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1. Introducción
La contaminación producida por el uso de combustibles fósiles por los motores de los automóviles es una de las causas del efecto invernadero y calentamiento global. En el caso de Quito, circulan en promedio más de 450 mil vehículos, de los cuales aproximadamente parque automotor liviano con motor a gasolina representa el 91% (5.4% de motocicletas y 85.6% automóviles), y junto con las fuentes fijas (industrias), los compuestos orgánicos volátiles (COVs), son responsables de más del 40% de las emisiones de material particulado (PM) y de gases contaminantes como CO, HC, NOx y CO2 (Secretaría de Ambiente de Quito, 2016).
Mejorar la calidad del aire es uno de los objetivos de la gestión ambiental urbana en las grandes ciudades del país, según la investigación del Banco Mundial indica que en América Latina y África son los continentes más afectados por la contaminación de aire. La ciudad de Quito, para reducir la contaminación del aire implementó procesos como la Revisión Técnica Vehicular, controles públicos a las industrias de alto impacto y actualización de requisitos de los combustibles para los vehículos, además de implementar procesos de homologación de tecnología vehicular (Antamba et al, 2016).
Una solución a la disminución de gases contaminantes originados por las fuentes móviles es la de mejorar las propiedades de los combustibles y para lograrlo en la mayoría de los casos sin ningún respaldo técnico se propone añadir aditivos, oxigenar el combustible con etanol, realizar mezclas entre combustibles, etc. Realizar mezclas entre los combustibles en el Ecuador sigue siendo un mito, no es posible emitir un criterio técnico sobre si se debe o no se debe mezclar las gasolinas y su afectación en el rendimiento motor de combustión interna.
Realizar mezclas entre gasolinas, gasolina con aditivos, gasolina con alcohol genera cambios en las propiedades como es el caso de Presión de Vapor Reid (RVP) e Índice Antidetonante (IAD). Un estudio en el que se mezcla gasolina con etanol anhidro ha determinado que la mezcla influye en el cambio de las propiedades fisicoquímicas, como es el caso del número RON. El etanol tiene un Índice Antidetonante (IAD) más elevado respecto a la gasolina, la mezcla de gasolinas con etanol da como resultado un incremento del IAD. Como resultado del estudio el IAD del etanol fue de 108, el IAD para la gasolina regular y extra es de 81.4 y 87.7 respectivamente. El aumento en el IAD de la mezcla depende de la cantidad de etanol adicionado a la mezcla y del IAD de la gasolina base (Torres et al, 2002).
Un estudio analizó el comportamiento del motor de combustión interna utilizando gasolina Extra mezclada con aditivos elevadores de octanaje. El aumento de octanaje en relación a la gasolina Extra sin aditivo esta entre 0.23% (0.2 RON) y 1.28% (1.1 RON). El incremento de potencia entre 1.73% (1.40 HP) y 7.00% (6.36 HP). El aumento de torque del motor entre 1.18% (1.49 Nm) y 6.16% (7.73 Nm) (Becerra, 2016).
La gasolina se define como la mezcla de hidrocarburos relativamente volátiles, libres de agua, sedimento y material sólido en suspensión, destinada a ser utilizada como combustible para motores de combustión interna de encendido por chispa. Se clasifican en dos tipos de acuerdo con el octanaje: gasolina de 87 octanos (nombre comercial Extra) y gasolina de 92 octanos (nombre comercial Súper) (INEN 935, 2016).
Al mezclar los combustibles entre gasolinas de menor y mayor octanaje no se garantiza que existirá una variación positiva del octanaje, las razones se deben a que la gasolina, se obtiene en el proceso de refinación el petróleo crudo, se separa en fracciones mediante el método de destilación, cada gasolina está determinada por el punto máximo de ebullición que logra la gasolina en este proceso y así lograr propiedades únicas de cada uno, la gasolina Extra alcanza un punto máximo de destilación de 215ºC y la gasolina Súper alcanza 200ºC. La curva de destilación es una propiedad que está relacionada con la composición de la gasolina, su volatilidad y su presión de vapor. Se considera que a una destilación del 10 %, a una temperatura de ebullición menor a 70ºC se puede asegurar la presencia de componentes volátiles para un arranque en frío relativamente fácil. A una destilación del 50 %, a una ebullición menor a 140ºC se logra asegurar una volatilidad correcta y una máxima potencia durante la aceleración del motor. A una destilación de la gasolina del 90%, temperatura de ebullición inferior a 190ºC, se evitan tanto depósitos en el motor como dilución del aceite y se proporciona un buen rendimiento del combustible (Masson et al, 2012).
