evaluación global del funcionamiento de un motor con un
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Evaluación global del funcionamiento de un motor con un
sistema de combustible dual
CAMILO IDARRAGA MANRIQUE
Asesor RAFAEL BELTRAN ME, MSc
JOSE IGNACIO HUERTAS ME, MSc, Phd
Tesis presentada a La Universidad de los Andes
como requisito parcial de grado Programa de Pregrado en Ingeniería Mecánica
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTA
MAYO 2003
A mis padres por su incondicional apoyo e infinita paciencia..........
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ii
Las pruebas mencionadas en este trabajo fueron llevadas a cabo por el grupo de
investigación en combustión y conversión de energía del CITEC, bajo la dirección
de José Ignacio Huertas ME, MSc, PhD. Como autor de la presente tesis participé
activamente durante el desarrollo y posterior análisis de los resultados de estas
pruebas.
Autorizo a la Universidad de los Andes para que esta tesis sea prestada a otras
instituciones o personas para propósitos de investigación solamente.
También autorizo a la Universidad de los Andes para que este documento sea
fotocopiado en su totalidad o en parte por otras instituciones o personas con fines
de investigación solamente.
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Agradecimientos
Deseo agradecer a las siguientes personas que me brindaron su apoyo para la
realización de este trabajo de tesis.
José Ignacio Huertas ME, MSc, PhD, por su decidido envolvimiento en este
proyecto desde su comienzo y por guiarme siempre durante su desarrollo y
análisis.
Rafael Beltrán ME, MSc, por darme la oportunidad de involucrarme con este
interesante tema y ofrecerme las herramientas para hacer un buen trabajo.
Alexander Valencia ME, MSc, porque gracias a su gran disposición y amplios
conocimientos se llevaron a cabo con éxito las pruebas y fue posible el análisis de
los resultados.
Todos los integrantes del Grupo de Investigación en Combustión y Conversión de
Energía, por su y amable colaboración e incondicional disposición.
Mauricio Ramos ME y todo el departamento de mantenimiento de Ciudad Limpia
E.S.P., por poner a nuestra disposición todo lo necesario para las pruebas y por su
gran paciencia.
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Resumen
Este trabajo se centra en la realización de la evaluación de los aspectos más
importantes para el correcto funcionamiento de un motor de un vehículo de
recolección de basura que puede funcionar exclusivamente con combustible diesel
o con una mezcla de diesel y gas natural. Este por lo tanto es un motor con un
sistema de combustible dual.
Entre los aspectos más importantes para el correcto funcionamiento del motor se
encuentran su capacidad de aceleración, la cantidad y calidad de emisiones
contaminantes que arroja al ambiente, tanto en los gases de escape como de ruido,
su consumo de combustible y costos de operación relacionados con el consumo de
combustible e intervalos de cambio de aceite lubricante de motor.
Adicionalmente, fue necesario investigar sobre la trayectoria de este tipo de
vehículos en el país, visitar a sus representantes comerciales, revisar la normativa
vigente propuesta por las autoridades ambientales de la ciudad, el país y el mundo,
analizar el daño producido al ambiente y a la salud humana por parte de los gases
de las emisiones contaminantes, así como las composiciones del gas natural para
vehículos, el efecto que esto produce en el funcionamiento de los motores, los
posibles modos de almacenamiento del gas natural en los vehículos y las
características de los sistemas de combustible duales y los motores dedicados a
gas natural.
Por ultimo, se hicieron recomendaciones y se sacaron conclusiones acerca de lo
observado durante la ejecución del proyecto.
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Tabla de Contenido Agradecimientos ........................................................................................................iii
Resumen .................................................................................................................. iv
Tabla de Contenido.................................................................................................... v
Tabla de Fotos .......................................................................................................... ix
Lista de Figuras ......................................................................................................... x
Lista de Tablas.......................................................................................................... xi
Lista de Gráficas ......................................................................................................xiv
Capítulo 1 Introducción y Objetivos ......................................................................... 19
1.1 Introducción ................................................................................................ 18
1.2 Objetivos.......................................................................................................21
1.2.1 Objetivo General........................................................................................21
1.2.2 Objetivos Específicos............................................................................... 21
Capítulo 2 Generalidades del Gas Natural y la Contaminación Ambiental...............22
2.1 El gas natural y el sector transporte en Colombia........................................ 22
2.2 Efectos de los gases contaminantes en la salud humana y el medio
ambiente.........................................................................................................25
2.2.1 Monóxido de Carbono.................................................................................25
2.2.2 Oxidos de Nitrógeno....................................................................................25
2.2.3 Dióxido de Azufre ....................................................................................... 26
2.2.4 Material Particulado .................................................................................... 27
2.2.5 Ozono ......................................................................................................... 27
2.2.6 Hidrocarburos no-metánicos....................................................................... 28
2.3 Normativa vigente ......................................................................................... 28
2.3.1 Normativa vigente en Colombia.................................................................. 29
2.3.2 Normativa vigente en el mundo ................................................................. 35
2.3.2.1 Normativa de Estados Unidos..................................................................35
2.3.2.2 Normativa de la Unión Europea .............................................................. 38
2.3.2.3 Normativa de Japón................................................................................ 40
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2.4 Motores con sistema de combustible duales y motores dedicados...............42
2.4.1 Sistemas de combustible duales................................................................42
2.4.1.1 Sistema de combustible dual del vehículo a evaluar................................45
2.4.2 Motores dedicados.....................................................................................48
2.4.3 Comparación sistema de combustible dual vs. motor dedicado..................49
2.5 Efectos de las variaciones de composición del gas natural sobre la operación,
rendimiento y emisiones contaminantes de los NGVs...................................50
2.5.1 Estándares y pruebas disponibles para el gas natural................................52
2.5.2 Efectos de la calidad del gas natural en motores........................................53
2.6 Almacenamiento de gas natural a bordo de los NGVs...................................53
2.7 Ventajas e incentivos económicos para los NGVs .......................................56
Capítulo 3 Estudio Basado en el Vehículo Recolector de Basura............................58
3.1 Pruebas realizadas........................................................................................58
3.2 Características técnicas del vehículo recolector de basura...........................59
3.3 Condiciones ambientales y tipo de combustible en Bogotá...........................60
3.4 Organización de las pruebas realizadas........................................................63
Capítulo 4 Desempeño..............................................................................................64
4.1 Prueba de aceleración en plano....................................................................65
4.1.1 Objetivo.......................................................................................................65
4.1.2 Descripción de la prueba ............................................................................65
4.1.3 Equipo de medición.....................................................................................66
4.1.4 Resultados obtenidos.................................................................................66
4.2 Prueba de aceleración en pendiente.............................................................69
4.2.1 Objetivo ......................................................................................................69
4.2.2 Descripción de la prueba ............................................................................69
4.2.3 Equipo de medición....................................................................................71
4.2.4 Resultados obtenidos..................................................................................71
4.3 Temperatura del motor..................................................................................74
4.3.1 Objetivo ......................................................................................................74
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vii
4.3.2 Descripción de la prueba ........................................................................... 74
4.3.3 Equipo de medición .................................................................................... 74
4.3.4 Resultados obtenidos ................................................................................. 74
4.4 Conclusiones ................................................................................................. 77
Capítulo 5 Emisiones................................................................................................79
5.1 Opacidad........................................................................................................ 81
5.1.1 Objetivo...................................................................................................... 81
5.1.2 Descripción de la prueba ........................................................................... 81
5.1.3 Equipo de medición ................................................................................... 81
5.1.4 Normativa vigente ...................................................................................... 83
5.1.5 Resultados obtenidos ................................................................................ 83
5.2 Emisiones gasesosas en condiciones dinamicas .......................................... 84
5.2.1 Objetivo...................................................................................................... 84
5.2.2 Descripción de la prueba ........................................................................... 85
5.2.3 Ciclo de trabajo .......................................................................................... 85
5.2.4 Medición del flujo de gases......................................................................... 87
5.2.5 Equipo de medición .................................................................................... 89
5.2.6 Normativa vigente....................................................................................... 90
5.2.7 Resultados obtenidos con el sistema de alimentación diesel ..................... 91
5.2.8 Resultados obtenidos con el sistema de alimentación dual........................ 94
5.2.9 Emisiones en ralentí ................................................................................... 96
5.2.10 Indices de emisión ...................................................................................... 97
5.3 Emisiones sonoras....................................................................................... 100
5.3.1 Objetivo..................................................................................................... 101
5.3.2 Descripción de la prueba .......................................................................... 101
5.3.3 Equipo de medición .................................................................................. 102
5.3.4 Normativa vigente..................................................................................... 103
5.3.5 Resultados obtenidos ............................................................................... 103
5.4 Conclusiones ............................................................................................... 107
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Capítulo 6 Costos de Operación…………………………………..……………………109
6.1 Prueba de consumo de combustible ...........................................................110
6.1.1 Objetivo .....................................................................................................110
6.1.2 Descripción de la prueba...........................................................................110
6.1.3 Medición del consumo de combustible......................................................110
6.2 Consumo de combustible con el sistema diesel...........................................113
6.3 Consumo de combustible con el sistema dual .............................................113
6.4 Comparación sistema diesel vs. sistema dual..............................................116
6.5 Costos de mantenimiento.............................................................................119
6.6 Conclusiones................................................................................................120
Capítulo 7 Importancia del Aceite Lubricante..........................................................122
7.1 Generalidades del aceite lubricante.............................................................122
7.2 Análisis pertinentes......................................................................................124
7.2.1 Viscosidad cinemática................................................................................124
7.2.2 Número básico total....................................................................................124
7.2.3 Contenido de cenizas.................................................................................125
7.3 Análisis del aceite como herramienta en el mantenimiento preventivo........126
Capítulo 8 Conclusiones y Recomendaciones........................................................130
8.1 Sistemas de alimentación de combustible .................................................130
8.2 Aceleración en plano..................................................................................131
8.3 Aceleración en pendiente ...........................................................................132
8.4 Temperatura de operación del motor .........................................................132
8.5 Opacidad....................................................................................................133
8.6 Emisión de gases contaminantes en condiciones dinámicas.....................133
8.7 Nivel de ruido en el vehículo ......................................................................134
8.8 Consumo de combustible ...........................................................................135
8.10 Recomendaciones......................................................................................136
Referencias ............................................................................................................138
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Lista de Fotos Foto Título Página
1a,b,c Cilindros de almacenamiento de GasNatural Comprimido (CNG) a
bordo del vehículo.
46
2 Regulador de presión mecánico. 47
3 Roceador de gas. 48
4 Panorámica del camión de recolección de basura dual de Ciudad
Limpia.
60
5 Emisión de gases contaminantes del camión de Ciudad Limpia
cuando inicia la aceleración.
87
6 Medición de ruido dinámico realizado al camión de recolección de
basura de Ciudad Limpia.
102
B1 Proceso de desmontaje de la culata del motor. B1
B2 Leva y seguidor averiados. B1
B3 Culata desmontada. B2
B4 Detalle de la leva “picada”, cuando el eje de levas permanecía
montado en el motor.
B2
B5 Detalle de la leva “picada”. B3
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x
Lista de Figuras
Figura Título Página
1 Motor Caterpillar con sistema de combustible dual. 45
2 Motor Cummins dedicado a gas natural. 49
3 Esquema del método utilizado para medir la pendiente de la
carretera.
70
4 Datos utilizados para encontrar la pendiente de la carretera. 70
5 Ilustración del opacímetro utilizado en las pruebas de
opacidad.
70
6 Ilustración del montaje del tubo de Pitot y sonda de muestreo
del analizador de gases.
88
A1 Ilustración del sistema de conexiones A3
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xi
Lista de Tablas
Tabla Título Página
1 Normas de emisión permisibles para fuentes móviles a Diesel
importadas a partir del año 1997.
31
2 Normas de emisión de fuentes móviles a gasolina y diesel a partir
del año modelo 1998.
32
3 Niveles permisibles de opacidad de humos para fuentes móviles a
Diesel.
33
4 Niveles de ruido máximos permisibles para vehículos. 34
5 Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga
pesada año modelo 1988-2003, gr/bhp-hr.
36
6 Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga
pesada año modelo 2004-2007, gr/bhp-hr.
37
7 Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga
pesada año modelo 2007 y posteriores, gr/bhp-hr.
37
8 Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga
pesada que utilizan combustibles limpios.
38
9 Estándares de emisiones de la Unión Europea para motores diesel
de carga pesada, gr/kW-hr.
38
10 Estándares de emisión para motores diesel y gas natural de carga
pesada, ciclo ETC, gr/kW-hr.
39
11 Estándares de emisiones para vehículos de carga pesada con
motores diesel, peso bruto vehicular (GVW) > 2500 Kg (>3500 Kg
a partir de 2005).
41
12 Comparación entre las dos posibilidades de uso de gas natural en
vehículos de carga pesada.
49
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xii
13 Conjunto de pruebas para evaluar el desempeño mecánico del
vehículo.
58
14 Conjunto de pruebas para verificar el desempeño ambiental del
vehículo.
59
15 Prueba para determinar los consumos de combustible del
vehículo.
59
16 Características técnicas del camión de Ciudad Limpia. 59
16ª Características ambientales de Bogotá, lugar donde se realizaron
las pruebas.
61
17 Composición volumétrica en porcentaje del gas natural en
Colombia según �ruel�ROL.
61
18 Propiedades del gas natural en Colombia según �ruel�ROL. 62
19 Composición volumétrica del gas natural utilizado en las pruebas. 62
20 Propiedades del gas natural usado en las pruebas. 62
21 Características técnicas de la quinta rueda utilizada. 66
22 Comparación de resultados obtenidos durante las pruebas de
aceleración en plano.
68
23 Características del lugar donde se llevaron a cabo las pruebas de
capacidad de aceleración en pendiente del camión de recolección
de basura de Ciudad Limpia.
69
24 Comparación de resultados obtenidos durante las pruebas de
aceleración en pendiente.
71
25 Características técnicas del sensor de temperatura LM35. 74
26 Temperatura en el múltiple de admisión del motor del camión de
Ciudad Limpia durante las pruebas de aceleración en plano y en
pendiente.
77
27 Pruebas realizadas al vehículo para evaluar su desempeño
ambiental.
80
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xiii
28 Características técnicas del opacímetro Lucas YDA 309. 82
29 Comparación de resultados obtenidos durante las pruebas de
opacidad.
84
30 Características del ciclo de trabajo para determinar el consumo de
combustible del camión de recolección de basura de Ciudad
Limpia.
86
31 Características técnicas del analizador de gases Testo 300 M-I. 89
32 Valores promedio de las emisiones contaminantes en ralentí del
camión.
97
33 Indices de emisión obtenidos durante la prueba dinámica de
emisiones.
99
34 Especificaciones técnicas del sonómetro �ruel & Kjaer Tipo 2231. 102
35 Comparación entre los valores promedio de emisiones sonoras
obtenidas según el tipo de alimentación de combustible y de
prueba realizada.
106
36 Especificaciones técnicas de la balanza Toledo KCC100-2. 111
37 Densidad de los combustibles utilizados. 112
38 Características de los combustibles utilizados durante las pruebas
de consumo de combustible.
115
39 Comparación en consumo de combustible de los sistemas de
alimentación.
117
40 Propiedades del aceite Mobil Delvac MX 15W/40. 128
41 Pruebas propuestas para el aceite usado. 128
42 Intervalos de kilometraje propuestos para realizar las pruebas. 129
A1 Ciclo para la prueba de consumo de combustible.
A4
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xiv
Lista de Gráficas
Gráfica Título Página
1 Evolución de la velocidad durante las pruebas de aceleración
en plano, con el vehículo operando en ambas modalidades y
con la primera calibración realizada.
67
2 Evolución de la velocidad durante las pruebas de aceleración
en plano, con el vehículo operando en ambas modalidades y
con la segunda calibración realizada.
67
3 Evolución de la velocidad durante las pruebas de aceleración
en la pendiente 2, operando en ambas modalidades y con la
primera calibración.
72
4 Evolución de la velocidad durante las pruebas de aceleración
en la pendiente 4, operando en ambas modalidades y con la
segunda calibración.
72
5 Comportamiento de la temperatura en el múltiple de admisión
del camión de Ciudad Limpia durante las pruebas de
aceleración en plano.
75
6 Comportamiento de la temperatura en el múltiple de admisión
del camión de Ciudad Limpia durante las pruebas de
aceleración en pendiente.
76
7 Porcentaje de opacidad medido en el camión de recolección
de basura de Ciudad Limpia.
83
8 Ciclo de trabajo bajo el cual se determinó el consumo de
combustible del vehículo.
86
9 Evolución típica de la temperatura de los gases de escape
durante el desarrollo de las pruebas de emisiones con el
sistema diesel.
91
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xv
10 Evolución típica de la velocidad de los gases de escape
durante el desarrollo de las pruebas de emisiones con el
sistema diesel.
92
11 Evolución típica de la concentración de CO en los gases de
escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el
sistema diesel.
92
12 Evolución típica de la concentración de NO en los gases de
escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el
sistema diesel.
93
13 Evolución típica de la concentración de NOx en los gases de
escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el
sistema diesel.
94
14 Evolución típica de la concentración de CO en los gases de
escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el
sistema dual.
95
15 Evolución típica de la concentración de NO en los gases de
escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el
sistema dual.
95
16 Evolución típica de la concentración de NOx en los gases de
escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el
sistema dual
96
17 Indices de emisión de CO del camión de recolección de
basura de Ciudad Limpia cuando opera con los dos sistemas
de alimentación de combustible.
98
18 Indices de emisión de NOx del camión de recolección de
basura de Ciudad Limpia cuando opera con los dos sistemas
de alimentación de combustible.
98
19 Resultados de la prueba de medición de ruido estático en la
cabina del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia
104
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xvi
con el “toma-fuerza” desactivado.
20 Resultados de la prueba de medición de ruido estático en la
cabina del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia
con el “toma-fuerza” desactivado.
104
21 Resultados de la prueba de medición de ruido estático al
exterior del camión de recolección de basura de Ciudad
Limpia con el “toma-fuerza” desactivado.
105
22 Resultados de la prueba de medición de ruido estático al
exterior del camión de recolección de basura de Ciudad
Limpia con el “toma-fuerza” activado
105
23 Resultados de la prueba de medición de ruido dinámico del
camión de recolección de basura de Ciudad Limpia.
106
23a Consumo de combustible del Camión de Ciudad Limpia
durante las pruebas de consumo de combustible con el
sistema diesel, expresado en kilómetros recorridos por galón
consumido.
113
24 Consumo de combustible del Camión de Ciudad Limpia
durante las pruebas de consumo de combustible con el
sistema dual, expresado en galones equivalentes de
combustible diesel.
115
25 Consumo de combustible del Camión de Ciudad Limpia
durante las pruebas de consumo de combustible con el
sistema dual, expresado en kilómetros recorridos por galón de
diesel equivalente consumido.
116
26 Energía requerida por el camión para realizar el ciclo de
conducción establecido durantes las pruebas de consumo de
combustible, con los dos sistemas de alimentación.
117
27 Comparación en el consumo de combustible del camión
cuando utiliza los dos sistemas de alimentación de
118
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xvii
combustible, en términos de kilómetros recorridos por galón
diesel equivalente.
28 Comparación en el consumo de combustible del camión
cuando utiliza los dos sistemas de alimentación de
combustible, en términos de pesos gastados por kilómetro
recorrido.
118
29 Número TBN contra porcentaje en peso de azufre en el
combustible diesel.
125
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xviii
Lista de Abreviaciones Utilizadas
NGV...........................Abreviatura inglesa para los vehículos que utilizan gas natural.
NOx................................................Abreviatura química para los óxidos de nitrógeno.
PM..............................Abreviatura inglesa para el material particulado contaminante.
CO................................................Abreviatura química para el monóxido de carbono.
NMHC................................Abreviatura inglesa para los hidrocarburos no-metánicos.
CNG............................................Abreviatura inglesa para el gas natural comprimido.
LNG....................................................Abreviatura inglesa para el gas natural licuado.
ANG...............................................Abreviatura inglesa para el gas natural adsorbido.
SAE........................Abreviatura inglesa para la sociedad de ingenieros automotrices.
ISO.................Abreviatura inglesa para la organización internacional de estándares.
ASTM......Abreviatura inglesa para la sociedad americana de pruebas de materiales.
DAMA..................Abreviatura para el departamento técnico administrativo del medio
ambiente.
FTP.............................Abreviatura inglesa para el procedimiento federal de pruebas.
ECE.....................Abreviatura inglesa para la comisión europea del medio ambiente.
EPA...............Abreviatura inglesa para la agencia de protección del medio ambiente.
LEV..................................Abreviatura inglesa para los vehículos de bajas emisiones.
ECU....................................Abreviatura inglesa para la unidad de control electrónico.
TBN......................................….......Abreviatura inglesa para el numero total básico.
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19
Capítulo 1
Introducción y Objetivos
1.1 Introducción
La empresa Ciudad Limpia E.S.P. se dedica a la recolección de parte de los
desechos que se producen cada día en la ciudad de Bogota. Esta compañía cuenta
con una flotilla de vehículos para transportar estos desechos desde sus lugares de
origen hasta los basureros y rellenos sanitarios establecidos por el distrito.
Un vehículo de recolección de basura, recorre en promedio 170 kilómetros al día, esta
distancia es bastante considerable si se tiene en cuenta que estos vehículos al ser
clasificados como de carga pesada, no solo consumen grandes cantidades de
combustibles sino que a su vez, contribuyen de manera importante a la
contaminación del aire de la ciudad.
En 1998, la compañía Transgascol S.A. ofreció a Ciudad Limpia, la instalación de un
sistema de combustible dual, que permite el uso de gas natural y diesel durante la
combustión, en uno de sus vehículos de recolección, para mostrar sus bondades
ambientales y económicas. Esa instalación se llevo a cabo en un camión modelo
1995 que contaba en ese momento con 194,000 Km de operación.
Luego de su instalación, Transgascol ofreció llevar a cabo unas pruebas que
garantizaran la puesta a punto del camión mediante la evaluación de su potencia,
torque, capacidad de aceleración, consumo de combustible, tasas de sustitución de
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20
diesel por gas natural durante la combustión, costos de operación y análisis de
muestras de aceite. [1]
Las pruebas fueron realizadas de manera satisfactoria y desde entonces el camión
entró a operar nuevamente dentro de su ruta de recolección de basura habitual.
Desde entonces se han presentado una serie de averías anormales en el motor,
dentro del mantenimiento previsto para un vehículo de estas especificaciones,
además el sistema de combustible dual ha sido inspeccionado, mantenido y
recalibrado por un taller autorizado por Transgascol. Adicionalmente se han
presentado problemas en el abastecimiento del gas natural debido a que no se ha
podido tramitar un sistema de crédito con la estación de servicio más cercana, para
cancelar el consumo de gas mensualmente y no por tanqueada como se debe hacer
en la actualidad. Durante estos intervalos de danos, reparaciones y problemas de
abastecimiento, no se tiene la cuenta, ni la duración exacta de las oportunidades en
que el vehículo ha dejado de operar con el sistema dual y ha operado exclusivamente
con diesel.
Por lo tanto el departamento de mantenimiento de Ciudad Limpia, no ha podido
comprobar los beneficios económicos propuestos por el instalador del sistema de
combustible, ha incurrido en cuantiosas reparaciones y tiene quejas por parte de los
conductores del vehículo sobre posibles pérdidas de potencia.
Este trabajo se basa en la necesidad de corroborar los resultados mostrados por la
empresa instaladora del sistema de combustible dual, mediante una serie de
consultas, pruebas, conclusiones y recomendaciones vistas únicamente desde el lado
de la ingeniería y que no tienen intereses comerciales.
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1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo General
Observar, evaluar y comparar el desempeño mecánico, energético y ambiental de un
motor con un sistema de combustible dual, durante su funcionamiento con
combustible diesel y durante su funcionamiento con combustible diesel y gas natural.
