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Introducción
La combustión de combustibles fósiles derivados del petróleo produce emisiones tóxicas y perjudiciales para la salud pública. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), nueve de cada diez personas en todo el mundo están expuestas a aire contaminado, lo que contribuye a la muerte prematura de aproximadamente siete millones de personas cada año [1]. En América Latina y el Caribe, más de 100 millones de personas están expuestas a niveles de contaminación del aire que superan los umbrales recomendados por la OMS [2, 3]. Es importante señalar que las emisiones de los motores diésel han sido clasificadas como cancerígenas para los seres humanos [4, 5].
El sector del transporte ha superado al sector energético como el principal contribuyente a las emisiones de carbono y otros contaminantes, que agravan el efecto invernadero y el calentamiento global [6]. Según el Foro Internacional de Transporte, las emisiones de dióxido de carbono (CO2) del transporte representan el 23 % del total mundial y constituyen el 30 % de todas las emisiones de CO2 derivadas de la combustión de combustibles fósiles [7]. Además, el sector del transporte es la principal fuente de contaminantes atmosféricos convencionales, responsables de las altas concentraciones de ozono y material particulado (PM)en entornos urbanos [8].
Aunque existe abundante literatura sobre las emisiones vehiculares, la mayoría de los estudios se han realizado en ciudades ubicadas a nivel del mar o cerca de este [9]. En Ecuador, la contaminación del aire provocada por la combustión de hidrocarburos ha alcanzado niveles alarmantes en los últimos años. Uno de los principales factores que más contribuye a esta situación es la topografía del país, con ciudades como el Distrito Metropolitano de Quito, situado a una altitud promedio de 2850 metros sobre el nivel del mar [10]. A grandes altitudes, la combustión se vuelve menos eficiente, lo que genera un aumento en las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y material particulado (PM) [11].
Además, el diésel utilizado en Ecuador contiene aproximadamente 350 ppm de azufre, lo que limita la importación de vehículos equipados con tecnologías de postratamiento diseñadas para reducir las emisiones de NOx y PM [12]. Las altitudes elevadas también se asocian con un aumento en las emisiones de hidrocarburos no quemados (HC), PM y hollín [13]. Asimismo, existe evidencia de que las emisiones reales de NOx en vehículos diésel han mostrado poca mejora en el tiempo y con frecuencia superan los límites regulatorios por márgenes significativos [14, 15].
La altitud afecta las presiones de admisión y escape, lo que puede provocar la obstrucción de los filtros de aire y de los filtros de partículas diésel (DPF). También se han documentado variaciones en las características de pulverización y combustión en motores diésel a lo largo de altitudes entre 0 y 4500 metros, siendo la presión de inyección un factor determinante [16].
Según Fontaras et al. [17], el Procedimiento Mundial Armonizado de Pruebas para Vehículos Ligeros (WLTP,) proporciona estimaciones de emisiones de CO2 más representativas de las condiciones reales de conducción que las del Nuevo Ciclo de Conducción Europeo (NEDC). Sin embargo, la prueba de Emisiones en Condiciones Reales de Conducción (RDE), diseñada para asegurar el cumplimiento normativo en carretera, apunta específicamente a la reducción de las emisiones de NOx en vehículos diésel, mediante el uso de Sistemas Portátiles de Medición de Emisiones (PEMS) [18].
Tradicionalmente, las emisiones vehiculares se evalúan mediante ciclos de prueba estandarizados aplicados en dinamómetros, como el Nuevo Ciclo de Conducción Europeo (NEDC), el Ciclo de Prueba Mundialmente Armonizado para Vehículos Ligeros (WLTC) y el Procedimiento de Prueba Federal de la EPA (FTP-75). Sin embargo, diversos estudios han demostrado que estos protocolos de laboratorio no siempre reflejan con precisión el comportamiento real de las emisiones durante la operación cotidiana de los vehículos. Como resultado, las metodologías de prueba en carretera han ganado relevancia, al utilizar PEMS para evaluar el desempeño de los vehículos en escenarios de conducción reales, incluyendo pendientes, variabilidad del tráfico, fluctuaciones de temperatura ambiente y cambios en la velocidad de conducción. Según Kousoulidou et al. [19], las emisiones reales de óxidos de nitrógeno (NOx) y material particulado (PM) pueden ser de dos a cuatro veces mayores que las medidas en entornos de laboratorio controlados.
