ..................................... 58
Tabla 3.9 Componentes del depsito y del burbujeador .............................. 60
Tabla 3.10 Caracteristicas de cables elctricos ........................................... 64
Tabla 3.11 Componentes del circuito elctrico ............................................ 65
Tabla 4.1 Componentes del sistema para la intalacin ................................ 69
Tabla 5.1 Resultados de torque y potencia .................................................. 78
Tabla 5.2 Resultados de consumo de combustible obtenidos ..................... 81
Tabla 5.3 Resultados de autonoma obtenidos .......................................... 832
Tabla 5.4 Resultados obtenidos prueba de gases (ralent) .......................... 83Tabla 6.1 Recursos humanos ...................................................................... 86
Tabla 6.2 Recursos tecnolgicos ................................................................. 87
Tabla 6.3 Recursos materiales .................................................................... 88
Tabla 6.4 Costo de construccion e instalacin del sistema HHO ................. 89
Tabla 6.5 Gasto total del proyecto presentado ............................................ 90
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NDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Emisiones de CO2 per cpita en Ecuador .................................... 1
Figura 1.2 rbol del problema ........................................................................ 2
Figura 1.3 Disminucin de concentracin de contaminantes atmosfricos . 5
Figura 2.1 Motor Kawasaki ZX 750F .............................................................. 8
Figura 2.2 Nomenclatura Kawasaki ............................................................... 9
Figura 2.3 Elementos del sistema de alimentacin por gravedad ................ 10
Figura 2.4 Ilustracin del globo de Jacques Charles ................................... 11
Figura 2.5 Pila de combustible de Grove ..................................................... 12
Figura 2.6 Fuentes de obtencin del hidrgeno ........................................... 14
Figura 2.7 Produccin de hidrgeno por combustibles fsiles ..................... 15
Figura 2.8 Esquema de un electrolizador alcalino de dos celdas ................ 16
Figura 2.9 Concentrador solar de Odeillo Francia ....................................... 17
Figura 2.10 Almacenamiento de hidrgeno ................................................. 18
Figura 2.11 Tanque de almacenamiento de hidrgeno presurizado ............ 19
Figura 2.12 Depsito criognico de hidrgeno del Saturno V ...................... 19
Figura 2.13 Pequea unidad de almacenamiento de hidruros metlicos ..... 20
Figura 2.14 Nanoestructuras de carbono ..................................................... 21
Figura 2.15 Rendimientos de distintos sistemas de produccin de energa
en funcin de su potencia ......................................................... 22
Figura 2.16 Antorcha de soldadura con gas Brown ..................................... 23
Figura 2.17 Principio de electrlisis del agua ............................................... 25
Figura 2.18 Principio de electrlisis del agua ............................................... 25
Figura 2.19 Representacin de celda hmeda y celda seca ..................... 26Figura 2.20 Celda generadora seca ............................................................. 27
Figura 2.21 Celda generadora hmeda ....................................................... 27
Figura 2.22 Agua destilada comercial .......................................................... 28
Figura 2.23 Hidrxido de potasio en polvo ................................................... 31
Figura 2.24 Planchas de acero inoxidable 316l ........................................... 31
Figura 2.25 Poliuretano ................................................................................ 32
Figura 2.26 Gases producto de la combustin ............................................ 33
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Figura 3.1 Diagrama de flujo de elaboracin de las placas positivas,
negativas y neutras ................................................................... 49
Figura 3.2 Sealado y corte de las placas ................................................... 50
Figura 3.3 Corte del chafln de las placas neutras ...................................... 50
Figura 3.4 Placa neutra con los orificios de fijacin ..................................... 51
Figura 3.5 Placa neutra ................................................................................ 51
Figura 3.6 Placa negativa y positiva con chafln ......................................... 51
Figura 3.7 Placa positiva y negativa con perforaciones de sujecin y de
alimentacin de energa ............................................................ 52
Figura 3.8 Placas positivas y negativas ....................................................... 52
Figura 3.9 Topes posterior y frontal con chafln .......................................... 53
Figura 3.10 Tope posterior ........................................................................... 53
Figura 3.11 Tope frontal ............................................................................... 53
Figura 3.12 Placa frontal con los conectores rpidos .................................. 54
Figura 3.13 Diagrama de flujo de elaboracin de los separadores .............. 54
Figura 3.14 Poliuretano ................................................................................ 55
Figura 3.15 Separador con chafln .............................................................. 55
Figura 3.16 Separador con corte interno ..................................................... 55
Figura 3.17 Separador de las placas ........................................................... 56
Figura 3.18 Distribucin de las placas ......................................................... 56
Figura 3.19 Polos positivos y negativos del generador de gas HHO ........... 57
Figura 3.20 Generador de gas HHO ............................................................ 57
Figura 3.21 Tubo PVC (policloruro de vinilo) ............................................... 61
Figura 3.22 Tapn, neplo y tuerca ............................................................... 61
Figura 3.23 Tapn con orificios de 0,032 m, 0,008 m y 0,0095 m ............... 61
Figura 3.24 Parte superior del depsito ....................................................... 62
Figura 3.25 Parte inferior del depsito ......................................................... 62
Figura 3.26 Depsito y burbujeador ............................................................. 62
Figura 3.27 Esquema elctrico .................................................................... 63
Figura 3.28 Mdulo de control ..................................................................... 67
Figura 4.1 Diagrama de alimentacin del gas HHO ..................................... 70
Figura 4.2 Ubicacin del generador del gas HHO........................................ 70
Figura 4.3 Fijacin del generador del gas HHO ........................................... 71Figura 4.4 Fijacin del depsito y burbujeador ............................................ 71
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Figura 5.1 Pruebas en el dinammetro de rodillos ....................................... 75
Figura 5.2 Pantalla del software DynoRace ................................................. 76
Figura 5.3 Lmpara estroboscpica SNAP-ON .......................................... 76
Figura 5.4 Grfica de potencia y torque con el sistema de gasolina
convencional ............................................................................. 77
Figura 5.5 Grfica de potencia y torque con el sistema dual gasolina
-HHO ......................................................................................... 78
Figura 5.6 Anlisis de potencia mxima ...................................................... 79
Figura 5.7 Anlisis de torque ....................................................................... 79
Figura 5.8 Mapa de recorrido para pruebas de autonoma .......................... 80
Figura 5.9 Anlisis de consumo de combustible .......................................... 81
Figura 5.10 Medicin de gases contaminantes ............................................ 82
Figura 5.11 Emisiones de CO ...................................................................... 84
Figura 5.12 Emisiones de HC ...................................................................... 84
Figura 5.13 Emisiones de CO2..................................................................... 85
Figura 5.14 Emisiones de O2 ....................................................................... 85
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NDICE DE ECUACIONES
Ecuacin 2.1 Proceso inverso a la electrlisis ............................................. 12
Ecuacin 2.2 Reaccin de la combustin completa de combustible ............ 32
Ecuacin 3.1 rea del rectngulo ................................................................ 39
Ecuacin 3.2 rea del tringulo rectngulo ................................................. 39
Ecuacin 3.3 Ley de Faraday ...................................................................... 40
Ecuacin 3.4 Peso equivalente .................................................................... 41
Ecuacin 3.5 Intensidad de corriente ........................................................... 41
Ecuacin 3.6 Ley de los gases ideales ........................................................ 41
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RESUMEN
El presente proyecto de investigacin tiene como propsito disear, construir
e implementar un sistema de generacin a bordo de gas HHO tambin
conocido como Gas Brown, obtenindose como resultado un prctico y
eficiente carburante complementario a la gasolina aplicado en la industria
automotriz el cual en un futuro cercano podra reemplazar a los combustibles
derivados del petrleo. El gas HHO producido a demanda se suministr de
forma directa al sistema de alimentacin del motor de cuatro tiempos marca
Kawasaki modelo ZX 750F del vehculo monoplaza tipo Buggy, en el cual se
combina con la mezcla aire combustible, sin la necesidad de realizar
modificaciones y sin la utilizacin de un depsito de almacenamiento de
hidrgeno. El mencionado gas se obtuvo mediante el principio de electrlisis
del agua. Se utiliz una solucin electroltica que permite separar el agua en
sus elementos constitutivos, hidrgeno y oxgeno en forma gaseosa. El
proceso de disociacin molecular del agua se realiz dentro de la celda
generadora, alimentada por la corriente elctrica que suministra la batera
del vehculo. Una vez instalado el sistema y con la finalidad de estudiar losefectos del gas HHO, se analiz el rendimiento del motor de combustin
interna del monoplaza mediante el estudio de las curvas caractersticas del
motor como potencia, torque, autonoma (consumo de combustible) y
emisin de gases contaminante para verificarla factibilidad tcnica del uso
del hidrgeno como combustible alternativo.
