INFORME EJECUTIVO FINAL PROYECTO EVALUACIÓN DEL...

INFORME EJECUTIVO FINAL

PROYECTO

EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO ENERGÉTICO Y AMBIENTAL DEL BIODIESEL

CONTRATO No. 001-2007D3347-499-07

FINANCIADO POR

MINISTERIO DE AGRICULTURA Y DESARROLLO RURAL

ÁREA METROPOLITANA DEL VALLE DE ABURRÁ

REALIZADO POR

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

GRUPO GIMEL

Noviembre de 2009

Evaluación del desempeño energético y ambiental del biodiesel. Contrato No. 2007 D3347-499

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CONTENIDO 1. Fecha de entrega del informe final: ....................................................................................................... 4

2. Identificación del programa:.................................................................................................................. 4

3. Identificación del proyecto: ................................................................................................................... 4

4. Tiempo de ejecución: ............................................................................................................................ 4

5. Fecha de iniciación: ............................................................................................................................... 4

6. Fecha de finalización: ............................................................................................................................ 4

7. Prórrogas: .............................................................................................................................................. 4

8. Desembolsos:......................................................................................................................................... 4

9. Alianza: ................................................................................................................................................. 4

10. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 4

El Biodiesel en Colombia .......................................................................................................................... 8

Normatividad Colombiana ........................................................................................................................ 9

11. RESUMEN ..................................................................................................................................... 11

12. OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................ 11

13. Objetivos Específicos ..................................................................................................................... 12

Objetivo Específico 1: ............................................................................................................................. 12

Resultado esperado: ............................................................................................................................. 12

Metodología: ....................................................................................................................................... 12

Selección de los modos de funcionamiento ......................................................................................... 12

Matriz rectangular de puntos ............................................................................................................... 15

Metodología del ensayo ....................................................................................................................... 16

Resultados Alcanzados (Desempeño Mecánico) ................................................................................. 19

Resultados Alcanzados (Desempeño Ambiental)................................................................................ 28

Objetivo Específico 2: ............................................................................................................................. 34


EMISIONES ESPECÍFICAS .............................................................................................................. 34

INDICES DE EMISIÓN CONTAMINANTE (Ton/año) ................................................................... 36

Objetivo Específico 3: ......................................................................................................................... 42


Objetivo Específico 4: ......................................................................................................................... 64


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Variación frente a la exergía suministrada con el combustible ........................................................... 71

14. FUNCIONAMIENTO DE LA ALIANZA .................................................................................. 74

15. ANÁLISIS DE IMPACTOS ......................................................................................................... 75

16. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................................... 76

Respecto al desempeño mecánico del motor ........................................................................................... 76

Respecto al comportamiento ambiental del motor ................................................................................ 77

Respecto a los índices de emisiones ....................................................................................................... 77

Respecto a la caracterización del material particulado ........................................................................ 77

Recomendaciones ................................................................................................................................... 78

17. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................... 80

ANEXOS .................................................................................................................................................... 83

MODELO DE CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DE EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DEL MOTOR .................................................................................................................................................. 84

METODOLOGÍA PARA OBTENCIÓN DE LOS MODOS DE ENSAYO .................................... 97

DESCRIPCIÓN DE LA INSTRUMENTACION Y EQUIPOS DE MEDICIÓN EMPLEADOS ....... 110

ANÁLISIS DE LAS CONDICIONES AL INTERIOR DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN EN EL MOTOR ................................................................................................................................................ 119

PRUEBAS DE LUBRICIDAD DE LOS COMBUSTIBLES ............................................................... 122

CARACTERIZACIÓN Y PROPIEDADES DE LOS DIFERENTES BIODIESEL ENSAYADOS ... 126

RESUMEN DEL PROYECTO EN GRÁFICOS CLAVES ................................................................. 135

AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................................... 139


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1. Fecha de entrega del informe final: Noviembre 12 de 2009

2. Identificación del programa: Evaluación y valoración del biodiesel y glicerina obtenidos de oleaginosas autóctonas, código 2007D3347-499

3. Identificación del proyecto: Evaluación del comportamiento energético y ambiental

del biodiesel

4. Tiempo de ejecución: 24 meses

5. Fecha de iniciación: 26 Octubre de 2007

6. Fecha de finalización: 26 Octubre de 2009

7. Prórrogas: (No aplica)

8. Desembolsos: No

Desembolso % Valor Fecha Entidad

1 40 157.200.000 26/10/2007 MADR 2 40 157.200.000 6/10/2008 MADR 3 20 78.600.000 30/06/2009 MADR 4 40 40.000.000 08/07/08 ÁREA 5 40 40.000.000 07/11/08 ÁREA 6 20 20.000.000 20/02/09 ÁREA