Los motores diésel son reconocidos por su bajo costo de instalación, alta eficiencia energética, estabilidad operativa y notable adaptabilidad a diversas condiciones [20, 21]. Sin embargo, las reservas de combustibles fósiles están disminuyendo rápidamente debido al ritmo actual de consumo [22]. Esto ha impulsado un creciente interés en el desarrollo de combustibles alternativos renovables, sostenibles y ambientalmente responsables. Entre estos, los biocombustibles se perfilan como una fuente energética prometedora, capaz de fortalecer la seguridad energética, económica y ambiental [23].
El biodiésel, en particular, ha captado la atención mundial, tanto como componente de mezclas como sustituto directo de los combustibles convencionales en los motores de combustión interna (ICE) [24,25]. Para mitigar las emisiones de contaminantes nocivos, se han propuesto mezclas de diésel con biodiésel derivado de oleaginosas y otras materias primas como alternativas viables [26]. No obstante, existe escasa evidencia empírica sobre el impacto de estas mezclas en el rendimiento y las emisiones de motores diésel no diseñados originalmente para con biodiésel [27].
Además, los estudios que analizan los efectos sobre la salud de la combustión de biodiésel deben interpretarse considerando los avances tecnológicos en motores diésel, desarrollados en respuesta a regulaciones de emisiones más estrictas [28, 29].
El biodiésel ha emergido como una alternativa viable a los combustibles fósiles, despertando un interés creciente por su capacidad para reducir emisiones contaminantes y mitigar el impacto ambiental de los motores de encendido por compresión. Derivado de materias primas renovables como aceites vegetales, grasas animales y aceites de cocina reciclados, este biocombustible ofrece ventajas significativas en términos de sostenibilidad y reducción de gases de efecto invernadero (GEI) [30, 31].
Según Demirbas [32], las emisiones de dióxido de carbono (CO2) procedentes de la combustión de biodiésel pueden reducirse hasta en un 78 % en comparación con el diésel convencional. Asimismo, el biodiésel genera menores emisiones de material particulado, óxidos de azufre (SOx) y monóxido de carbono (CO), lo cual contribuye a una mejor calidad del aire urbano [33]. No obstante, su impacto sobre las emisiones de NOx sigue siendo variable, dependiendo de factores como las condiciones de combustión y el diseño del motor.
Este estudio tiene como objetivo evaluar el impacto de las mezclas de biodiésel B10 y B20, derivadas de aceite de freído usado y combinadasas con diésel. convencional, sobre las emisiones vehiculares en condiciones de gran altitud, dentro de un rango de 2619 a 2877 metros sobre el nivel del mar. La evaluación se llevó a cabo mediante pruebas en carretera, con el fin de cuantificar las emisiones durante la conducción real en el Distrito Metropolitano de Quito, Ecuador.
Materiales y métodos
El trabajo experimental se desarrolló en dos etapas. La primera etapa correspondió a la caracterización del combustible diésel base y sus mezclas con biodiésel. La segunda etapa incluyó la evaluación de las emisiones del escape de un motor diésel alimentado con diésel puro y mezclas de biodiésel-diésel (B10 y B20). Todas las pruebas se realizaron a una altitud de 2810 metros sobre el nivel del mar, en el Laboratorio de Análisis de Vehículos y Movilidad Sostenible (LIAVMS), ubicado en Quito, Ecuador.
Caracterización del aceite de cocina usado y producción de biodiésel.
Se recolectaron 100 litros de aceite de cocina usado de un restaurante ubicado en las cercanías de la Universidad SEK en Quito, Ecuador. El aceite fue centrifugado y filtrado para eliminar sólidos suspendidos, y posteriormente calentado para reducir su contenido de agua. El aceite recolectado había sido sometido a al menos diez ciclos de fritura previos a su recuperación. La Tabla 1 presenta las características fisicoquímicas y propiedades relevantes como combustible del aceite de cocina usado [34].
