MORFOLOGIA Y COMPOSICION QUIMICA DE LASPARTICULAS EMITIDAS POR LOS AUTOMOTORES A DIESEL EN LOS

GRANDES CENTROS DE POBLACION DEL PAIS

Ing. Gabriel López Vidal, Ing. Abraham Estrada Flores.

Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Central Lázaro Cárdenas No. 152 Col. San Bartolo Atepehuacan,C.P.07730, Tels ( 5 ) 333-8354 y 333-8350, Fax ( 5 ) 3689226, Correo electrónico: gvidal @imp.mx.

RESUMEN

En la República Mexicana los automotores arrojan al aire ambiente de los centros depoblación entre 70% a 80 % de los contaminantes emitidos, lo cual depende si la ciudades Mediana o un gran centros de población (Zona Metropolitana de la Ciudad de México,Guadalajara y Monterrey), en específico los principales contaminantes emitidos sonMonóxido de carbono, Hidrocarburos, Oxidos de Nitrógeno, Hidrocarburos precursoresde Ozono, Tóxicos (1,3 Butadieno, Benceno, aldehídos y Cetonas), Partículas(constituidas de Hidrocarburos Policiclicos Aromáticos, Sulfatos y Trazas de elementos)entre otros, dichos contaminantes interactuan entre si o con otros elementos y enpresencia de luz solar dan origen a contaminantes secundarios, en tal contexto cada vezse hace necesario el desarrollar estudios y proyectos de investigación tendientes aconocer la problemática ambiental en dichos centros de población para con ellodesarrollar programas y acciones específicas que disminuyan en gran medida el impactoambiental producido por los vehículos en circulación.

Es importante destacar que los automotores ( gasolina y diesel ) emiten en la ZonaMetropolitana de la Valle de México ( ZMVM ) el 75 % de los contaminantes arrojados ala atmósfera, en específico las partículas emitidas anualmente son 20,000 Toneladas, lascuales representan cerca del 5 % del total, sin embargo, su grado de Toxicidad y laexposición de personas asociadas a este sector es mucho más elevado que laspartículas provenientes de fuentes naturales.

Hasta hace algunos años las partículas emitidas por los motores a diesel no seconsideraban de gran importancia, pero bases científicas, planteaban la necesidad decaracterizar física, química y biológica, el efecto de estas en el medio ambiente, hoy endía dado su diminuto tamaño y su composición en gran medida representan un factor detoxicidad por estar constituidas principalmente de Hidrocarburos Policiclicos Aromáticos(HPA) de los cuales los Pirenos, Fenantrenos y Antracenos, compuestos quepotencialmente son precursores de cáncer en seres humanos.

INTRODUCCIÓN

Problemática actual.

En la República Mexicana los automotores arrojan al aire ambiente de los centros depoblación de un 70% a 80 % de los contaminantes, lo cual depende si la ciudad esMediana o un gran centro de población (Zona Metropolitana del Valle de México,Guadalajara y Monterrey), en específico los principales contaminantes emitidos sonMonóxido de carbono, Hidrocarburos, Oxidos de Nitrógeno, Hidrocarburos precursoresde Ozono, Tóxicos (1,3 Butadieno, Benceno, aldehídos y Cetonas), Partículas(constituidas de Hidrocarburos Policiclicos Aromáticos, Sulfatos y Trazas de elementos)entre otros, dichos contaminantes interactuan entre si o con otros elementos y enpresencia de luz solar dan origen a contaminantes secundarios, en tal contexto cada vezse hace necesario el desarrollar estudios y proyectos de investigación tendientes aconocer la problemática ambiental en dichos centros de población para con ellodesarrollar programas y acciones específicas que disminuyan en gran medida el impactoambiental producido por los vehículos en circulación.

Es importante destacar que los automotores ( gasolina y diesel ) emiten en la ZonaMetropolitana del Valle de México ( ZMVM ) el 75 % de los contaminantes arrojados a laatmósfera, en específico las partículas emitidas anualmente son 20,000 Toneladas, lascuales representan cerca del 5 % del total, sin embargo, cabe señalar que su grado deToxicidad y la exposición de personas asociadas a este sector es mucho más elevadoque las partículas provenientes de las fuentes naturales, ver figura 1.

Debido a la altitud de la ZMVM ( 2240m SNM ) existe una reducción en la concentraciónde Oxigeno del 23 %, lo cual propicia que los procesos de combustión a esta altura nosean eficientes, en el caso específico de los automotores a diesel se incrementa laemisión de partículas, el cual depende de la tecnología de los motores en uso, conrespecto a los Oxidos de Nitrógeno ( NOx ), estos aumentan debido a el procesotermódinamico de los motores diesel.