PALABRAS CLAVES
GAS BROWN
HIDRGENO (COMBUSTIBLE)
AUTOMVILES - EMISIN DE GASES
COMBUSTIBLE ALTERNATIVO
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ABSTRACT
This research project aims to design, build and implement an on board-
system that generates HHO gas also known as Brown Gas, resulting in a
practical and efficient supplemental to gasoline fuel applied in the automotive
industry which in the near future could replace to petroleum fuels. The HHO
gas produced on demand was supplied directly to the feed system of four-
stroke engine brand Kawasaki ZX 750F of the vehicle Buggy type, which is
combined with the mixture air-fuel without the need for modifications and
without using a hydrogen storage tank. The gas obtained by the water
electrolysis principle. An electrolytic solution allows separating water into itsconstituent elements in gaseous form, hydrogen and oxygen. Molecular
dissociation of water process was performed within the generating cell, fed
by electric current supplied by the vehicle battery. Once installed the system
in order to study the effects of HHO gas, the performance of internal
combustion engine of the car was analyzed by studying the characteristic
curves of the engine as power, torque, range (fuel consumption) and
emission of pollutant gases to verify the technical feasibility of usinghydrogen as an alternative fuel.
KEYWORDS
BROWN GAS
HYDROGEN (FUEL)
GAS EMISSIONSAUTOMOBILE
ALTERNATIVE FUEL
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1. CAPTULO I
INVESTIGACIN DEL USO DEL HIDRGENO COMO
COMBUSTIBLE EN MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA
1.1. ANTECEDENTES
El consumo de petrleo como fuente de energa en motores de
combustin interna a gasolina y el agotamiento de los hidrocarburos debido
a la creciente demanda en la industria han incidido directamente sobre el
aumento de la contaminacin global.
En el ao 2013 se matricularon en el pas 1.717.886 vehculos(Instituto
Nacional de Estadsticas y Censos - INEC, 2013) y al finalizar el ao 2014
esta cifra super los 1.8 millones de vehculos a escala nacional(Agencia
Nacional de Trnsito, 2014). Por otra parte, las emisiones de dixido de
carbono derivadas de la quema de combustibles fsiles en Ecuador han
alcanzado las 2.2 toneladas mtricas per cpita en el ao 2010, cifra similar
establecida para el ao 2014 (Grupo Banco Mundial, 2015)
Figura 1.1 Emisiones de CO2 per cpita en Ecuador
Fuente: (Banco Mundial, 2015)
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Ambas problemticas han generado un inters por buscar nuevas
alternativas como fuentes de energa. En este contexto, el hidrgeno
constituye una importante alternativa para complementar a los
hidrocarburos, el cual actualmente es utilizado en vehculos como pila de
combustible o como combustible propiamente dicho, pudindose obtener a
partir del agua o de compuestos qumicos como el metanol.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La marcada dependencia hacia los combustibles fsiles en los ltimos
aos (carbn, petrleo y gas natural) plantea un difcil inconveniente ya questos no representan un recurso infinito. Con el tiempo, el planeta se
quedar sin combustibles fsiles o el costo por obtenerlos ser demasiado
elevado. Adicionalmente, los combustibles fsiles hacen que la
contaminacin del aire, agua y suelo provoque gases de efecto invernadero
que contribuyen al calentamiento global. Todos estos factores negativos
traen consigo efectos negativos en la salud de los seres vivos.
Figura 1.2 rbol del problema
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Por otro lado, no existe la suficiente informacin tcnica y acadmica en
lo que respecta al tema de los combustibles alternativos debido a que la
investigacin dentro de este campo es muy limitada. Adems existe la
imperiosa necesidad de desarrollar mecanismos efectivos y eficientes que
permitan optimizar los principales parmetros de los motores de combustin
interna: potencia, torque y consumo de combustible.
Esto ha incentivado a impulsar el desarrollo y ejecucin de este proyecto
vinculado con la energa alternativa por medio de la utilizacin de
combustibles amigables con el medio ambiente. De esta manera se pretende
desarrollar un sistema eficiente que, mediante mnimas modificaciones,
busca principalmente mejorar las condiciones de funcionamiento del motor
de combustin interna y as reducir las emisiones contaminantes que ste
genera.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Disear e instalar un sistema de alimentacin gasolina HHO en el
motor de combustin interna del vehculo monoplaza tipo Buggy para reducir
la contaminacin ambiental a causa del uso de combustibles fsiles.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS
Seleccionar los componentes necesarios para construir el generadorHHO para la produccin de hidrgeno.
Adaptar al sistema de alimentacin los elementos de control para el
funcionamiento del motor Kawasaki ZX 750 del monoplaza Buggy
con dos carburantes.
Utilizar el gas HHO en el motor de combustin interna como
combustible de uso automotriz.
Realizar las pruebas de torque, potencia, consumo de combustible yautonoma del vehculo monoplaza tipo Buggy.
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1.4 HIPTESIS
La utilizacin del hidrgeno como combustible alternativo en vehculos
automotrices permitir reducir las emisiones de gases contaminantes sin
afectar las caractersticas mecnicas de funcionamiento del motor de
combustin interna.
1.5 REA DE INFLUENCIA
Provincia:Cotopaxi
Cantn: Latacunga
Parroquia:Matriz
Departamento:Energa y Mecnica
Laboratorio de:Mecnica de Patio
1.6 JUSTIFICACIN E IMPORTANCIA
El desarrollo de las principales ciudades en el Ecuador en los ltimos
aos ha sido muy notable, as como tambin el crecimiento del parque
automotor y el uso excesivo del petrleo como fuente principal de
combustible para los vehculos con motores gasolina y diesel.