El poder calorífico de un galón de gasolina es aproximadamente 125000 Btu. Está conformada por moléculas que agrupan átomos de carbono e hidrógeno se encuentran ordenadas en forma de cadenas de las cuales las más conocidas son: el heptano C7H16, el octano C8H18 y el decano C10H22. El octanaje es la característica más importante que poseen los diferentes tipos de gasolinas, es una escala que determina la calidad y la capacidad antidetonante del combustible, también “indica la presión y la temperatura a la cual un combustible debe someterse para ser carburado o mezclado con aire, antes de llegar a auto detonarse al alcanzar la temperatura de auto ignición” (Bosch, 2005).
El octanaje no es una magnitud de potencial, al contrario, es la ponderación de la gasolina para no detonarse tempranamente. El octanaje sirve para describir la calidad antidetonante de una gasolina por medio de ensayos donde se obtienen diferentes parámetros como el RON que es el número de Octano Investigado y el MON que es el número de Octano del motor. RON: Research Octane Number: este método sirve para cuantificar el número de octanos de una gasolina, posee un método normalizado por el Instituto Ecuatoriano de Normalización. MON: Motor Octane Number: sirve para identificar el procedimiento para cuantificar el número de octanos de una gasolina, mediante el método normalizado por el Instituto Ecuatoriano de Normalización (INEN 935, 2016).
El objetivo del estudio es la de responder a la pregunta ¿Qué pasa con el motor si se mezclan los dos tipos de gasolinas Extra y Súper?. Para cumplir con el objetivo se plantea desarrollar mediciones del motor de potencia, torque y emisiones de gases contaminantes mediante pruebas dinámicas y estáticas. El Ecuador comercializa tres tipos de combustibles: Extra, Súper y Diesel. Si bien esta tercera es una opción relativamente reciente para carros particulares, las dos primeras sin duda son las más comercializadas. La mayor diferencia entre estos dos combustibles, además de que la Súper es más costosa, es su octanaje. Mezclar gasolinas se lo debe hacer bajo riesgos y beneficios que se consiguen en el motor (Seguros 123, 2016).
2. Metodología
Para realizar el estudio, se inició con la adquisición del combustible para las pruebas, gasolina Extra de 87 octanos y gasolina Súper de 92 octanos, en una estación de servicio del Distrito Metropolitano de Quito, adicionalmente se realizaron dos mezclas con las muestras de ambas gasolinas, la primera 50% volumen (50/50) de cada tipo y la segunda mezcla con gasolina Súper al 70% en volumen y Extra al 30% volumen (70/30). Posteriormente se determinó el número real RON de las muestras utilizando un octanómetro como se aprecia en la Figura 1, empleando 1000 ml de cada muestra.
En la Tabla 1 se indica las características técnicas del octanómetro del Laboratorio de Petróleos de la Escuela Politécnica Nacional.
Las pruebas se realizaron en un automóvil marca Chevrolet, modelo Aveo Activo, con motor de combustión interna ciclo Otto de 1.6 litros de cilindraje, se seleccionó este modelo porque es uno de los modelos más común en el parque automotor ecuatoriano. Para que los datos obtenidos en las pruebas sean confiables, se efectuó un mantenimiento y puesta a punto de los sistemas del vehículo y del motor. Para determinar las curvas de potencia y torque se ejecutaron pruebas en un dinamómetro de rodillos tipo chasis como se indica en la Figura 2, se realizaron tres mediciones de cada muestra de gasolina.
Para determinar los niveles de emisiones de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos no combustionado (HC), óxidos nitrógeno (NOX), factor lambda (𝝀), y oxígeno (O2) que genera el motor se realizaron pruebas estáticas y dinámicas.
En las pruebas estáticas, se utilizó un analizador de gases y se midió las emisiones en ralentí (800 rpm) y a 2500 rpm, estos valores se compararon con los límites permitidos en la norma NTE INEN 2204:2017: Gestión ambiental. Aire. Vehículos automotores. Límites permitidos de emisiones producidas por fuentes móviles terrestres de gasolina.