El aceite de cocina usado fue transformado en ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME) mediante un proceso de transesterificación catalizada por base, utilizando hidróxido de potasio (KOH) disuelto en metanol. La reacción se llevó a cabo en un baño térmico a 90 °C durante 3 horas, con una velocidad de agitación de 900 rpm. Al finalizar, la mezcla de reacción fue filtrada utilizando equipo Millipore. Para purificar el filtrado, se añadieron 5 mL de agua Milli-Q para el lavado, seguidos de 2 mL de una mezcla de hexano: dietil éter (80:20) para eliminar impurezas residuales, trazas de catalizador y solvente. La mezcla fue transferida a embudos de separación y se dejó reposar durante 20 minutos para facilitar la separación de fases. La fase orgánica fue recolectada en tubos previamente pesados y secada en un horno a 60 °C durante 24 horas.
El costo de producción de un litro de biodiésel en condiciones de laboratorio fue de aproximadamente tres dólares estadounidenses, un valor que podría reducirse en procesos industriales. En comparación, el precio internacional del diésel convencional ronda el dólar por litro, lo cual hace que la producción de biodiésel sea económicamente inviable a escala de laboratorio. No obstante, es importante destacar que el biodiésel no suele utilizarse en una concentración del 100 % (B100). La literatura recomienda mezclas no superiores al 20 % (B20), debido a la reducción del torque y potencia del motor asociada [35]. Por lo tanto, un litro de biodiésel puede mezclarse con al menos cinco litros de diésel convencional, lo que mejora su viabilidad económica cuando se aplica bajo condiciones reales de mezcla.
Caracterización de las mezclas diésel/biodiésel
Se presentan las propiedades fisicoquímicas de las muestras de combustible, caracterizadas de acuerdo con las normas ASTM y comparadas con los límites establecidos por la Norma Técnica Ecuatoriana INEN 1489:2012 para mezclas de diésel y biodiésel. Todos los valores medidos cumplieron con los requisitos especificados. Según la literatura, un número de cetano más alto contribuye a mejorar el desempeño de la combustión en motores diésel [26], [33].
Vehículos de prueba
La Tabla 3 presenta las especificaciones técnicas de los dos vehículos de prueba utilizados en este estudio. El primer vehículo, una furgoneta MB-5 año modelo 2015, registraba un kilometraje de 55 000 km. El segundo vehículo, una furgoneta H2.5 también del 2015, había acumulado 143 365 km. Aunque la H2.5 está equipada con un sistema de inyección más antiguo, fue incluida en el estudio debido a su continua presencia en el mercado de vehículos usados en Ecuador. Además, este tipo de motor sigue siendo utilizado en aplicaciones de alta demanda, como camiones, locomotoras y embarcaciones marítimas, donde la durabilidad y la simplicidad mecánica son características clave.
Antes de las pruebas experimentales, ambos vehículos fueron sometidos a mantenimiento preventivo, que incluyó cambio de aceite, reemplazo de filtros de combustible y limpieza de inyectores. El modelo de vehículo seleccionado es de uso común en regiones montañosas de Ecuador, dada la variabilidad geográfica del país y la prevalencia de vías de tercer orden. Además, la marca del vehículo se encuentra entre las diez más vendidas en el parque automotor nacional, lo cual añade relevancia a su inclusión en el estudio [36]. Su cilindrada representa una configuración promedio para esta clase de vehículos y está equipado con un convertidor catalítico, diseñado para reducir las emisiones contaminantes.
Circuito vial
El ciclo de conducción utilizado en este estudio se basó en la ruta desarrollada por Pisuña y Solís [36], con una longitud total de 15 673 metros, que comprende 7993 metros de carretera suburbana y 7680 metros de segmentos urbanos. La Figura 1 muestra la ruta seleccionada para las pruebas de emisiones a bordo, diseñada para evaluar el desempeño del vehículo en relación con la altitud y las emisiones contaminantes. La elevación promedio a lo largo de la ruta es de 2610 metros sobre el nivel del mar [37].