A pesar de que en la ltima dcada en nuestro pas los niveles de
concentracin de contaminantes han ido disminuyendo, mostrndose
mejoras en la calidad del aire, an no se ha podido cumplir con los
estndares de calidad ambiental. Las fuentes mviles, cuyo crecimiento
anual es superior al 7%, originan la emisin principal que afecta la calidad
del aire. El crecimiento del parque automotor en el Ecuador origina un
aumento del trfico vehicular dificultando el cumplimiento de las normas
ambientales de calidad, que a su vez ocasiona una contaminacin directa
del medio ambiente, afectando por ende de la salud humana (Secretara de
Ambiente, 2014)
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Figura 1.3 Disminucin de concentracin de contaminantes
atmosfricos
Fuente:(Secretara de Ambiente, 2014)
Con la ejecucin de esta idea se espera obtener beneficios a corto y
largo plazo, mediante la instalacin de un generador de gas HHO, intentando
obtener un mayor recorrido del vehculo con menor cantidad de gasolina,
adems de disminuir el alto grado de contaminacin que producen los
vehculos, con el fin de aminorar el ndice de enfermedades causadas por la
polucin. La principal ventaja de usar hidrgeno como fuente de energa en
el proceso de combustin es que no genera emisiones contaminantes
debido a que como resultado de la combustin se genera vapor de agua,
disminuyendo de esta manera el impacto al medio ambiente producido por
motores y el funcionamiento de sus sistemas de alimentacin.
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1.7 VARIABLES DE LA INVESTIGACIN
Disear e instalar un sistema de alimentacin gasolina HHO en el
motor de combustin interna del vehculo monoplaza tipo Buggy para reducir
la contaminacin ambiental a causa del uso de combustibles fsiles.
1.7.1. VARIABLE INDEPENDIENTE
Sistema de alimentacin gasolinaHHO.
Tabla 1.1
Operacional izacin de la v ariable ind ependiente
SISTEMA DE ALIMENTACIN GASOLINAHHO
Concepto Categora Indicador Preguntas
SistemadealimentacingasolinaH
HO
Te
cnolgica
Nmero de placas delgenerador de gas HHO
22
Cuntas placas sonnecesarias para el diseo del
generador de gas HHO?
Almacenamiento de aguaen el depsito 0.5 L
capacidad 2 L
Cul es la capacidad dealmacenamiento de agua enel depsito?
Intensidad de corriente dealimentacin delgenerador de gas HHO =
12 A
Qu intensidad de corrientede alimentacin produce el
generador de gas HHO?
Proporcin de electrolitopor litro de agua = 20 gr/l
Cul es la proporcin idealde electrolito por litro deagua?
Fuentes de alimentacinpara el proceso de
electrolisis = 1
Cuntas fuentes dealimentacin se necesitanpara el proceso deelectrolisis?
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1.7.2. VARIABLE DEPENDIENTE.
Contaminacin ambiental
Tabla 1.2
Operacional izacin de la v ariable depend iente
SISTEMA DE ALIMENTACIN GASOLINAHHO
Concepto Categora Indicador Preguntas
Contaminacinambiental
Tecnolgica
Cantidad de COgenerada 0,4 %
Cul es la cantidad de COgenerada en el proceso decombustin?
Cantidad de HC nocombustionadosppm 250
Cuntas ppm de HC nocombustionados se producenen el proceso decombustin?
Cantidad de CO2generada 14,5%
Qu intensidad de corrientede alimentacin produce el
generador de gas HHO?
Proporcin de electrolitopor litro de agua = 20 gr/l
Cul es la proporcin idealde electrolito por litro deagua?
Fuentes de alimentacinpara el proceso deelectrolisis = 1
Cul es el porcentaje de lacantidad de CO2 generadaen el proceso de
combustin?
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2. CAPTULO II
MARCO TERICO
2.1 DESCRIPCIN GENERAL DEL MOTOR KAWASAKI ZX 750F
El motor utilizado para el desarrollo del proyecto pertenece a una
motocicleta marca Kawasaki modelo ZX 750 F, fabricada en el ao 1987.
Segn datos proporcionados por el Manual de Servicio Kawasaki (1987) es
un motor tipo DOHC de cuatro tiempos con cuatro cilindros en lnea (4
vlvulas por cilindro), con un sistema de refrigeracin por agua. Es ligero,
pequeo y potente en comparacin a los motores con 750 c.c. de potencia
del resto de constructores. Es ideal para realizar recorridos largos y de baja
velocidad.
Figura 2.1 Motor Kawasaki ZX 750F
2.1.1 IDENTIFICACIN DEL MOTOR
Es el cdigo de informacin nico para cada motor Kawasaki, en este
caso va impreso junto a la tapa de llenado del aceite de motor en la parte
izquierda del mismo. En Estados Unidos se utilizan las letras E / F / G / H
para denominar el ao de fabricacin. En otros pases, en este caso
especficamente la motocicleta Kawasaki ZX 750F es conocida como GPX
750R.
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Figura 2.2 Nomenclatura Kawasaki
Fuente: (Manual de Servicio Kawasaki, 1987)
Tabla 2.1
Especif icaci on es tcn icas del m oto r K awasaki ZX 750F
APLICACIN ESPECIFICACIN
Tipo Cuatro tiempos, cuatro cilindros, doble rbol de levas
Sistema de enfriamiento Refrigeracin por agua
Cilindraje 742 cm
Compresin 11,2:1
Potencia 73,6 kW (100 CV) a 10500 rpmTorque Mximo 70,6 Nm (7,2 kgm) a 8500 rpm
Sistema de combustible Carburador, Keihin CVK34x4
Sistema de arranque Arranque elctrico
Sistema de encendido Encendido transistorizado
Bujas NGK DR8ES o ND X27ESR-U
Numeracin de loscilindros
De izquierda a derecha, 1-2-3-4
Orden de encendido 1-2-4-3
Sincronizacin devlvulas
Avance de la Apertura de Admisin: 35 antes del PMSRetraso del Cierre de Admisin: 65 despus del PMI
Avance de la Apertura de Escape: 65 antes del PMI
Retraso del Cierre de Escape: 35 despus del PMS
Lubricacin Forzada (crter hmedo con enfriador)
Viscosidad del aceite SAE10W40, 10W50, 20W40 o 20W50
Fuente:(Manual de Servicio Kawasaki, 1987)
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2.1.2 SISTEMA DE ALIMENTACIN DE COMBUSTIBLE
El sistema de alimentacin de combustible correspondiente al motor del
prototipo en el que implement el sistema de generacin de gas Brownfunciona por el principio de gravedad.
(Crouse & Anglin, 1992) mencionan que en este tipo de sistema, que es
el ms utilizado en motores de motocicletas, la gasolina circula desde el
depsito (con capacidad de almacenamiento de 5 galones) hasta la llave de
paso, la cual permite regular la cantidad de gasolina que continuar su
recorrido hacia el filtro de combustible.
Figura 2.3 Elementos del sistema de alimentacin por gravedad
El depsito en su parte interna posee un pequeo prefiltro que es elencargado de retener pequeas partculas de suciedad presentes en el
combustible o en el mismo depsito. Finalmente el combustible ingresa a los
carburadores individuales que se encargan de dosificar y suministrar la
mezcla correcta de aire combustible a los cilindros. Generalmente los
sistemas de alimentacin de motocicletas poseen un carburador por cilindro.