Mientras que para las pruebas dinámicas se utilizó un banco de pruebas ASM (Acceleration Simulation Mode) que simula cargas externas en dos etapas ASM 2525 y ASM 5015, los valores obtenidos se compararon con el Decreto Supremo 149/2006 del Ministerio de Transporte y Comunicaciones de la República de Chile. La medición se realiza con el vehículo detenido y las ruedas del eje de transmisión en movimiento sobre unos rodillos. En la primera etapa ASM 2525, se simula que el vehículo recorre a una velocidad constante de 25 millas/h (40 km/h) con el dinamómetro ajustado para que alcance un 25% de aceleración máxima. En la segunda etapa ASM 5015 se simula que el vehículo recorre a una velocidad de 50 millas/h (24 km/h) con el dinamómetro ajustado para que alcance el 50% de la aceleración máxima. Esta medición ayuda a determinar los ppm de NOx (celda fotoquímica), HC y CO (infrarojo disperso).
Para la medición del consumo de combustible del motor ciclo Otto utilizando cada muestra de gasolina, se procedió al uso del vehículo en una ruta de prueba de ciclo combinado, con tramos de la ruta en diferentes grados de inclinación, se tomaron en cuenta condiciones de horario para realizar las pruebas y patrones de manejo. La Figura 3 indica la ruta homologada, la distancia real recorrida fue de 18 km en un tiempo aproximado de 45 minutos y comprendió las siguientes avenidas: Av. Interoceánica, Av. Libertador Simón Bolívar, Av. De los Granados, Av. Eloy Alfaro, Av. Río Coca, Av. De los Shyris, Av. 6 de Diciembre, Av. Francisco de Orellana, Av. La Coruña, Av. 12 de Octubre. (Quinchimbla & Solís, 2017)
3. Resultados
Luego de realizar la prueba con el octanómetro, de cada una de las muestras de combustibles, se encontró que la gasolina Súper cumple con lo dispuesto en la norma INEN 935, la gasolina Extra tiene 1.6 octanos menos de lo dispuesto en la normativa, mientras que las mezclas de gasolina 50/50 y 70/30 formaron un nuevo número de octanos con 88.8 y 89.8 respectivamente. Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 4.
En las Figuras 5 Figuras 6 , se observan las curvas de los resultados de potencia máxima y torque máximo promedio, obtenidas en el dinamómetro, de la gasolina Extra, gasolina Súper, de la mezcla gasolina Extra al 50%V con gasolina Súper al 50%V y de la mezcla entre gasolina súper al 70%V con gasolina extra al 30%V.
La mezcla de gasolina Súper 50%V con Extra 50%V tuvo un mayor valor de potencia máxima con 81.3 HP, la que obtuvo menor potencia fue la gasolina Súper con 77.6 HP. Al realizar las pruebas de torque se encontró que el torque máximo del motor se obtuvo de la gasolina Súper con un valor máximo de 89.2 lb-ft, la mezcla de gasolina Súper 70%V con Extra 30%V fue la que menor torque produjo con 86.4 lb-ft.
En las Figuras 7 Figura 8,Figura 9,Figura 10,Figura11,Figura 12 se presentan los resultados de las mediciones de CO, CO2, HC, O2, NOx y factor lambda respectivamente, los valores se obtuvieron en pruebas dinámicas en los ciclos simulados ASM 5015 y ASM 2525.
Para el CO, en el ciclo ASM 2525, la gasolina Súper y la mezcla Súper 50%V con Extra 50% V con 0.02%V mientras que la más contaminante fue la Extra con 0.1%V; en ciclo ASM 5015 la gasolina Súper fue la menos contaminante con 0.02%V y la más contaminante la Extra 0.09 %V.
Para el CO2, en el ciclo ASM 2525, la menor medición fue para la gasolina Extra 14,78%V mientras que la mezcla Súper 70%V con Extra 30%V obtuvo el mayor valor con 15.29%V; en ciclo ASM 5015, la que menos contamina fue la Súper con 14.54 %V y la más contaminante fue la mezcla Súper 70%V con Extra 30%V con 15.24%V.
Para HC, tanto en el ciclo ASM 2525 y ASM 5015 la menos contaminante fue la gasolina Extra con 3.91 y 1.25 ppm respectivamente, mientras que la más contaminante fue la mezcla Súper 70%V con Extra 30%V con 7.12 y 8.92 ppm respectivamente.