CONTRIBUCION A LAS EMISIONES POR SECTORESEN LA ZMVM

FUENTE: PROAIRE 1995-2000.

TRANSPORTE75.0%

VEGETACION12.0%

INDUSTRIA3.0%

SERVICIOS10.0%

Figura1

Hasta hace algunos años las partículas emitidas por los motores a diesel no seconsideraban de gran importancia, pero bases científicas, planteaban la necesidad decaracterizar física, química y biológica, el efecto de estas en el medio ambiente, hoy endía dado su diminuto tamaño y su composición en gran medida representan un factor detoxicidad por estar constituidas principalmente de Hidrocarburos Policiclicos Aromáticos(HPA) de los cuales los Pirenos, Fenantrenos y Antracenos son potencialmenteprecursores de cáncer en los seres humanos.

En tal sentido el presente estudio tiene la finalidad de emplear infraestructura ymetodologías de punta implementadas en el Instituto Mexicano del Petróleo para elmuestreo de partículas emitidas por los motores diesel a una altura de 2240 M SNM,determinar el tamaño de partícula, su morfología y composición química. Con el objetivode desarrollar técnicas cualitativas y cuantitativas que ayuden a las autoridadesambientales en la toma de decisiones para implementar tecnologías de vanguardia enlos vehículos nuevos a diesel comercializados en nuestro país, implementación desistemas reductores de emisiones en los automotores a diesel en usos y suministrar aPetróleos Mexicanos información actual y confiable para el desarrollo de programas enmateria de reformulación de combustibles e incentivar el uso de vehículos particulares ycamiones ligeros con motor diesel.

Emisiones de los motores Diesel

El motor a diesel fue patentado en 1892 por Rudolf Diesel, el cual presentaba ventajasen la eficiencia de consumo de combustible comparado con los motores por ignición debujía. Actualmente, en los Estados Unidos de Norteamérica y en nuestro país losautomotores a diesel son ampliamente usados en camiones, autobuses, aplicaciones enagricultura, y equipos fuera de carretera ( locomotoras, embarcaciones marinas,generadoras de electricidad y diversas aplicaciones estacionarias ).

Los motores a diesel han demostrado tener ventajas en economía de combustible ydurabilidad, pero emiten en gran medida emisiones de Oxidos de nitrógeno ( NOx ) ypartículas de carbón en comparación con los motores a gasolina. Actualmente y gracias alas modificaciones de los componentes internos de los motores diesel se han reducidosustancialmente las emisiones gaseosas y de partículas.

El motor a diesel funciona por comprensión de aire a alta presión y temperatura, cuandoel combustible es inyectado en la cámara de combustión y el aire se encuentracomprimido, enciende, transformando la energía química en movimiento, los gasesquemados se expanden originando que trabaje el embolo, para posteriormente emitir lasemisiones de escape. La potencia de salida es controlada por la cantidad de combustibleinyectado proporcional a la admisión de aire, los motores a diesel desarrollan unaeficiencia superior debida a su alta relación de compresión.

Tanto el combustible diesel como los aceites lubricantes que se emplean en los motoresa diesel actualmente cumplen requerimientos de calidad elevados e incorporan aditivosquímicos que confieren a éstos propiedades superiores. El combustible diesel es unamezcla de diferentes moléculas de hidrocarburos que comprenden desde el C7 a C35, conun rango de ebullición que va de 177 °C a 343 °C, cabe señalar que la composición delcombustible diesel y los lubricantes tiene efecto directo en el desempeño del motor,mantenimiento y emisiones de escape. Por ejemplo una reducción en el contenido dearomáticos, azufre y volatilidad tiene efecto directo en la reducción de las emisiones deescape ( Ullman, 1989 ).

Las emisiones de escape son influenciadas por la combustión completa o incompleta delcombustible y el aceite lubricante, ambos pueden dar origen a mezclas en gases conpartículas de carbón de bajo peso molecular. Los compuestos orgánicos de alto pesomolecular son absorbidos, en la tabla 1 se listan las emisiones de la combustión deldiesel y los productos de sus reacciones en la atmósfera.

TABLA 1.- COMPONENTES EMITIDOS POR LOS MOTORES DIESEL Y SUTRANSFORMACIONES

EN LA ATMOSFERA.

COMPONENTE EMITIDO TRANSFORMACION EN LA ATMOSFERAA.- EMISION EN FASE VAPOR

DIOXIDO DE CARBONOMONOXIDO DE CARBONOOXIDOS DE NITROGENO ACIDO NITRICO, OZONODIOXIDO DE AZUFRE ACIDO SULFURICOHIDROCARBUROSALCANOS ( ≤≤ C18 ).