1.2.2 Objetivos Específicos
• Determinar los niveles de gases contaminantes emitidos al aire por el motor,
tales como oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2), óxidos de nitrógeno (NOx),
y monóxido de carbono (CO).
• Determinar los niveles de opacidad y emisión de ruido.
• Comparar los resultados obtenidos con la normativa ambiental vigente en
Bogota D.C. y comparar normativa vigente en Colombia con la vigente en el
mundo.
• Determinar el consumo de combustible e interpretarlo desde el punto de vista
económico y el punto de vista energético.
• Confirmar la importancia del papel que tiene el aceite lubricante del motor,
como herramienta durante el mantenimiento preventivo y como costo fijo
durante la vida útil del motor.
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22
Capítulo 2
Generalidades del Gas Natural y la Contaminación Ambiental
2.1 El gas natural y el sector transporte en Colombia
El sector transporte en Colombia ocupa el segundo puesto en importancia sobre el
consumo total de energía final y uno de los mas contaminantes a nivel ambiental. [2]
Dada esta gran demanda energética por parte de este sector, la cual también tiene
una gran incidencia en la economía, se ha buscado durante los últimos años en
Colombia métodos para hacer más eficiente el consumo de combustible,
combustibles alternativos con mayores eficiencias energéticas que los combustibles
tradicionales, reducir la contaminación ambiental y disminuir de manera considerable
la importación de energía.
Estos aspectos sumados al decrecimiento en las actividades exploratorias en el
sector petrolero durante los últimos años y a unas reservas probadas 1de gas natural
de casi 7,500 GPC (gigapies cúbicos) que a una tasa estimada de suministro de
595,822 MBtu/día, representarían un tiempo de disponibilidad de reservas de 34
años. [3]
1 Reservas probadas son aquellas de las que se tiene certeza de ser recuperadas en el futuro de acuerdo a
información geológica, económica y de ingeniería.
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23
El gobierno nacional prevé que el programa del gas natural vehicular aumentara su
participación en el mercado energético un 800% a dentro de un plazo de 10 años
partiendo del año 2001.
Los programas de incentivación en el uso del gas natural se han orientado
principalmente a vehículos livianos de servicio público y vehículos de carga mediana.
Los vehículos que usan gas natural (NGV, natural gas vehicles) como combustible, ya
sea parcial o totalmente, ofrecen grandes beneficios, desde mejorar las condiciones
para la salud pública arrojando menos contaminantes al ambiente, hasta disminuir
los costos de operación de un vehículo.
El gas natural es un combustible atractivo para vehículos por ser un combustible de
“combustión limpia” al compararlo con los combustibles tradicionales como lo son la
gasolina y el diesel. Los vehículos que usan gas natural pueden producir una
cantidad de emisiones contaminantes significativamente menores como por ejemplo
los óxidos de nitrógeno (NOx), material particulado (PM), y contaminantes tóxicos y
cancerígenos.
Los NGVs también reducen las emisiones de dióxido de carbono (CO), el principal
gas que produce el efecto invernadero.
Es de vital importancia para el mercadeo abierto de NGVs, el desarrollo de vehículos
de transporte pesado (buses, camiones y tractocamiones) que utilicen gas natural, ya
que aparte de tener impactos ambientales significativos, los vehículos de carga
mediana y carga pesada, son consumidores de grandes volúmenes de combustible.
Durante los últimos cinco años los departamentos de transporte y medio ambiente de
los países mas desarrollados en este campo, han aportado considerables sumas de
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24
dinero para desarrollos tecnológicos en sistemas de NGVs para soportar el
crecimiento de este sector dentro del altamente competitivo mercado del transporte.
Las metas consisten en minimizar las emisiones contaminantes y continuar
patrocinando experimentos y mejoras en materia de seguridad de los nuevos
sistemas.
En la actualidad los países que presentan mayor desarrollo frente a la cantidad de
NGVs en su parque automotor así como a la cantidad de estaciones de servicio y
talleres de mantenimiento son Argentina (926,352 NGVs y 1,068 estaciones de
servicio), Brasil (550,000 NGVs y 284 estaciones de servicio) e Italia (380,000 NGVs
y 369 estaciones de servicio). Colombia (11,600 NGVs y 32 estaciones de servicio)
ocupa el puesto 17 entre 56 países. [4]
Estas cifras corresponden casi en su gran mayoría a vehículos con motores a
gasolina a los que se les ha instalado sistemas de combustible de gas natural, los
vehículos con motores dedicados a gas natural o con sistemas de combustible dual
(diesel y gas natural) representan una cantidad muy pequeña en la actualidad. En
Colombia, solamente se ha instalado el sistema de combustible dual al vehículo
objeto de este estudio.
Los mayores obstáculos que impiden un aumento en la demanda de NGVs son el aun
pequeño tamaño de la infraestructura de estaciones de servicio y mantenimiento,
costos iniciales de los vehículos, autonomía de combustible y la política de precios de
los combustibles tradicionales, gasolina y diesel.
Es así, como el gas se convierte en una gran alternativa al petróleo, el cual
condiciona el crecimiento económico de un país. Por lo tanto un país como el nuestro
que cuenta con suficientes reservas de gas natural, no puede dejar de lado su uso
intensivo como combustible alternativo.
IM-2003-I-22
25
2.2 Efectos de los gases contaminantes en la salud humana y el medio ambiente
Los compuestos gaseosos y sólidos producto de la combustión en el motor, pueden
llegar a ser altamente contaminantes y dañinos dependiendo de las condiciones bajo
las cuales esta se lleve a cabo y el combustible utilizado. Aquí son mencionados los
seis principales compuestos contaminantes y sus orígenes, para los cuales existen
regulaciones contenidas en la normativa ambiental que se mostrara en la siguiente
sección. [5]
2.2.1 Monóxido de Carbono (CO) Es un gas incoloro e inodoro, que se forma cuando el combustible no es quemado
completamente. Las emisiones contaminantes de los vehículos contribuyen con un
85% a un 95% de las emisiones totales de CO en los centros urbanos. Grandes
concentraciones de este gas se pueden encontrar en lugares con alta congestión de
trafico. Los niveles mas altos de CO en el aire, se registran cuando el clima es frío.
Sus efectos son:
• Es venenoso en grandes cantidades
• Afecta a personas con problemas cardiacos
• Afecta el sistema nervioso central
• Contribuye al calentamiento global
2.2.2 Oxidos de Nitrógeno (NOx) Es el término genérico que se le da a un grupo de gases altamente reactivos, los
cuales contienen hidrogeno y oxigeno en cantidades variables. Muchos de estos
IM-2003-I-22
26
óxidos son incoloros e inodoros, sin embargo el dióxido de carbono (NO2) en el aire
puede ser visto como una capa rojiza-marrón sobre las áreas urbanas. Estos óxidos
son formados cuando el combustible es quemado a altas temperaturas, como en el
proceso de combustión. Sus efectos son:
• Es uno de los ingredientes principales para la formación de ozono a nivel
del suelo
• Reacciona para formar partículas de nitratos y aerosoles ácidos
• En la forma de NO2 causa problemas respiratorios
• Contribuye a la formación de lluvia ácida
• Activa la eutrofización del agua
• Reduce la visibilidad
• Reacciona para formar compuestos tóxicos
• Contribuye al calentamiento global
2.2.3 Dióxido de Azufre (SO2)
Pertenece a la familia de óxidos de azufre (SOx), los cuales, se disuelven fácilmente
en el agua. El azufre esta presente en los combustibles. Es producido al quemar
estos combustibles. Sus efectos son:
• Contribuye a la formación de lluvia ácida
• Acidifica suelos, depósitos y corrientes de agua
• Reacciona para formar partículas que reducen la visibilidad
• Causa enfermedades respiratorias y agrava danos previos en los pulmones
y el corazón
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27
2.2.4 Material Particulado (PM)
Es la denominación dada a las partículas que se encuentran en el aire, incluyendo
polvo, hollín, humo y líquidos en suspensión. Estas partículas pueden estar
suspendidas en el aire por largos periodos. Algunas de estas son suficientemente
grandes y oscuras para ser vistas como humo u hollín. Otras son tan pequeñas que
solamente pueden ser detectadas con un microscopio de electrones.
Algunas partículas pueden ser emitidas directamente al aire y otras son el producto
de reacciones químicas entre los gases la luz del sol y el vapor de agua. Sus efectos
mas significativos son:
• Causa complicaciones respiratorias y cardiacas, cuya gravedad se
incrementa debido a constante exposición.
• Reduce la visibilidad
• Cambia el balance de los nutrientes y químicos del suelo y el agua
mediante su asentamiento en estos.
• Causa erosión y corrosión en las estructuras, estatuas y monumentos.
2.2.5 Ozono (O3)
Gas compuesto por tres átomos de oxigeno, el cual no es emitido directamente al
aire, sino que a nivel del suelo es creado por la reacción química entre los óxidos de
nitrógeno (NOx), los hidrocarburos no-metánicos (NMHC) y los compuestos volátiles
orgánicos (VOC), derivados de químicos orgánicos de uso doméstico (pinturas,
aerosoles y solventes), en la presencia de calor y luz solar. El ozono tiene la misma
estructura química miles de metros sobre la tierra o a nivel del suelo y puede tener
efectos nocivos o benéficos dependiendo de su ubicación en la atmósfera. El ozono
que produce efectos benéficos se encuentra en la estratosfera, aproximadamente 16
a 45 kilómetros sobre la superficie de la tierra, forma una capa que protege a la tierra
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28
de los rayos ultravioleta del sol. A nivel del suelo sus efectos son dañinos cuando la
luz del sol y el calor propician las condiciones para que este se forme en grandes
cantidades. Sus efectos principales son:
• Activa una gran cantidad de problemas en la salud humana aun en bajas
concentraciones.
• Puede causar daños permanentes en los pulmones después de
exposiciones prolongadas.
• Danos en las plantas y los ecosistemas.
2.2.6 Hidrocarburos no-metánicos (NMHC)
Son todos los hidrocarburos que contaminan el aire con excepción del metano. Sus
efectos principales son:
• Precursores significativos en la formación de ozono.
2.3 Normativa vigente
Es de particular interés para el desarrollo de este trabajo, el conocimiento de las
normas y regulaciones ambientales concernientes a los vehículos de carga pesada en
Colombia y el mundo para así tener un patrón de comparación con los resultados que
se obtengan en las pruebas del vehículo de recolección de basura. A continuación se
presenta un resumen de los aspectos más relevantes.
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29
2.3.1 Normativa vigente en Colombia
El Departamento Técnico Administrativo del Medio Ambiente (DAMA), es la autoridad
que rige la política ambiental y coordina su ejecución dentro del perímetro urbano del
Distrito Capital. Esta entidad debe garantizar el derecho de los ciudadanos a un
ambiente sano, y a su vez administrar los recursos naturales.
El DAMA fue creado en 1990 como una entidad de carácter científico y técnico, años
mas tarde el Ministerio del Medio Ambiente creó las corporaciones autónomas
regionales y la autoridad ambiental urbana (dentro de las ciudades con población
superior a un millón de habitantes) y a partir de 1995 el DAMA asumió sus
competencias como autoridad ambiental.
Dentro de su gestión jurídica y administrativa, el DAMA ha creado una legislación que
regula la contaminación del aire, dentro de la cual estipula reglamentación
internacional (tratados internacionales), calidad del aire y niveles permisibles de
contaminantes, contaminación del aire, ruido y contaminación visual.
En el área de calidad del aire y niveles permisibles de contaminantes, se han creado
unas resoluciones que adoptan decretos expedidos por el ministerio de medio
ambiente y de transporte que reglamentan este tema para las fuentes móviles
terrestres que utilizan gasolina y diesel como combustible para su propulsión así
como se definen los equipos y procedimientos de medición de dichas emisiones.
Como la realización de este trabajo se centra en la evaluación de un camión que
utiliza gas natural y diesel como combustibles, se mostrara en breve resumen los
temas que trata cada resolución haciendo énfasis especial en las áreas que
corresponden a fuentes móviles a diesel. Estas resoluciones son:
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Resolución 0005 de 1996: Incluye definiciones de términos técnicos involucrados en
la redacción de los artículos, áreas de aplicación de las normas en donde se
especifica que las fuentes móviles terrestres que utilicen combustibles limpios como el gas natural, gas licuado del petróleo, alcoholes o electricidad están exentas de cumplir con esta resolución, normas de emisión permisibles para
fuentes móviles a gasolina: en condiciones estáticas y dinámicas, procedimientos de
evaluación de gases de escape para fuentes móviles a gasolina, normas de emisión
permisibles para fuentes móviles a diesel:
Opacidad en condiciones de prueba estática
• Niveles permisibles de opacidad de humos para fuentes móviles a Diesel
(redefinidos por la resolución 160 de 1996 para el Distrito Capital)
• Procedimiento de evaluación de opacidad
• Procedimiento previo a la evaluación (revisiones y calibraciones del motor a
evaluar)
• Procedimiento para medir emisiones de humo (instrumentación necesaria,
intervalos de calibración de la instrumentación e inspección de danos al
tubo de escape)
• Especificaciones técnicas sobre criterios de funcionamiento y diseño para
equipos de medición de opacidad.
Normas de emisión en condiciones dinámicas (modificado por la resolución 909 de
1996)
• Niveles permisibles para vehículos importados y vehículos ensamblados en el
país.
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Tabla 1 Normas de emisión permisibles para fuentes móviles a Diesel importadas a partir del año 1997.
Emisión Permisible (gr/Km)
Año Modelo Tipo de Vehículo
CO HC NOx Liviano 2.1 0.25 0.62
Mediano 11.2 1.05 1.43 1997
Pesado* 25 10.0** * emisión en gr/hp-hr ** emisión correspondiente a NOx+HC
• Tipo de certificación de emisiones requerida para los motores de los
vehículos importados y ensamblados en el país
Disposiciones sobre las certificaciones de las emisiones contaminantes de las fuentes
móviles (modificado por la resolución 909 de 1996)
Proceso de verificación obligatoria
• Obligatoriedad de la verificación y procedimiento para la autorización de
centros de diagnostico (modificado por la resolución 909 de 1996)
• Aprobación para realizar la verificación de las emisiones de fuentes móviles
(modificado por la resolución 909 de 1996)
• Vigilancia y control de los centros de diagnostico
• Vigilancia y control de las fuentes móviles.
Resolución 0909 de 1996: modifica parcialmente la resolución 005 de 1996, incluye
definiciones de términos técnicos involucrados en la redacción de los artículos,
establece categorías de vehículos de transporte de pasajeros (M) y de carga (N), las
cuales tienen subcategorías dependiendo de la cantidad de pasajeros (M1, M2, M3) de
tonelaje a transportar (N1, N2, N3), modificaciones a las normas requeridas para
fuentes móviles a diesel:
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32
Normas de emisiones dinámicas permisibles para vehículos año modelo 1998 y
posteriores
• Dependiendo del el ciclo de evaluación utilizado para certificar los motores
de los vehículos se establecieron las normas de emisión permisibles:
Ciclos FTP-75 y USA-13: normas de emisión permisibles mostradas en la
tabla 1.
Ciclos ECE-15+EUDC Y ECE-13: normas de emisión permisibles
mostradas en la tabla 2.
Tabla 2 Normas de emisión de fuentes móviles a gasolina y diesel a partir del año modelo 1998. Categoría Peso de
referencia (kg)
CO (gr/Km)
HC (gr/Km)
NOx (gr/Km)
Ciclos
M1(1) - 2.72 0.97(4) ECE-15+EUDC
<1250 2.72 0.97(4) ECE-15+EUDC
>1250 <1700
5.17 1.4(4) ECE-15+EUDC
M1, N1(2)
>1700 6.9 1.7(4) ECE-15+EUDC
N2, N3, M2, M3(3)
- 11.2 2.4 14.4 ECE 13
(1) Vehículos que transportan hasta 5 pasajeros más el conductor y con un peso bruto vehicular menor o igual a 2.5 toneladas. (2) Vehículos que transportan más de 5 pasajeros más el conductor o cuyo peso bruto vehicular exceda de 2.5 toneladas. (3) g/kW-h. (4) HC+NOx.
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Resolución 0160 de 1996: ejerciendo la autonomía del DAMA para adoptar medidas
eficaces para impedir la degradación del medio ambiente del Distrito Capital y
argumentando el aumento de la contaminación del aire debido en su mayor parte por
fuentes móviles y su incidencia en la salud publica, se reestablecieron los niveles
permisibles de CO y HC para fuentes móviles a gasolina y los niveles permisibles de
opacidad de humos para fuentes móviles:
Tabla 3 Niveles permisibles de opacidad de humos para fuentes móviles a Diesel.
Vehículo Liviano
Vehículo Mediano
Vehículo Pesado
Año Modelo
Opacidad Opacidad Opacidad 2001 y
posteriores40% 40% 40%
1996 - 2000
50% 50% 50%
1991 - 1995
50% 50% 50%
1986 - 1990
55% 55% 55%
1981 - 1985
60% 60% 60%
1980 y anteriores
65% 65% 65%
Resolución 0378 de 1997: especifica las condiciones de expedición del certificado de
emisiones por prueba dinámica, y emisiones evaporativas para vehículos importados
y ensamblados en el país desde 1998 en adelante.
Resolución 1103 de 1999: reglamenta los requisitos para ser Centro de Diagnóstico
Reconocido para realizar la revisión de emisiones de fuentes móviles a gasolina y
diesel. Después de la expedición de esta resolución, se crearon resoluciones que
modifican parcialmente a esta, como lo son: 1225 de 1999, 1809 de 200 y 1337 de
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34
2001. En esta ultima resolución se incluye a los vehículos duales dentro del grupo de fuentes móviles que utilizan combustibles limpios, por lo tanto estos vehículos también están exentos de cumplir con lo estipulado en la resolución 0005 de 1996 y las posteriores resoluciones que la modifican.
Resolución 0898 de 1995: regula los criterios ambientales de calidad de los
combustibles líquidos y sólidos utilizados en fuentes estacionarias y motores de
combustión interna de vehículos automotores. Después de la expedición de esta
resolución, se crearon resoluciones que modifican parcialmente a esta, como lo son:
0125 de1996, 0623 de 1998 y 0068 de 2002.
Resolución 8321 de 1983 (Ministerio de Salud): reglamenta los niveles de ruido
admisibles producidos por cualquier fuente sonora, para que no tenga efectos nocivos
en la salud publica y sus métodos de medición. Entre estas fuentes sonoras se
encuentran los vehículos de motor que transitan en las vías públicas, estos vehículos
no deben exceder los niveles máximos permisibles los cuales se muestran a
continuación:
Tabla 4 Niveles de ruido máximos permisibles para vehículos.
Tipo de vehículo Nivel sonoro* dB(A)
Menos de 2 toneladas 83 De 2 a 5 toneladas 85 Más de 5 toneladas 92 Motocicletas 86
* dB (decibel): es la unidad utilizada para designar el nivel de sonido, expresa la relación entre las presiones de un sonido cualquiera y un sonido de referencia en escala logarítmica. 1 dB(A) = log (I/Io), donde Io es la intensidad mínima perceptible por el oído humano. Un dB(A) representa el nivel de presión sonora del ruido obtenido con un sonómetro en iteración con filtro de ponderación A.
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35
2.3.2 Normativa vigente en el mundo
Es relevante para este trabajo mostrar las normas vigentes y las normas que se
establecieron para los años venideros en algunos casos, a nivel internacional. Aquí
solo se mostrarán las normas que respectan a las emisiones contaminantes
producidas por vehículos diesel de carga pesada para Estados Unidos, Unión
Europea y Japón. La mayoría de los demás países del mundo, adopta una o varias
de estas legislaciones, ya que estas están basadas en experimentos y desarrollos
que demandan grandes presupuestos, instalaciones y tecnología que no se justifica
tener cuando los vehículos vendidos dentro de su territorio no son fabricados allí
mismo. Ese es el caso de Colombia, en el que se adoptan procedimientos de
evaluación de motores bajo pruebas dinámicas de otros países (ciclos FTP-75, USA-
13,
ECE-15+EUDC y ECE-13) aprobados por las autoridades ambientales de Estados
Unidos y la Unión Europea y a su vez adopta las normas sobre niveles máximos
permisibles dentro los cuales tienen que estar los resultados arrojados por esos
procedimientos de evaluación. [6]
2.3.2.1 Normativa de Estados Unidos
La agencia para la protección ambiental (EPA), define las categorías de motores por
el ciclo que manejan y no por su mecanismo de ignición, así los motores que operan con diesel y los que operan con gas natural entran dentro de la misma categoría ya que estos controlan por medio del acelerador la cantidad de combustible
que entra en los cilindros mientras se mantiene una cantidad de aire fija. también
clasifica los motores de los vehículos de carga pesada según el peso del vehículo, de
esta manera se tienen LHDDE (light heavy-duty diesel engines) MHDDE (medium
heavy-duty diesel engines) y HHDDE (heavy heavy-duty diesel engines.
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36
Las regulaciones federales no requieren que todo el vehículo sea evaluado y
certificado, solamente se requiere una certificación para el motor, de esta manera los
estándares especificados en gr/bhp-hr requieren de pruebas de emisiones sobre el
ciclo transiente FTP para dinamómetros de motor (o banco).
Se establecieron cuatro normas de estándares de emisiones para estos vehículos,
una para los vehículos año modelo 1988-2003, otra para vehículos año modelo 2004-
2007, otra para vehículos 2007 y posteriores y otra para vehículos que utilizan
combustibles limpios.
Tabla 5 Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga pesada año modelo 1988-2003, gr/bhp-hr. Año Modelo HC CO NOx PM
Motores diesel de camiones de carga pesada 1988 1.3 15.5 10.7 0.6 1990 1.3 15.5 6 0.6 1991 1.3 15.5 5 0.25 1994 1.3 15.5 5 0.1 1998 1.3 15.5 4 0.1
Motores de buses urbanos 1991 1.3 15.5 5 0.25 1993 1.3 15.5 5 0.1 1994 1.3 15.5 5 0.07 1996 1.3 15.5 5 0.05* 1998 1.3 15.5 4 0.05*
* Actualmente se usa un estándar de PM de 0.07
Esta norma, además regula el contenido de azufre en el combustible diesel que no
deberá ser mayor a 500 ppm (en peso).
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37
Tabla 6 Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga pesada año modelo 2004-2007, gr/bhp-hr.
Opción NMHC + NOx NMHC
1 2.4 ND 2 2.5 0.5
ND no disponible
Los fabricantes de motores tienen la posibilidad de certificar sus motores bajo una de
las dos opciones.
Tabla 7 Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga pesada año modelo 2007 y posteriores, gr/bhp-hr.
Año Modelo NOx NMHC PM
2007 y posteriores 0.20 0.14 0.01
La reglamentación para PM entrara en total vigencia a partir de 2007. Los estándares
para NOx y NMHC lo tendrán que cumplir solo el 50% de los motores vendidos por
los fabricantes entre el 2007 y el 2009 y a partir del 2010 el 100%.
Esta regla además regula el contenido de azufre en el combustible diesel que no
deberá ser mayor a 15 ppm (en peso). Esto con la intención de abrir paso para las
tecnologías de control de emisiones poscombustión que sean intolerables al azufre,
como filtros catalíticos para partículas y catalizadores de NOx, que serán necesarios
para cumplir con las normas establecidas para el 2007.
Tabla 8 Estándares de emisiones de la EPA para vehículos de carga pesada que utilizan combustibles limpios.
Categoría* CO NMHC+NOx PM HC
LEV - 3.8 - - ILEV 14.4 2.5 - 0.05
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38
ULEV 7.2 2.5 0.05 0.025 ZLEV 0 0 0 0
*LEV- vehículo de bajas emisiones ILEV - vehículo inherentemente de bajas emisiones ULEV - vehículo de ultra bajas emisiones ZLEV – vehículo de cero emisiones.