La ruta se divide en dos secciones principales. La primera comienza con un ascenso por la Avenida Rumiñahui, durante el cual se recopilaron datos para análisis posteriores, seguido de un descenso hacia el intercambiador del Trébol, que proporcionó un segundo conjunto de mediciones. La segunda sección abarca la porción urbana de la ruta, extendiéndose desde el intercambiador del Trébol hasta la Plaza Artigas. Esta fase del estudio consideró variables como la densidad del tráfico, el número de vehículos circulantes, la temperatura ambiental y las condiciones climáticas. Los datos recolectados permitieron realizar un análisis comparativo entre las diferentes alternativas de combustible y sus impactos ambientales bajo condiciones reales de conducción.
El estudio fue diseñado para analizar la ruta en secciones discretas en lugar de tratarla como un tramo continuo, fundamentado en múltiples consideraciones técnicas. Estas incluyeron la variabilidad en la carga del motor, la necesidad de una caracterización precisa del comportamiento de conducción en condiciones reales, una mejor calibración de los modelos de simulación, y el desarrollo de estrategias de mitigación específicas para los segmentos asociados con mayores niveles de emisiones, como pendientes pronunciadas o áreas urbanas congestionadas.
Sistema portátil de adquisición de datos de emisiones
Las mediciones de gases de escape se realizaron utilizando el equipo Axion OEM-2100AX, el cual registra las concentraciones volumétricas de contaminantes mediante su interfaz con el puerto de diagnóstico a bordo del vehículo (OBD2) [28]. Las especificaciones técnicas del equipo se presentan en la Tabla 4.
Análisis de variables
Se implementó un diseño factorial multinivel para evaluar diversas mezclas de combustible (diésel, B10 y B20) en dos vehículos con tecnologías de inyección distintas: inyección directa common rail (CRDI) y sistema de bomba de inyección mecánica. Cada vehículo fue probado bajo tres condiciones de conducción: ascenso, urbano y descenso, generando múltiples combinaciones experimentales para la evaluación de emisiones de monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC), óxidos de nitrógeno (NOx), así como las concentraciones de oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2).
Se realizaron cinco repeticiones para cada condición experimental. Se aplicaron cartas de control para evaluar la fiabilidad de los datos, asegurando la consistencia mediante la identificación de desviaciones respecto a los umbrales de aceptables [38]. La nomenclatura utilizada para las combinaciones factoriales se resume en las Tablas 5 y 6. La metodología estadística sigue el enfoque propuesto por varios autores, incluyendo [24].
Según Serrano et al. [39], la influencia de las variables independientes sobre las variables respuesta puede analizarse eficazmente mediante la metodología de superficie de respuesta (RSM, por sus siglas en inglés) [40, 41]. El análisis estadístico fue realizado utilizando la versión educativa de Statgraphics Centurion XVI.
Resultados y discusión
Esta sección presenta los resultados obtenidos a partir de los procedimientos experimentales. Las Tablas 7 y 8 resumen los datos utilizados en el análisis de superficie de respuesta (RSM) para los dos vehículos de prueba. En todos los casos, las desviaciones estándar fueron bajas y los coeficientes de variación se mantuvieron por debajo del 20 %, lo cual indica niveles de variabilidad moderados y aceptables. Los valores de rango, definidos como la diferencia entre las mediciones máximas y mínimas, también se ubicaron dentro de límites aceptables para la mayoría de las variables evaluadas. La metodología de superficie de respuesta (RSM) ha sido ampliamente utilizada en estudios similares para evaluar la influencia de múltiples factores independientes sobre variables dependientes, así como para construir modelos predictivos de sus interacciones. Este enfoque ha sido aplicado por Morales-Bayetero et al. [35], Guardia et al. [41] y Rocha-Hoyos et al. [26], entre otros.