ALCANOS ( ≤≤ C 4 )(P.E. 1,3 BUTABIENO)

ALDEHIDOS, NITRATOS ALQUILADOS,CETONAS.ALDEHIDOS Y CETONAS

ALDEHIDOSFORMALDEHIDO

ALDEHIDOS DE ALTO PESOMOLECULAR ( P.E. ACROLEINAS )

MONOXIDO DE CARBON, RADICALESPEROXIDOS.

PEROXIACETIL NITRATOS ( PAN )

COMPUESTO AROMATICOS DE UNANILLO BENZENICO ( BENZENO,TOLUENO )

HIDROXILATO Y DERIVADOS DE NITROOXILATO

PAH ( ≤≤ MENOR DE 4 ANILLOS )( FENANTRENO, FLUORANTRENO )

NITRO-PAHs ( ≤≤ MENOR DE 4 ANILLOS ).

NITRO-PAH( 2 0 3 ANILLOS )( NITRONAFTALENOS )

QUINONAS Y DERIVADOS DE NITROOXILATOS

B.- PARTICULAS FASE GASCARBON ELEMENTALSULFATOS INORGANICOSHIDROCARBUROS ( C14 a C35 ) POSIBLEMENTE ALDEHIDOS, CETONAS

Y ALQUIL NITRATOSPAH ( ≥≥ 4 ANILLOS )( PIRENO, BENZO (a)PIRENO )

NITRO-PAHs (≥≥ 4 ANILLOS )NITRO-PAH LACTANOS

NITRO-PAH ( ≥≥ 3 ANILLOS )

( NITROPIRENOS )

DERIVADOS DE NITRO HIDROXILATOS

Asimismo, al ser estudiadas las partículas emitidas por los motores a diesel aportaninformación importante acerca del destino del azufre presente en el combustible diesel alser quemado dentro de la cámara de combustión. Los sulfatos son compuestosconstituyentes de las partículas provenientes de los motores diesel, generalmenteconstituyen el 2 % de azufre presente en el combustible, tales datos constituyen elbalance del dióxido de azufre emitido. Actualmente, la reducción en el azufre delcombustible diesel origina una reducción en los sulfatos presentes en las partículas.

Existen dos formas el control de emisiones diesel e involucra diversas formas y etapasde desarrollo, la primer forma de control de emisiones es modificando o incorporandosistemas reductores de emisiones en el escape de los motores

Para modificar los motores es mediante la refinación del combustible, con el cual esfactible la realización de diversos cambios en el proceso, dichos cambios incluyen laincorporación de inyección electrónica de combustible controlados por una computadora,lo que ha originado una mayor flexibilidad en el control de las emisiones de escape. Otrade las tecnologías para el control de emisiones de escape es con el empleo deturbocargadores e inter-enfriadores. Muchos de los automotores diesel para serviciopesado manufacturados desde 1991 a la fecha cuentan con estos. El turbocargadorincrementa la masa de aire que se suministra al cilindro y el inter-enfriador reduce latemperatura de los gases que entren a la cámara de combustión, con este sistema esrelativamente sencillo reducir tanto los NOx como las partículas y se incrementa laeconomía de combustible y potencia desarrollada por este tipo de motores.

Por otro lado el control en el aceite lubricante es importante para reducir las partículasentre un 10 y 50 %, las cuales son producidas por el este en el motor. Es importanteseñalar que el consumo de aceite puede reducirse en principio por control en lasespecificaciones del aceite lubricante y los sellos de los motores.

Una segunda opción para el control de emisiones es la adición de trampas de oxidación oel empleo de convertidores catalíticos con impregnación de platino, paladio, rodio, plata ,vanadio y cobre. Es importante señalar que el Cerio que se encuentra en diversosaditivos para combustible diesel no debe ser empleado ya que reduce la vida útil deestos.

Asimismo, los convertidores catalíticos son otro medio para reducir las emisionescontaminantes y requieren el uso de combustible diesel con baja concentración de azufre( 500 ppm de Azufre ) y aromáticos, ambas reducciones adicionalmente producen ladisminución significativa en emisiones de partículas e Hidrocarburos policiclicosaromáticos.

La combustión del combustible en los motores a diesel dan origen a la formación demezclas complejas de gases y partículas que se emiten a la atmósfera, las cuales seasocian a posibles efectos en la salud del ser humano.