2.3.2.2 Normativa de la Unión Europea
Las regulaciones europeas para los motores de vehículos de carga pesada se
denominan como Euro I.....V. Los estándares pertenecientes a la Euro I fueron
introducidos en 1992. En 1996 entro en vigencia la Euro II, después en 1999 se
adopto la Euro III y se estipularon la Euro IV y la Euro V para entrar en vigencia a
partir del año 2005 y 2008 respectivamente. Las regulaciones Euro IV y V requerirán
para su cumplimiento que todos los vehículos con motores diesel producidos a partir
de esas fechas, estén equipados con sistemas de tratamiento de gases
poscombustión, como catalizadores y filtros de partículas. Las siguientes tablas
presentan los estándares de emisiones para motores diesel y de gas natural.
Tabla 9 Estándares de emisiones de la Unión Europea para motores diesel de carga pesada, gr/kW-hr.
Regulación
Año Modelo Ciclo de Evaluación
CO HC NOx PM Humo*
1992, <85 kW
4.5 1.1 8 0.612 Euro I
1992, >85 kW
4.5 1.1 8 0.36
1996.1 4 1.1 7 0.25 Euro II 1998.1
ECE R49
4 1.1 7 0.15 1999.10,
solo EEVs ESC & ELR 1.5 0.25 2 0.02 0.15
0.1
Euro III
2000.1 ESC & ELR 2.1 0.66 5 0.13***
0.8
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39
Euro IV 2005.1 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5 Euro V 2008.1
1.5 0.46 2 0.02 0.5
* Unidades de m-1
** Vehículos de extra bajas emisiones *** Para motores de menos de 0.75 dm3 de volumen barrido por cilindro y régimen de giro
superior a 3000 rpm.
Se introdujeron cambios en los ciclos de evaluación de los motores en la regulación
Euro III. El antiguo ciclo de evaluación de motores estático ECE R-49, se reemplaza
por dos ciclos: un ciclo estacionario ESC y un ciclo dinámico ETC. La opacidad del
humo es medida en el test europeo de respuesta a carga ELR. Para la aprobación de
los motores, de acuerdo con la Euro III, los fabricantes pueden elegir entre cualquiera
de los dos tests (ESC/ELR o ETC). Para la aprobación de motores, de acuerdo con
la Euro IV, las emisiones deben ser evaluadas en ambos tests (ESC/ELR y ETC).
Los estándares de emisión para motores diesel así como también motores a gas
natural que son evaluados mediante el ciclo ETC son presentados en la siguiente
tabla.
Tabla 10 Estándares de emisión para motores diesel y gas natural de carga pesada, ciclo ETC, gr/kW-hr.
Regulación Año Modelo
Ciclo de Evaluación CO NMHC CH4
* NOx PM**
1999.10, solo EEVs
ETC 3 0.4 0.65 2 0.02
0.16
Euro III
2000.1 5.45 0.78 1.6 5 0.21***
Euro IV 2005.1 4 0.55 1.1 3.5 0.03 Euro V 2008.1
ETC
4 0.55 1.1 2 0.03 * únicamente para motores a gas natural ** no aplicable para motores a gas entre los años 2000 y 2005 *** para motores de menos de 0.75 dm3 de volumen barrido por cilindro y régimen de giro superior a 3000 rpm.
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40
Los estados miembros de la Unión Europea tienen la posibilidad de aplicar incentivos
en impuestos para acelerar el mercadeo de los vehículos que cumplan los nuevos
estándares antes de que ellos entren en vigencia.
La comisión europea propuso también reglas pertinentes a la introducción de
vehículos de carga pesada con sistemas de diagnóstico abordo (OBD), provisiones
para asegurar la durabilidad de las tecnologías de control de emisiones
poscombustión durante toda la vida útil del vehículo y fijación de limites apropiados
para emisiones contaminantes que no están reguladas en la actualidad como
consecuencia de la introducción de nuevos combustibles alternativos.
2.3.2.3 Normativa de Japón
El concejo central del medio ambiente introdujo en Japón los primeros estándares de
emisiones contaminantes a finales de los años 80. Estos estándares permanecieron
bastante relajados durante los años 90. En el año 2003 se establecieron normas
estrictas para vehículos livianos y de carga pesada que entraran en vigencia a partir
de 2005, los estándares para los motores diesel de vehículos de carga pesada de
2005 serán los más estrictos del mundo.
Los estándares de emisiones para vehículos carga pesada con motores diesel que se
evalúan bajo tests de dinamómetro de motor (o banco), se muestran en la siguiente
tabla.
Tabla 11 Estándares de emisiones para vehículos de carga pesada con motores diesel, peso bruto vehicular (GVW) > 2500 Kg (>3500 Kg a partir de 2005).
CO HC NOx PM Año Modelo
Test Unidadespromedio
(máx.) promedio
(máx.) promedio
(máx.) promedio
(máx.) DI: 400 (520) 1988/89 modo 6 ppm 790 (980) 510 (670)IDI: 260 (350)
1994 modo 13 g/kWh 7.40 (9.20) 2.90 (3.80) DI: 6.00 (7.80)
0.70 (0.96)
IM-2003-I-22
41
IDI: 5.00 (6.80)
1997* 7.40 (9.20) 2.90 (3.80) 4.50 (5.80) 0.25 (0.49)2003**
2.22 0.87 3.38 0.18 2005*** Nuevo modo HD 2.22 0.17**** 2 0.027
* 1997: GVW ≤ 3500 Kg; 1998: 3500 < GVW ≤ 12000 Kg; 1999: GVW > 12000 Kg. ** 2003: GVW ≤ 12000 Kg; 2004: GVW > 12000 Kg. *** Implementación completa a partir de finales de 2005 **** hidrocarburos no-metánicos
Se establecen dos tipos de estándares, uno promedio y otro máximo (máx.). Los
estándares promedio deben ser cumplidos como un promedio de las emisiones de la
producción total de motores. Los estándares máximos son cumplidos usualmente
como un limite individual en una producción en serie que no supere ventas de 2000
unidades / año.
El ciclo de evaluación para motores de carga pesada es el ciclo modo 13, que
reemplazo al ciclo modo 6. La regulación de 2005 introduce un nuevo ciclo de
evaluación dinámico para vehículos con GVW>3500 Kg.
también se establece que el combustible diesel deberá contener azufre en cantidades
no mayores a 50 ppm.
Después de revisar las tres legislaciones ambientales más importantes en el mundo,
tanto las vigentes como las previstas para un futuro cercano y al considerar que en
Colombia no se producen motores para vehículos de ninguna clase, por lo cual, no se
justifica destinar recursos ni infraestructura para crear normas propias, se puede
prever, que así como hasta el momento se han adoptado las normativas de Estados
Unidos y la Unión Europea, esto se siga haciendo en el futuro con el fin de poner en
vigencia dentro del territorio nacional normas cada vez mas estrictas sobre las
emisiones contaminantes y así fomentar el uso de tecnologías avanzadas y
combustibles limpios.
IM-2003-I-22
42
2.4 Motores con sistemas de combustible duales y motores dedicados Así como el gas natural se ha venido consolidando durante los últimos años como el
combustible alternativo de mayor aceptación y por lo tanto de mayor aplicación, el
CNG es el tipo de almacenamiento más común hoy en día.
Con base a esto los fabricantes de motores y kits de combustible han trabajado en el
desarrollo y construcción de motores con sistemas de combustible duales y
dedicados a gas natural.
2.4.1 Sistemas de combustible duales
Estos sistemas permiten la combinación de diesel y gas natural para llevar a cabo la
combustión, esta combinación se puede hacer desde 0% gas natural y 100% diesel
en el momento de encender el motor o cuando simplemente se agota el gas en los
cilindros de almacenamiento, hasta 80% gas natural 20% diesel, durante condiciones
de operación de plena carga, obteniendo una curva de torque muy parecida a la
establecida para un motor diesel.
Estos sistemas de combustible tienen una mayor trayectoria, alrededor de dos
décadas, dada la relativa simplicidad de sus componentes, su facilidad de instalación
y bajos costos. Sin embargo, esta aparente simplicidad fue la que llevo a los
fabricantes a ofrecer en un principio sistemas muy sencillos pero de baja
confiabilidad, los cuales limitaban el paso de combustible diesel al motor de manera
abrupta, no tenían en cuenta los problemas de sobrealimentación de combustibles en
los motores de esa época, lo cual, tenia como consecuencia más directa los daños
producidos por las altas temperaturas de operación.
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43
Luego de esto, para proteger el motor de posibles sobrealimentaciones de
combustibles se introdujeron controles mecánicos, el problema era que estos
sistemas no controlaban la falta de combustible, esto ocasionaba perdidas de
potencia y emisiones contaminantes que no eran consecuentes con el uso del gas
natural.
Mas tarde, se implementaron sistemas de control electrónicos análogos para el
sistema de gas y mejoras para los demás componentes de los kits. Entre ellos
estaban el uso de un inyector de gas en lugar de un rociador, lo cual dosificaba mejor
la entrega al motor, también fueron optimizados los reguladores de presión. Este tipo
de desarrollos permitieron que la EPA los aprobara para su implementación en
motores diesel vehiculares y que fueran clasificados como LEV.
Posteriormente fueron desarrolladas e implementadas unidades de control electrónico
(ECU), con esto se pudieron instalar hasta un inyector de gas por cilindro para
alcanzar una dosificación más exacta y una menor perdida durante la entrega del gas.
También se pudieron programar funciones mas especificas como control en ralentí,
seguimiento de la curva de torque preprogramada, control sobre la cantidad de diesel
inyectada, control de la presión del gas al momento de ser entregado al cilindro,
compensación por aumento de presión en la admisión para determinar si se puede
desechar parte del aire admitido por sobrepresión en el gas y control en aplicaciones
de toma de fuerza.
Hoy en día, los motores diesel son producidos con ECUs que gobiernan todas sus
funciones. Con esto se facilita aun más la coordinación entre el sistema de
combustible dual y el manejo del motor, para esto se crea una interconexión entre las
dos ECUs y así tener una proporción gas natural-diesel infinitamente variable, lo que
permite controlar, de mejor manera, las perdidas de potencia que puede llegar a
IM-2003-I-22
44
generar el uso del gas natural, las emisiones contaminantes, las temperaturas
internas para evitar así aumentos de temperatura por encima de lo preestablecido. El
formato digital que presentan los sistemas de control también permiten grabar los
datos de la operación del motor y así en el caso de una falla, solo se requiere revisar
esos datos para encontrarla de manera rápida. [7]
Un sistema de combustible dual moderno se compone de:
• Cilindros de almacenamiento de CNG, su numero depende de la capacidad
de cada uno (entre 30 y 120 litros), la autonomía de combustible deseada y
el espacio disponible.
• Válvula de carga, válvula tipo cheque que permite el llenado de los
cilindros.
• Manómetro, que permite saber cuando se alcanza la presión máxima de
llenado.
• Regulador de presión electrónico, actuado por una válvula solenoide, para
reducir la presión del gas que viene de los cilindros a 3000 psi hasta la
presión fijada por el ECU.
• Tubería de acero inoxidable, para transportar el gas a través del sistema de
combustible.
• ECU, que controla las condiciones necesarias para el correcto
funcionamiento del motor con los dos combustibles.
• Inyectores, que suministran el gas a cada cilindro.
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45
Figura 1 Motor Caterpillar con sistema de combustible dual.
El precio aproximado de un sistema de combustible dual como el anteriormente
descrito, con cilindros que permitan una autonomía de combustible de 160 Km, es de
USD 15,000 incluída su instalación.
En Colombia existen dos representantes comerciales que ofrecen estos sistemas de
combustible, Gecolsa (kits Caterpillar) y Transgascol (kits IMPCO).
2.4.1.1 Sistema de combustible dual del vehículo a evaluar
El vehículo de recolección de basura que será evaluado, cuenta con un motor diesel
turbo alimentado, de inyección mecánica (accionada por un eje de levas al igual que
las válvulas de admisión y escape) el cual no tiene ningún tipo de ECU para controlar
sus operaciones.
El sistema de combustible dual instalado a este motor cuenta con:
• Cuatro cilindros de almacenamiento con capacidad de 50 L para una
autonomía de combustible de 160 Km.
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46
Foto 1a Foto 1b
Foto 1c
Fotos 1a, b, c Cilindros de almacenamiento de Gas Natural Comprimido (CNG) a bordo del vehículo.
• Una válvula de carga y un manómetro.
• Un regulador de presión mecánico, actuado por diafragmas y diferencias
de presión.
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47
Foto 2 Regulador de presión mecánico.
• Sistema de control para monitorear las condiciones de operación del motor
y así agregar gas natural a la mezcla para la combustión.
• Un roceador de gas, el cual lo mezcla con el aire que entra por el filtro y
que es succionado por efecto de la presión negativa producida por el turbo
cargador para ser llevado al múltiple de admisión.
Foto 3 Roceador de gas.
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48
2.4.2 Motores dedicados
Estos motores tienen una historia mucho más corta, dado que solo se han podido
desarrollar durante los últimos años, gracias a la implementación de los ECUs que
gobiernan todas sus operaciones y garantizan su optimo desempeño.
Utilizan como mecanismo de ignición las bujías, el sistema es similar al utilizado en
los motores comunes de gasolina, excepto que la relación de compresión es
usualmente mas alta (sacando ventaja del alto numero de octano del metano), se
utilizan sistemas de control diferentes (para mantener de manera estable los bajos
niveles de NOx dentro del rango de operación), los motores son más robustos
(especialmente para los vehículos de carga pesada) y son muy flexibles respecto al
contenido de metano del gas que utilice, el cual puede llegar a ser tan bajo como 65.
[8]
Varios fabricantes de motores diesel en el mundo cuentan con una línea de motores
dedicados a gas natural, y ha sido gracias a la experiencia recopilada con los motores
diesel que se han podido desarrollar estos motores de manera tan rápida.
Presentan potencias similares a las de los motores diesel convencionales de la
misma cilindrada, con menores niveles de contaminantes en sus emisiones, por lo
que son una muy buena opción.
Un motor dedicado como el mencionado anteriormente cuesta aproximadamente
USD 45,000.
En la actualidad están disponibles en Colombia solo dos marcas de motores
dedicados, Cummins y Caterpillar, pero se debe hacer el pedido especial dado que
este mercado no existe en Colombia.
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49
Figura 2 Motor Cummins dedicado a gas natural.
2.4.3 Comparación sistema de combustible dual vs. motor dedicado
Se hizo un paralelo entre las dos posibilidades en las que se utiliza gas natural, este
se muestra en la tabla 12.
Tabla 12 Comparación entre las dos posibilidades de uso de gas natural en vehículos de carga pesada.
Sistema de combustible dual
Motor dedicado
Niveles de emisiones inferiores a un diesel.
Niveles de emisiones más bajos que un dual.
Costos de mantenimiento similares a un diesel.
Costos de mantenimiento menores a un diesel.
Altas tasas de sustitución de diesel.
Operación 100% gas natural.
Su rendimiento mecánico depende de la fina calibración que se le dé en el taller.
No requiere de calibraciones para operar de manera óptima.
Puede operar 100% diesel en caso de agotamiento del gas.
Autonomía de combustible depende de capacidad y número de cilindros de almacenamiento.
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50
Susceptible a contenido de metano del gas.
Flexible frente al contenido del metano del gas.
Por su utilización de diesel, requiere de tecnologías de control de emisiones poscombustión. (catalizadores)
No requiere de tecnologías de control de emisiones poscombustión. (catalizadores)
Moderado costo inicial. Alto costo inicial.
Con lo anterior, se ve que un motor dedicado tiene grandes ventajas en cuanto a
rendimiento mecánico y ambiental frente a los sistemas duales, pero dados su alto
costo inicial y el pequeño numero de estaciones de servicio que surten gas natural en
el país, el motor dedicado se convierte en una muy buena opción a mediano plazo.
Lo que deja al sistema de combustible dual como una alternativa más asequible y
capaz de recorrer muchos mas kilómetros en la actualidad.
2.5 Efectos de las variaciones de composición del gas natural sobre la operación, rendimiento y emisiones contaminantes de los NGVs.
La composición del gas natural depende principalmente del pozo de producción del
cual es extraído, por lo tanto solo se pueden aceptar unas limitadas variaciones en su
composición. Alrededor del mundo existen grandes diferencias en las
especificaciones de calidad del gas natural. Estas especificaciones reúnen las
condiciones necesarias para cumplir con los requerimientos de los gaseoductos y las
necesidades de las industrias y los hogares. Las propiedades del gas natural como
combustible para vehículos no han sido consideradas.
El contenido de agua presente en el gas natural puede ser lo suficientemente bajo
como para no causar problemas durante la operación de los motores. Sin embargo,
se requiere el secado del gas en climas fríos o cuando la red de distribución permite
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51
bajas presiones permite la presencia en el gas, aumentando su contenido a niveles
significativos.
Por otro lado las emisiones de la combustión como lo pueden ser los hidrocarburos
no-metánicos (NMHC), monóxido de carbono (CO) y partículas (provenientes del
aceite del motor) en la combustión con exceso de aire de los NGVs pueden llegar a
ser controladas con catalizadores que contengan paladio y platino.
El nivel típico total de azufre en el gas natural es generalmente mas bajo que los
niveles más bajos que se puedan obtener en el diesel, aprox. 10-50ppm. Sin
embargo, disminuir aun más el nivel de azufre puede llegar a ser una de las medidas
necesarias para proteger los equipos de tratamiento de emisiones poscombustión.
El contenido de azufre del gas natural, se basa en los compuestos de azufre
presentes naturalmente y odorizantes adicionados, necesarios para la seguridad en
su manejo.
Las diferencias en la concentración de diferentes hidrocarburos en el gas, además de
tener efectos en el índice Wobbe (relación entre el poder calorífico del gas por unidad
de volumen y la raíz cuadrada de su densidad relativa bajo las mismas condiciones
de referencia), pueden afectar la composición y reactividad de los hidrocarburos
producto de la combustión. Este efecto tiene una gran importancia sobre la normativa
ambiental en la cual en varios países en las cuales se especifican niveles máximos
permisibles de NMHC. La proporción de NMHC en el combustible, afecta de manera
directa los niveles de NMHC en las emisiones poscombustión.
IM-2003-I-22
52
Para los vehículos de servicio pesado las variaciones en la composición del gas
tienen también efectos directos sobre el golpeteo o preencendido del combustible si el
motor esta controlado para tener una relación aire combustible constante.
2.5.1 Estándares y pruebas disponibles para el gas natural
Actualmente existen estándares internacionales que establecen las composiciones
aceptables y sus rangos de variación para el gas natural, sin embargo, estos
requerimientos pueden no ser del todo aptos para la operación de motores que
utilicen gas natural como combustible, los cuales pueden operar entre rangos de
presión y temperatura más amplios que otras aplicaciones que utilicen gas natural.
Por esto se han establecido estándares internacionales específicos para el gas
natural que se utiliza en motores, entre ellos el SAE J1616 y el ISO 15403. Estos dos
estándares establecen requerimientos de contenido de agua, dióxido de carbono,
compuestos de azufre, oxigeno, partículas y materias extrañas, aceite (derivado de
los compresores durante procesos de compresión), máximo porcentaje de
condensación del gas bajo almacenamiento, especificación de los odorizantes,
variación en el índice Wobbe, propensión al preencendido. Adicionalmente los
fabricantes de sistemas duales de combustible y motores dedicados recomiendan a
su vez determinadas composiciones del gas para el óptimo funcionamiento de sus
equipos.
Los métodos de verificación de presencia de los elementos anteriormente
mencionados se encuentran en las normas ASTM D 1945-81 y 2650-88.
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53
2.5.2 Efectos de la calidad del gas natural en motores
Contenido de agua: El uso de gas natural con un alto contenido de agua puede
resultar en la formación de agua liquida, partículas de hielo, escarcha o hidratos, a
bajas temperaturas y altas presiones. Estas formaciones pueden interferir con el flujo
del combustible hacia el motor.
Hidrocarburos pesados: Algunas plantas de gas natural pueden adicionar propano /
mezclas de aire al gas durante los periodos pico de demanda. El propano tiene una
baja presión de vapor y si esta presente en cantidades significativas formara una fase
liquida a elevadas presiones y bajas temperaturas. La variabilidad del combustible
debida a la revaporización de este líquido, puede llevar a dificultades durante el
control de la relación aire-combustible. Adicionalmente, la presencia significativa de
estos hidrocarburos en la mezcla gaseosa, aumenta la propensión del combustible al
preencendido.
Aceite (derivado de los compresores durante procesos de compresión): Altos niveles
de aceite lubricante absorbido en el gas natural comprimido, puede llegar a
condensarse y crear problemas operacionales del motor (por ejemplo aceite liquido
acumulado en reguladores de presión y en los cilindros de almacenamiento del
vehículo). [9]
2.6 Almacenamiento de gas natural a bordo de los NGVs.
Existen tres tecnologías que permiten el almacenamiento del gas: gas natural
comprimido (CNG), gas natural licuado (LNG), y gas natural adsorbido (ANG).
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54
La mayoría de NGVs utilizan gas natural comprimido, almacenado dentro de tanques
cilíndricos a altas presiones (3000 – 3600 psi). La limitante en el desempeño del
CNG esta en su capacidad de almacenamiento y su consecuente disminución en la
autonomía de combustible. Otra desventaja se encuentra en el costo para dispensar
CNG.
El metano tiene una mayor relación hidrogeno-carbono que cualquier otro
combustible, y consecuentemente un alto RON (Research Octane Number) de 130
comparado a 87 para gasolina sin plomo. Desafortunadamente, el metano no puede
ser almacenado a una densidad tan alta como otros combustibles, y por esto tiene
una densidad de energía de aproximadamente 1/3 de la gasolina (11 MJ/L para CNG
a 3600 psi comparado con 32 MJ/L para la gasolina). Por lo tanto un tanque para
CNG tendría que ser aproximadamente tres veces mas grande que un tanque de
gasolina convencional para permitir al vehículo tener la misma autonomía de
combustible.
Los tanques cilíndricos están limitados en su geometría, deben tener una pulgada de
espesor y por lo tanto son pesados (1 Kg/L para tanques hechos de acero).
Adicionalmente para lograr una presión de almacenamiento de 3600 psi, se requiere
una compresión de varios pasos que es costosa.
Los beneficios del LNG incluyen almacenamiento a baja presión y una mayor
densidad energética por volumen ya que la cantidad de combustible que puede llegar
a ser almacenado en un estado licuado dentro de tanques criogénicos excede en
gran proporción a un sistema CNG. Como resultado, el LNG tiene el mayor potencial
para aplicaciones en vehículos de carga mediana y carga pesada, donde los usuarios
requieren bajo costo y bajo peso de los tanques de almacenamiento con una
autonomía de combustible mayor. No obstante, la densidad del LNG puede variar significativamente dentro de un rango
de temperaturas de almacenamiento o presiones de saturación.
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55
La meta en un sistema de LNG es de entregar el gas al motor a la presión requerida
mientras se maximiza la densidad energética en la estación de llenado y dentro de los
tanques de almacenamiento del vehículo.
Durante la descarga de LNG desde un camión de transporte al tanque de una
estación de servicio, la presión del gas debe ser baja, aproximadamente 25 psi.
Mientras que durante la operación del motor del vehículo, requiere una presión de
115 psi a temperatura ambiente, para esto se calienta el combustible, en la estación
de servicio, y así llenar los tanques del vehículo a esta presión. Esto disminuye la
densidad y por lo tanto menos combustible puede ser llevado dentro del tanque del
vehículo.
Desafortunadamente en la actualidad el LNG representa mayores costos para los
usuarios que el CNG y se encuentra en fase experimental en los países
desarrollados.
Adicionalmente a estos dos métodos, se han venido explorando tecnologías de
adsorción para el almacenamiento abordo del vehículo. Estos estudios por ahora
están enfocados en los vehículos livianos, pero un avance importante en esta técnica
haría inminente su implementación en vehículos de carga mediana y carga pesada.
Estos sistemas operan dentro de un rango de 500 a 1000 psi, el cual representa una
buena opción frente a las 3600 psi que requiere el CNG para su almacenamiento.
