Efecto de la fumigación de alcoholes en la emisión de contaminantes no regulados en un motor diésel de automoción

Abstract

RESUMEN : Los alcoholes han mostrado ser una opción atractiva de sustitución parcial de combustible para los motores diésel, principalmente por la reducción de gases de efecto invernadero y por sus beneficios en la disminución de contaminantes críticos regulados como el material particulado y los óxidos de nitrógeno. Sin embargo, la emisión de contaminantes no regulados, que incluyen los carbonilos, puede aumentar con el uso de combustibles oxigenados como los alcoholes. Estos son compuestos tóxicos para la salud humana y contribuyen al smog fotoquímico. El objetivo de esta investigación consistió en evaluar la emisión de 13 carbonilos en un motor diésel de automoción Euro 4 operando en modo dual (fumigación en la admisión) con pentanol, butanol, etanol y metanol. Se utilizaron dos combustibles de referencia, B10 (contenido10% en volumen de biodiésel de palma y 90% de diésel) y B12 (contenido de 12% en volumen de biodiésel de palma y 88% de diésel). Los combustibles se probaron en un modo de operación representativo de conducción urbana (1750 rpm y 71 Nm; -13 kW-). El sistema de muestreo se conformó con cartuchos de 2,4 dinitrofenilhidrazina (DNPH). La sustitución de combustible diésel por alcoholes se realizó en unidades de potencia (kW). El motor primero se operó con B10, la potencia de salida se redujo al 90% (11,7 kW) o al 80 % (10,4 kW) mediante el control de la velocidad del motor, luego se fumigó el alcohol hasta completar nuevamente la potencia inicial del 100% (13kW) alcanzada con el combustible de referencia. Las muestras fueron tomadas directamente en el escape del motor después del catalizador de oxidación (DOC). Para determinar la eficiencia en la oxidación de carbonilos de este sistema de postratamiento, el B12 se sustituyó con etanol reduciendo la potencia al 90% (Eta10) para tomar muestras antes y después del DOC. La extracción de las muestras se realizó con acetonitrilo y la cuantificación con cromatografía líquida de alta resolución. Los resultados mostraron que la fumigación de alcoholes aumentó significativamente las emisiones de carbonilos en comparación con los combustibles de referencia (B10 y B12). Las emisiones de las especies individuales variaron de acuerdo con el alcohol utilizado. El pentanol aumentó principalmente el acetaldehído y el p-Tolualdehído. El butanol aumentó especialmente las emisiones de acetaldehído, propionaldehído, butiraldehído y benzaldehído. El etanol y el metanol aumentaron principalmente las emisiones de acetaldehído y formaldehído, respectivamente. El DOC en las condiciones experimentales ensayadas no fue eficiente en la oxidación de la mayoría de carbonilos, con un máximo de reducción de 9% para el acetaldehído. También se observó que las emisiones de formaldehído generadas por el B10 y las emisiones de formaldehído, acetaldehído y acroleína generadas por el B12 están entre las más altas en comparación con los resultados reportados en la literatura. Las emisiones de carbonilos, generadas por cada alcohol, jerarquizándolas de mayor a menor abundancia en los gases de escape, corresponden a: etanol > B12 > pentanol > metanol > butanol > B10.

ABSTRACT : Alcohols have shown to be an attractive option for partial fuel substitution for diesel engines, mainly due to the reduction of greenhouse gases and their benefits in reducing critical regulated pollutants such as particulate matter and nitrogen oxides. However, the emission of unregulated pollutants, including carbonyls, can be increased with the use of oxygenated fuels such as alcohols. These are compounds that are toxic to human health and contribute to photochemical smog. The objective of this research was to evaluate the emission of 13 carbonyls in a Euro 4 automotive diesel engine operating in dual mode (intake fumigation) with pentanol, butanol, ethanol and methanol. Two reference fuels were used, B10 (content 10% palm biodiesel in volume and 90% diesel) and B12 (content 12% palm biodiesel in volume and 88% diesel). The fuels were tested in a representative urban driving mode of operation (1750 rpm and 71 Nm; -13 kW-). The sampling system was made up of 2,4 dinitrophenylhydrazine (DNPH) cartridges. The substitution of diesel fuel for alcohol was carried out in power units (kW). The engine was first run on B10, power output reduced to 90% (11.7 kW) or 80% (10.4 kW) with engine speed control, then alcohol was fumigated to completion again the initial power of 100% (13kW) achieved with the reference fuel. Samples were taken directly from the engine exhaust after oxidation catalyst (DOC). To determine the carbonyl oxidation efficiency of this after treatment system, B12 was substituted with ethanol reducing potency to 90% (Eta10) to sample before and after DOC. Sample extraction was performed with acetonitrile and quantification with high-performance liquid chromatography. The results showed that alcohol fumigation significantly increased carbonyl emissions compared to the reference fuels (B10 and B12). Emissions from individual species varied according to the alcohol used. Pentanol increased mainly acetaldehyde and p-Tolualdehyde. Butanol especially increased emissions of acetaldehyde, propionaldehyde, butyraldehyde and benzaldehyde. Ethanol and methanol mainly increased acetaldehyde and formaldehyde emissions, respectively. Under the experimental conditions tested, DOC was not efficient in the oxidation of most carbonyls, with a maximum reduction of 9% for acetaldehyde. It was also observed that the formaldehyde emissions generated by B10 and the formaldehyde, acetaldehyde and acrolein emissions generated by B12 are among the highest compared to the results reported in the literature. The carbonyl emissions generated by each alcohol, ranking them from greater to lesser abundance in the exhaust gases, correspond to: ethanol > B12 > pentanol > methanol > butanol > B10.