En los años recientes a cobrado gran importancia el estudio de las emisión de partículasemitidas por los automotores a diesel, en los Estados Unidos de Norteamérica, fue en1973 cuando el termino smoke ( opacidad ), asociado a la emisión de estas se dejo deaplicar ya que bases científicas, planteaban la necesidad de caracterizar física, química ybiológica, el efecto de estas en el medio ambiente.

Formación de Partículas.

La formación de las pequeñas partículas de carbón emitidas por los motores a diesel noesta completamente establecida, pero se considera que es debido a la formación decompuestos policiclicos aromáticos. El carbón es un producto estable presente en laspartículas y se forma en un rango estrecho de temperatura.

Las partículas emitidas por los motores diesel son núcleo sólido constituidos de carbón,fracción orgánica soluble, sulfatos y trazas de elementos, cuando comparamos el tamañode partícula emitida entre los motores a gasolina y diesel, estos últimos emiten partículasde mayor tamaño con rangos entre 0.1 a 1.0 µm con picos de 0.15µm, las partículasprovenientes de los motores a gasolina emiten estas con rango de 0.01 a 0.1µm con unpico de 0.2µm. Los vehículos denominados para servicio ligero ( Ligh duty ) a dieselemiten entre 30 a 100 veces más partículas que los automotores a gasolina equipadoscon convertidor catalítico. Las partículas a 500 °C son esferas sólidas constituidas decadenas de carbón e hidrogeno con diámetros de 100 a 800 Anstrongs. Estas sonatribuibles a la combustión incompleta del combustible, aceite lubricante o otroscomponentes del combustible cuya densidad se encuentra en 0.07g/m3 , ver figura 2.

A temperaturas debajo de 500 °C, las partículas sufren un proceso de absorción ycondensación lo que produce que se cubran de compuestos con alto peso molecular. Esimportante señalar que típicamente, cerca del 25 % de las partículas se encuentranconstituidas de compuestos orgánicos factibles de extraer, este porcentaje puede variardependiendo de las condiciones de operación del automotor. Estos compuestos seencuentran constituidos de cadenas abiertas de hidrocarburos con 14 a 35 átomos decarbón., alkyl-benzeno, derivados de hidrocarburos policiclicos aromáticos ( HPA ),cetonas, carboxilaldehidos, ácido anhídrico, compuestos Oxidrilos, quinonas, nitratos yácidos carboxilicos. Adicionalmente compuestos heterociclicos con átomos de azufre,nitrógeno y oxigeno con anillos aromáticos. Compuestos inorgánicos con dióxido deazufre, dióxido de nitrógeno y ácido sulfúrico, ver figura 3

La fracción soluble que constituye las partículas a diesel se encuentran formada decadenas abiertas de hidrocarburos con 14 a 35 átomos de carbón., alkyl-benzeno,derivados de hidrocarburos policiclicos aromáticos ( HPA ), cetonas, carboxilaldehidos,ácido anhidrico, compuestos Oxidrilos, quinonas, nitratos y ácidos carboxilicos.Adicionalmente compuestos heterociclicos con átomos de azufre, nitrógeno y oxigenocon anillos aromáticos. Compuestos inorgánicos con dióxido de azufre, dióxido denitrógeno y ácido sulfúrico.

Representación del tamaño de partícula, proveniente de las emisiones delos automotores a diesel.

Figura representativa de los constituyentes de las partículas emitidaspor los motores a diesel

Figura 2

Figura 3

Los hidrocarburos Policiclicos aromáticos producidos en el proceso de combustión sonabsorbidos en la superficie de las partículas, algunas de estas como el Benzo(a) pireno y1 Nitropireno, han sido reconocidos como compuestos tóxicos y potenciales de cáncer enlos seres humanos.

PRUEBAS DE LABORATORIO

Determinación de Emisiones de Escape reguladas CO, HC, NOx, Partículas yOpacidad.

Las pruebas para el muestreo de partículas emitidas por los motores diesel se efectuarónen un motor de inyección mecánica de 210 H.P. de potencia, representativo de los quecirculan en la ZMVM, el combustible de prueba fue diesel comercial, dicho motor seacoplo a un dinamómetro de banco a corrientes directas, marca Schenck, el cual tiene lacapacidad de frenar motores hasta 500 H.P. ( 373 Kw ) y motor de aceleración de 450H.P. ( 336 Kw ).

El dinamómetro está controlado por una computadora central de control, marca HewlettPackard, modelo 700i, la cual controla en su totalidad la aceleración, desaceleración yfrenado del dinamómetro. Asimismo, controla el suministro de combustible al motor,verifica las temperaturas ( agua, aire, aceite, etc. ), presiones, sistema deacondicionamiento de emisiones y banco de análisis, Fotos 1 y 2.