Los esfuerzos de investigación se han concentrado tanto en desarrollar materiales
adsorbentes porosos de bajo costo como en la fabricación de tanques de
almacenamiento para combustible y adsorbente, con dimensiones aceptables para su
instalación en vehículos. Según pruebas llevadas a cabo en los últimos años, se ha
observado que el material adsorbente puede entregar cerca de 150 volúmenes de
gas natural por volumen de almacenamiento dentro del tanque. Con presiones mas
bajas, menos energía es requerida para comprimir el gas natural. En una base
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56
volumétrica, ANG puede almacenar a 500 psi 2/3 de la cantidad de gas que CNG
puede a 3600 psi.
2.7 Ventajas e incentivos económicos para los NGVs.
Dados sus altos costos iniciales comparados con vehículos que utilizan combustibles
tradicionales, cada vez se habla mas sobre los incentivos que deben ofrecer para
aumentar el parque automotor que utiliza gas natural. Estos incentivos pueden ser
económicos o pueden ser excepciones para cumplir normas regulatorias ambientales.
En Canadá no se cobran impuestos sobre la venta de gas natural y en el Reino Unido
el impuesto establecido para la venta de diesel es el doble del establecido para el gas
natural.
En la ciudad de Los Angeles, donde la congestión vehicular es uno de los mas
grandes problemas, los NGVs pueden utilizar los carriles destinados para los buses
en las autopistas y así evitar muchos embotellamientos. En Paris existe la restricción
de transito en el centro de la ciudad, de acuerdo al numero de la placa del vehículo en
determinados días, los NGVs están exentos de cumplir con esta norma cualquier día.
En Estados Unidos, se ofrece una rebaja en los impuestos federales por ingresos que
varían entre USD 5,000 hasta USD 50,000, para los dueños de los vehículos,
dependiendo del peso bruto vehicular y el tipo de vehículo (servicio particular o
publico) y hasta USD 100,000 para los propietarios de las estaciones de servicio. [8]
En Colombia, como se mencionó en la sección referente a la normativa ambiental, los
vehículos que utilizan combustibles alternativos (NGVs y demás) están exentos de
cumplir con los niveles de emisiones máximos establecidos y por lo tanto no deben
tener el certificado de emisiones. Así mismo, los equipos y elementos componentes
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57
del plan de gas vehicular, se hallan excluidos de pagar IVA por concepto de
importación o venta. Estos equipos y elementos son:
• Cilindros
• Kit de conversión
• Partes para Kits (repuestos)
• Compresores
• Surtidores (dispensadores)
• Partes y accesorios surtidores (repuestos)
• Partes y accesorios compresores (repuestos)
El gas natural como combustible, tampoco causa impuesto a la venta. [10]
En la actualidad, esta en proceso la licitación 001/2002 para la recolección de
desechos en Bogota, la cual establece un sistema de calificación de cada empresa
proponente por medio de puntos. Uno de los tantos aspectos a evaluar por medio de
este sistema de puntuación se refiere a que cada compañía cuente con un mínimo del
30%, del total de vehículos de su flotilla, que utilice gas natural como combustible
parcial o totalmente.
Esto incentiva el aumento del parque automotor de carga pesada que utiliza gas
natural, y el aumento en la capacidad o quizás el numero de estaciones de servicio.
También tiene efectos directos sobre las emisiones contaminantes arrojadas al
ambiente de la ciudad. [11]
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58
Capítulo 3
Estudio Basado en el Vehículo Recolector de Basura
Para llevar a cabo la evaluación del motor del vehículo recolector de basura, se
realizaron pruebas que siguen protocolos estandarizados, con el fin de obtener
resultados que puedan ser comparados con la normativa ambiental. También fue
necesario saber las especificaciones técnicas del motor, dadas por el fabricante y las
características de los combustibles utilizados durante las pruebas.
3.1 Pruebas realizadas
Las tablas 13, 14 y 15 enumeran las pruebas realizadas para lograr cada uno de los
objetivos específicos enunciados anteriormente. En el anexo A [12] se presenta una
descripción detallada de cada una de las pruebas realizadas.
Tabla 13 Conjunto de pruebas para evaluar el desempeño mecánico del vehículo.
Aspecto evaluado Pruebas realizadas Norma existente
Capacidad del motor bajo condiciones de operación en Bogotá
Aceleración en plano NFPA 414 Sec. 5-4.2
Capacidad del motor bajo condiciones de operación en Bogotá
Aceleración en pendiente
Procedimiento UniAndes
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Tabla 14 Conjunto de pruebas para verificar el desempeño ambiental del vehículo.
Aspecto evaluado Pruebas realizadas Norma existente
Prueba Estática Resolución DAMA 160/96 Emisión de gases
contaminantes Prueba dinámica Ministerio Medio
Ambiente Resolución 909/96
Prueba Estática Ministerio de Salud Resolución 8321/83
Prueba dinámica Ministerio de Salud Resolución 8321/83
Emisión sonora
Interior del vehículo SAE J336
Tabla 15 Prueba para determinar los consumos de combustible del vehículo.
Aspecto evaluado Pruebas realizadas Norma existente
Consumo de combustible Consumo de combustible SAE J1376
3.2 Características técnicas del vehículo recolector de basura
La tabla 16 presenta las características técnicas del camión de Ciudad Limpia al cual
se le realizaron las pruebas. La figura 4 muestra el camión utilizado para las pruebas.
Tabla 16 Características técnicas del camión de Ciudad Limpia.
Parámetro Descripción Marca Chevrolet Modelo y Año Brigadier, 1998 Motor Cummins L-10 PT-240 Turbocargado Cilindrada 10 Litros, 6 cilindros en línea Potencia Máxima 179 KW (240 HP) @ 2100 rpm Torque Máximo 124.5 Kg-m (900 lb-ft) @ 1300 rpm Transmisión Fuller RTF 11609A de 9 velocidades
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Peso Neto Vehicular 12780 Kg Peso Bruto Vehicular 24144 Kg Kilometraje 400000 Km Sistema de combustible dual IMPCO OCLI
Foto 4 Panorámica del camión de recolección de basura dual de Ciudad Limpia.
3.3 Condiciones ambientales y tipo de combustible en Bogotá
Bogotá está situada a 2.650 metros de altura sobre el nivel del mar, presenta una
temperatura media anual de 14 °C, una precipitación media anual de 1013 mm y una
humedad relativa media anual de 52%. En la tabla 16 se presentan las condiciones
ambientales de la ciudad y la variación esperada.
El gas natural que llega a Bogotá, proviene de dos sitios diferentes de Colombia. Uno
ubicado en la costa norte y otro en el centro del país. Las características físico-
químicas de los combustibles disponibles en Bogotá se describen a continuación. La
tabla 17 muestra la composición volumétrica de los tipos de gas natural disponibles
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61
en Colombia y la tabla 18 muestra las características físicas de estos gases. En la
tabla 19 se muestra la composición volumétrica del gas natural utilizado en el estudio
y en la tabla 20 las propiedades de este gas.
Tabla 16a Características ambientales de Bogotá, lugar donde se realizaron las pruebas.
Parámetro Descripción
Altitud 2600 ± 100 msnm Temperatura 15 ± 10 oC Humedad relativa 50 ± 10% Velocidad del viento 1 ± 0.5 m/s
Tabla 17 Composición volumétrica en porcentaje del gas natural en Colombia según Ecopetrol. [23]
Composición Volumétrica del Gas Natural [%] Sustanci
a Guajira
Apiay
Cusiana
Opón
Payoa
Güepajé
Neiva
540 Monta- ñuelo
Cerrito1
Metano 97.76 78.46 76.55 91.8
6 95.68 96.94 91.78 96.17 93.98
Etano 0.38 14.06 10.86 5.52 4.20 0.55 2.77 0.70 0.63
Propano 0.20 1.96 5.36 1.32 0.12 0.15 2.28 0.24 0.02 i-Butano 0.00 0.48 0.68 0.12 0.00 0.07 0.54 0.05 0.01 n-Butano 0.00 0.45 0.78 0.05 0.00 0.03 0.90 0.00 0.00 i-Pentano 0.00 0.41 0.13 0.00 0.00 0.02 0.45 0.00 0.00 n-Pentano 0.00 0.09 0.08 0.00 0.00 0.01 0.21 0.00 0.00
Hexano 0.00 0.00 0.05 0.00 0.00 0.01 0.00 0.00 0.00 Heptano 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00 0.07 0.20 0.00 0.00 Nitrógeno 1.29 1.69 0.44 0.15 0.00 2.12 0.63 0.42 0.18 Dióxido de Carbono
0.37 2.40 5.07 0.96 0.00 0.03 0.24 2.42 5.18
Agua 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 *Las composiciones pueden cambiar con el tiempo
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62
Tabla 18 Propiedades del gas natural en Colombia según Ecopetrol. [23]
Propiedad Guajira Apiay Cusiana Opón Payo
a Güepaj
é Neiva 540
Monta-
ñuelo
Cerrito 1
Poder calorífico superior [KJ/Kg]
55368 51513 49281 55141 56637 55257 55838 52851 49777
Peso molecular 16.41 20.12 21.31 17.56 16.67 16.55 18.36 16.96 17.61
Densidad [Kg/m3] 0.67 0.83 0.88 0.72 0.69 0.67 0.75 0.70 0.72 *Las propiedades pueden cambiar con el tiempo
Tabla 19 Composición volumétrica del gas natural utilizado en las pruebas. [24]
Sustancia Composición Volumétrica del Gas Natural [%]
Metano 77.959 Etano 11.620 Propano 3.220 Iso Butano 0.513 Butano Normal 0.527 Iso Pentano 0.102 Pentano Normal 0.052 Hexanos 0.083 Heptanos 0.000 Nitrógeno 1.767 Dióxido de Carbono 4.157
Tabla 20 Propiedades del gas natural usado en las pruebas. [24]
Propiedad Valor Poder Calorífico Superior [KJ/Kg] 41850 Poder Calorífico Inferior [KJ/Kg] 37890 Densidad [Kg/m3] 0.8419 K= Cp/Cv 1.270 Límite Explosivo Superior [%Gas en aire] 15.200 Límite Explosivo Inferior [%Gas en aire] 4.538
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63
3.4 Organización de las pruebas realizadas
En el capítulo 4 se discuten los resultados obtenidos en cuanto al desempeño del
vehículo bajo condiciones de operación típicas en Bogotá. En el capítulo 5 se
discuten los resultados en cuanto al desempeño ambiental del vehículo y la
verificación de cumplimiento de la normativa ambiental. En el capítulo 6 se discuten
los resultados sobre consumo de combustible del vehículo y en el capítulo 7 se
presentan las generalidades del aceite como herramienta para el mantenimiento
preventivo y el protocolo propuesto para la realización de las pruebas. Finalmente el
capítulo 8 presenta las conclusiones y recomendaciones producto de este estudio.
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64
Capítulo 4
Desempeño
Con el fin de evaluar el desempeño mecánico del camión de recolección de basura de
Ciudad Limpia se realizaron un conjunto de pruebas de carretera bajo las condiciones
de trabajo de este vehículo en la ciudad de Bogotá.
El desempeño de un vehículo automotor se ve afectado negativamente por la altura
sobre el nivel del mar a la cual se encuentra operando. Este efecto se ve reflejado en
una pérdida de potencia del motor y por ende en una pérdida en la capacidad de
aceleración del vehículo.
Con el fin de evaluar el desempeño el camión de recolección de basura de Ciudad
Limpia bajo condiciones de operación en Bogotá con los dos sistemas disponibles
(diesel y dual), se realizaron pruebas de capacidad de aceleración en plano y en
pendiente. Estas pruebas de aceleración del camión se realizaron con dos
calibraciones diferentes. Las calibraciones fueron realizadas por la empresa
Transgascol S.A. que instaló el sistema dual en el vehículo. Las características de las
calibraciones se muestran a continuación.
Calibración 1: Esta calibración fue realizada con el fin de asegurar una mayor
proporción de gas natural en el sistema dual, de manera que los costos en el
consumo de combustible del vehículo disminuyen cuando opera con el sistema dual
en comparación a cuando opera sólo con diesel.
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65
Calibración 2: Esta calibración se realizó con el fin de garantizar que la capacidad de
aceleración del vehículo cuando funciona con el sistema dual fuera similar a la
capacidad de aceleración del vehículo cuando usa sólo diesel.
Es importante resaltar que el sistema dual instalado en el camión de Ciudad Limpia
no permite determinar la relación entre diesel y gas natural que está empleando y que
las calibraciones fueron realizadas acudiendo exclusivamente a la experiencia del
personal que las realizó. Antes de las pruebas de carretera la empresa Transgascol
S.A. realizó una revisión general del sistema de conversión pero no revisó en forma
exhaustiva el estado general del motor.
A continuación se describen las pruebas realizadas y los resultados obtenidos.
4.1 PRUEBA DE ACELERACIÓN EN PLANO
4.1.1 Objetivo
Determinar la capacidad de aceleración en terreno plano del camión de Ciudad
Limpia bajo las condiciones de Bogotá, utilizando el sistema diesel y el sistema dual.
4.1.2 Descripción de la prueba
Esta prueba consiste en medir el tiempo mínimo que tarda el vehículo a plena carga
en alcanzar una velocidad de 20, 40 y 60 Km/hr sobre terreno plano partiendo del
reposo. La prueba se repite 3 veces para garantizar la confiabilidad de los resultados.
En el Anexo A se presenta una descripción del protocolo de pruebas seguido para la
realización de esta prueba. Estas pruebas se realizaron sobre la Autopista Norte, en
sentido Norte-Sur, iniciando en el primer retorno después del peaje y llegando hasta
la calle 170.
IM-2003-I-22
66
4.1.3 Equipo de medición
La prueba requiere medir desplazamiento, velocidad y aceleración. Para esto se usó
una quinta rueda, desarrollada por el Grupo de Investigación en Conversión de
Energía [13], unida a la llanta trasera del camión. La resolución de la quinta rueda
depende del diámetro de la rueda a la cual está unida. Las características técnicas de
la quinta rueda usada en el camión de Ciudad Limpia se describen en la tabla 21.
Tabla 21 Características técnicas de la quinta rueda utilizada.
Ítem Descripción Tiempo 0.01 s Distancia 0.03 m Resolució
n Velocidad 0.06 Km/hr
Versatilidad Diseñado para pruebas de vehículos en carretera. Equipado con sistema de adquisición de datos con alta capacidad de almacenamiento
Esquema del montaje
4.1.4 Resultados obtenidos
En cada prueba se registraron valores de desplazamiento y velocidad cada 0.1
segundos. La gráfica 1 muestra el comportamiento del vehículo cuando trabaja con
diesel y con el sistema dual en la primera calibración realizada. La gráfica 2 muestra
el comportamiento del vehículo operando con el sistema diesel y con el sistema dual
IM-2003-I-22
67
en la segunda calibración. En la tabla 22 se muestra el tiempo requerido para
alcanzar una velocidad de 20, 40 y 60 Km/hr.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Tiempo (s)
Vel
ocid
ad (k
m/h
)
sistema diesel sistema dual
Gráfica 1 Evolución de la velocidad durante las pruebas de aceleración en plano, con el vehículo operando en ambas modalidades y con la primera calibración realizada.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50
Tiempo (s)
Vel
ocid
ad (k
m/h
)
sistema diesel sistema dual
Gráfica 2 Evolución de la velocidad durante las pruebas de aceleración en plano, con el vehículo operando en ambas modalidades y con la segunda calibración realizada.
IM-2003-I-22
68
Tabla 22 Comparación de resultados obtenidos durante las pruebas de aceleración en plano.
Tiempo promedio [s] 20 Km/hr 40 Km/hr 60 Km/hr Calibració
n del vehículo
Combustible Promedi
o Desv. Est.
Promedio
Desv. Est.
Promedio
Desv. Est.
Diesel 10.2 1.11 21.3 1.87 37.3 1.01 Dual 11.8 0.61 31.0 1.74 71.0 0.78 Calibración
1 Diferencia a favor del
diesel 15.7% 45.5% 90.0%
Diesel 11.5 0.65 23.3 0.95 41.7 2.10 Dual 9.7 0.48 22.3 0.34 43.0 0.48 Calibración
2 Diferencia a favor del
diesel -15.6% -4.3% 3.0%
*En cada prueba se realizaron tres repeticiones
En la gráfica 1 y en la tabla 22 se puede observar que cuando el vehículo se
encuentra operando con la primera calibración (ahorro de combustible), su
desempeño con el sistema dual siempre se encuentra por debajo del desempeño del
vehículo operando con el sistema diesel. El tiempo necesario para alcanzar una
velocidad de 60 Km/hr con el sistema dual se incrementa en un 90% comparado con
el sistema diesel en esta calibración. Además durante las pruebas con el sistema
diesel se alcanzó el sexto cambio del vehículo mientras que con el sistema dual solo
se llegó hasta el cuarto cambio.
En la gráfica 2 y en la tabla 22 se puede observar que cuando el vehículo opera con
la segunda calibración (igual capacidad de aceleración), el sistema dual alcanza más
rápido velocidades de 20 y 40 Km/hr. La diferencia en el tiempo para alcanzar 60
Km/hr es de tan sólo 3% en favor del diesel. En esta calibración se alcanzó el sexto
cambio en los dos sistemas de alimentación de combustible.
IM-2003-I-22
69
La prueba de aceleración en plano permite observar que el sistema de alimentación
de combustible diesel y el sistema dual pueden tener comportamientos similares
siempre y cuando se realice una calibración adecuada del sistema.
4.2 PRUEBAS DE ACELERACIÓN EN PENDIENTE
4.2.1 Objetivo
Determinar la capacidad de aceleración en pendiente del camión de recolección de
basura de Ciudad Limpia bajo las condiciones de trabajo típicas en Bogotá.
4.2.2 Descripción de la prueba
Esta prueba consiste en medir el tiempo que tarda el vehículo a plena carga en
recorrer una distancia fija sobre una superficie inclinada partiendo del reposo. La
prueba se repite tres veces para garantizar la confiabilidad de los resultados. En el
Anexo A se presenta una descripción detallada del procedimiento seguido en la
realización de esta prueba. La tabla 23 muestra el lugar, longitud y pendiente usada
en cada una de las pruebas realizadas.
Tabla 23 Características del lugar donde se llevaron a cabo las pruebas de capacidad de aceleración en pendiente del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia.
Tipo Pendiente
[%] Longitud [m] Lugar de prueba
1 * 200 Vía a Medellín, llegando al alto del Vino
2 * 1000 Vía a Medellín, llegando al alto del Vino
3 8.1 200 Vía a la Calera, iniciando en el mirador
4 7.1 1000 Vía a la Calera, iniciando en el mirador *En esta vía no se realizó la medición de la pendiente
IM-2003-I-22
70
Para realizar la medición de la pendiente se utilizó la diferencia de nivel del agua
contenida en una manguera transparente de 12 metros. El método se ilustra en la
figura 3 y en la figura 4 se presenta la forma como se encontró la pendiente. Con
ayuda de una plomada se verificó la posición de la manguera. El valor reportado de la
pendiente equivale al promedio de las mediciones realizadas cada 100 metros.
Figura 3 Esquema del método utilizado para medir la pendiente de la carretera.
Figura 4 Datos utilizados para encontrar la pendiente de la carretera.
Carretera
Z X
Y
X: Valor medido Z: Valor medido Y: Valor calculado Pendiente = X / Y
IM-2003-I-22
71
4.2.3 Equipo de medición
La prueba requiere medir desplazamiento, velocidad y aceleración. Esta prueba se
realizó utilizando una quinta rueda con las características técnicas que se describen
en la tabla 21.
4.2.4 Resultados obtenidos
En cada prueba se registraron valores de desplazamiento y velocidad cada 0.1
segundos. La grafica 3 muestra el comportamiento del vehículo cuando trabaja con el
sistema diesel y con el sistema dual en la primera calibración realizada. La grafica 4
muestra el comportamiento del vehículo operando con el sistema diesel y con el sistema
dual en la segunda calibración. En la tabla 24 se muestra el tiempo requerido para
recorrer 200 y 1000 metros con los dos sistemas.
Las pruebas de aceleración en pendiente con cada calibración se realizaron en vías
diferentes. Esto se debió a que en la primera prueba se utilizó una vía localizada fuera de
la ciudad. Después de realizar la segunda calibración, no se contó con los permisos
necesarios para sacar el camión de la ciudad por lo que se utilizó una vía localizada
dentro del perímetro urbano. Por tanto, a pesar de contar con vías de pendientes
similares, los resultados sólo pueden ser comparados para una misma calibración.
Tabla 24 Comparación de resultados obtenidos durante las pruebas de aceleración en pendiente.
Tiempo promedio [s] 200 m 1000 m Calibración
del vehículo Combustible Promedio
Desv. Est.
Promedio
Desv. Est.
Diesel 42.0 -- 125.0 -- Dual 47.9 -- 205.0 -- Calibración 1* Diferencia a
favor del diesel 14.0% 64.0%
Diesel 39.3 1.15 120.3 1.44 Dual 42.5 0.55 136.3 2.28 Calibración 2** Diferencia a
favor del diesel 8.1% 13.3%
IM-2003-I-22
72
*En esta calibración sólo se realizaron dos pruebas de aceleración en pendiente con una diferencia inferior al 1% entre pruebas, por lo tanto la desviación estándar no es significativa.
**En esta calibración se realizaron tres repeticiones de cada prueba
05
1015202530354045
0 50 100 150 200 250Tiempo (s)
Vel
ocid
ad (k
m/h
)
sistema dual sistema diesel
Gráfica 3 Evolución de la velocidad durante las pruebas de aceleración en la pendiente 2, operando en ambas modalidades y con la primera calibración.
05
1015202530354045
0 20 40 60 80 100 120 140 160
tiempo (s)
velo
cida
d (k
m/h
)
sistema diesel sistema dual
Gráfica 4 Evolución de la velocidad durante las pruebas de aceleración en la pendiente 4, operando en ambas modalidades y con la segunda calibración.
IM-2003-I-22
73
En la gráfica 3 y en la tabla 24 se puede observar que cuando el vehículo se
encuentra operando con el sistema dual en la primera calibración (ahorro de
combustible), requiere mayor tiempo para cubrir la misma distancia comparado con el
sistema diesel. Esto refleja una pérdida de potencia en el motor. El tiempo necesario
para recorrer los 1000 metros con el sistema dual se incrementa en un 64%
comparado con el sistema diesel en esta calibración. Además durante las pruebas
con el sistema diesel se alcanzó el quinto cambio del vehículo mientras que con el
sistema dual sólo se llegó hasta el tercer cambio. Finalmente se puede observar que
la velocidad máxima alcanzada por el vehículo con el sistema dual no supera los 20
Km/hr mientras que con el sistema diesel se alcanzan más de 35 Km/hr. Esto quiere
decir que una relación muy pobre en combustible diesel ocasiona una pérdida
considerable en la potencia del motor.
En la gráfica 4 y en la tabla 24 se puede observar que cuando el vehículo opera con
la segunda calibración (igual capacidad de aceleración), la diferencia en el tiempo
para recorrer los 1000 metros es de tan sólo 3% en favor del diesel. En esta
calibración se alcanzó el quinto cambio en los dos sistemas de alimentación de
combustible. En esta prueba el vehículo se comportó de manera similar con los dos
sistemas hasta que alcanzó una velocidad cercana a los 25 Km/hr, después de este
punto el sistema diesel le permitió al vehículo alcanzar una mayor velocidad (~40
Km/hr) comparado con el sistema dual (~34 Km/hr).
La prueba de aceleración en pendiente permite observar que el sistema de
alimentación de combustible diesel y el sistema dual pueden tener comportamientos
similares siempre y cuando se realice una calibración adecuada del sistema.
IM-2003-I-22
74
4.3 TEMPERATURA DE OPERACIÓN DEL MOTOR
4.3.1 Objetivo
Determinar la temperatura de operación del motor durante la realización de las
pruebas de aceleración en plano y en pendiente, bajo las condiciones de trabajo
típicas de Bogotá.