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2.2 EL HIDRGENO
2.2.1 ANTECEDENTES DEL USO DEL HIDRGENO
(Llorca, 2010) manifiesta que en el ao 1788 Antoine Lavoisier emple
por primera vez el trmino hidrgeno haciendo referencia de la capacidad
del hidrgeno para producir agua (hidrgeno en griego significa agua). Sin
embargo el primer uso del hidrgeno fue en el ao 1783 cuando Jacques
Alexandre Charles construy el Charliere, un globo aerosttico de
hidrgeno que alcanz los tres metros de altura, mejorando posteriormente
su diseo con un prototipo no tripulado el cual contaba con un dispositivo
que produca hidrgeno en grandes cantidades a partir de cido sulfrico ylimaduras de hierro como elementos iniciales.
Figura 2.4 Ilustracin del globo de Jacques Charles
Fuente: www.nationalgeographic.com.es
Segn (Llorca, 2010) las propiedades energticas del hidrgeno fueron
descubiertas por William Robert Grove. Entre los aos 1893 y 1842 cre lallamada batera a gas. Esta batera se basaba en el principio de la
electrlisis, que consiste en pasar corriente a travs del agua con la finalidad
de separarla en sus componentes constitutivos, es decir, en hidrgeno y
oxgeno.
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Figura 2.5 Pila de combustible de Grove
Fuente: (Llorca, 2010)
Grove creo su batera en funcin al proceso inverso de la electrlisis, esdecir, recombinando el hidrgeno y el oxgeno y obteniendo como resultado
agua y electricidad.
Ecuacin 2.1 Proceso inverso a la electrlisis
Fuente: (Llorca, 2010)
2.2.2 PROPIEDADES DEL HIDRGENO
En su estudio (Guervs, 2003) concluye
Las principales caractersticas de la molcula de hidrgeno son que
es inodoro, incoloro, inspido, inflamable y en condiciones ambiente
se encuentra en estado gaseoso. Adems es el elemento ms
simple, ligero y abundante ya que, como tomos, constituyeaproximadamente el 11% de la masa del agua y el 75% del sol.
Tambin es muy abundante en la corteza terrestre, ya que lo
podemos encontrar en todos los hidrocarburos, en los cidos, en la
materia viva y en muchos minerales. (p. 19)
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Tabla 2.2
Carac tersti cas d el hid rgen o
PROPIEDADES GENERALES DEL HIDRGENOPunto de fusin -259,1 C
Punto de ebullicin -252,7 C
Temperatura crtica -239,8 C
Densidad del lquido 0,0709 g/cm
Densidad del gas 0,0899 kg/m
Solubilidad en el agua (en 100 partes)a 0 C: 2,1 cm
a 80 C: 0,85 cm3
Istopos
H-1
H-2 (deuterio)
H-3 (radioactivo, periodo 12, 26aos)
PAR METROS DE SEGURIDAD
Lmites de inflamabilidad en el aire, % volumen4,075,0
Lmites de detonacin en el aire, % volumen 18,359,0
Lmites de inflamabilidad en oxgeno, % volumen 4,594,0
Lmites de detonacin en oxgeno, % volumen 15,090,0
Temperatura de ignicin en el aire 585 C
Temperatura de ignicin en el oxgeno 560 C
Temperatura de la llama en el aire 2045 C
Calor de combustin 285,8 KJ/mol
Fuente:(Gutirrez, 2005)
2.2.3 MTODOS DE OBTENCIN DEL HIDRGENO
(Llorca, 2010) El hidrgeno puede obtenerse a partir de fuentesrenovables (elica, solar, biomasa, etc.) y no renovables (combustibles
fsiles y nuclear) mediante diversos mtodos, siendo los procesos
termoqumicos de reformado y la electrolisis del agua los ms comunes.
(p.32)
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Figura 2.6 Fuentes de obtencin del hidrgeno
Fuente: (Llorca, 2010)
a. A PARTIR DE LOS COMBUSTIBLES FSILES
Segn (Llorca, 2010) el principal mtodo de obtencin es el reformado. Se
producen alrededor de ciento treinta mil toneladas de hidrgeno a partir de
los combustibles fsiles. Es sin duda en la actualidad la forma mseconmica de obtener hidrgeno (95% de la produccin mundial) dejando de
lado a la obtencin de hidrgeno por electrlisis del agua (4% de la
produccin mundial de hidrgeno) a pesar de la simplicidad de su proceso.
Es importante destacar que la obtencin del hidrgeno a partir del carbn es
muy antigua y se realiza al poner en contacto el carbn con el agua a una
temperatura de 1000 C aproximadamente. Sin embargo la mayor parte de
hidrgeno se obtiene por medio del gas natural ya que es un combustiblecuya extraccin, transporte y distribucin resultan relativamente econmicos.
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Figura 2.7 Produccin de hidrgeno por combustibles fsiles
Fuente: (Llorca, 2010)
b. A PARTIR DE LA BIOMASA
(Llorca, 2010) menciona que los mtodos de obtencin directos que se
utilizan para obtener hidrgeno a partir de la biomasa. El primer mtodo es la
gasificacin que resulta un proceso sencillo que requiere una preparacin
previa de la biomasa pero la cantidad de hidrgeno es muy baja. Tambin se
puede obtener hidrgeno a partir de biocombustibles, el cual resulta mucho
ms eficiente que la gasificacin pero con la desventaja de que se necesita
un procesamiento previo de la biomasa.
c. A PARTIR DE LA ELECTRLISIS
El hidrgeno obtenido por este mtodo es de alta pureza en comparacin
con los otros mtodos.
48%
30%
18%
4%
Gas Natural
Petrleo
Carbn
Electrlisis
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Figura 2.8 Esquema de un electrolizador alcalino de dos celdas
Fuente: (Llorca, 2010)
(Llorca, 2010) detalla
En la electrlisis de agua no se utiliza agua pura ya que sta no es un
buen conductor inico, resulta necesario variar el pH del electrolito
mediante la adicin de un cido o una base, de modo que aumente la
concentracin de protones o grupos hidroxilo, respectivamente, y la
movilidad inica sea lo suficientemente grande como para disminuir la
resistencia elctrica y no contribuir de manera apreciable al
sobrepotencial. Normalmente se utiliza un medio alcalino porque el
medio cido conlleva problemas de corrosin ms importantes. Las
bases que se aaden acostumbran a ser hidrxido de sodio, NaOH, o de
potasio, KOH. (p. 19)
d. A PARTIR DEL SOL
En el 2010, Llorca menciona que las formas ms importantes para obtener
hidrgeno a partir del sol son a partir de la electrlisis del agua, donde la
energa elctrica proviene de celdas fotovoltaicas El otro mtodo es la
fotlisis en la cual se produce una rotura del agua a travs de radiacin
solar en las zona visible del espectro.