Foto 1 Foto 2

Las evaluaciones se llevaron a cabo siguiendo la metodología establecida en el CódigoFederal de Regulaciones ( CFR ), Titulo 40, Subparte N, Sección 86.1304-84 a 86.1605 yPt.86. App I de los Estados Unidos de Norteamérica, que especifica la realización de unaprueba de acondicionamiento del motor para llevar a una temperatura estable de agua yaceite, la cual no debe de variar en un 2% por 2 minutos, seguido de la estabilización. Elmotor inicia la construcción de su curva representativa de potencia, iniciando desdemarcha mínima sin carga hasta determinar la máxima velocidad del motor de prueba, coneste procedimiento se obtiene con exactitud el punto máximo de torque-velocidad ypotencia-velocidad, durante todo el desarrollo de la prueba, los datos de velocidad,potencia y torque son recolectados por la computadora de control para finalmenteconstruir la curva de potencia que se empleara durante la evaluación de emisiones deescape y opacidad.

Las pruebas para determinar las emisiones contaminantes y consumo decombustible se realizaron en el dinamómetro de corrientes directas descritoanteriormente, marca Schenck con capacidad de frenado de 500 H.P. (373 Kw ) depotencia y aceleración de 450 H.P. ( 336 Kw ). Se utiliza un túnel de dilución de 18pulgadas de diámetro con un venturis que tiene como capacidad máxima 4000 SCFM, losgases de escape son diluidos con aire de dilución el cual tiene una concentración decontaminantes menor a 1ppm y homogeneizados en el túnel primario de 18 pulgadas dediámetro, 10 diámetros después del punto de entrada de los gases de escape es tomadauna alicuota representativa y se envía a un juego de bolsas de Tedlar, esto se efectúadurante todo el tiempo de evaluación, para finalmente ser enviada la muestrarepresentativa al banco de análisis, dicho banco consta de analizadores donde sedetermina la emisión de CO, HC y NOx, los cuales emplean las técnicas de análisisseñaladas en los procedimientos de prueba.

Los datos de emisiones de escape son correlacionados con los parámetros deprueba del motor, tales como temperatura, humedad, presión barométrica, datos detorque, potencia y velocidad del motor para ser reportados en g/Kw-hr, ver figura 3.

Determinación de Partículas Totales.

Para el caso de las Partículas, estas son conducidas del túnel primario alsecundario por un sistema de succión de bombas controladas por un banco proporcionalde dilución, posteriormente son atrapadas en filtros de con membrana de Fluoro carbonode 70 mm de diámetro, dichos filtros se encuentran previamente a peso constante y secolocan en portafiltros especiales en el túnel secundario, durante toda la evaluación esrecolectada una muestra representativa y al final de la evaluación se remueve el papelfiltro y se lleva a un cuarto de balanzas especial el cual se encuentra a temperatura yhumedad indicadas en la metodología respectiva, al cabo de 24 horas se vuelvan apesar empleando para ello una microbalanza marca KANN CT16 y por diferencia de pesose determine el volumen de partículas emitidas por el motor de prueba, ver fotos 3 y 4.

Foto 3 Foto 4

Las pruebas se llevaron a cabo siguiendo la metodología establecida en el CodigoFederal de Regulaciones de los Estados Unidos, titulo 40, subparte N, sección 86.1327-84, donde se especifica la realización de una prueba de “ Ciclos Transitorios “,procedimiento adoptado en la República Méxicana por las autoridades ambientales, estametodología esta diseñada para evaluar motores para servicio pesado que empleancombustible diesel, el procedimiento consiste en evaluar el motor de prueba encondiciones de velocidad proporcional a Potencia y Torque máximas, tratando de simularpuntos de torque positivos y negativos que no excedan el valor máximo obtenidopreviamente en la curva de potencia, dicho procedimiento tiene una duración total de 60minutos, ver figura 4.

Los trabajos consistieron en evaluar las emisiones de escape reguladas ( CO, HC, NOxy PM ), empleando para ello el procedimiento de prueba “ Ciclos Transitorios”, el cualconsiste en evaluar un motor acoplado a un dinamómetro a Corrientes Directas, ambosequipos son controlados por una computadora central la cual genera un ciclos de pruebadonde se simula el recorrido de un vehículo automotor para servicio pesado en ciudad ycarretera, desarrollando cambios rápidos de torque-velocidad teniendo una duración de20 minutos en frío, reposo de 20 minutos y 20 minutos en caliente para totalizar 1 hora,los gases de escape son diluidos con aire ambiente y almacenadas en bolsas de Tedlarpara posteriormente ser analizadas en un banco de analizadores las emisiones de CO,HC y NOx, el material particulado es recolectado en filtros con membrana de FluoroCarbón conectados al túnel secundario y por diferencia de peso se obtiene los miligramosemitidos. Metodología descrita en el Código Federal de Regulaciones ( CFR ), titulo 40,Subparte N, dichas evaluaciones se efectuarían en el Laboratorio de Emisiones paraServicio Pesado del IMP, ver figuras 4 .