4.3.2 Descripción de la prueba
Esta prueba consiste en ubicar sensores de temperatura en diferentes partes del
motor con el fin de contar con valores comparativos de la temperatura en el motor del
camión de recolección de basura de Ciudad Limpia durante las pruebas de
aceleración.
4.3.3 Equipo de medición
Para realizar la medición de temperatura del motor se necesita ubicar sensores de
temperatura que permitan conectarse a un sistema de adquisición de datos. Para este
caso se utilizaron sensores tipo LM35 con las características que se muestran en la
tabla 25.
Tabla 25 Características técnicas del sensor de temperatura LM35.
Parámetro Exactitud Resolución Rango Temperatura 0.5 oC 10.0 mV/oC -55 oC a 150 oC
4.3.4 Resultados obtenidos
La grafica 5 muestra la variación en la temperatura del motor, medida sobre el
múltiple de admisión, durante la prueba de aceleración en plano para los dos
IM-2003-I-22
75
sistemas de alimentación de combustible. La grafica 6 muestra la variación en la
temperatura del motor, medida sobre el múltiple de admisión, durante la prueba de
aceleración en pendiente para los dos sistemas de alimentación de combustible.
Estos resultados corresponden a la mayor temperatura reportada durante las
pruebas. Los resultados mostrados en las graficas 5 y 6 corresponden a la segunda
calibración del vehículo (capacidad de aceleración similar). En la tabla 26 se
presentan los valores promedio de temperatura de los dos sistemas de alimentación
de combustible durante las pruebas y la diferencia de temperatura en el motor cuando
se utiliza cada sistema de alimentación de combustible. El comportamiento de la
temperatura en el filtro del aire es similar al comportamiento de la temperatura en el
múltiple de admisión.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50
Tiempo [s]
Tem
pera
tura
del
mot
or [°
C]
Sistema diesel Sistema dual
Gráfica 5 Comportamiento de la temperatura en el múltiple de admisión del camión de Ciudad Limpia durante las pruebas de aceleración en plano.
IM-2003-I-22
76
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Tiempo [s]
Tem
pera
tura
del
mot
or [°
C]
Ssitema diesel Sistema dual Gráfica 6 Comportamiento de la temperatura en el múltiple de admisión del camión de Ciudad Limpia durante las pruebas de aceleración en pendiente.
En la gráfica 5 y en la tabla 26 se puede observar que durante las pruebas de
aceleración en plano la temperatura del motor, medida en el múltiple de admisión, fue
menor en más de 14% cuando se utilizó el sistema dual. En la gráfica 6 y en la tabla
26 se puede observar que durante las pruebas de aceleración en pendiente la
temperatura del motor, medida en el múltiple de admisión, fue menor en casi 10%
cuando se utilizó el sistema dual. Estos valores permiten concluir que el sistema de
alimentación de combustible dual disminuye la temperatura en la admisión del motor.
Esto puede significar una menor temperatura en la operación del motor y por tanto
una mayor duración de los elementos del motor que están sometidos a las altas
temperaturas de trabajo.
IM-2003-I-22
77
Tabla 26 Temperatura en el múltiple de admisión del motor del camión de Ciudad Limpia durante las pruebas de aceleración en plano y en pendiente.
Temperatura en el motor [°C] Aceleración en
plano Aceleración en
pendiente Calibración del vehículo
Combustible Promedi
o Desv. Est.
Promedio
Desv. Est.
Diesel 57.4 1.09 55.5 2.23 Dual 49.2 1.90 50.1 3.05
Calibración 2* Diferencia a favor del
diesel -14.3% -9.7%
*Se tomaron lecturas de temperatura cada segundo durante las pruebas
4.4 CONCLUSIONES
Con el fin de evaluar el desempeño mecánico del camión de recolección de basura de
Ciudad Limpia se realizaron pruebas de carretera con los dos sistemas de
alimentación de combustible y con dos calibraciones diferentes. Las calibraciones
fueron realizadas por Transgascol S.A., con el fin de tener un modo de operación con
mayor porcentaje de gas natural que signifique una mayor economía y otro modo de
operación que asemeje las condiciones de operación del sistema dual al sistema
diesel. Estas calibraciones se realizaron de acuerdo a la experiencia de Transgascol
S.A. No se contó con la disponibilidad de la instrumentación necesaria para
determinar la relación diesel y gas natural de las calibraciones. De las pruebas
realizadas se puede concluir que:
• Las pruebas de desempeño del vehículo, realizadas en función de la capacidad de
aceleración en plano y en pendiente, permiten comparar el funcionamiento del
IM-2003-I-22
78
vehículo con los dos sistemas de alimentación de combustible que posee el
vehículo.
• Las pruebas muestran que el vehículo con sistema dual puede alcanzar las
mismas aceleraciones que cuando trabaja con diesel. Sin embargo la capacidad
de aceleración depende de la calibración del sistema.
• Con la segunda calibración realizada al camión, la capacidad de aceleración hasta
40 Km/hr es prácticamente la misma. Si se tiene en cuenta que durante la
recolección de basura el vehículo se desplaza a baja velocidad, se puede decir
que no existe diferencia entre operar el vehículo con el sistema diesel o con el
sistema dual.
• Es posible utilizar el camión para la recolección de basura con el sistema dual en
rutas planas sin que esto implique una variación en el modo de operación.
• En rutas con vías inclinadas, el comportamiento del vehículo no presenta mayores
diferencias siempre y cuando se mantenga operando a velocidades inferiores a 25
Km/hr. Cuando se supera esta velocidad, el sistema diesel puede ahorrar hasta 16
segundos por kilómetro recorrido.
• La temperatura de operación del motor es menor cuando se utiliza el sistema de
alimentación de combustible dual. Esto puede significar una menor temperatura
en la combustión y por consiguiente una mayor duración en las piezas del motor.
IM-2003-I-22
79
Capítulo 5
Emisiones
En este capítulo se describen los resultados obtenidos durante el desarrollo de las
pruebas realizadas para evaluar las emisiones, tanto de gases contaminantes como
de ruido, del vehículo recolector de basura de Ciudad Limpia. Además, se analizan y
se contrastan estos resultados con la normativa local vigente.
Uno de los principales objetivos de utilizar gas natural en el camión de recolección de
basura de Ciudad Limpia es disminuir su impacto ambiental tanto en emisiones
gaseosas como en emisiones sonoras. El impacto puede ser considerable si se tiene
en cuenta que los camiones de recolección de basura trabajan constantemente
durante las noches. Es importante disminuir el ruido y las emisiones ocasionadas por
las constantes arrancadas y paradas de los camiones durante sus rutas de
recolección. Adicionalmente, cada vez se hace más necesario contar con vehículos
menos contaminantes para participar en los procesos de licitación del servicio de
recolección de basura.
Para determinar si la reducción en emisiones contaminantes y sonoras es
considerable, se hace necesario realizar mediciones que permitan cuantificar las
emisiones cuando se trabaja con el sistema diesel y cuando se trabaja con el sistema
dual.
IM-2003-I-22
80
Dado que los motores de combustión interna son afectados por las condiciones
ambientales, en especial la altitud, es deseable medir las concentraciones de
contaminantes en los productos de combustión bajo las condiciones Bogotá y
compararlos contra los valores permitidos por la legislación ambiental colombiana.
Esta legislación regula las emisiones de los vehículos de transporte fijando valores
máximos permisibles de opacidad y emisiones gaseosas bajo condiciones dinámicas
tal como se muestra en la tabla 27. En el estudio se realizó la medición de opacidad
siguiendo la normativa existente. Sin embargo la medición de emisiones bajo
condiciones dinámicas se realizó siguiendo un ciclo de conducción elaborado por el
Grupo de Investigación en Combustión y Conversión de Energía [14].
Tabla 27 Pruebas realizadas al vehículo para evaluar su desempeño ambiental.
Prueba Norma existente Opacidad Resolución DAMA 160/96 Emisiones gaseosas en condiciones dinámicas
Ministerio Medio Ambiente Resolución 909/96
Al igual que en las pruebas de desempeño, para realizar las pruebas de opacidad se
tuvieron en cuenta las dos calibraciones realizadas por Transgascol S.A. Para evaluar
las emisiones en condiciones dinámicas sólo se tuvo en cuenta la segunda
calibración (igual capacidad de aceleración). En el capítulo 4 se presenta una
descripción más detallada de las calibraciones realizadas. A continuación se
describen los resultados obtenidos para el camión de recolección de basura de
Ciudad Limpia.
IM-2003-I-22
81
5.1 OPACIDAD
5.1.1 Objetivo
Determinar los niveles de opacidad de los productos de combustión del camión de
recolección de basura de Ciudad Limpia, operando con el sistema de alimentación de
combustible diesel y el sistema dual y comparar estos valores con la normativa local
vigente.
5.1.2 Descripción de la prueba
La prueba consiste en pasar un haz de luz a través de los gases de escape del
vehículo y determinar el grado de atenuación en su intensidad. El grado de
atenuación u opacidad es proporcional al número de partículas presente en los gases
de escape. Una alta generación de partículas en los productos de combustión está
correlacionada con altas emisiones de contaminantes.
Para la realización de la prueba se ubica el opacímetro a la salida del tubo de escape,
de tal forma que el emisor de luz y el receptor formen una línea perpendicular al flujo
de los gases. Se acelera el motor a fondo y se determina el valor máximo de
opacidad. El proceso se repite hasta que en 3 mediciones consecutivas se obtiene
una dispersión menor al 3%. Una descripción detallada del procedimiento seguido
aparece en el Anexo A. Este procedimiento se rige por la resolución 160 del DAMA.
5.1.3 Equipo de medición
El opacímetro utilizado es marca LUCAS, aprobado por el Departamento Técnico y
Administrativo del Medio Ambiente (DAMA) y facilitado por Centrodiesel para las
IM-2003-I-22
82
pruebas. En la figura 5 se presenta el opacímetro utilizado y en la tabla 28 se
muestran las especificaciones técnicas del equipo.
Figura 5 Ilustración del opacímetro utilizado en las pruebas de opacidad.
Tabla 28 Características técnicas del opacímetro Lucas YDA 309.
Parámetro Resolución Exactitud Rango Escala K 0.01 m-1 0 – 10 m-1 Opacidad Escala HSU 0.1% 0 – 100%
Velocidad 10 RPM 1% + 10 RPM 200 – 6000 RPM
Temperatura de aceite 1 oC 2 oC 1 – 120 oC Característica Descripción
Sistema óptico
Fuente de luz: Lámpara halógena de 12V y 12/20W Sensor de luz: Fotodiodo de silicio con filtro verde agregado para EEC 72/306 Longitud efectiva de haz de luz: 430 mm Exactitud: 1% para toda la escala
Tiempo de respuesta Físico: Menor a 0.4 seg. Eléctrico: Exponencial 0 – 90% en 1 segundo
IM-2003-I-22
83
5.1.4 Normativa vigente
La tabla 3 muestra los valores máximos de opacidad permisibles vigentes para
Bogotá de acuerdo con el modelo del vehículo. Estos valores fueron fijados mediante
Resolución 160 de junio 14 de 1996, expedida por el Departamento Técnico
Administrativo del Medio Ambiente (DAMA) . [15]
5.1.5 Resultados obtenidos
La gráfica 7a muestra el valor de opacidad del vehículo cuando trabaja con diesel y
con el sistema dual en la primera calibración realizada. La gráfica 7b muestra el
comportamiento del vehículo operando con el sistema diesel y con el sistema dual en
la segunda calibración. En la tabla 29 se muestran los valores de opacidad y la
diferencia entre los sistemas para cada calibración.
27.231.2
0
10
20
30
40
50
60
70
Diesel Dual
Opa
cida
d [%
]
Norma colombiana 50%
(b)
32.325.8
0
10
20
30
40
50
60
70
Diesel Dual
Opa
cida
d [%
]
Norma colombiana 50%
(a)
Gráfica 7 Porcentaje de opacidad medido en el camión de recolección de basura de Ciudad Limpia. La parte (a) de la figura muestra los resultados del vehículo en la primera calibración (ahorro de combustible) y la parte (b) de la figura muestra el comportamiento del vehículo con la segunda calibración (igual capacidad de aceleración).
IM-2003-I-22
84
Tabla 29 Comparación de resultados obtenidos durante las pruebas de opacidad.
Calibración del vehículo
Combustible Opacidad [%]
Diesel 32.3 Dual 25.8 Calibración 1
Diferencia a favor del diesel -20.1% Diesel 27.2 Dual 31.2 Calibración 2
Diferencia a favor del diesel 14.7% De la gráfica 7 y la tabla 29 se puede observar que cuando el vehículo funciona con el
sistema dual y con la primera calibración (ahorro de combustible), las emisiones de
material particulado son inferiores hasta en un 20% comparado con el sistema diesel.
Sin embargo, cuando se realizó la medición de opacidad en el sistema dual con la
segunda calibración (igual capacidad de aceleración), las emisiones fueron alrededor
de 15% más altas que las emisiones con el sistema diesel. Esto significa que aunque
el sistema dual en principio es menos contaminante que el sistema diesel, pero si no
se realiza una calibración adecuada del sistema dual, este puede llegar a ser más
contaminante que el sistema diesel. Es de resaltar también que en todos los casos se
cumple con la normativa local vigente. Esto no significa necesariamente que el
vehículo tenga un bajo impacto ambiental.
5.2 EMISIONES GASEOSAS EN CONDICIONES DINÁMICAS
5.2.1 Objetivo
Medir la cantidad de CO, NO y NOx que el camión recolector de basura de Ciudad
Limpia emite a la atmósfera al realizar una prueba de carretera que simula las
características de operación del vehículo en Bogotá.
IM-2003-I-22
85
5.2.2 Descripción de la prueba
El procedimiento estándar para cuantificar la cantidad de contaminantes emitidos a la
atmósfera por un vehículo se desarrolla bajo condiciones de laboratorio. Se ubica el
vehículo sobre un dinamómetro de chasis y se simulan las diferentes condiciones de
carga y velocidad a las cuales el vehículo está sometido durante una ruta típica. Se
reporta la cantidad emitida de CO, NO y NOx en g/Km o g/Kw-h dependiendo de la
capacidad del vehículo. Un método alternativo consiste en realizar el ciclo de
conducción de una ruta típica en carretera y medir, bajo condiciones dinámicas, las
emisiones de estos gases contaminantes.
Para esto se midieron las concentraciones de los contaminantes y el flujo de los
gases de escape cada 10 segundos, cuando el vehículo está realizando la ruta o ciclo
de trabajo determinada. El ciclo de trabajo establecido tiene un recorrido de 11.2 Km
y una duración aproximada de 35 minutos. Este ciclo se repite hasta que dos
mediciones consecutivas presenten una diferencia inferior al 1%. En el Anexo A se
presenta una descripción detallada del procedimiento seguido en la realización de
esta prueba.
5.2.3 Ciclo de trabajo
El ciclo de trabajo está formado por 28 aceleraciones hasta 30 Km/hr, después de
alcanzar esta velocidad se mantiene constante hasta recorrer 240 metros y se realiza
una parada de 7 segundos. Se incluyen también 6 aceleraciones hasta 60 Km/hr,
velocidad que se mantiene hasta recorrer 800 metros y realizar una parada de 7
segundos. Adicionalmente se incluye una parada de 5 minutos en ralentí. La grafica 8
muestra el ciclo de trabajo utilizado tal y como se registró por la quinta rueda descrita
en el capítulo 4.
IM-2003-I-22
86
Este ciclo fue seleccionado porque se ajusta a las características de operación del
vehículo y a las condiciones que encuentra durante su operación. Además se ajusta a
las recomendaciones hechas por la SAE para realizar pruebas de consumo de
combustible. [16]
Las características esenciales del ciclo de conducción están resumidas en la tabla 30
de acuerdo con los valores medidos en las pruebas.
Tabla 30 Características del ciclo de trabajo para determinar el consumo de combustible del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia.
Característica Valor Unidades Longitud 11.32 Km Velocidad promedio 20.94 Km/hr Tiempo del recorrido 1938 s Relación tiempo muerto a tiempo de la prueba (Rt)
28.3 %
Pendiente máxima 3.0 %
0
10
20
30
40
50
60
70
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250
Tiempo [s]
Vel
ocid
ad [K
m/h
r]
Gráfica 8 Ciclo de trabajo bajo el cual se determinó el consumo de combustible del vehículo. El eje vertical muestra la velocidad alcanzada y el eje horizontal el tiempo transcurrido.
IM-2003-I-22
87
Las pruebas se realizaron sobre la autopista Norte (sentido Sur-Norte) entre la calle
127 y el último retorno antes del peaje, entre las 9 de la mañana y las 5 de la tarde.
Se escogió este lugar considerando el buen estado de la carretera y la disponibilidad
de un tramo recto sin pendiente y con la longitud deseada. La foto 2 muestra la
emisión de gases contaminantes del camión cuando inicia una aceleración.
Foto 5 Emisión de gases contaminantes del camión de Ciudad Limpia cuando inicia la aceleración
5.2.4 Medición del flujo de gases
La medición del flujo de los gases de escape del vehículo se realiza ubicando un tubo
de Pitot en el ducto de escape en un punto donde se garantice el flujo lineal, como se
ilustra en la figura 6. Mediante el uso del tubo de Pitot se determina la velocidad de
los gases en el ducto de escape en términos de la diferencia entre la presión total y la
estática ∆P. [22] Registrando la temperatura de los gases y el área transversal del
ducto de escape el flujo volumétrico de los gases viene dado por la ecuación 5.1.
RT
PPAQ ∆= 2. (5.1)
IM-2003-I-22
88
Donde: Q: Flujo volumétrico de los gases A: Área Transversal del ducto de escape ∆P: Diferencia entre la presión total y la presión estática P: Presión atmosférica R: Constante del gas T: Temperatura del gas A través de la sonda se lleva una muestra de los gases de escape al analizador de
gases, el cual mide las concentraciones de CO, NO y NOx.
∆P Sensor de Presión
Flujo de Gases
Sensor de temperatura
Tubo de Pitot
Analizador de gases
Figura 6 Ilustración del montaje del tubo de Pitot y sonda de muestreo del analizador de gases. [14]
La masa del contaminante emitido a la atmósfera durante el ciclo de prueba está
dada por:
∫=ft
ii dtCQm0
. (5.2)
Donde: mi: Masa del contaminante Q: Flujo volumétrico de los gases Ci: Concentración de los gases tf: Tiempo total del ciclo.
Durante el desarrollo de la prueba se tomaron datos de presión, temperatura y
concentración cada 10 segundos. Suponiendo que el tiempo de respuesta del
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89
analizador de gases es comparable con el tiempo de respuesta del sensor de
presiones y temperaturas y que los valores de presión, concentración y temperatura
medidos corresponden a los valores promedios durante el intervalo de muestreo, la
ecuación 5.2 se puede escribir de la siguiente manera:
tCART
PP
m ij
nj
jj
ji ∆
∆=∑
=
=1
2 (5.3)
Donde:
j: Dato muestreado n: Número total de datos tomados ∆ t: Intervalo de muestreo
Los datos obtenidos se reportan en términos del índice de emisión definido como:
Lm
IE ii = (5.4)
Donde L es la distancia total recorrida durante la prueba.
5.2.5 Equipo de medición
Para la realización de esta prueba se uso un analizador de gases marca Testo. La
tabla 31 muestra las características técnicas de este equipo.
Tabla 31 Características técnicas del analizador de gases Testo 300 M-I.
Parámetro Resolución
Exactitud Rango
Gases de escape
0.1 oC +/- 0.5 % del valor medido
-40 oC – 1200 oC Temperat
ura Ambiente 0.1 oC +/- 0.5 oC de la lectura -40 oC – 1200 oC
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90
O2 0.1 % <0.8 % de la escala 0 – 25 % vol. CO2 0.1 % <0.8 % de la escala 0 – 25 % vol. CO 1 ppm < 10 ppm 0 – 10000
ppm NO 1 ppm < 5 ppm 0 – 3000 ppm
Sensores
Presión 0.01 hPa +/- 0.5 % del valor medido
+/- 80 hPa
Característica Descripción Ilustración Condiciones ambientales de operación
Temperatura ambiente: 4oC – 45 oC
Versatilidad
Impresora: De puntos, inalámbrica Memoria: Almacenamiento de hasta 100 registros Batería: Recargable
Calibración de sensores
Autocalibracion: Cada vez que se enciende el equipo durante 60 segundos. Para esto debe colocarse la sonda en aire fresco y desconectarse el tubo de Pitot.
5.2.6 Normativa vigente
La legislación colombiana reglamenta los valores máximos permitidos para emisiones
de CO, HC y NOx de los vehículos diesel a través de la Resolución 909 de agosto 20
de 1996, expedida por el Ministerio del Medio Ambiente y el Ministerio de Transporte.
Estos valores aparecen en la tabla 2.
Los resultados de las pruebas de emisiones bajo condiciones dinámicas no se
pueden comparar directamente con los valores mostrados en la tabla 2, porque
aunque los valores obtenidos corresponden a los valores reales de emisión bajo las
condiciones de Bogotá, éstos fueron obtenidos por un procedimiento distinto al
especificado en la reglamentación. Sin embargo los valores reportados en la tabla 2
IM-2003-I-22
91
sí pueden ser utilizados como una guía para calificar los niveles de emisión medidos
durante las pruebas.
5.2.7 Resultados obtenidos con el sistema de alimentación diesel
Las gráficas 9 y 10 muestran la evolución típica de la temperatura y la velocidad de
los gases contaminantes medidos durante el ciclo de trabajo. Debido a la restricción
en el número de datos registrados por el analizador de gases, sólo se realizaron 100
mediciones que corresponden a la mitad del ciclo. Las gráficas 11 a 13 muestran la
evolución de la concentración de gases contaminantes en color negro y la evolución
de la velocidad del vehículo durante el ciclo en color rojo.
0
100
200
300
400
500
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Tiempo [s]
Tem
pera
tura
gas
es [C
]
Gráfica 9 Evolución típica de la temperatura de los gases de escape durante el desarrollo de las pruebas de emisiones con el sistema diesel.
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92
0
10
20
30
40
50
60
70
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Tiempo [s]
Velo
cida
d de
gas
es [m
/s]
Gráfica 10 Evolución típica de la velocidad de los gases de escape durante el desarrollo de las pruebas de emisiones con el sistema diesel.
En las figuras anteriores se puede observar que cuando el vehículo acelera, aumenta
la temperatura y la velocidad de los gases. También se observa que cuando el
vehículo permanece en ralentí la temperatura de los gases disminuye buscando llegar
a una condición de estado estable.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250
Tiempo [s]
CO
[ppm
]
Gráfica 11 Evolución típica de la concentración de CO en los gases de escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el sistema diesel. La línea roja muestra el ciclo de trabajo seguido.
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93
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250
Tiempo [s]
NO
[ppm
]
Gráfica 12 Evolución típica de la concentración de NO en los gases de escape durante el
desarrollo del ciclo de trabajo con el sistema diesel. La línea roja muestra el ciclo de
trabajo seguido.
Las gráficas de evolución de contaminantes muestran que la emisión de los tres
contaminantes evaluados es proporcional a la aceleración del vehículo. La emisión de
óxidos de nitrógeno es proporcional a la velocidad alcanzada por el vehículo. La
emisión de monóxido de carbono se incrementa con la aceleración del vehículo pero
no es proporcional a la velocidad alcanzada por el vehículo durante el ciclo de trabajo.
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94
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250
Tiempo [s]
NO
x [p
pm]
Gráfica 13 Evolución típica de la concentración de NOx en los gases de escape durante el
desarrollo del ciclo de trabajo con el sistema diesel. La línea roja muestra el ciclo de
trabajo seguido.
5.2.8 Resultados obtenidos con el sistema de alimentación dual
La evolución típica de la temperatura y la velocidad de los gases contaminantes
medidos durante el ciclo de trabajo, es similar a la obtenida con el sistema de
alimentación diesel. El comportamiento de los gases contaminantes con el sistema
dual es similar al obtenido con el sistema diesel, sin embargo los valores de emisión
contaminante son diferentes, tal como se muestra en las gráficas 14 a 16.