Nota: ADCO2 (ascenso diésel CO2 (%)), AB10CO2 (ascenso B10 CO2 (%)), AB20CO2 (ascenso B20 CO2 (%)), ADCO (ascenso diésel CO (%)), AB10CO (ascenso B10 CO (%)), AB20CO (ascenso B20 CO (%)), ADHC (ascenso diésel HC (ppm)), AB10HC (Ascenso B10 HC (ppm)), AB20HC (Ascenso B20 HC (ppm)), ADNOx (Ascenso diésel NOx (ppm)), AB10NOx (Ascenso B10 NOx (ppm)), AB20NOx (Ascenso B20 Nox (ppm)), DDCO2 (Descenso Diésel CO2 (%)), DB10CO2 (Descenso B10 CO2 (%)), DB20CO2 (Descenso B20 CO2 (%)), DDCO (Descenso Diésel CO (%)), DB10CO (Descenso B10 CO (%)), DB20CO (Descenso B20 CO (%)), DDHC (Descenso Diésel HC (ppm)), DB10HC (Descenso B10 HC (ppm)), DB20HC (Descenso B20 HC (ppm)), DDNOx (Descenso Diésel NOx (ppm)), DB10NOx (Descenso B10 NOx (ppm)), DB20NOx (Descenso B20 NOx (ppm)), UDCO2 (Urbano Diésel CO2 (%)), UB10CO2 (Urbano B10 CO2(%)), UB20CO2 (Urbano B20 CO2(%)), UDCO (Urbano Diésel CO (%)), UB10CO (Urbano B10 CO (%)), UB20CO (Urbano B20 CO (%)), UDHC (Urbano Diésel HC (ppm)), UB10HC (Urbano B10 HC (ppm)), UB20HC (Urbano B20 HC (ppm)), UDNOx (Urbano Diésel NOx (ppm)), UB10NOx (Urbano B10 NOx (ppm)), UB20NOx (Urbano B20 NOx (ppm)).
Análisis experimental de las emisiones de CO 2 y CO
La Figura 2 muestra los patrones de emisión de dióxido de carbono (CO2) del vehículo H2.5B (motor con bomba de inyección de 2.5 L) bajo diferentes tipos de combustible y condiciones de conducción. Las emisiones más bajas de CO2 se registraron durante el descenso utilizando combustible diésel convencional, alcanzando valores de aproximadamente 2,8 % en volumen, lo que indica una mayor eficiencia de combustión bajo carga reducida del motor y condiciones de operación favorables.
En cuanto a las emisiones de monóxido de carbono (CO), los resultados más favorables también se observaron al usar diésel durante el descenso, así como durante el ascenso utilizando biodiésel B20, donde las concentraciones de CO descendieron a aproximadamente 0,0008 % en volumen.
En el caso del vehículo M2.5C (motor CRDI de 2.5 L), el comportamiento de las emisiones de CO2 fue consistente con el observado en el vehículo H2.5B, como se muestra en la Figura 3a. Las concentraciones más bajas de CO2 se registraron durante el descenso, utilizando diésel convencional. Sin embargo, en lo referente a las emisiones de CO, el tipo de combustible no pareció ser un factor influyente significativo. En cambio, las condiciones de conducción jugaron un papel más determinante. Los valores más bajos de CO se observaron nuevamente durante el descenso, alcanzando aproximadamente 0.0008%, idénticos a los valores mínimos registrados para el vehículo H2.5B (Figura 3b) [42].
Figura 3 Emisiones de CO2 (a) y emisiones de CO (b) del vehículo M 2.5C en función del tipo de combustible y las condiciones de conducción.
El diagrama de Pareto presentado en la Figura 4 muestra la influencia relativa de los factores experimentales sobre las emisiones de CO2 . El diagrama incluye los efectos principales y las interacciones de dos factores: AC (Vehículo-Condición de conducción), BC (Combustible-Condición de conducción) y AB (Vehículo-Combustible). Entre estos, las condiciones de
conducción surgieron como el factor más significativo que influye en los niveles de CO2 . Este resultado se ve respaldado además por las tendencias mostradas en la Figura 5.
En el caso de las emisiones de CO, las variables más influyentes fueron el tipo de vehículo, las condiciones de conducción y su interacción, como se observa en la Figura 6.