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Figura 2.9 Concentrador solar de Odeillo Francia
Fuente: www.asme.org
e. A PARTIR DE ENERGA NUCLEAR. CICLOS TERMOQUMICOS
(Llorca, 2010) manifiesta en su investigacin que la electrlisis del agua a
elevada temperatura se realiza con la ayuda de importantes cantidades de
calor generadas en las centrales nucleares. Se puede tambin desarrollar
ciclos termoqumicos para la produccin de hidrgeno. En estos procesos es
posible realizar la separacin del agua en oxgeno e hidrgeno pero a bajas
temperaturas a travs del enlace de distintas reacciones qumicas.
2.2.4 ALMACENAMIENTO
(Botas, Calles, Dufour, & San Miguel, 2005) explican
En la actualidad existen distintas formas de almacenar hidrgeno, tanto
para aplicaciones estacionarias como para el sector del transporte (en
forma gaseosa, lquida, combinado qumicamente o adsorbido en slidos
porosos), dependiendo su eleccin de diferentes factores como el
proceso final en el que se vaya a emplear, la densidad energtica
requerida, la cantidad a almacenar y la duracin del almacenamiento, la
existencia de otras posibles formas de energa disponibles, los costes y
necesidades de mantenimiento de la instalacin, y los costes de
operacin (S. Dunn, 2002). (p. 7)
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a) Comprimido, b) Hidratos metlicos, c) liquido, d) Nanotubos de carbono
Figura 2.10 Almacenamiento de hidrgeno
Fuente: (Proa, 2011)
(Botas et al., 2005) concluyeron
En el caso del empleo de hidrgeno como combustible para el
transporte, uno de los principales problemas a resolver es la falta de los
medios adecuados para su almacenamiento en el propio vehculo,
cumpliendo los requisitos de seguridad, costos, y las caractersticas de
suministro requeridas (S. Hynek y col., 1997; H. Cheng y col., 2001). (p.
8)
a. ALMACENAMIENTO EN FORMA GASEOSA
(Botas et al., 2005) Este tipo de almacenamiento (presiones superiores a 20
MPa) requiere que los depsitos sean pesados y voluminosos, adems de
plantear cuestiones de seguridad tanto en los vehculos como en los
depsitos de almacenamiento, distribucin y carga de hidrgeno.
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Figura 2.11 Tanque de almacenamiento de hidrgeno presurizado
Fuente: www.fuelcell.no
b. ALMACENAMIENTO EN FORMA LQUIDA
(Botas et al., 2005) mencionan
La opcin del almacenamiento de hidrgeno en estado lquido en
recipientes criognicos requiere alcanzar temperaturas de
almacenamiento muy bajas (21,2 K), haciendo inevitable su prdida por
volatilizacin incluso empleando las mejores tcnicas de aislamiento.
Adems, el alto consumo energtico asociado al enfriamiento,
aproximadamente el 30% de la energa almacenada, hace que estaopcin resulte inviable en la prctica, desde el punto de vista econmico,
salvo en aquellas aplicaciones donde el coste de hidrgeno no sea un
factor crtico y ste sea consumido en cortos periodos de tiempo (por
ejemplo, en aplicaciones aeroespaciales) (L. Zhou, 2004; A. Zttel,
2004). (p. 8)
Figura 2.12 Depsito criognico de hidrgeno del Saturno V
Fuente: www.agrupasuma.com
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c. COMBINACIN QUMICA (HIDRUROS METLICOS)
(Botas et al., 2005) precisan
Numerosos metales de transicin, y sus aleaciones, pueden ser
utilizados para almacenar hidrgeno en forma de hidruros metlicos.
Estos hidruros se forman por reaccin con hidrgeno, siendo ste
absorbido en la estructura metlica, y pudiendo ser desorbido gracias a
pequeas variaciones de presin (E. Fakioglu y col., 2004). (p. 9)
Figura 2.13 Pequea unidad de almacenamiento de hidruros metlicos
Fuente: www.fuelcell.no
d. ADSORCIN EN SLIDOS POROSOS (NANOESTRUCTURAS DE
CARBONO)
(Botas et al., 2005) en su investigacin concluyen
Los primeros trabajos publicados basados en nanoestructuras de
carbono mostraban almacenamientos excepcionales de hasta el 60% en
peso. Desde entonces y hasta el momento, se est dedicando un gran
esfuerzo al estudio de nanoestructuras de carbono con elevada
superficie especfica (fibras, nanotubos y carbones activos) concluyendo
que la cantidad de hidrgeno adsorbida a baja temperatura (77 K) es
proporcional a la superficie especfica BET de la nanoestructura de
carbono, independientemente de la estructura geomtrica del carbn,
con valores mximos muy inferiores a los anteriormente indicados(M.
Conte y col., 2004; M. Ritschel y col., 2002;G.G. Tibbetts y col., 2001).
(p. 9)
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Figura 2.14 Nanoestructuras de carbono
Fuente: arquitecturacarbono.wordpress.com
2.2.5 USOS DEL HIDRGENO EN AUTOMOCIN
(Hernndez & Rodrguez, 2010) sugieren
El hidrgeno se puede emplear en automocin de dos formas distintas.
Se puede emplear como combustible de un motor de combustin interna
alternativo (M.C.I.). En este caso su rendimiento mximo sobre el poder
calorfico inferior (P.C.I.) es del 27% aproximadamente (rendimiento
medido como el cociente entre la energa mecnica a la salida deleje del
motor y la energa entregada por el combustible. Tambin se puede
emplear como combustible de una pila de combustible. En este caso el
rendimiento est en torno al 60% sobre el P.C.I. (rendimiento medido
como el cociente entre la energa entregada por el eje del motor elctrico
y la energa entregada por el combustible de la pila).
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Figura 2.15 Rendimientos de distintos sistemas de produccin de
energa en funcin de su potencia
Fuente: (Llorca, 2010)
a. VENTAJAS
(Hernndez & Rodrguez, 2010) mencionan entre las principales
ventajas:
Es tres veces ms ligero que la gasolina
Su combustin es muy "limpia", ya que la reaccin del hidrgeno con
oxgeno slo produce agua, aunque con determinadas relaciones
hidrgeno-aire se producen xidos de nitrgeno (NOx).
Al obtener hidrgeno mediante electrlisis disminuye el impacto
medioambiental provocado por la extraccin de petrleo.
Al utilizarse en pilas de combustible su rendimiento energtico es
mayor (convertir el combustible en energa elctrica es ms eficiente
que quemarlo al estar este ltimo sujeto a la segunda Ley de la
Termodinmica.
Permite aprovechar la energa cintica del vehculo cuando ste se
detiene al convertirla en energa elctrica mientras que un vehculo
con M.C.I. la convierte en calor en los frenos.
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b. DESVENTAJAS
(Hernndez & Rodrguez, 2010) expresan que existen ciertas
desventajas del hidrgeno como combustible con respecto a combustibles
de origen fsil o biocombustibles:
Requiere grandes recipientes de almacenamiento ya que posee un
bajo P.C.I. por unidad de volumen.
Su transporte y almacenamiento son complejos y costosos.
Es un combustible secundario, es decir se debe consumir energa para
su obtencin a partir de las distintas materias primas (agua, biomasa,
combustibles fsiles) ya que no existe en estado elemental. Al ser una tecnologa emergente se dificulta su comercializacin.
Tiene una demanda pequea, por lo que su precio no puede competir
con el de las tecnologas convencionales.