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95
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250
Tiempo [s]
CO
[ppm
]
Gráfica 14 Evolución típica de la concentración de CO en los gases de escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el sistema dual. La línea roja muestra el ciclo de trabajo seguido.
0100200300400500600700800
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250
Tiempo [s]
NO
[ppm
]
Gráfica 15 Evolución típica de la concentración de NO en los gases de escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el sistema dual. La línea roja muestra el ciclo de trabajo seguido.
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96
0100200300400500600700800900
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250
Tiempo [s]
NO
x [p
pm]
Gráfica 16 Evolución típica de la concentración de NOx en los gases de escape durante el desarrollo del ciclo de trabajo con el sistema dual. La línea roja muestra el ciclo de trabajo seguido.
Las gráficas de evolución de contaminantes muestran que la emisión de los tres
contaminantes evaluados es proporcional a la aceleración del vehículo. La emisión de
óxidos de nitrógeno es proporcional a la velocidad alcanzada por el vehículo. La
emisión de monóxido de carbono se incrementa con la aceleración del vehículo pero
no es proporcional a la velocidad alcanzada por el vehículo durante el ciclo de trabajo.
Los mayores requerimientos de potencia del motor ocurren en el momento del
arranque del vehículo. Después, gracias a la transmisión, el vehículo continúa
acelerando con un requerimiento de potencia menor y cuando el vehículo alcanza la
velocidad de crucero, el motor sólo debe proveer la potencia necesaria para vencer
las fuerzas de arrastre. Dado que la energía mecánica es suministrada por el
combustible, los instantes de mayores requerimientos de potencia coinciden con los
instantes de mayores niveles de emisión, flujos de gas y temperatura.
5.2.9 Emisiones en ralentí
Los camiones de recolección de basura de Ciudad Limpia mantienen un tiempo
considerable en ralentí, durante sus rutas de trabajo. Por esto, es importante
IM-2003-I-22
97
considerar las emisiones cuando el camión permanece es este estado. La tabla 32
muestra los valores promedio de las emisiones en ralentí del vehículo durante las
pruebas.
Tabla 32 Valores promedio de las emisiones contaminantes en ralentí del camión.
Calibración del vehículo Combustible CO [ppm] NO [ppm] NOx [ppm]
Diesel 335 217 228 Dual 889 109 114
Calibración 2 Diferencia a favor del Diesel
265% -50.2% -50.3%
La tabla 32 permite observar que el vehículo funcionando con el sistema diesel, tiene
una emisión de CO inferior en un 265% que cuando funciona con el sistema dual.
Las emisiones de NO y NOx con el sistema dual son inferiores en un 50% con
relación al sistema diesel. Es importante resaltar que los valores de emisión de CO
pueden variar fácilmente al cambiar la calibración del vehículo.
5.2.10 Indices de emisión
Siguiendo el procedimiento indicado en la sección 5.2.4, se calcularon los índices de
emisiones para el camión de Ciudad Limpia con el sistema de alimentación de
combustible diesel y con el sistema dual. Las graficas 17 y 18 muestran los niveles
de emisión de CO y NOx obtenidos para los dos sistemas de combustible en gramos
por kilómetro recorrido. Es importante aclarar que estos índices de emisión
corresponden sólo a la mitad del ciclo de trabajo realizado debido a las limitaciones
en el número de registros permitidos por el analizador de gases. Sin embargo, es de
esperarse que el índice de emisiones para el camión sea similar a los valores
reportados. En la tabla 33 se realiza un análisis comparativo de los índices de emisión
de gases contaminantes del camión de Ciudad Limpia cuando utiliza los dos sistemas
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98
de alimentación de combustible. En este análisis sólo se incluye la segunda
calibración realizada al vehículo.
36.8
52.4
0
20
40
60
Diesel Dual
Indi
ce d
e em
isio
nes
de C
O [g
/Km
]
Gráfica 17 Indices de emisión de CO del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia cuando opera con los dos sistemas de alimentación de combustible.
13.0
9.4
0
5
10
15
Diesel Dual
Indi
ce d
e em
isio
nes
de N
Ox
[g/K
m]
Gráfica 18 Indices de emisión de NOx del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia cuando opera con los dos sistemas de alimentación de combustible.
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99
Tabla 33 Indices de emisión obtenidos durante la prueba dinámica de emisiones.
Índice de emisión [g/Km] Calibración del
vehículo Combustible
CO NOx Diesel 36.8 13.0 Dual 52.4 9.4 Calibración 2 Diferencia a favor del diesel 42.4% - 27.7%
La gráfica 17 y la tabla 33 muestran que cuando se opera el camión con el sistema de
combustible diesel en la segunda calibración (capacidad de aceleración similar), las
emisiones de CO son alrededor del 42% menores que las emisiones del vehículo
operando con el sistema de combustible dual. Este comportamiento es ocasionado
por las condiciones de operación del sistema dual.
La gráfica 17 y la tabla 33 muestran que cuando se opera el camión con el sistema de
combustible diesel en la segunda calibración (capacidad de aceleración similar), las
emisiones de NOx son alrededor de 28% mayores que las emisiones del vehículo
operando con el sistema de combustible dual. Esto se debe principalmente a una
menor temperatura de funcionamiento del motor, como se mostró en el capítulo 2. La
diferencia en los índices de emisión entre el sistema diesel y el dual es de 15.6 gr/Km
para el CO en favor del sistema diesel y 3.6 gr/Km para el NOx a favor del sistema
dual. Si el vehículo recorre 50,000 Km/año, el aumento en la emisión de CO es de
780 kilogramos cuando se utiliza el sistema dual y la reducción de NOx es de 180
kilogramos.
Para propósitos de uso de la tabla 1, el vehículo de pruebas esta clasificado como
vehículo pesado. Dado que los resultados de las pruebas están expresados en
términos de g/Km y no en g/HP-h, como lo indica la tabla, se usa el valor
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100
reglamentado para vehículos medianos de la tabla 1, como un valor de referencia. Es
claro que no es posible comparar los resultados obtenidos con los reportados en la
tabla 1 debido a que los ciclos de trabajo utilizados son diferentes.
La referencia 14 muestra que el índice de emisión de buses diesel es de 28.3 g/Km
de CO y 13.9 g/Km de NOx, siguiendo el mismo ciclo de conducción que se utilizó
con el camión. El índice de emisión de CO obtenido para los buses diesel es inferior
al encontrado en el camión de Ciudad Limpia con los dos sistemas de combustible.
Esto se puede entender si se tiene en cuenta que los buses evaluados en ese estudio
eran nuevos cuando se realizaron las pruebas. La emisión de NOx del camión,
cuando utiliza el sistema diesel, es similar a la obtenida en el estudio antes
mencionado.
De las pruebas de desempeño ambiental del camión de Ciudad Limpia se puede
concluir que los índices de emisión de CO son menores cuando utiliza el sistema
diesel, mientras que los índices de emisión de NOx son mayores. Sin embargo, los
niveles de emisión de CO dependen de la calibración del sistema dual.
5.3 EMISIONES SONORAS
El ruido en un vehículo es generado por las partes en movimiento como el motor y las
ruedas. En el caso del camión de basura el sistema de compactación también
incrementa los niveles de ruido del vehículo. Debido a que el camión de recolección
de basura opera en la noche, es importante determinar si existe una reducción en el
nivel de emisión sonora cuando utiliza el sistema dual. Con este fin se realizó la
prueba de nivel de ruido en el vehículo.
IM-2003-I-22
101
5.3.1 Objetivo
Determinar los niveles de emisión de ruido del camión de recolección de basura de
Ciudad Limpia.
5.3.2 Descripción de la prueba
La prueba de medición de ruido está dividida en pruebas estáticas y pruebas
dinámicas. Las pruebas de medición de ruido estáticas consisten en medir las
emisiones de ruido cuando el vehículo está en ralentí, a 1500, 2000 y 2500 rpm. En
estas pruebas el receptor está a 7.5 metros de la línea media del vehículo. El mismo
procedimiento se repite con el receptor ubicado dentro de la cabina del vehículo en la
silla más cercana al motor.
Según la resolución 8321 del Ministerio de Salud, la medición de ruido bajo
condiciones dinámicas consiste en medir el nivel de ruido generado por el vehículo
cuando circula a 50 Km/hr. El receptor se ubica a 7.5 metros de la línea central por
donde pasa el vehículo. Se debe escoger una carretera plana y en buenas
condiciones. En el Anexo A se presenta una descripción detallada del procedimiento
seguido en estas pruebas. Parte de los procedimientos se adaptaron de la referencia
14 y siguen la resolución del Ministerio de Salud. En la foto 3 se muestra la medición
de ruido dinámica hecha al camión de recolección de basura de Ciudad Limpia.
IM-2003-I-22
102
Foto 6 Medición de ruido dinámico realizado al camión de recolección de basura de Ciudad Limpia.
5.3.3 Equipo de medición
Para la realización de las pruebas de emisiones sonoras se utilizó un sonómetro Bruel
& Kjaer Tipo 2231, cuyas especificaciones se presentan en la Tabla 34.
Tabla 34 Especificaciones técnicas del sonómetro Bruel & Kjaer Tipo 2231.
Parámetro Descripción Valor Resolución 0.1 dB(A) Sonido Rango 24 – 113 dB(A)
Condiciones ambientales de operación
• Temperatura ambiente: -10 – +50º C. • Humedad relativa 30 – 90%.
Versatilidad • Almacenamiento en memoria de hasta 99 registros. • Operación con baterías. • Protección contra ruido generado por el viento
Calibración Procedimiento estándar de calibración del equipo con la ayuda de un calibrador de nivel de sonido Tipo 4228 de B&J.
IM-2003-I-22
103
Ilustración
5.3.4 Normativa vigente
La legislación colombiana, mediante Resolución 8321 del 4 de agosto de 1983,
expedida por el Ministerio de Salud, regula los niveles máximos permisibles de ruido
para vehículos. Estos valores máximos permisibles se presentan en la tabla 4.
5.3.5 Resultados obtenidos
Las grafica 19 muestra los resultados obtenidos durante la prueba de medición de
ruido en la cabina del vehículo con los dos sistemas de combustible cuando el “toma-fuerza” del compactador se encuentra desactivado y la grafica 20 muestra los
mismos resultados cuando el “toma-fuerza” se encuentra activado. Las graficas 21
y 22 muestran los resultados obtenidos en las mediciones de ruido estático al exterior
del vehículo con los dos sistemas de combustible, con el “toma-fuerza” desactivado
y activado respectivamente. Finalmente, la grafica 21 muestra los resultados
obtenidos durante las mediciones de ruido dinámico con los dos sistemas de
alimentación de combustible.
La tabla 35 muestra los valores promedio de emisiones de ruido con cada sistema de
combustible. Como guía se tiene que el aumento en el nivel de ruido emitido por dos
vehículos idénticos, cuando operan al mismo tiempo, es 3 dB(A) más alto que el ruido
emitido por un solo vehículo. Es decir que al duplicar la intensidad del ruido, se
IM-2003-I-22
104
aumenta el valor medido en 3dB(A). Adicionalmente, en la interpretación de los
resultados se puede usar como referencia que un vehículo viejo y en mal estado
registra máximo 98 dB(A) bajo condiciones dinámicas.
50
60
70
80
800 1500 2000 2300
Velociad del motor con "toma-fuerza" desactivado [rpm]
Em
isió
n so
nora
en
la c
abin
a [d
B(A
)]
Diesel Dual
Gráfica 19 Resultados de la prueba de medición de ruido estático en la cabina del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia con el “toma-fuerza” desactivado.
50
60
70
80
1500 2000 2300
Velociad del motor con "toma-fuerza" activado [rpm]
Em
isió
n so
nora
en
la c
abin
a [d
B(A
)]
Diesel Dual
Gráfica 20 Resultados de la prueba de medición de ruido estático en la cabina del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia con el “toma-fuerza” desactivado.
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105
60
70
80
90
800 1500 2000 2300Velociad del motor con "toma-fuerza" desactivado [rpm]
Emis
ión
sono
ra e
n el
ext
erio
r [d
B(A
)]Diesel Dual
Gráfica 21 Resultados de la prueba de medición de ruido estático al exterior del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia con el “toma-fuerza” desactivado.
70
75
80
85
90
1500 2000 2300
Velociad del motor con "toma-fuerza" activado [rpm]
Em
isió
n so
nora
en
el e
xter
ior
[dB
(A)]
Diesel Dual
Gráfica 22 Resultados de la prueba de medición de ruido estático al exterior del camión de
recolección de basura de Ciudad Limpia con el “toma-fuerza” activado.
De las gráficas 19 a 23 y la tabla 35 se puede observar que en condiciones estáticas,
el sistema de alimentación de combustible dual alcanza niveles sonoros inferiores
comparado con el sistema diesel. Los casos en los que la medición de ruido en
IM-2003-I-22
106
condiciones estáticas con el sistema dual son mayores comparados con el sistema
diesel corresponden a ocasiones en las que la correa del ventilador del radiador del
vehículo patinaba y ocasionaba un ruido agudo, audible aun durante la marcha del
vehículo. En condiciones dinámicas, la emisión sonora cuando se utiliza el sistema de
alimentación dual es menor en más de 3 dB(A) a la producida por el vehículo cuando
utiliza el sistema de alimentación de combustible diesel. Este valor es bastante
significativo si se tiene en cuenta el tipo de escala utilizada. Es importante resaltar
que con los dos sistemas de alimentación de combustible se cumple con la normativa
local vigente.
75
77
79
81
83
85
Diesel Dual
Em
isió
n so
nora
en
cond
icio
nes
diná
mic
as [
dB(A
)]
Gráfica 23 Resultados de la prueba de medición de ruido dinámico del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia.
Tabla 35 Comparación entre los valores promedio de emisiones sonoras obtenidas según el tipo de alimentación de combustible y de prueba realizada.
Ruido [dB(A)] En cabina [rpm] Externo [rpm] Toma-
fuerza Combustibl
e 800 150
0 2000
2300 800 150
0 2000
2300
Dinámico
Activado Diesel 70.6 77.0 78.8 78.2 82.8 85.8
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107
Dual 72.5 77.1 78.3 76.8 83.1 84.9
Diferencia a favor del diesel
1.9 0.1 - 0.5 - 1.4 0.3 - 0.9
Diesel 60.2 72.0 76.6 77.4 65.6 77.5 82.2 85.5 83.6 Dual 60.1 72.1 76.1 78.4 64.4 78.4 84.1 84.8 80.4 Desactivad
o Diferencia a favor del diesel
- 0.1 - 0.1 - 0.5 1.0 - 1.2 0.9 1.9 - 0.7 - 3.2
5.4 CONCLUSIONES
Para determinar el desempeño ambiental del vehículo recolector de basura de Ciudad
Limpia, se realizaron pruebas con el fin de estimar las emisiones, tanto de gases
contaminantes como de ruido, en condiciones estáticas y dinámicas. Las pruebas
realizadas permiten determinar que:
• El material particulado emitido por el vehículo depende en gran medida de la
calibración que se le realice al vehículo. Así, durante las pruebas se obtuvo desde
un 20% menos de emisión de material particulado con el sistema dual hasta un
15% más que con el sistema diesel. El material particulado es uno de los
contaminantes más críticos para la salud humana. Si se tiene en cuenta que el
vehículo circula normalmente en la ciudad se hace necesario realizar una
adecuada calibración del vehículo sin importar el tipo de alimentación de
combustible que utilice.
• Las emisiones en ralentí muestran emisiones más bajas de CO para el sistema
diesel que para el sistema dual. Esto se debe, al igual que con el material
particulado, a una inadecuada calibración del sistema dual desde el punto de vista
ambiental. Las emisiones de NOx son menores para el sistema dual, debido a una
menor temperatura de operación del motor con el sistema dual. Por tanto es
IM-2003-I-22
108
posible conseguir una calibración del sistema dual que tenga un menor impacto
ambiental comparado con el sistema diesel. Esto puede favorecer la utilización del
sistema dual en una futura licitación para contratar el sistema de recolección de
basura.
• En general, el funcionamiento del motor con el sistema de alimentación de
combustible dual es más silencioso que con el sistema diesel. En condiciones
dinámicas el nivel de ruido generado por el vehículo es sustancialmente más bajo
cuando trabajo con el sistema dual que cuando trabaja con el sistema diesel. Este
resultado es muy importante si se tiene en cuenta que el vehículo trabaja en zonas
residenciales en horas de la noche.
• Al analizar los resultados de las pruebas de emisiones gaseosas y emisiones
sonoras y compararlos con la normativa vigente, se puede concluir que el vehículo
operando con cualquiera de los dos sistemas de alimentación de combustible
cumple con la normativa ambiental vigente.
IM-2003-I-22
109
Capítulo 6
Costos de Operación
En este capítulo se describen los resultados obtenidos durante el desarrollo de las
pruebas y las actividades realizadas para determinar los costos de operación
asociados al consumo de combustible y gastos de mantenimiento del camión de
recolección de basura de Ciudad Limpia.
El consumo de combustible es afectado principalmente por las condiciones
atmosféricas, el peso de la carga transportada, el número de paradas, la velocidad
promedio y la longitud y pendiente de la ruta, entre otras.
Para los vehículos que operan en Bogota, las condiciones de altura y temperatura,
afectan considerablemente el consumo de combustible con respecto a las
condiciones ambientales que se pueden encontrar en otras ciudades. Sin embargo,
cuando los vehículos operan dentro de la ciudad, el ciclo de trabajo y la carga
transportada son los principales factores que afectan el consumo de combustible.
Por medio de la prueba de consumo de combustible realizada se quiere determinar si,
bajo las condiciones de operación del vehículo, es más económico utilizar el sistema
dual que el sistema diesel.
IM-2003-I-22
110
6.1 PRUEBA DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE
6.1.1 Objetivo
Medir el consumo de combustible del camión de recolección de basura de Ciudad
Limpia, al realizar una ruta típica de trabajo en Bogotá bajo condiciones de plena
carga con los dos sistemas de alimentación de combustible.
6.1.2 Descripción de la prueba
El consumo de combustible del vehículo se determinó sometiendo el vehículo al ciclo
de operación descrito en el anexo A, el cual busca reproducir las posibles condiciones
de operación del vehículo en Bogotá. Este ciclo es el mismo utilizado para realizar
las pruebas de emisión. En el capítulo 5 se describe en detalle el ciclo.
En la realización de esta prueba se siguió el procedimiento recomendado por la
norma SAE J1376, la cual estandariza el procedimiento para medir el consumo de
combustible en vehículos.
La prueba se realizó bajo condiciones de plena carga porque corresponde a la
condición de más alto consumo de combustible. El peso de la carga usada
corresponde a la capacidad de carga del vehículo. Este peso fue simulado por bolsas
de arena con un peso total de 7870 kilogramos.
6.1.3 Medición del consumo de combustible
Para medir el consumo de combustible se utilizó el mismo procedimiento realizado en
la referencia 14. Este procedimiento consiste en reemplazar el tanque de combustible
del vehículo por un tanque auxiliar, el cual por diferencia de peso al iniciar y terminar
IM-2003-I-22
111
la prueba, determina el nivel global de consumo de combustible. El resultado es
expresado kilómetros recorridos por galón de combustible, usando la fórmula 6.1.
WLKCC
ρ= (6.1)
Donde: ρ: Densidad del combustible L: Distancia recorrida durante la prueba K: Constante de conversión de m3 a galón W: Consumo de combustible medido en peso
Para determinar el consumo de combustible diesel, se determinó el peso W con una
balanza de 50 gramos de resolución. Para determinar el consumo de gas natural, se
determinó el peso W con una balanza de marca Toledo cuyas especificaciones se
muestran en la tabla 36. La distancia efectiva del recorrido L se determinó con la
quinta rueda cuyas especificaciones se muestran en el capítulo 4. La densidad de los
combustibles utilizadas son las reportadas en las referencias 17 y 18, las cuales se
muestran en la tabla 37.
Tabla 36 Especificaciones técnicas de la balanza Toledo KCC100-2.
Ítem Descripción Capacidad máxima 150 Kilogramos Resolución 50 miligramos Repetibilidad 0.15 gamos Linealidad ± 2 gramos Tiempo de estabilización 15 segundos
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112
Tabla 37 Densidad de los combustibles utilizados. [17 y 18]
Combustible Densidad [Kg/m3] ECC
Diesel 857.76 0.045 [Km/G] Gas Apiay 0.711 2.2 E-7 [Km/G]
El error de cada medición de consumo de combustible ECC está dado por la ecuación
6.2.
+=
WWLL
WKECC
δδρ (6.2)
Donde: δL: Resolución en la medida de longitud δW: Resolución en la medida del peso del consumo de combustible
La tabla 37 muestra los errores máximos de cada medición de consumo de
combustible.
Cada prueba de consumo de combustible se repitió hasta que el error relativo entre
dos pruebas seguidas (ECR), definido por la ecuación 6.3, fuera menor al 1%.
1001
12
WWWECR
−= (6.3)
IM-2003-I-22
113
6.2 Consumo de combustible con el sistema diesel
Para determinar el consumo de combustible del camión de Ciudad Limpia con el
sistema diesel, se realizaron dos pruebas siguiendo el protocolo mencionado
anteriormente. En la grafica 23 se muestra el consumo de combustible del camión
expresado en kilómetros recorridos por galón de combustible diesel consumido.
6.22 6.06
0
1
2
3
4
5
6
7
1 2Prueba de consumo de combustible realizada con sistema
diesel
Con
sum
o de
com
bust
ible
[K
m/G
]
Gráfica 23a Consumo de combustible del Camión de Ciudad Limpia durante las pruebas de
consumo de combustible con el sistema diesel, expresado en kilómetros recorridos
por galón consumido.
6.3 Consumo de combustible con el sistema dual
Para determinar el consumo de combustible del camión de Ciudad Limpia con el
sistema dual, se realizaron dos pruebas siguiendo el protocolo mencionado
IM-2003-I-22
114
anteriormente. Con este sistema es necesario realizar la medición simultanea del
combustible diesel y el gas natural utilizado durante la prueba. La determinación del
consumo de gas natural como una diferencia de peso del cilindro de gas antes y
después de la prueba permite independizar la medida del consumo del volumen del
cilindro, de la temperatura y la presión del gas natural dentro del cilindro, como se
puede observar en la ecuación 6.4. En esta ecuación los subíndices 1 y 2
corresponden a la lectura inicial y final respectivamente.
−=−
1
1
2
212 T
PTP
RVmm (6.4)
Donde: V: Volumen del cilindro R: Constante del gas P: Presión dentro del cilindro T: Temperatura dentro del cilindro
Midiendo directamente la diferencia en pesos con una balanza de resolución
apropiada (50 miligramos) se obtienen errores en el consumo de combustible
inferiores 0.01% de los valores típicos de consumo de gas natural obtenidos. Otras
alternativas de medición de consumo de combustible involucran el uso de flujómetros,
los cuales se ven afectados por la naturaleza del gas, presión y temperatura. Esto
resulta en degradación en la confiabilidad de la medida y errores de medición
elevados.
Para poder determinar el consumo total de combustible del camión cuando utiliza el
sistema dual, es necesario expresar el consumo de gas natural en galones
equivalentes de diesel. Para esto, se utilizan las propiedades de los combustibles
reportados en la tabla 38 que corresponden a análisis de la empresa Gas Natural S.A.
E.S.P. [17] y estudios previos de la Universidad de los Andes. [18]
IM-2003-I-22
115
Tabla 38 Características de los combustibles utilizados durante las pruebas de consumo de combustible. [17 y 18]
Combustible Densidad [Kg/m3]
Poder calorífico inferior
Precio febrero de 2003* [Col $]
Diesel 857.76 43308 [KJ/Kg] 2610 Gas Natural
Apiay 0.711 37891 [KJ/m3] 549 * El precio del combustible corresponde al precio promedio en las estaciones de combustible de Bogotá durante la primera mitad de febrero de 2003. Consulta realizada vía telefónica.