Para el O2, en el ciclo ASM 2525 las cuatro muestras produjeron el mismo valor con 0.03%V, mientras que para el ciclo ASM 5015 las menos contaminantes fueron la gasolina Súper y la mezcla Súper 70%V con Extra 30%V con 0.04% V y la más contaminante con 0.06%V.
Para la medición de NOx, en el ciclo ASM 2525 la menos contaminante fue la mezcla súper 50%V con extra 50%V con 35 ppm, la más contaminante fue la Extra con 205 ppm; en el ciclo ASM 5015 la menos contaminantes fue la mezcla Súper 70%V con Extra 30%V con 220 ppm y la más contaminante, la Extra con 294 ppm.
Los resultados se encuentran dentro del rango permisible de CO, CO2, NOx, HC y O2 según el Decreto Nº 149. El factor lambda no presenta mayor variación tanto para los ciclos ASM 2525 y ASM 5015 para todas las muestras y fue aproximadamente igual a 1.
En las Figuras 13 Figuras 14 Figuras 15 Figuras 16 Figuras 17,(CO, CO2, HC, O2, factor lambda respectivamente), se presentan los resultados obtenidos de las pruebas estáticas, los ensayos se realizaron en ralentí a 800 rpm y a 2500 rpm.
En el caso del CO, la gasolina Súper fue la menos contaminante con 0.0067%V, mientras que las demás muestras tuvieron un valor 0.01%V en ralentí, 2500 rpm la menos contaminante fue la Extra con 0%V, y la más contaminante la Súper con 0.01%V.
Para el CO2, la gasolina Súper fue la menos contaminante con 7.9%V en ralentí y a 2500 rpm la gasolina extra con 7.2%V. Mientras que la más contaminante fue tanto ralentí como a 2500 rpm, la mezcla Súper 50%V Extra 50%V con 8.43%V y 8.33%V respectivamente.
Para el HC, la gasolina Súper fue la menos contaminante tanto a ralentí como a 2500 rpm, con 0.33 ppm y 1.67 ppm respectivamente, mientras que la más contaminante fue la mezcla Súper 50%V Extra 50%V con 8.43 y 8.33 ppm respectivamente.
Para el caso del O2, la gasolina Súper, Extra y mezcla Súper 70%V con Extra 30%V emitieron 0.00%V en ralentí, mientras que la mezcla Súper 50%V con Extra 50% fue la más contaminante con 0.02%V. A 2500 rpm, la menos contaminantes fueron la gasolina Súper y la mezcla Súper 70%V con Extra 30%V con 0.00%V, mientras que la más contaminante la Extra con 0.28%V.
Al igual que en las pruebas dinámicas, el factor lambda no presenta mayores variaciones en las mezclas con valores cercanos a 1.0, a excepción de la gasolina Extra a 2500 rpm, con un valor de 1.026.
Los resultados se encuentran dentro del rango permisible de CO, CO2, HC y O2 según la norma INEN 2204.
Para la medición del consumo de combustible se utilizó el vehículo en una ruta con un trayecto aproximado de 18 kilómetros con una duración de 44 minutos con una velocidad promedio de 70 km/h. La cantidad de combustible utilizado de gasolina Extra, Súper, mezcla Súper 70%V con Extra 30%V con y mezcla Súper 50%V con Extra 50%V fue de 0.967, 0.842, 0.846 y 1.202 litros respectivamente.
Se verificó la repetibilidad y reproducibilidad de la metodología aplicada en las mediciones, utilizando gráficos de control de Medias y Rangos.
Calculo del promedio 
y 
(1)
(2)
Cálculo del rango promedio 
y el promedio del proceso 
.
( 3)
( 4)
Donde 
es el número de subgrupos, 
es el rango de cada subgrupo, 
, son el promedio de cada subgrupo.
Cálculo de límites de control: Los límites de control se calculan para conocer la variación de cada subgrupo, se basan en el tamaño de los subgrupos, se calculan de la siguiente manera:
(5)
(6)
(7)
(8)
4. Conclusiones y recomendaciones
Los resultados obtenidos cumplen con la norma INEN 935, se determinó que la gasolina Súper tiene 92 octanos, en cambio la gasolina Extra no cumple la norma, sólo posee 85.4 octanos de los 87 octanos.