Determinación de Opacidad Federal.

Para la determinación de Opacidad Federal se emplea la misma infraestructura paraacondicionamiento y muestreo de emisiones de escape del Laboratorio de EmisionesDiesel del IMP en Pachuca, Hgo., el procedimiento consiste en operar el motor acolado aldinamómetro de banco hasta alcanzar una temperatura de combustible de 37.8 °C ( 100°F ), posteriormente el motor es operado a velocidad mínima de giro durante 5 o 5.5minutos, para posteriormente desarrollar tres secuencias separadas de aceleración condos desaceleraciónes, una al final de la segunda aceleración y otra al finalizar la terceraceleración.

La determinación de opacidad se efectúa, empleando para ello un medidor de opacidadóptico que registra la emisión de partículas emitidas por el motor de prueba y reportadicha emisión en % de Opacidad, dicha evaluación se efectúa en tres ocasiones, laprimer determinación es la denominada punto “ A “ que se efectúa desde la primer.aceleración hasta el final de la segunda aceleración (85% de aceleración proporcionalmáxima), la segunda es denominada punto “ B “ que comprende desde el inicio de latercer aceleración hasta finalizar esta y finalmente el punto “ C “ que cubre en sutotalidad la última desaceleración, finalizando en el punto donde inicia la velocidadmínima de giro; los datos obtenidos se reportan en % de opacidad, en tres ocasiones ( A,B y C ), ver figura 4.

GASES DE

ESCAPE

COMPUTADORA CENTRAL

MOTOR

DINAMOMETRO

AIRE

BANCO DE ANALIZADORES

BOLSAS DE MUSTREO

BOLSAS DE AIRE

TUNEL DE DILUCION

VENTURIS

S I M U L A C I O N T O R Q U E P O S I T I V O

S I M U L A C I O N T O R Q U E

N E G A T I V O

" C I C L O T R A N S I E N T "

ESQUEMA DE OPERACION DEL LABORATORIO DE EMISIONES DIESEL

DEL INSTITUTO MEXICANO DEL PETROLEO

CONSUMO DE

COMBUSTIBLE

CENTRODE

SEGURIDAD

UNIDADCLIMATICA

MICROBALANZA

MONITOREODE

PARAMETROS

Figura 4

Discusión de Resultados

Para el desarrollo del presente estudio se selecciono un motor con inyección mecánicade combustible, con una potencia de 210 H.P: a 1800 RPM, representativo de los quecirculan en la ZMVM, dicho motor empleó como combustible de prueba diesel comercial yse acoplo a un dinamómetro de banco, marca Schenck con capacidad de frenar motoresde 500 H.P. y cuenta con motor de aceleración de 450 H.P. a dicho motor sedeterminaron las emisiones de escape reguladas (CO, HC, NOx y Partículas) yOpacidad Federal, como procedimiento de prueba se empleó el denominado “ CiclosTransitorios “ y “Ciclo Federal de Opacidad “, las determinaciones fueron por triplicado ypresentan los siguientes resultados:

PRUEBA CO(g/Kw-hr)

HC(g/Kw-hr)

NOx(g/Kw-hr)

Partículas

(g/Kw-hr)

Opacidad

“ A ”

Opacidad

“ B”

Opacidad

“ C”1 6.91 6.43 14.84 0.45 37.69 35.1 36.482 6.83 6.40 15.82 0.50 38.40 36.8 37.253 6.90 6.42 14.92 0.47 37.55 35.6 36.76

En especifico las partículas obtenidas, una vez pesadas a peso constante ycorrelacionadas con los datos de prueba ( Torque, Velocidad y Potencia ) paradeterminar los miligramos emitidos por prueba ( foto 5 ). Al termino de esto se procedió aseleccionar las técnicas de evaluación con la finalidad de conocer la morfología, tamañode partícula y composición química

85% DEVELOCIDADPROPORCIONAL

95% DEVELOCIDADPROPORCIONAL

PROPORCIONAL+-50 RPM

2+-1.5SEC

10 +- 2 SEC

FIN

DE

3ªA

CEL

ERA

CIO

N

CURVA DE VELOCIDADMINIMA DE GIRO SINCARGA5.0 A 5.5 MIN 3 SEGUNDOS

O MENOS

1º ACELERACIONCON BAJA ACEL.+200 +-50 RPM

FIN

DE

BAJA

VEL

OC

IDA

D/P

RI

NC

IPIO

DE

1º

AC

EL

.