En la gráfica 24 se muestran los valores de consumo de combustible obtenidos y la
proporción correspondiente a cada combustible. La gráfica 25 muestra el consumo de
combustible del camión expresado en kilómetros recorridos por galón de combustible
diesel equivalente consumido.
1.62 1.62
1.131.16
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
1 2
Prueba de consumo de combustible realizada con sistema dual
Con
sum
o de
com
bust
ible
[G
alon
es d
e di
esel
equ
ival
ente
s]
2.78 2.75
Gráfica 24 Consumo de combustible del Camión de Ciudad Limpia durante las pruebas de consumo de combustible con el sistema dual, expresado en galones equivalentes de combustible diesel. La sección negra de las columnas en la figura corresponde al diesel consumido y la sección gris corresponde al gas natural consumido.
IM-2003-I-22
116
En la gráfica 24 se puede observar que en promedio el porcentaje de diesel y gas
natural en el sistema diesel es de 58.6% diesel y 41.4% gas natural, desde el punto
de vista de galones equivalentes de combustible. Estos valores corresponden a la
segunda calibración realizada al camión por parte de los instaladores del sistema
dual.
4.51 4.68
0
1
2
3
4
5
6
1 2Prueba de consumo de combustible realizada con sistema
dual
Con
sum
o de
com
bust
ible
[K
m/G
alón
de
dies
el e
quiv
alen
te]
Gráfica 25 Consumo de combustible del Camión de Ciudad Limpia durante las pruebas de consumo de combustible con el sistema dual, expresado en kilómetros recorridos por galón de diesel equivalente consumido.
6.4 Comparación sistema diesel vs. sistema dual
La comparación en el consumo de combustible entre los sistemas dual y diesel se
realiza utilizando galones de diesel equivalentes. Esta comparación se realiza desde
el punto de vista energético y desde el punto de vista de costo del combustible,
utilizando los costos del combustible existentes en el mercado nacional a la fecha de
la realización del estudio.
IM-2003-I-22
117
La gráfica 26 muestra la energía requerida por el camión de Ciudad Limpia, al utilizar
los dos sistemas de combustible, para realizar el ciclo de conducción. En la gráfica
27 se muestran los kilómetros recorridos por el camión por cada galón de combustible
utilizado. En la gráfica 28 se muestra el consumo de combustible en términos de
pesos por kilómetro recorrido, utilizando los precios reportados en la tabla 4.4 para los
combustibles utilizados. Finalmente, la tabla 39 se presenta la comparación del
consumo de combustible entre los dos sistemas de alimentación de combustible.
Tabla 39 Comparación en consumo de combustible de los sistemas de alimentación.
Parámetro Unidad Sistema diesel Sistema dual Diferencia a favor del diesel
G 2.14 2.76 29% [Km/G] 6.09 4.60 25% Consumo de
combustible $/Km 428.59 546.58 29% Energía consumida [MJ] 300.27 388.21 28%
0
100
200
300
400
Diesel Dual
Ener
gía
requ
erid
a [M
J]
Gráfica 26 Energía requerida por el camión para realizar el ciclo de conducción establecido durantes las pruebas de consumo de combustible, con los dos sistemas de alimentación.
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118
0
1
2
3
4
5
6
7
Diesel Dual
Con
sum
o de
com
bust
ible
[Km
/G]
Gráfica 27 Comparación en el consumo de combustible del camión cuando utiliza los dos sistemas de alimentación de combustible, en términos de kilómetros recorridos por galón diesel equivalente.
0
100
200
300
400
500
600
Diesel Dual
Con
sum
o de
com
bust
ible
[$/K
m]
Gráfica 28 Comparación en el consumo de combustible del camión cuando utiliza los dos sistemas de alimentación de combustible, en términos de pesos gastados por kilómetro recorrido.
La tabla 39 y la gráfica 26 muestran que cuando el camión de recolección de basura
de Ciudad Limpia utiliza el sistema de alimentación de combustible dual, requiere un
28% más energía que cuando utiliza el sistema diesel. Este exceso en consumo de
IM-2003-I-22
119
energía por parte del sistema dual es el resultado de la segunda calibración
(capacidad de aceleración similar) que buscaba tener una potencia disponible similar
al diesel y no un ahorro de combustible.
La tabla 39 y la gráfica 27 muestran que, con la calibración realizada al camión, por
cada galón equivalente de combustible diesel consumido se recorre un 25% más de
distancia cuando se utiliza el sistema diesel en comparación con el sistema dual. Con
el sistema diesel se recorren 6.09 kilómetros por galón de combustible diesel,
mientras que con el sistema dual se recorren 4.60 kilómetros por cada galón de
combustible diesel equivalente (sumando el combustible diesel y gas natural
utilizado).
La tabla 39 y la figura 28 muestran que, con la calibración realizada al camión, es un
29% más económico utilizar el sistema de alimentación de combustible diesel que el
sistema de alimentación dual.
Los valores de consumo reportados en la referencia 14 presentan en promedio 4.63
kilómetros por galón diesel para vehículos con un peso promedio de 22 toneladas.
Este consumo está por debajo del valor reportado en el presente estudio. Sin
embargo es importante resaltar que los motores utilizados por los vehículos de la
referencia 14 son de mayor potencia que el motor del camión de Ciudad Limpia.
6.5 COSTOS DE MANTENIMIENTO
Al camión de Ciudad Limpia no se le ha realizado un estricto seguimiento de los
costos de mantenimiento, sin embargo existe alguna información que puede ser útil
para evaluar el desempeño del sistema dual en términos de costos de mantenimiento.
A continuación se describe la información existente en este tema.
IM-2003-I-22
120
El sistema de combustible dual IMPCO OCLI de conversión dual fue instalado el 30
de septiembre de 1998 en las instalaciones de CUMANDES, cuando el vehículo
contaba con un kilometraje aproximado de 194282 kilómetros. Aunque el camión
recorre en promedio 162 kilómetros por día, no existe información sobre el uso diario
del sistema dual. En el momento de realizar las pruebas al camión, el sistema dual no
estaba en uso debido a dificultades con el aprovisionamiento de gas, por falta de
repuestos y por la percepción, por parte de la empresa Ciudad Limpia, de un
desgaste acelerado del motor por el uso del sistema dual.
El kilometraje actual del camión es de 400.000 kilómetros y se le han realizado dos
reparaciones de motor. La primera reparación fue en octubre de 1999 y la segunda en
junio de 2000. En la empresa Ciudad Limpia existen otros camiones con el mismo tipo
de motor funcionando con diesel y que llevan 430.000 kilómetros sin ninguna
reparación de motor. Sin embargo, por la falta de información detallada no es posible
determinar la causa que ocasionó las dos reparaciones en el motor del camión de
Ciudad Limpia que posee el sistema dual.
6.6 CONCLUSIONES
Con el fin de evaluar el desempeño energético del camión de recolección de basura
de Ciudad Limpia, se realizó una prueba de consumo de combustible por medio de un
ciclo de conducción que simula las condiciones de operación del camión en Bogotá.
Se midió el consumo de combustible del camión utilizando los dos sistemas de
alimentación de combustible y se realizó una comparación en términos de la energía
utilizada y el costo del combustible. Se encontró que:
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121
• Con la segunda calibración realizada por la empresa Transgascol S.A., quien
instaló el sistema dual, se requiere un 28% más de energía para cumplir con el
ciclo de conducción.
• Los resultados obtenidos durante la realización de las pruebas de consumo de
combustible indican que, con la calibración realizada, es 29% más económico
operar el camión de recolección de Ciudad Limpia con el sistema diesel que con el
sistema dual.
• Se debe buscar una calibración del sistema dual que sea económicamente viable.
Esta calibración se debe realizar para obtener un mínimo consumo de combustible
y mínimas emisiones de gases contaminantes. Según los análisis realizados, esta
calibración ocasionará una pérdida de potencia frente al sistema diesel, sin
embargo se hace necesario evaluar que pérdida de potencia es aceptable sin
alterar la normal operación del camión.
• Se debe realizar un seguimiento más estricto al estado del motor del camión de
Ciudad Limpia y asegurar que siempre utilice gas natural con el fin de determinar
el efecto que produce este combustible sobre el motor.
IM-2003-I-22
122
Capítulo 7
Importancia del Aceite Lubricante
7.1 Generalidades del aceite lubricante
Los principales objetivos de la lubricación en los motores reciprocantes son la
prevención del desgaste y mantener la eficiencia y habilidad para producir potencia.
Cuando se quema un hidrocarburo, se forman ciertos productos y residuos. En el
caso especifico de los motores diesel, que operan dentro de rangos de velocidad
reducidos y altos factores de carga, la condensación del agua y la dilución del
combustible en el aceite no son problemas serios. Aunque cuando existe una alta
dilución de combustible, esto es el resultado de un inyector defectuoso o de
problemas en el turbo cargador.
Otro aspecto a controlar, es el contenido de azufre en el combustible, el cual al ser
quemado y entrar en contacto con el agua, forma ácidos fuertes que tienen grandes
efectos catalíticos en la degradación del aceite. Esto, acompañado del hecho que las
temperaturas en la cámara de combustión son altas, resulta en depósitos corrosivos
de carbón y lodos en los pistones y las ranuras de los anillos.
IM-2003-I-22
123
Los motores que utilizan combustibles gaseosos limpios como el gas natural, están
comparativamente libres de las influencias contaminantes encontradas en los
combustibles líquidos (altos contenidos de azufre o agua). Pero, son de gran
importancia los productos de la combustión que logran su paso hasta el deposito de
aceite (carter) y tienden a polimerizarse con el aceite y causar un aumento en la
viscosidad. Eventualmente esto puede resultar en la formación de barnices. [19]
Las principales funciones del aceite son:
• Prevenir el desgaste de las piezas
• Ayudar a la refrigeración del motor
• Complementar el sellamiento hecho por los anillos al formar gomas
• Mantener partículas contaminantes en suspensión y así evitar depósitos
Para realizar estas funciones, el aceite debe contar con características especiales de:
• Viscosidad
• Fluidez a baja temperatura
• Estabilidad química (resistencia a la oxidación)
• Estabilidad térmica (resistencia a la descomposición)
• Detergencia (control de depósitos)
• Dispersancia (suspensión de partículas formadoras de depósitos)
• Alcalinidad (neutralización de ácidos)
• Antifricción
• Protección contra herrumbre y corrosión
• Resistencia a la espumación
IM-2003-I-22
124
7.2 Análisis pertinentes Los análisis a realizar en las muestras de aceite usado del vehículo encontrados en la
referencia 21 son:
7.2.1 Viscosidad cinemática Es uno de los criterios más significativos a evaluar en el aceite para determinar si
debe o no continuar en servicio. La viscosidad puede aumentar o disminuir, esto
depende del tipo de contaminante: los productos de la oxidación o polimerización, la
humedad y partículas sólidas que permanecen en suspensión o son solubles en el
aumentan la viscosidad, por otro lado la contaminación con combustible (conocida
como dilución) la disminuye.
El método ASTM D-445 evalúa la viscosidad en centiStokes (cSt) a 40o
y a 100oC.
7.2.2 Número Básico Total (TBN) Es una medida de la capacidad del aceite para neutralizar los ácidos que se forman.
Estos ácidos son los compuestos de azufre, cloro y bromo.
El TBN esta relacionado con la capacidad de detergencia y dispersancia de un aceite,
y a medida que este disminuye, también disminuye la capacidad de limpieza en todas
las partes del motor, especialmente en la cabeza del pistón y los anillos de
compresión y raspadores de aceite. La grafica 29 muestra el número TBN
recomendado para el porcentaje en peso de azufre en el combustible diesel.
IM-2003-I-22
125
Gráfica 29 Número TBN contra porcentaje en peso de azufre en el combustible diesel. [20] (Y) TBN dado por ASTM D-2896 (X) Porcentaje en peso de azufre (1) TBN de un aceite nuevo (2) Cambiar el aceite cuando el TBN alcanza este nivel.
El método ASTM D-2896 indica la cantidad de gramos de ácido perclórico que
requieren añadir a un gramo de la muestra de aceite para neutralizar todos sus
componentes básicos.
7.2.3 Contenido de cenizas Sirve para determinar como se van deteriorando los aditivos que tiene el aceite
(detergentes como el bario y el calcio), el desgaste de las piezas lubricadas y los
contaminantes externos que entran al sistema. Para analizar los resultados se debe
solicitar al fabricante del aceite, el contenido de cenizas cuando nuevo.
El método ASTM D-874 para obtener el porcentaje de cenizas, consiste en quemar
completamente una muestra de aceite de peso conocido, luego, el residuo que se
obtiene se pesa y la relación de ese peso con el peso original de la muestra da el
porcentaje de cenizas del aceite usado.
IM-2003-I-22
126
Después, se determina la composición de las cenizas que se obtienen, por medio de
un análisis con un espectroscopio y un espectrofotómetro de absorción atómica
(ppm).
En manuales de tribología y de mantenimiento de los motores, se puede encontrar los
niveles aceptables (en ppm) de contenidos de metales y su procedencia.
Esta última prueba es muy importante, dado que un aceite puede conservar sus
propiedades físico-químicas de manera aceptable, pero puede llegar a tener un
contenido de metales por encima de la tendencia normal de desgaste y para controlar
esto será necesario disminuir los intervalos de cambio de aceite.
7.3 Análisis del aceite como herramienta en el mantenimiento preventivo
La duración de los intervalos de cambio de aceite para los motores de los vehículos
que hacen parte de una flotilla, tiene una gran importancia económica. Es así como
en la actualidad, los cambios de aceite para los vehículos de recolección de basura
de Ciudad Limpia se han extendido hasta 8,000 Km.
No obstante, los análisis a muestras de aceite usado entre intervalos, son de gran
utilidad cuando de monitorear efectos de deterioro en el motor, o mala calidad del
combustible se trata.
Ya que el vehículo objeto de la realización de este trabajo ha presentado varios
episodios de malfuncionamiento y averías, es pertinente llevar a cabo un muestreo y
análisis regular del aceite, durante su funcionamiento únicamente con combustible
diesel, así como durante su funcionamiento con combustible diesel y gas natural.
Para esto se había planeado que el vehículo operara de manera exclusiva con diesel
durante las dos ultimas semanas del mes de Febrero y las primeras tres semanas de
IM-2003-I-22
127
Marzo para tomar muestras del aceite usado. Luego, realizar el cambio de aceite y
poner a funcionar el vehículo con diesel y gas natural a partir de la ultima semana de
Marzo hasta la cuarta semana de Abril para luego tomar muestras del aceite usado.
Este plan no se pudo llevar a cabo por las siguientes razones: al finalizar el plazo
estipulado para la operación con diesel únicamente, se presento una avería en el eje
de levas de la inyección de combustible (se “picó” la leva de inyección del cilindro #2)
antes de ser tomada la muestra, fotos disponibles en el Anexo B, por lo cual el aceite
fue contaminado de manera importante con fragmentos de la leva. Por otro lado,
después del reemplazo del eje de levas y mantenimiento general que se llevó a cabo
en el vehículo, se cambió también el aceite, por lo cual era el momento oportuno para
empezar su funcionamiento con diesel y gas natural, pero como ha sucedido en el
pasado, se tuvieron problemas con el crédito en la estación de servicio para el
abastecimiento durante el tiempo previsto, dicho problema no se ha solucionado en la
actualidad.
Por esto, esta sección se limita a proponer un protocolo de pruebas para el aceite del
vehículo, funcionando en de la manera que se menciono anteriormente. Sin
embargo, vale la pena mencionar que un análisis de laboratorio por si solo no es
suficiente para determinar la causa de una falla, sino que también se deben tener en
cuenta las condiciones de operación del motor. Para poder sacar una conclusión
sobre el estado del aceite usado, se debe observar la coincidencia de varios factores
en una misma causa para darla por cierta.
La tabla 40 presenta las características del aceite utilizado por el vehículo de
recolección de basura y las propiedades dadas por su fabricante.
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128
Tabla 40 Propiedades del aceite Mobil Delvac MX 15W/40.
Ensayos Método ASTM-D
Valores
Grado SAE 15W-40 Punto de Escurrimiento, ºC 97 -33 Punto de Inflamación, ºC 92 215 Viscosidad a 100 ºC, cSt 445 15 Viscosidad a -15 ºC, cP 445 3.25
Indice de viscosidad 2270 140 Cenizas sulfatadas, % en peso 874 1.18
TBN, mgr KOH/gr. 2896 10.6 NOACK Volatilidad , % en
peso CEC-L-40-A-
93 12.8
Este es un aceite multígrado, utilizado en muchos otros vehículos de la flotilla de la
empresa, el cual soporta fácilmente el uso de diesel y gas natural, sin perder sus
propiedades.
Las pruebas propuestas para el aceite usado durante el uso de diesel y durante el
uso de diesel y gas natural se presentan en la tabla 41.
Tabla 41 Pruebas propuestas para el aceite usado.
Aspecto evaluado Pruebas realizadas Norma seguida Contaminación física o
química Viscosidad ASTM D-445
Potencial de neutralización
Numero básico total (TBN)
ASTM D-2896
Contenido de cenizas Contenido de cenizas ASTM D-874
Para la realización de estas pruebas se proponen intervalos de kilometraje. Estos
intervalos se muestran en la tabla 42.
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129
Tabla 42 Intervalos de kilometraje propuestos para realizar las pruebas.
Kilometraje del vehículo (Km)
Prueba a realizar
TBN 4,000 Contenido de cenizas
6,000 Viscosidad Viscosidad
TBN 8,000
Contenido de cenizas
Se propone monitorear la viscosidad del aceite únicamente hacia el final de su vida
útil, porque solo en este momento es que se puede apreciar un cambio significativo
en ésta. También se proponen dos pruebas de TBN y de Contenido de Cenizas, una
en la mitad del intervalo de cambio, y otra en el final del intervalo, con el fin de tener
dos puntos de referencia en el momento de evaluar la composición química del aceite
y una posible contaminación externa. También porque se puede atribuir la
contaminación excesiva del aceite a una avería en el motor en caso de tener valores
muy altos en la ultima prueba con respecto a la primera.
Desafortunadamente, como ya se ha mencionado, este vehículo es el único de la
flotilla de la empresa que puede funcionar con diesel y gas natural, luego, no es
posible tener una población significativa para hacer análisis estadísticos y observar un
comportamiento general. Adicionalmente, se debe tener presente que, si este
vehículo llega a presentar algún tipo de falla en el funcionamiento del motor, como por
ejemplo un inyector defectuoso, se observarán alteraciones en las propiedades del
aceite que nada tienen que ver con las condiciones de operación e incidirá
directamente en los resultados obtenidos.
IM-2003-I-22
130
Capítulo 8
Conclusiones y Recomendaciones
En este estudio se realizaron pruebas y actividades que permitieron determinar el
desempeño mecánico, ambiental y energético del camión de recolección de basura
de Ciudad Limpia bajo condiciones típicas de trabajo en la ciudad de Bogotá. Se
comparó la operación del vehículo con el sistema diesel y con el sistema dual y se
verificó el cumplimiento de la normativa ambiental vigente.
Las pruebas realizadas incluyen aspectos como capacidad de aceleración en plano y
en pendiente, consumo de combustible, emisiones gaseosas y emisiones sonoras.
Este estudio provee información técnica necesaria para soportar la toma de
decisiones sobre futuras conversiones de la flota de camiones de la empresa o la
compra de vehículos que de origen tengan instalados sistemas de combustible
duales.
8.1 Sistemas de alimentación de combustible
El camión de recolección de basura de Ciudad Limpia cuenta con dos sistemas de
alimentación de combustible. El sistema diesel que es instalado originalmente en la
IM-2003-I-22
131
fábrica y el sistema dual que fue instalado posteriormente con el fin de comprobar su
desempeño en este tipo de vehículos. Al sistema dual se le realizaron dos
calibraciones por parte de los instaladores con el fin de verificar su comportamiento.
Es importante resaltar que el sistema dual instalado en el camión de Ciudad Limpia
no permite determinar la relación entre diesel y gas natural que está empleando, por
tal motivo las calibraciones dependieron de la experiencia del personal que las
realizó. Antes de las pruebas de carretera la empresa Transgascol S.A. realizó una
revisión general del sistema de conversión pero no revisó en forma exhaustiva el
estado general del motor.
8.2 Aceleración en plano
Cuando se compararon los dos sistemas de alimentación de combustible en la prueba
de aceleración en plano, se observó que el desempeño del sistema dual fue inferior
hasta en un 90% al desempeño del sistema diesel con la primera calibración (ahorro
de combustible). Con la segunda calibración (igual capacidad de aceleración), el
sistema dual alcanza más rápido velocidades de 20 y 40 Km/hr y la diferencia en el
tiempo para alcanzar 60 Km/hr fue de tan sólo 3% en favor del sistema diesel.
Esta prueba muestra que el vehículo con sistema dual puede alcanzar las mismas
aceleraciones que cuando trabaja con diesel. Sin embargo la capacidad de
aceleración depende de la calibración del sistema.
Con la segunda calibración realizada al camión, la capacidad de aceleración hasta 40
Km/hr es prácticamente la misma. Si se tiene en cuenta que durante la recolección de
basura el vehículo se desplaza a baja velocidad, se puede decir que no existe
diferencia entre operar el vehículo con el sistema diesel o con el sistema dual.
IM-2003-I-22
132
Es posible utilizar el camión para la recolección de basura con el sistema dual en
rutas planas sin que esto implique una variación en el modo de operación.
8.3 Aceleración en pendiente
Cuando se compararon los dos sistemas de alimentación de combustible en la prueba
de aceleración en pendiente, se observó que el sistema dual requiere un 64% más
de tiempo para terminar la prueba que el sistema diesel con la primera calibración
(ahorro de combustible). Con la segunda calibración (igual capacidad de aceleración),
la diferencia en el tiempo para terminar la prueba es de tan sólo 3% en favor del
diesel. La velocidad máxima alcanzada en esta prueba con el sistema diesel estuvo
alrededor del 40 Km/hr mientras que con el sistema dual estuvo alrededor de 34
Km/hr.
La prueba de aceleración en pendiente permite observar que el sistema de
alimentación de combustible diesel y el sistema dual pueden tener comportamientos
similares siempre y cuando se realice una calibración adecuada del sistema.
En rutas con vías inclinadas, el comportamiento del vehículo no presenta ninguna
diferencia siempre y cuando se mantenga operando a velocidades inferiores a 25
Km/hr. Cuando se supera esta velocidad, el sistema diesel puede ahorrar hasta 16
segundos por kilómetro recorrido. Tiempo que no es muy significativo si se tiene en
cuenta las distancias que recorre el vehículo en pendiente a alta velocidad.
8.4 Temperatura de operación del motor
Durante las pruebas de aceleración en plano la temperatura del motor, medida
indirectamente como la temperatura en el múltiple de admisión, fue menor en más de
14% cuando se utilizó el sistema dual. Durante las pruebas de aceleración en
IM-2003-I-22
133
pendiente la temperatura del motor, medida en el múltiple de admisión, fue menor en
casi 10% cuando se utilizó el sistema dual.
La temperatura de operación del motor es menor cuando se utiliza el sistema de
alimentación de combustible dual. Esto puede significar una menor temperatura en la
combustión y por consiguiente una mayor duración en las piezas del motor.
8.5 Opacidad
Cuando el vehículo funciona con el sistema dual y con la primera calibración, las
emisiones de material particulado son inferiores hasta en un 20% comparado con el
sistema diesel. Sin embargo, con la segunda calibración las emisiones fueron
alrededor de 15% más altas que las emisiones con el sistema diesel. Esto muestra
que el sistema dual puede ser menos contaminante siempre y cuando se realice una
correcta calibración del sistema. En todo momento el vehículo cumple con la
normativa local vigente.
Por tanto, el material particulado emitido por el vehículo depende en gran medida de
la calibración que se le realice al vehículo. El material particulado es uno de los
contaminantes más críticos para la salud humana. Si se tiene en cuenta que el
vehículo circula normalmente en la ciudad se hace necesario realizar una adecuada
calibración del vehículo sin importar el tipo de alimentación de combustible que utilice.