Al mezclar las gasolinas Súper y Extra, se forman un nuevo número de RON, que depende del porcentaje de volumen utilizado para cada mezcla, en ambos casos menor que la gasolina Súper. El comportamiento de los resultados obtenidos es similar a los estudios de mezcla de gasolina con alcohol anhídrido y del estudio de gasolina con adición de aditivos.
El motor con la mezcla de gasolina Súper 50%V con Extra 50%V alcanzó un valor mayor de potencia 81.3 HP, con la mezcla Súper 70%V con Extra 30%V 79.9 HP, mientras que utilizando las gasolinas que se comercializan alcanzó una potencia de 79.4 HP con Súper y 77.6 HP con Extra.
El torque usando la gasolina Súper produjo el mayor torque con 89.2 lb-ft mientras que la Extra produjo 86.8 lb-ft. Al realizar la mezcla entre gasolinas, se consiguió que el motor desarrolle menor torque.
En cuanto a las pruebas dinámicas de emisiones de CO la gasolina Súper emitió 0.02%V, la Extra con un valor 5 veces mayor: Al momento de realizar la mezcla con la Súper, se disminuyó este gas consiguiendo valores de 0.03%V.
En cuanto al CO2 las gasolinas puras emitieron un valor aproximado a 14.7%V, pero a diferencia del CO en la mezcla el CO2 emitió un mayor valor aproximado a 15.2%V.
En el caso de HC, la gasolina Extra es menos contaminante con un valor de 3.91 ppm y 1.25 ppm, mientras que la Súper presenta 6.1 y 7.63 ppm para cada ciclo ASM 2525 y ASM 5015 respectivamente. Al realizar las mezclas se aumentó el valor de HC.
En el caso del O2, no hubo mayor variación al efectuar las pruebas con las muestras puras o en mezclas con un valor promedio de 0.04 %V.
En el caso del NOx, la mezcla Súper 50%V y Extra 50%V fue la menos contaminante con un valor en el ciclo ASM 2525 de 35 ppm mientras que para el ciclo ASM 5015 fue la mezcla Súper 70%V y Extra 30%V de 220 ppm, la gasolina Súper obtuvo valores muy similares a estas dos mezclas, sin embargo, la Extra fue más contaminante con valores de 205 y 294 ppm para cada ciclo respectivamente.
Los valores de las pruebas dinámicas se encuentran dentro del rango permisible para estos gases según el Decreto Nº 149.
En las pruebas estáticas, el CO, en ralentí la gasolina Súper fue la menos contaminante con un valor de 0.0067%V, mientras que a 2500 rpm fue la Extra con un valor de 0.00%V, con las mezclas, en ralentí alcanzó un valor similar al de la Extra (1%V) y a 2500 rpm un valor de 0.0067%V.
Para el caso del CO2, en ralentí y a 2500 rpm, las muestras puras no tuvieron mayor variación con valores aproximados de 8%V y 7.4%V respectivamente, la mezcla aumentó el nivel de emisión a un rango aproximado de 8.3%V.
En el caso de HC, la gasolina Súper fue la menos contaminante con un valor de 0.33 ppm a ralentí y 1.67 ppm a 2500 rpm, para la Extra en ambas pruebas un valor de 2 ppm, al realizar las mezclas se emitieron mayores contaminantes que las muestras puras, en el caso de la mezcla Súper 50%V con Extra 50%V en ralentí a ser casi 25 veces mayor que la Súper.
En el caso del O2, la gasolina Súper y la mezcla Súper 70%V con Extra 30%V, fueron las menos contaminantes con un valor de 0.00%V tanto en ralentí como en a 2500 rpm. La Extra alcanzó un valor máximo a 2500 rpm de 0.28%V. Los contaminantes analizados se encuentran dentro del rango permisible de la norma INEN 2204.
Para el caso del factor Lambda no existió mayor diferencia tanto para las muestras puras como para las mezclas en las pruebas dinámicas o estáticas, con un valor aproximado a 1.0.
El motor consumió menos combustible en la ruta con la gasolina Súper con 0.842 l, en cambio consumió más combustible con la mezcla de gasolina Súper 50%V con Extra 50%V, 1.202 l, la mezcla de gasolina Súper 70%V con Extra 30%V tuvo un consumo similar a la gasolina Súper, y la Extra un valor intermedio con 0.967 l.