Análisis experimental de las emisiones de HC
La Figura 7 muestra el comportamiento de las emisiones de hidrocarburos (HC) del vehículo H2.5B (motor con bomba de inyección de 2.5 L) en función del tipo de combustible y la condición de conducción. Las concentraciones más bajas de HC se registraron al utilizar diésel convencional, independientemente de la condición de conducción, lo que sugiere que en esta configuración vehicular, el tipo de combustible tiene una mayor influencia sobre las emisiones de HC que el modo de operación.
Figura 7 Comportamiento de las emisiones de HC en el vehículo H2.5B en relación con el combustible y las condiciones de conducción.
En contraste, el vehículo M2.5C (motor CRDI de 2.5 L) presentó una tendencia diferente, como se observa en la Figura 8. Las emisiones más bajas de HC se obtuvieron al operar con biodiésel B20 durante condiciones de ascenso.
Figura 8 Comportamiento de las emisiones de HC en el vehículo M2.5C en relación con el combustible y las condiciones de conducción.
El diagrama de Pareto de la Figura9 muestra la influencia de los factores en las emisiones de HC, donde las condiciones de conducción y la interacción del tipo de automóvil con el tipo de combustible y las condiciones de conducción son los más relevantes. En la Figura 10 se muestran por separado los efectos de cada una de las variables sobre el efecto evaluado.
Análisis experimental de las emisiones de No x
La Figura 11 muestra el comportamiento de las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) de los vehículos M2.5C (CRDI de 2.5 L) y H2.5B (bomba de inyección de 2.5 L) en función del tipo de combustible y la condición de conducción. Las emisiones más bajas de NOx se registraron durante las condiciones de descenso, sin que el tipo de combustible mostrara un efecto estadísticamente significativo en este contexto.
Figura 11 Emisiones de NOx en función del tipo de combustible y las condiciones de conducción para el vehículo M2.5C (a) y el vehículo H2.5B (b).
Estudios previos, como el de Rocha-Hoyos et al. [26], han reportado que la combustión de biodiésel tiende a reducir material particulado, el monóxido de carbono y la opacidad del humo, mientras que incrementa ligeramente las emisiones de NOx en comparación con el diésel convencional. De manera similar, los hallazgos de Tesfa et al. [29] sugieren que el uso de biodiésel generalmente resulta en niveles elevados de NOx, independientemente
de la fuente de materia prima.
Sin embargo, en el presente estudio, los incrementos observados no fueron estadísticamente significativos, probablemente debido a las condiciones de conducción en altitud elevada y al enfoque de medición en condiciones reales, que reflejan con mayor precisión la operación efectiva del vehículo en comparación con las pruebas de laboratorio. Se han propuesto estrategias adicionales, como la mezcla de biodiésel con etanol, para mitigar de forma más eficaz las emisiones de NOx [43].
Conclusiones
La caracterización química del aceite de fritura usado reveló un número de cetano de 47, lo que confirma su idoneidad para la producción de biodiésel mediante transesterificación.
Las mezclas de biodiésel (B10 y B20) cumplieron con los criterios de calidad establecidos por la Norma INEN 1489:2012, validando su potencial como combustibles alternativos en motores de encendido por compresión.
Las emisiones de CO2 y CO de los vehículos H2.5B y M2.5C fueron menores bajo condiciones de descenso, al utilizar combustibles diésel convencionales. Este comportamiento se atribuye a la reducción de la carga del motor, la operación en modo de desaceleración o corte de inyección, y una mejora general en la eficiencia de combustión en tales escenarios.
Las emisiones de hidrocarburos se minimizaron durante el ascenso al utilizar biodiésel B20 en ambos vehículos. El mayor contenido de oxígeno en el biodiésel probablemente mejoró la combustión bajo condiciones de alta carga, reduciendo así los hidrocarburos no quemados.
Las emisiones de NOx también fueron menores durante el descenso, independientemente del tipo de combustible, debido a la disminución de la temperatura en la cámara de combustión y la menor carga del motor en dichas condiciones operativas.