8.6 Emisión de gases contaminantes en condiciones dinámicas
Cuando el camión opera con el sistema de combustible diesel, las emisiones de CO
son alrededor del 42% menores y las de NOx alrededor del 28% mayores que las
emisiones del vehículo operando con el sistema de combustible dual en la segunda
calibración (capacidad de aceleración similar).
La diferencia en los índices de emisión entre el sistema diesel y el dual es de 15.6
gr/Km para el CO en favor del sistema diesel y 3.6 gr/Km para el NOx a favor del
IM-2003-I-22
134
sistema dual. Si el vehículo recorre 50.000 Km/año, el aumento en la emisión de CO
es de 780 kilogramos cuando se utiliza el sistema dual y la reducción de NOx es de
180 kilogramos.
Las emisiones en ralentí muestran emisiones más bajas de CO para el sistema diesel
que para el sistema dual. Esto se debe, al igual que con el material particulado, a una
inadecuada calibración del sistema dual desde el punto de vista ambiental. Las
emisiones de NOx son menores para el sistema dual, debido a una menor
temperatura de operación del motor con el sistema dual. Por tanto es posible
conseguir una calibración del sistema dual que tenga un menor impacto ambiental
comparado con el sistema diesel. Esto puede favorecer la utilización del sistema dual
en una futura licitación para contratar el sistema de recolección de basura.
8.7 Nivel de ruido en el vehículo
En condiciones estáticas, el sistema de alimentación de combustible dual alcanza
niveles sonoros inferiores comparado con el sistema diesel. Los casos en los que la
medición de ruido en condiciones estáticas con el sistema dual son mayores
comparados con el sistema diesel corresponden a ocasiones en las que la correa del
ventilador del radiador del vehículo patinaba y ocasionaba un ruido agudo, audible
aun durante la marcha del vehículo. En condiciones dinámicas, la emisión sonora
cuando se utiliza el sistema de alimentación dual es menor en más de 3 dB(A) a la
producida por el vehículo cuando utiliza el sistema de alimentación de combustible
diesel. Este resultado es muy importante si se tiene en cuenta que el vehículo trabaja
en zonas residenciales en horas de la noche.
En todo momento la emisión sonora del camión de recolección de basura de Ciudad
Limpia se encuentra por debajo de la normativa vigente que corresponde a 92 dB(A)
para el camión.
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8.8 Consumo de combustible
Cuando el camión de recolección de basura de Ciudad Limpia utiliza el sistema de
alimentación de combustible dual, requiere un 28% más energía que cuando utiliza el
sistema diesel. Este resultado presenta evidencias de una calibración realizada para
obtener la misma potencia que con el sistema diesel pero que no es adecuada para
minimizar el consumo de combustible y las emisiones contaminantes.
Con la calibración realizada al camión, por cada galón equivalente de combustible
diesel consumido se recorre un 25% más de distancia cuando se utiliza el sistema
diesel en comparación con el sistema dual y es un 29% más económico utilizar el
sistema de alimentación de combustible diesel.
La operación con el sistema dual llega a ser $118 más costoso por cada kilómetro
recorrido, cuando se utiliza el ciclo de conducción establecido. Si el camión recorre
50,000 kilómetros al año, se podría llegar a un sobrecosto de $5,900,000. Este valor
puede variar dependiendo del tipo de recorrido en que se emplee el vehículo. Sin
embargo, se debe insistir en que la correcta calibración del sistema de alimentación
dual altera sustancialmente los resultados obtenidos.
Se debe buscar una calibración del sistema dual que sea económicamente atractiva.
Esta calibración se debe realizar para obtener un mínimo consumo de combustible y
mínimas emisiones de gases contaminantes. Esta calibración ocasionará una
pérdida de potencia frente al sistema diesel, sin embargo se hace necesario evaluar
que pérdida de potencia es aceptable sin alterar la normal operación del camión.
8.9 Aceite lubricante Aunque las pruebas de aceite usado no se pudieron realizar, se recomendó un
protocolo, que será de gran ayuda cuando se quiera hacer un verdadero seguimiento
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al estado del motor cuando funcione con el sistema diesel. Estas pruebas pueden
llegar a ser dispendiosas e implicar costos adicionales, pero los resultados y la
información que arrojen servirán para ahorrar mayores sumas de dinero en el futuro.
8.10 RECOMENDACIONES
Los datos mostrados y analizados en este informe solamente provienen de un
vehículo, por tanto no se pueden realizar generalizaciones sobre el desempeño del
sistema dual. Este estudio sirve como guía al departamento de mantenimiento de
Ciudad Limpia y a las empresas que estén interesadas en usar esta alternativa, en el
proceso de toma de decisiones futuras sobre la utilización de sistemas duales de
combustible en su flotilla de camiones recolectores de basura. Con este objetivo, se
recomienda realizar un seguimiento más estricto al estado del motor y a los costos de
mantenimiento del camión de Ciudad Limpia y asegurar que siempre utilice gas
natural con el fin de determinar el efecto que produce este combustible sobre el
motor. Con la información disponible, no es posible determinar si la presencia y
funcionamiento del sistema dual ha contribuido al deterioro prematuro del motor.
Se recomienda realizar una calibración adecuada desde el punto de vista económico
y ambiental del sistema dual de manera que se pueda encontrar un punto de
operación económicamente viable y evaluar sí este punto de operación afecta la
normal operación del camión.
A los propietarios de flotas con combustible diesel se les recomienda:
Solicitar a las empresas proveedoras del sistema dual, las garantías y mayor
evidencia sobre los beneficios de usar estas tecnologías.
Preferir el uso de motores con sistemas de combustible duales instalados de fábrica y
motores dedicados a gas natural, seguidos por los remanufacturados y finalmente los
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convertidos. Además sólo convertir los motores que se encuentren en buenas
condiciones mecánicas.
Cuando por razones de costo o disponibilidad de motores a gas natural no estén
disponibles para una aplicación especifica, es recomendable el uso de motores
convertidos siempre y cuando se realice una calibración pensando en ahorro de
combustible y disminución de gases contaminantes. Esto por cuanto la pérdida de
potencia no perjudica sensiblemente la operación de los vehículos.
Solicitar información a empresas de otros países que tengan flotillas que operan con
gas natural. Dentro de la investigación que se realizo en este estudio, se intentó
contactar a la empresa recolectora de basuras FCC de España, la cual posee una
gran cantidad de camiones recolectores de basura que operan con gas, pero
desafortunadamente no respondieron a tiempo para escribir este documento.
A las empresas proveedoras de sistemas duales de diesel a gas natural y empresas
distribuidoras de gas natural se les recomienda:
Desarrollar una metodología que con base en mediciones y protocolos de pruebas de
desempeño que les permita fijar la calibración de sus kits de alimentación de
combustible dual en el punto de mejor operación de los vehículos.
Desarrollar un conjunto de evaluaciones similares a las aquí presentadas a vehículos
convertidos al sistema dual y calibrados en su punto de mejor operación. Esta
información les permitirá mostrar a sus clientes con valores reales las bondades del
sistema dual.
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Referencias
1 Pruebas de Rendimiento del Vehículo 2046, TRANSGASCOL, 1999.
2 Balance Energético 2000, UPME, 2000. 3 Reservas de Gas Natural Estimadas, MINISTERIO DE MINAS Y
ENERGIA, 2001. 4 Latest International NGV Statistics, IANGV, 2003. 5 www.epa.gov.co/air/urbanair 6 www.dieselnet.com/legislation 7 Ing. Marcelo García, División de GNV, GECOLSA, 2003. 8 www.cummins.com 9 Informe sobre Efectos de las Variaciones de Composición del Gas Natural
sobre la Operación, Rendimiento y Emisiones Contaminantes de los NGVs, IANGV, 2002.
10 Artículos 424 y 425, Estatuto Tributario, DIAN, 2001. 11 www.bogota.gov.co/contrataciones 12 Anexo adaptado del estudio “Pruebas al Equipo Rodante del Proyecto de
Transporte Transmilenio”, UNIVERSIDAD DE LOS ANDES, 1999. 13 Desarrollo de una Quinta Rueda para Pruebas de Carretera, Huertas, J.
Valencia, A. Parra, D. y Forero, J., UNIVERSIDAD DE LOS ANDES, Por ser publicado, 2003.
14 Huertas, J. Loboguerrero, J. Báez, J. y Moreno, J. Pruebas al Equipo Rodante del Proyecto de Transporte Transmilenio, UNIVERSIDAD DE LOS ANDES, 1999.
15 Resolución 160 de 1996, DAMA, 1996. 16 On-Highway Vehicles and Off-Highway Machinery, SAE Handbook Vol. 4,
1995. 17 Cromatografía del Gas Natural, GAS NATURAL E.S.P., 2003. 18 Huertas, J. y Valencia, A., Evaluación Preeliminar de Combustibles Diesel
Utilizados Actualmente para Vehículos en el Area Urbana del Distrito, DAMA, 1999.
19 Libros Técnicos Mobil (Operación de Motores Diesel, Lubricación de Motores Diesel) y Boletines Técnicos Mobil, EXXONMOBIL, 2001.
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20 Manual de Recomendaciones de Aceite para Motores Diesel,
CATERPILLAR, 1999. 21 Albarracín J., Tribología y Lubricación Industrial y Automotriz,
Interamericana, Colombia, 1986. 22 White F., Mecánica de Fluidos, McGraw Hill, México, 1994. 23 www.ecopetrol.gov.co/tipicas.html 24 Información suministrada por GAS NATURAL E.S.P., según
cromatografía realizada el día que se tanqueó el vehículo con gas natural.
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A1
ANEXO A
Descripción de pruebas En este anexo se describen las pruebas realizadas al camión de recolección de basura de Ciudad Limpia. A.1 PRUEBA DE ACELERACIÓN EN PLANO
Objetivo específico Determinar la capacidad de aceleración en plano del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia, bajo condiciones de operación en Bogotá.
Normativa El procedimiento a seguir se rige por la Norma NFPA 414 Sec. 5-4.2.
Requerimientos físicos • El lugar de la prueba debe ser una vía seca, derecha, pavimentada y plana. • La longitud de la vía de prueba debe ser suficiente para lograr acelerar el
vehículo hasta 20, 40 o 60 Km/hr y llevarlo a una parada segura. • El vehículo de prueba se debe encontrar cargado a su máxima capacidad.
Requerimientos de instrumentación • Quinta Rueda sujetada a la segunda rueda trasera izquierda, la cual sea capaz
de registrar la velocidad del vehículo. • Error en la medición de velocidad menor que ± 0.80 Km/h o ± 0.5% de la
velocidad actual (el que sea mayor). • Error en la medición de la distancia menor que ± 0.15 m o ±1.0% de la distancia
actual (el que sea mayor).
Aspectos a verificar antes de la prueba • Temperatura normal de operación del motor. • Vehículo a máxima carga. • Presión de las llantas en valores especificados por fabricante.
Procedimiento para la prueba • Se inicia la prueba teniendo el vehículo en reposo, el motor en ralentí y la
transmisión engranada. • Se acelera al máximo el vehículo hasta alcanzar la velocidad especificada
(20Km/h, 40 Km/h y 60 Km/h), en el caso de vehículos con transmisión mecánica, se realizan los cambios de marcha a las revoluciones por minuto del motor especificadas por el fabricante.
• Se registra el tiempo y la distancia necesaria para alcanzar la velocidad especificada.
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• Como mínimo se deben registrar y promediar 3 lecturas en cada prueba. A.2 PRUEBA DE ACELERACIÓN EN PENDIENTE Objetivo específico Determinar la capacidad de aceleración en pendiente del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia. Requerimientos físicos • El lugar de la prueba debe ser una vía seca, recta y pavimentada. • El vehículo de prueba se debe encontrar cargado a su máxima capacidad. Requerimientos de instrumentación • Quinta Rueda sujeta a la segunda rueda trasera izquierda, la cual sea capaz de
registrar la velocidad del vehículo y la distancia de frenado. • Error en la medición de velocidad menor que ± 0.80 Km/h o ± 0.5% de la
velocidad actual (el que sea mayor). • Error en la medición de la distancia menor que ± 0.15 m o ±1.0% de la distancia
actual (el que sea mayor). Aspectos a verificar antes de la prueba • Temperatura normal de operación del motor. • Vehículo a máxima carga. • Presión de las llantas en valores especificados por fabricante. Procedimiento para la prueba • Se inicia la prueba teniendo el vehículo en reposo, el motor en ralentí y la
transmisión engranada. • Se acelera al máximo el vehículo hasta alcanzar la longitud especificada para la
prueba (0.2 Km o 1.0 Km), se realizan los cambios de marcha a las revoluciones por minuto del motor especificadas por el fabricante.
• Se registra el tiempo y la velocidad transcurrida en el recorrido. • Como mínimo se deben registrar y promediar 3 lecturas en cada prueba. A. 3 PRUEBA DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE Objetivo específico Medir el consumo de combustible del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia, realizando una ruta típica de trabajo en Bogotá. Normativa vigente El procedimiento a seguir se regirá por la Norma SAE J1376
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Requerimientos físicos • Rango de temperatura ambiente entre 60 y 80 oF. • Velocidad del viento para la prueba debe ser menor de 32 Km/h. • El lugar de la prueba debe ser recto, nivelado, seco, pavimentado. El máximo
cambio de elevación en la prueba no debe ser mayor de ± 45 m en 1 Km. Requerimientos de instrumentación • Tanque para muestra de combustible, con acoples para conectar al sistema de
alimentación de combustible del vehículo. La figura A.1 ilustra la forma de alimentar el motor con un recipiente previamente pesado.
Figura A.1 Ilustración del sistema de conexiones
• Balanza para pesar el tanque de combustible con exactitud de 50 gr. • Medidor de velocidad con una exactitud de 0.8 Km/hr. • Medidor de aceleración capaz de indicar aceleración negativa o positiva, con
una exactitud de 0.15 m/seg2. • Medidor de tiempo capaz de medir intervalos de 0.5 seg y con una exactitud de
0.5 seg en 1 hora. • Medidor de temperatura con exactitud de 2oF. El sensor debe estar protegido
contra las fuentes de calor por radiación. Se debe medir temperatura de bulbo seco y de bulbo húmedo.
• Medidor de velocidad del viento con exactitud de 3 Km/h entre 6 y 32 Km/h. La velocidad del viento se debe indicar con un compás de 16 puntos (360 grados).
Retorn
Alimentaci
Tanque
Mot
Bomba
Bomba de Inyección
V1
V3
V2 V4
Tanque de
Mangueras
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• Medidor de distancia capaz de medir 0.5% de la distancia total. Este medidor se utiliza si la prueba no se realiza en una ruta predeterminada.
• Báscula para el vehículo con una exactitud de 1.0% y una resolución de 50 lb o menos.
Aspectos a verificar antes de la prueba • Temperatura normal de operación en el motor. • Vehículo a máxima carga. • Presión de las llantas en valores especificados por fabricante. Procedimiento para la prueba • Determinar el peso inicial del tanque de combustible de control. • Determinar la temperatura inicial del combustible en el tanque de control • Determinar las condiciones ambientales (humedad, temperatura, velocidad de
viento). • Seguir el ciclo de operación especificado en la tabla A.1. Este ciclo simula las
condiciones de operación típicas a las cuales trabajará el vehículo. Tabla A1 Ciclo para la prueba de consumo de combustible.
Fase Velocidad [Km/h] Km
Distancia entre
paradas [ m ]
Tiempo entre
paradas [S]
Numero de paradas
1 30 3.22 230 7 14 Ralentí - - 300 -
2 60 2.40 800 7 3 3 30 3.22 230 7 14 4 60 2.40 800 7 3
Total 11.24 34
• Determinar el peso final del tanque de combustible de control. • Medir temperaturas del combustible dentro del tanque de control. • Medir condiciones atmosféricas finales (temperatura, humedad y velocidad de
viento). • Repetir la prueba hasta que la diferencia de los consumos entre pruebas sea
menor que 1%.
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A.4 PRUEBA DE OPACIDAD Objetivo específico Comparar los niveles de opacidad de los productos de combustión del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia contra la normativa local vigente. Requerimientos técnicos del equipo de medición El instrumento de medición deberá operar bajo el principio de reducción de la luz y tener las siguientes características. • El opacímetro debe consistir de dos unidades fundamentales. La unidad óptica
y la unidad de control remoto. • Debe permitir la ubicación externa cerca del tubo de escape, o interna dentro
del tubo, de tal manera que el haz de luz atraviese la pluma de humo. • La fuente de luz debe ser una fuente incandescente o infrarroja. • La señal luminosa debe ser alineada en un haz de luz con un diámetro nominal
de 2.86 cm y un ángulo de divergencia máximo de 16 grados. • Debe poseer un detector opuesto a la fuente de luz, para medir la cantidad de
ésta bloqueada por el humo del escape. • Poseer un registrador remoto que capture la señal amplificada. Ensamblaje del equipo • Montaje externo: La unidad óptica del opacímetro deberá montarse radialmente
al tubo de escape. La distancia del centro de la unidad óptica a la salida del tubo de escape debe ser 12.7 ± 2.54 cm. El flujo de la corriente de escape debe estar centrado entre la fuente y las aberturas del detector y sobre el eje del haz de luz, se debe suministrar energía a la unidad de control del opacímetro con 15 min de anticipación para permitir la estabilización.
• Montaje interno: la unidad óptica del opacímetro deberá montarse axialmente al tubo de escape, de tal manera que la medición se pueda hacer formando un ángulo recto con el eje de la pluma de los gases. La distancia del extremo de la unidad óptica a la salida del tubo de escape debe ser mínimo de 5 cm. El flujo de corriente de escape deberá estar centrado entre la fuente y las aberturas del detector y sobre el eje del haz de luz, se debe suministrar energía a la unidad de control del opacímetro con 5 minutos de anticipación para permitir la estabilización del equipo.
Procedimiento previo • Calibrar el equipo de medición como lo establece el fabricante. • Verificar que la transmisión del vehículo se encuentre en neutro o parqueo. • Revisar que las siguientes partes del vehículo se encuentren en buenas
condiciones. ♦ El tubo de escape.
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♦ El sistema de admisión de aire y el filtro de aire. ♦ El filtro de combustible. ♦ El tapón del deposito de aceite y del tanque de combustible.
• Revisar que el nivel del aceite en el cárter esté en el nivel adecuado. • Ingresar en el medidor los datos del vehículo: fabricante, placa, modelo,
cilindrada, etc.
Procedimiento de medición • Verificar la calibración del opacímetro. • Encender el vehículo y operarlo a marcha mínima o ralentí hasta alcanzar la
temperatura normal de operación del motor. • Con la transmisión en neutro y el motor en marcha mínima, se acelerará el
motor a máxima revolución estable y sin carga. A continuación se permite que el motor regrese a marcha mínima, repitiendo la operación por 4 veces, por intervalos de 10 segundos, de las cuales se descartara la primera medición, registrando de cada una de ellas el valor máximo de opacidad observado en un formato de control automatizado. Si la dispersión en la medida es mayor al 3.5% se repite la medición.
A.5 PRUEBA DE EMISIONES EN CONDICIONES DINÁMICAS Objetivo específico Medir la cantidad de CO, NO y NOx que el camión de recolección de basura de Ciudad Limpia emite a la atmósfera al realizar una ruta típica de trabajo en Bogotá. Normativa vigente. El procedimiento a seguir se rige por la resolución 005 del 9 de enero de 1996. Requerimientos técnicos del equipo de medición • Mismos requerimientos que en A.1. • Gases a analizar (CO, NO, NOx). • Sistema de medición de flujo de gases. • Mismos equipos para medición de distancia, tiempo y velocidad que en la
prueba de consumo de combustible, numeral A.3.
Procedimiento previo • Instalar y calibrar el equipo analizador de gases • Instalar y calibrar el sistema de medición de flujo • Seguir el procedimiento previo para la prueba de consumo de combustible. • Seguir el ciclo de operación especificado para la prueba de consumo de
combustible
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Procedimiento de medición • Seguir el ciclo de arranques y paradas de la prueba de consumo de
combustible, numeral A.3. • Registrar las concentraciones de CO, NO y NOx, temperatura ambiente y la de
gases de escape, y la diferencia de presión estática cada 10 segundos. • Almacenar en medio magnético los datos registrados. A.7 PRUEBA DE RUIDO EN CONDICIONES ESTÁTICAS Objetivo específico Medir los niveles de ruido en condiciones estáticas del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia. Normativa El procedimiento a seguir se rige por la Resolución 8321 del 4 de agosto de 1983. Requerimientos físicos • Las mediciones se efectuaran en sitios con un nivel sonoro de fondo inferior a
10dB(A) con relación al producido por el vehículo en prueba. Se emplea un protector contra el viento para evitar errores en las lecturas.
• El sitio de medición se localiza en una zona a campo abierto libre de superficies reflectantes como edificios, vehículos estacionados, aviso, vallas etc., por lo menos dentro de un área de 20 metros de radio desde el micrófono y el vehículo bajo prueba.
Requerimientos de instrumentación • Los niveles se obtienen con un medidor sonoro calibrado, en respuesta rápida
con filtro de ponderación A. Procedimiento para la prueba • Encender el vehículo y operarlo a marcha mínima o ralentí hasta alcanzar la
temperatura normal de operación del motor. • Con la transmisión en neutro y el motor en marcha mínima, se acelerará el
motor a 800, 1500, 2000 y 2300 rpm. A cada una de estas velocidades se toma la medida de emisión sonora.
• Se realiza la medición dentro del vehículo colocando el micrófono, con una persona, en el asiento más cercano al motor.
• Se realiza también la medición afuera del vehículo, colocando el micrófono a 1.2 metros de altura sobre el nivel del piso y a una distancia de 7.5 metros del motor del vehículo y perpendicular al eje central del vehículo.
• Se registra el mayor valor de nivel de ruido registrado en cada revolución por minuto especificada anteriormente.
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A.8 PRUEBA DE RUIDO EN CONDICIONES DINÁMICAS Objetivo específico Medir los niveles de ruido en condiciones estáticas del camión de recolección de basura de Ciudad Limpia. Normativa El procedimiento a seguir se rige por la Resolución 8321 del 4 de agosto de 1983. Requerimientos físicos • El sitio de medición se localiza en una zona a campo abierto libre de superficies
reflectantes como edificios, vehículos estacionados, aviso, vallas etc., por lo menos dentro de un área de 20 metros de radio desde el micrófono y el vehículo bajo prueba.
• Las mediciones se efectuaran en sitios con un nivel sonoro de fondo inferior a 10dB(A) con relación al producido por el vehículo en prueba. Se emplea un protector contra el viento para evitar errores en las lecturas.
• La trayectoria por donde transita el vehículo en prueba debe ser uniforme, en concreto o asfalto.
Requerimientos de instrumentación • Los niveles se obtienen con un medidor sonoro calibrado, en respuesta rápida
con filtro de ponderación A. Procedimiento para la prueba • Encender el vehículo y operarlo a marcha mínima o ralentí hasta alcanzar la
temperatura normal de operación del motor. • El vehículo debe moverse a una velocidad de 50 Km/h. • Los niveles se obtienen con un medidor sonoro calibrado, en respuesta rápida
con filtro de ponderación A y con el micrófono colocado a 1.2 metros de altura sobre el nivel del piso y a una distancia de 7.5 metros del vehículo.
• Se registra el mayor valor de nivel de ruido registrado en cada revolución por minuto especificada anteriormente.
• Se registra el mayor valor de ruido y se repite 6 veces la medición.
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B1
ANEXO B Fotos de la avería del eje de levas del motor del vehículo recolector de basura. A continuación se muestra una serie de fotos correspondientes al momento de desmontaje del eje de levas averiado en el motor del vehículo.
Foto B1 Proceso de desmontaje de la culata del motor.
Foto B2 Leva y seguidor averiados.
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B2
Foto B3 Culata desmontada.
Foto B4 Detalle de la leva “picada”, cuando el eje de levas permanecía montado en el motor.
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B3
Foto B5 Detalle de la leva “picada”.