FIN

2ª

AC

EL

B

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F

EC G

FIN

2ª

TR

AN

SIC

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PRIN

CIP

IO D

ELA D

ESA

CE

LE

RA

CIÓ

N

LINEABILIDAD+-100 RPMENTRE I Y J.

VELOCIDAD INTERMEDIA

I

J

CICLO FEDERAL DE OPACIDADMAXIMA

ACELERACION

POSI

CIO

NDE A

CE

LE

RA

DO

R

VE

LO

CID

AD

DE

L M

OT

OR

-RPM

DE 50 A 60 SEG 35 +- 5 SEG.

VELOCIDADINTERMEDIA +- 50RPM

LINEALIDAD +-100 RPM

ENTRE C Y D

5 A 1.5SEC

TIEMPO

PRINCIPIO DE LA 2ªACELERACIÓN Y FINDE LA PRIMERA

LIGERAACELERACIONCERRADO

50 RPM PROMORCIAONALALA VELOCIDAD

INIC

IO D

E LA

3ª A

CEL

.

FIN

DE

LAD

ES

AC

EL

ER

AC

IO

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IC

IO

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LA

VE

LO

CI

DA

D

MI

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MA

DE

GI

RO

Figura 4

Determinación de Morfología y Tamaño de Partícula.

Debido a que las partículas contenidas en el Filtro especial con membrana de fluorocarbón presentan una distribución uniforme de estas, se propuso seccionar dichos filtrosen muestras representativas para su posterior análisis y determinación.

Foto 5

Foto 6

Foto 7

Estudio con Microscopía Electrónica de Barrido.

Para esta determinación se empleó un Microscopio Electrónico marca JOEL,modeloJSM35CF, los trozos de filtro fueron colocados en un soporte especial yrecubiertos con una capa de oro por medio de un evaporados especial, acorde a lametodología establecida ( IMP-QA-703 ), posteriormente se incidió un haz de 20 Kv. en lamuestra y se tomaron diversas fotografías a diferentes amplificaciones, seleccionándoselas más representativas, ver fotos 6 y 7 .

De estas tomas fotográficas y en relación a su análisis se pueden observar agregados y/oagregados de partículas redondas

Estudio con Microscopía Electrónica de Transmisión

La presente determinación se efectúo con un microscopio electrónico de transmisión,marca JOEL, modelo JEOL 100CX, fueron tomadas otras muestras representativas delos filtros impregnados de partículas provenientes del motor diesel de prueba, estos secolocaron en viales y se dispersaron en Etanol, con ayuda de un equipo Ultrasónico elcual operó durante 5 minutos, posteriormente se tomo una muestra representativa conuna pipeta Pasteur y se coloco en una rejilla de cobre para ser observada al microscopio.

Para la observación se incidió un rayo de 100Kv y se amplifico la visión de la muestra a100,000 y 13,000 aumentos y se efectuaron tomas fotográficas, obteniéndose negativosque posteriormente fueron impresos y amplificados 2 veces más con lo que se obtuvieronfotografías de 200,000 y 26,000 aumentos, en estas se determino el tamaño de partícula,fotos 8 y 9.

Foto 8

Foto 9

De dicha fotografías se puede concluir que el material contenido en los filtros de fluorocarbón presenta agregados y aglomerados de partículas con tamaños entre 0.3 y 0.5micras ( um ) y el tamaño de las partículas cilíndricas presentan un tamaño inferior a 0.1micras.

Determinación de análisis elemental (microanálisis ).

Para la determinación elemental constituyente de las partículas se empleo unmicroscopio electrónico de barrido marca JEOL, modelo JSM35CF y un dispersor deenergía marca Microanalyst, modelo 7500, se tomaron trozos representativosimpregnados de partículas emitidas por el motor diesel de prueba, dichos trozos secolocaron en soporte de grafito y se recubrió la muestra con el mismo material,empleando un evaporador.