2.3 SISTEMA DE GENERACIN DE GAS HHO
2.3.1 GAS BROWN
Segn (Zaki, 2012) el gas HHO es conocido tambin como gas Brown,
en honor a Yull Brown, a quien se le acredita la patente de produccin del
gas HHO en el ao 1974.Yull desarroll un mtodo para electrolizar el agua
en una mezcla estequiomtrica exacta obteniendo como resultado una
sustancia utilizada en procesos de soldadura, la cual es altamente inflamable
pero no es combustible, cuando se utiliza correctamente.
Figura 2.16 Antorcha de soldadura con gas BrownFuente: www.watertorch.com
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Diez aos despus de que Brown hizo su descubrimiento en Australia, el
estadounidense William A. Rhodes declar patentes internacionales por un
mtodo similar de creacin de gas HHO (o hidroxi como tambin es
denominado) que se utiliza en la industria de la soldadura. Sin embargo Yull
Brown fue el pionero y principal promotor de su descubrimiento, el cual en la
actualidad se emplea en la industria automotriz.
En los ltimos aos se han desarrollado dispositivos que bajo este
principio generan el gas Brown a demanda, siendo utilizado como
combustible complementario a la gasolina, mejorando su rendimiento y
reduciendo adems el nivel de emisiones. De esta manera se puede
electrolizar pequeas cantidades de agua en un sistema a bordo del
vehculo y convertirla en gas HHO, el cual se enva de forma directa al
sistema de admisin del motor ayudando a que la combustin sea ms
completa y limpia.
2.3.2 CELDAS ELECTROLIZADORAS
La celda de combustible utilizada en este proyecto funciona bajo el
principio de la electrlisis.
(Boyce, 2013) en su investigacin establece que en la tecnologa de
produccin de hidrgeno por electrlisis se divide el agua en sus
componentes: hidrgeno y oxgeno al cargarla con corriente elctrica
continua. La carga rompe el enlace qumico entre el hidrgeno y el oxgeno y
se obtienen los componentes atmicos por separado. Los iones resultantesse forman en dos polos: el nodo, cargado positivamente y el ctodo que
est cargado negativamente. Los iones de hidrgeno se juntan en el ctodo
y reaccionan con ste para formar el gas hidrgeno. El oxgeno pasa por un
proceso similar en el nodo.
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Figura 2.17 Principio de electrlisis del agua
Fuente: www.viewzone.com
(Boyce, 2013) menciona que el principal problema inconveniente de la
electrlisis convencional para la produccin de hidrgeno a gran escala es la
cantidad de electricidad necesaria para realizar el proceso. Se utilizan
mltiples placas de acero inoxidable las cuales se encargan de disipar el
calor. Es tcnicamente ms sencillo liberar el gas hidrgeno en mltiples
placas. Para el efecto se utiliza una solucin electroltica de hidrxido de
sodio.
Figura 2.18 Principio de electrlisis del agua
Fuente: (www.viewzone.com)
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2.3.3 TIPOS DE CELDAS ELECTROLIZADORAS
Existen dos tipos de celdas electrolizadoras que se utilizan en el campo
automotriz. Ambos diseos por lo general se fabrican en acero inoxidable.
Figura 2.19 Representacin de celda hmeda y celda seca
Fuente: tecverde.mex.tl
a. CELDAS SECAS
Son celdas ms fciles de manejar y disear. Las celdas secas oconocidas como dry cells se caracterizan porque, a diferencia de las celdas
hmedas, no se encuentran sumergidas en agua, es decir, la misma celda
es el contenedor. Los electrodos de este tipo de celdas estn separadas por
juntas (generalmente de caucho) las cuales evitan que el agua se escape de
la celda hacia las conexiones elctricas o que el electrolito se ponga en
contacto con los bordes de dichas placas.
Las ventajas de este tipo de celdas con respecto a las celdas hmedas
radica en que, teniendo en cuenta su superficie, se puede utilizar menos
electrolito, por lo tanto el volumen y el peso de la celda es menor.
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Figura 2.20 Celda generadora seca
b. CELDAS HMEDAS
Tambin llamadas sumergibles, se caracterizan porque los electrodos
van sumergidos en la solucin de electrolito dentro de un contenedor. Es un
diseo poco eficiente ya que trae consigo varios inconvenientes de
funcionamiento. El oxgeno producido en el proceso empieza a reaccionar
con la superficie metlica del nodo provocando oxidacin, erosionndola.
Otro inconveniente radica en que no se puede disipar el calor producido por
la electrlisis, producindose vapor de agua que se mezcla con el gas HHO.
Figura 2.21 Celda generadora hmeda
Fuente: mad-science.wonderhowto.com
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2.3.4 REACTIVOS Y MATERIALES SELECCIONADOS
La eficiencia y el correcto funcionamiento de la celda diseada dependen
en gran medida de los reactivos utilizados en el proceso qumico de
electrlisis.
a. AGUA PURIFICADA
(Dvorak & Skipton, 2013) manifiestan que se conoce como purificada al
agua que proveniente de cualquier fuente y que se procesa fsicamente con
la finalidad de eliminar las impurezas. El agua destilada ha sido una de las
formas ms comunes y ms comerciales de agua purificada utilizada en
laboratorios e industrias. El agua destilada elimina todas las impurezas a
travs de la destilacin. La destilacin consiste en hervir el agua para
posteriormente condensar el vapor en un recipiente, separando todos los
contaminantes slidos.
Figura 2.22 Agua destilada comercial
(Santilli, 2005) menciona que errneamente suele utilizarse en elproceso de electrlisis agua de lluvia, agua mineral o agua potable las
cuales presentan minerales, slidos en suspensin y otros contaminantes en
su compasin. Estas impurezas se precipitan fuera del agua cuando se
somete a electrlisis y suelen aparecer en forma de espuma color marrn,
negro o verde. Las consecuencias de utilizar agua potable o de lluvia en el
sistema de produccin de gas Brown son la obstruccin de las placas del
generador por acumulacin y la contaminacin del medio ambiente ya quelas impurezas en forma de slidos acompaan a los gases conocidos que se
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mezclan con el gas HHO, creando reacciones qumicas desconocidas y
txicas. De esta manera el agua destilada debe ser utilizada en la
produccin de gas HHO en cualquier tipo de generador.
Tabla 2.3
Carac tersti cas del ag ua d esti lada
Usos Laboratorio, anlisis, investigacin y qumica fina.
Aspecto Lquido transparente e incoloro.
Olor Inodoro
Punto de ebullicin 100C
Punto de fusin 0C
Presin de vapor (20C) 23 hPaDensidad 1,00
Solubilidad Soluble en etanol
pH 5,06,5
Conductividad 1,5-4,0 mhos/cm
Dureza < 1,0 ppm
Materias que deben evitarse
Metales alcalinos. Formacin de hidrgeno (riesgo de
explosin). Metales alcalinotrreos en polvo.
Anhdridos. cidos fuertes.
Efectos peligrosos para la
salud
No son de esperar caractersticas peligrosas.
Fuente:(CTR SCIENTIFIC, 2015)
b. HIDRXIDO DE POTASIO
Segn (Biggs, 2003) en el proceso de electrlisis, el agua destilada no
puede conducir la electricidad suficiente por s sola. Incluso utilizando agua
potable, agua de lluvia o agua mineral se puede llevar a cabo el proceso de
electrlisis ya que contienen minerales en su composicin, pero la
produccin de gas HHO sera baja. Por esta razn es primordial el uso de
electrolitos que se encargan de transportar corriente elctrica de placa a
placa, acelerando la produccin de HHO. La mejor opcin de electrolito se
juzga por su capacidad de permanecer sin cambios en la reaccin en la que
tiene lugar. Se han realizado pruebas empricas donde se ha encontrado que
el hidrxido de potasio (KOH) y el hidrxido de sodio (NaOH) son dos
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sustancias que catalizan de manera eficiente. Dichas pruebas han
demostrado que se produce una mezcla limpia en el generador de gas HHO
al utilizar uno de estos dos catalizadores con el agua destilada, por lo tanto
se obtendr una mezcla ms homognea de dicho gas. El hidrxido de
potasio es el electrolito de mejor calidad ya que es ms estable y no se
consume durante el proceso de electrlisis.
Tabla 2.4
Caracterstic as d el hid rxido de p otasio
Usos Laboratorio, anlisis, investigacin y qumica fina.
Aspecto Slido
Olor Inodoro
Color Blanco, delicuescente
Punto de fusin/punto de
congelacin360C
Punto inicial de ebullicin e
intervalo de ebullicin1.327 C
Densidad relativa 2,04
Solubilidad 1.120 g/l agua 20 C
pH 13,5
Materias que deben evitarse
Metales. Metales ligeros Formacin de hidrgeno
(riesgo de explosin). cidos fuertes. Metales
alcalinotrreos en polvo. Compuestos amoniacales
Efectos peligrosos para la
salud
En contacto con la piel: quemaduras Por contacto
ocular: quemaduras trastornos de visin Por ingestin:
Irritaciones en mucosas de la boca, garganta, esfago
y tracto intestinal. Riesgo de perforacin intestinal y de
esfago.
Mtodos de limpieza
Recoger en seco y depositar en contenedores de
residuos para su posterior eliminacin de acuerdo con
las normativas vigentes. Neutralizar con cido sulfrico
diluido.
Manipulacin Sin indicaciones particulares.
Almacenamiento
Recipientes bien cerrados. Ambiente seco.
Temperatura ambiente. No almacenar en recipientes
metlicos.
Fuente:(CTR SCIENTIFIC, 2015)
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Figura 2.23 Hidrxido de potasio en polvo
c. ACERO INOXIDABLE 316 L
(Mang, Barrera, Siss, & Paya, 2013) mencionan que el acero inoxidablegrado 316L es ideal para la construccin de celdas electrolticas debido a la
resistencia a la corrosin y sus excelentes propiedades mecnicas. Estas
celdas son similares al diseo de Stan Meyer, pionero en procesos de
electrlisis. Su celda se construye con 12 tubos concntricos de acero sin
soldadura y con separadores de acero inoxidable 316L.
Figura 2.24 Planchas de acero inoxidable 316l
Fuente: www.stainless-stainless-steel.com
d. POLIURETANO
El caucho cumple la funcin de separar las placas de acero inoxidable,
adems de brindar hermeticidad al generador. Por lo general en la
construccin del generador de gas HHO se utiliza un material no conductor
como el caucho o el plstico.
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Figura 2.25 Poliuretano
Fuente: solutions.3m.com
2.4 GASES PRODUCTO DE LA COMBUSTIN DE LA GASOLINA
Segn (BOSCH, 2003) en la siguiente frmula la reaccin de la
combustin completa de combustible en forma ideal (en combinacin con
suficiente oxgeno). Las sustancias secundarias nocivas son producidas
principalmente a factores como la composicin del combustible y las
condiciones no ideales de combustin.
Ecuacin 2.2 Reaccin de la combustin completa de combustible
Fuente: (BOSCH, 2003)
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Figura 2.26 Gases producto de la combustin
Fuente: (BOSCH, 2003)
2.4.1 PARTES INTEGRALES PRINCIPALES
a. AGUA (H2O)
El hidrgeno qumicamente ligado contenido en el combustible se quema
formando vapor de agua, que al enfriarse se condensa en su mayor parte.
En das fros es visible como nube de vapor que sale del tubo de escape. Su
contenido en los gases de escape es aproximadamente de un 13,1 %.
b. DIXIDO DE CARBONO (CO2)
El carbono qumicamente ligado contenido en el combustible forma, en
caso de una combustin completa, dixido de carbono (CO2) con una parte
de aprox. un 13,7% en los gases de escape. La cantidad de dixido de
carbono liberada es directamente proporcional al consumo de combustible.
La emisin de dixido de carbono slo se puede reducir a travs delconsumo de combustible.
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c. NITRGENO (N2)
El nitrgeno como parte integrante principal (78%) del aire aspirado por
el motor no participa en la combustin del carburante. Con un 71,5%
aproximado representa empero la parte integrante mayor de los gases de
escape.
2.4.2 PARTES INTEGRALES SECUNDARIAS
Al efectuarse la combustin de la mezcla de aire y combustible, se
producen una serie de sustancias integrantes secundarias. La parte de estas
sustancias asciende en los gases de escape brutos (gases de escapedespus de la combustin, antes del tratamiento posterior), teniendo el
motor la temperatura de servicio y con una composicin estequiomtrica de
la mezcla (= 1), a aprox. el 1% de la cantidad total de gases de escape.
a. MONXIDO DE CARBONO (CO)
Se origina monxido de carbono en caso de una combustin incompleta
de una mezcla de aire y combustible rica a causa de falta de aire. Pero
tambin se origina monxido de carbono (aunque slo en medida muy
pequea) en una combustin con exceso de aire, a causa de "excursiones"
ricas o una mezcla de aire y combustible no homognea. Gotitas de
combustible no evaporadas forman zonas ricas que no se queman por
completo. El monxido de carbono es un gas incoloro y sin olor.
b. HIDROCARBUROS (HC)
Por hidrocarburos se entiende el concepto colectivo de todos los
compuestos qumicos de carbono C e hidrgeno H. Las emisiones de HC
hay que atribuirlas a una combustin incompleta de la mezcla de aire y
combustible por falta de oxgeno. En la combustin pueden originarse
empero tambin nuevos compuestos de hidrocarburos que no se
encontraban originariamente en el combustible.
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c. XIDOS DE NITRGENO (NOX)
Se forman como consecuencia de reacciones secundarias en todos los
procesos de combustin con aire, que contiene nitrgeno. En el motor de
combustin se produce principalmente xido de nitrgeno (NO) y dixido de
nitrgeno (NO2), y en reducida medida tambin xido nitroso (N2O). El xido
de nitrgeno (NO) es incoloro y sin olor; en el aire se transforma lentamente
en dixido de nitrgeno (NO2). El NO2es en su forma pura un gas venenoso
pardo rojizo, de olor penetrante. En concentraciones como las que se
presentan en caso de estar muy viciado el aire, el NO2 puede causar
irritaciones de la membrana pituitaria. Los xidos de nitrgeno son
corresponsables de los daos forestales (lluvia cida) y junto con loshidrocarburos, de la formacin de smog.
d. DIXIDO DE AZUFRE (SO2)
Los compuestos de azufre en los gases de escape (ante todo el dixido
de azufre) son la consecuencia del contenido de azufre en el combustible.