La muestra preparada se coloco en el Microscopio descrito se selecciono una partículacaracterística esta fue fotografiada ( Foto 10 ), se hizo incidir un rayo de luz de 20 Kv yempleando el dispersor de energía se pudo obtener un espectro de rayos X, el cual nosindico la presencia de dichos elementos

Foto 10

Foto 11

ELEMENTOS ( % )PESO

GLOBAL 40 X GLOBAL 300X

Na 6.85 6.13Al 8.58 8.43Si 52.08 50.26K 8.11 7.67

Ca 7.51 6.63Ti 6.04 5.52Zn 10.84 13.56

Determinación de Hidrocarburos Constituyentes de las Partículas

Para la determinación de los Hidrocarburos constituyentes de las partículas emitidas porel motor diesel de prueba se procedió a emplear el procedimiento establecido por elCoordinating Research Council ( CRC-APARC CAP-1-64 Measurement of un regulateddiesel Emissions), dicho procedimiento establece emplear el método de ExtracciónSoxlet, para tal efecto los filtros impregnados de partículas diesel se introdujeron en undedal, el cual fue colocado en el Extractor Soxlet, como solvente se empleó elDiclorometano, el sistema se ajusto a una temperatura de 60 °C y se dejo operar este porun lapso de 8 horas, posteriormente se concentro la muestra con un rotovapor, marcaLABCONCO, se obtuvo un volumen de muestra de 2.5 ml, fue introducida a unCromatografo con acople masas (GS/MS ), marca JEOL, modelo 505 WHA, mediante elcual se obtuvo el espectro constituyente de los siguientes componentes quimicos:

Componentes QuímicosFenantrenoAntraceno

3-Metilfenantreno2-metilfenantreno2-Metilantraceno1-Metilfenantreno

Pireno/ Benzo(a)pirenoBenzo(a)pantraceno

CrisenoFluorantano entre otros.

Conclusiones.

1.- Del presente estudio se puede concluir que el tamaño de partícula emitido por losmotores diesel que circulan actualmente se encuentra en un rango menor a 0.1 micra,tamaño de partícula que fácilmente puede llegar a los alvéolos pulmonares y dada sucomposición química puede ser en ciertos casos precursor de cáncer.

2.- Los principales elementos que se encuentran en las partículas son atribuibles a aceitelubricante del motor ( Ca, Na, K y Zn ) y polvo ( Si ) en contra parte los restanteselementos son atribuibles a desgaste del motor y otras fuentes.

3.- Los hidrocarburos que constituyen las partículas emitidas por los motores diesel seencuentran compuestos catalogados como Hidrocarburos Policiclicos Aromáticos ( HPA), de los cuales la Agencia de Protección del medio ambiente de los E.U.A. ( USEPA ) haseñalado como posibles precursores de cáncer en el ser humano.

4.- El presente estudio sienta las bases de las consideraciones necesarias para eldesarrollo de proyectos tendientes a reducir la emisión de partículas provenientes de losmotores diesel en los grandes centros de población del país, tales como el determinar sies factible la incorporación de sistemas reductores de emisiones en los automotores enuso, el desarrollar normatividades por las autoridades competentes para que en su casose vea la conveniencia de que los vehículos nuevos a diesel que se comercialicen ennuestro país cuentes con tecnologías de punta que reduzcan las emisiones de partículas,determinar los efectos de la reformulación de combustible diesel y la incorporación deOxigenantes que reduzcan las emisiones de partículas.

5.-Actualmente se están desarrollando diversos trabajos que tienen la finalidad el poderincorporar tecnología de vanguardia por parte del IMP para la extracción, determinacióncualitativa y cuantitativa de los hidrocarburos Policiclicos Aromaticos ( HPA ) y Sulfatoscon lo cual determinar con certeza la cantidad de dichos hidrocarburos que son emitidosen la atmósfera de los grandes centros de población de nuestro país.

BIBLIOGRAFIA

1.- The Meausurement and Control of Diesel Particulate EmissionsSociety of Automotive EngineersPapers 1979

2.-The Phisical and Chemical Character of Diesel Particulate EmissionsWilliam H. Lipkea and John H. JohnsonMichigan Technological Univ.Paper 1985

3.- Chemical Methods for the Measurement of Unregulated Diesel EmissionsCoordinating Research Council( CRC-APRAC No. CAP1-1-64 )J.M.Perez, R.E. Jass and D.G. Leddy.August 1987.

4.-Chemical EcotoxicologyJaakko PaasivirtaLewis PublishersPrinted in 1991

5.- Motor Vehicle Related Air Toxics StudyEmission Planing and Strategies DivisionOffice of Mobiles SourcesOffice of Air and RadiationU.S. Environmental Protection AgencyApril 1993

6.-Health Assesment Document for Diesel EmissionsNational Center for Environmental Assesment-Washington OfficeU.S. Environmental Protection AgencyFebruary 1998.