Con una proporcin relativamente pequea, estas emisiones de
contaminantes hay que atribuirlas al trfico rodado. El dixido de azufre no
puede experimentar una conversin por un catalizador. Se deposita empero
fijamente en l o reacciona con el recubrimiento del catalizador y reduce su
efecto de depuracin frente a otros componentes de los gases de escape.
2.4.3 NIVELES PERMITIDOS DE GASES CONTAMINANTES
La Agencia Metropolitana de Trnsito, a travs de la Revisin Tcnica
Vehicular, en su instructivo emitido en el ao 2014, tiene como uno de sus
principales objetivos mantener el nivel de emisiones contaminantes por
debajo de los lmites mximos establecidos en dicho reglamente con la
finalidad de garantizar las condiciones mnimas de seguridad de los
vehculos. Para ello se ha establecido umbrales mximos permitidos de
emisiones de gases contaminantes en funcin del ao de fabricacin y del
tipo de vehculo.
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Tabla 2.5
Tabla de Umb rales (Rangos de Cal i f icacin)
DESC.UMBRAL
AOMODELO
CALIF. UMBRAL UNIDAD CATEGORIAVEHCULO
HIDROCARBUROSNO
COMBUSTIONADOS-HC
x2000
1 160x
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OXGENO
O
2
x2000
1 3x
-
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3. CAPTULO III
DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN GENERADOR DE GAS
HHO PARA EL VEHCULO MONOPLAZA TIPO BUGGY
3.1 DESARROLLO DEL DISEO DEL GENERADOR DE GAS HHO
3.1.1 LEVANTAMIENTO DE REQUERIMIENTOS
Con los requerimientos planteados se procedi a disear y construir el
sistema de generacin de gas HHO para el prototipo del Laboratorio de
Mecnica de Patio, el cual consta de componentes mecnicos y elctricos
que luego de ser ensamblados se procedi a instalar y adaptar en el sistema
de admisin del vehculo. El generador de gas HHO diseado para el motor
del vehculo monoplaza posee las siguientes caractersticas:
Tabla 3.1
Fich a tcn ica del g enerado r de gas HHO
ESPECIFICACIONES DEL GENERADOR DE GAS HHO
Nmero de placas 19
Nmero de placas negativas 4
Nmero de placas positivas 3
Nmero de placas neutras 12
Nmero de separadores 20
Cmaras generadoras 6
Toma de abastecimiento 1
Toma de salida de gas al burbujeador 2Voltaje 12 V DC
Consumo elctrico 12 A
Caudal
Capacidad de agua
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3.1.2 VOLUMEN INTERNO DEL GENERADOR DE GAS HHO
Para realizar los clculos se muestra a continuacin los siguientes datos
de las dimensiones:
Tabla 3.2
Dimens iones de los com ponentes
DIMENSIN DE LA PLACA
Base
Altura
Espesor
Chafln
DIMENSIN DE LOS SEPARADORES
Base externa
Base interna
Altura externa
Altura interna
Espesor
Chafln
Las siguientes frmulas son necesarias para los clculos de reas y
volmenes.
Ecuacin 3.1 rea del rectngulo
Fuente: (Sullivan, 2006)
Ecuacin 3.2 rea del tringulo rectngulo
Fuente: (Sullivan, 2006)
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Los resultados obtenidos se detallan en la siguiente tabla
Tabla 3.3
Resultad os de rea y v olumen
NOMBRE RESULTADO
rea interna
rea del chafln
rea de la placa
Volumen de cada cmara
Volumen de agua
Volumen de HHO
La mitad del volumen de la cmara esta designado para ocupar el agua
destilada con el electrolito mientras que la otra mitad lo ocupa el gas HHO.
El generador aloja en su parte interna de agua y
de gas HHO. Sumando ambos valores se obtiene un volumen total de
.
3.1.3 FLUJO DE GAS HHO
Para realizar los clculos de produccin de gas HHO, se calcula cunto
gas genera en 1 minuto (60s), con una intensidad de 12 A y en condiciones
de presin y temperatura normales, es decir a 1 atm y 25C (298K)
respectivamente . Tambin es necesario utilizar las siguientes ecuaciones:
Ecuacin 3.3 Ley de Faraday
Fuente: (Jaramillo, 2004)
Dnde:
m= Masa de la sustancia alterada (g)
E= Peso equivalente (g/mol)I= Intensidad de corriente (A)
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t= Tiempo (s)
F= Constante de Faraday= 96500
Ecuacin 3.4 Peso equivalente
Fuente:(Gayoso, 1991)
Dnde:
Pa= Peso atmico (g)
V= Valencia (mol)
Ecuacin 3.5 Intensidad de corriente
Fuente:(Fowler, 1994)
Dnde:
I= Intensidad (A)
Q= Carga elctrica (Coulomb)
t= Tiempo (s)
Ecuacin 3.6 Ley de los gases ideales
Fuente:(Atkins & Jones, 2005)
Dnde:
P= Presin (atm)
V= Volumen (l)
n= Numero de moles (mol)
R= constante universal de los gases
T= Temperatura (K)
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Se realiza la disociacin de la solucin
Tabla 3.4
Disociacin del agua
C TODO
NODO
Fuente: (Llorca, 2010)
Con los datos necesarios se realiz los clculos y se obtuvo los
siguientes resultados:
Tabla 3.5
Clcu lo de vari abl es
NOMBRE FRMULA VARIABLE RESULTADO
Intensidad de
corriente
Peso equivalente
Ley de Faraday
Ley de los gases
ideales
Con los datos anteriores se puede realizar el clculo el flujo de gas que
produce el generador.
Tabla 3.6
Volumen de gas HHO obtenido
Volumen de hidrgeno en cada celda
Volumen total de hidrgeno
Volumen de oxgeno en cada celda
Volumen total de oxgeno
Volumen de HHO producido
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3.2 MATEMATIZACIN DE LOS PARMETROS DE DISEO
Para corroborar los datos mostrados en las tablas anteriores, se muestra
en este apartado los procesos matemticos de los parmetros requeridos.
3.2.1 CLCULO DEL VOLUMEN INTERNO
Se calcula el rea total de la placa con el fin de obtener el rea de
trabajo:
Se calcula el rea del tringulo (chafln):
Para determinar el rea de la placa que est en contacto con el agua y
electrolito se resta el rea total de la placa y las reas de los chaflanes:
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Con el rea de contacto que va a producir el gas HHO se determina el
volumen de cada cmara:
La mitad del volumen de la cmara esta designado para ocupar el agua
destilada conjuntamente con el electrolito mientras que la otra mitad ocupa el
gas producido.
3.2.2 CLCULO DE FLUJO DEL GAS HHO
Se sabe el consumo de corriente y el tiempo para calcular la carga
elctrica Q del generador:
Clculo del peso equivalente del hidrgeno:
Utilizando la frmula de la ley de Faraday y con todos los datos se
calcula el nmero de moles que posee el hidrgeno:
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Sabiendo el nmero de moles se calcula el volumen de gas hidrgeno
generado en cada celda con la frmula de los gases ideales:
El volumen total de gas hidrgeno generado se obtiene multiplicando eln