9. Alianza: Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Área Metropolitana del Valle de

Aburrá (ÁREA), Universidad de Antioquia

10. INTRODUCCIÓN

La preocupación general por el carácter no renovable de los combustibles fósiles y la alta participación del sector transporte en el consumo total de energía primaria y por ende en la contaminación atmosférica de los centros urbanos, ha hecho que las investigaciones sobre fuentes alternativas de combustibles para vehículos, especialmente aquellas que son derivadas de la biomasa, hayan cobrado importancia en los últimos años. En particular el sector transporte, responsable de aproximadamente el 50% del consumo de crudo mundial (Figura 1), y con una tendencia claramente en aumento, es uno de los mayores contribuyentes al incremento de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), en cuyo sentido se estima que actualmente este sector contribuye con casi el 25% de las emisiones antropogénicas de CO2 a nivel global, y que para el año 2030 esta participación crecerá hasta un 80% [1]. Colombia no es la excepción a esta tendencia, según datos de la UPME [2], el mayor porcentaje de utilización de derivados del petróleo, como fuente energética para el sector transporte casi llega a un 95% de participación, que a su vez es la suma de la gasolina con un 96% y el diesel con un 67,5%, indicando la alta dependencia de los combustibles fósiles por parte de este sector (Figura 2).


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Figura 1. Demanda de energía primaria por sectores a nivel mundial, para el año 2005. Entre paréntesis la

proyección hacia el 2030 [1]

Figura 2. Participación del consumo de derivados de crudo en Colombia por sectores. 2006, [2]

El uso de la energía en el sector transporte incluye la energía consumida en el movimiento de personas y mercancías por carretera, líneas ferroviarias, aire y agua. De los anteriores, el componente de transporte por carretera incluye tanto los vehículos ligeros, tales como automóviles, vehículos utilitarios deportivos, minivans, camiones pequeños, y motocicletas, así como los vehículos pesados, camiones utilizados para el traslado de mercancías y autobuses de pasajeros; siendo evidente que el crecimiento en la actividad económica y de la población mundial son los principales factores que determinan la demanda de energía de este sector. Se prevé que, entre 2008 y 2030, la demanda de energía a partir de combustibles líquidos, para el sector del transporte, crezca más rápido que cualquier otro de los sectores, a una tasa promedio de 0,7% anual en los países industrializados y el 3,0% anual en los países en desarrollo [3].


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Figura 3. Proyección en la demanda mundial energética por sector (en Exajulios), a suplir con

combustibles líquidos, hacia el año 2030. Adaptado de [3]

Las proyecciones indican que, por ejemplo, en Estados unidos habrá cerca de 800 vehículos livianos por cada mil habitantes para el año 2030, mientras que en Brasil la cifra se acercará a los 200 vehículos de turismo por cada mil habitantes, en cuyo caso representaría un incremento de casi el 67% con respecto a 2005. En este mismo orden de ideas, países con economías en desarrollo, como las de Latinoamérica y Asia, actualmente estarán en el rango de 100 a 300 vehículos livianos por cada mil habitantes [4]. Mirando el panorama en términos de volumen, las proyecciones indican que a nivel mundial se pasaría de cerca de 740 millones de vehículos en 2006 a 1,3 billones en 2030, con tres cuartas partes de este aumento en los países desarrollados, y de estos, aproximadamente las dos terceras partes en los países asiáticos, en los que China presenta el caso más llamativo, pues se estima que para el año 2020 tenga 126 millones de automóviles para pasajeros, siendo superada sólo por Estados Unidos [4]. En lo que respecta al transporte de carga y público, se espera que para 2030 se haya doblado la cantidad actual de este tipo de vehículos, llegando 430 millones de unidades, con China y el sur Asiático como los países en los que se experimentará la mayor tasa de incremento. En estas condiciones, es más que evidente que las posibilidades de adquisición de vehículos por un número cada vez mayor de ciudadanos, especialmente en países con economías emergentes, y también con elevadas densidades de población, hacen que el transporte se convierta en el foco de atención y por tanto obliga a establecer medidas de control que permitan cumplir con las metas fijadas en el protocolo de Kyoto. Por otra parte, el incremento de gases de efecto invernadero (GEI) en nuestra atmósfera está ocasionando cambios irreversibles en el clima, mostrando una relación directa con el incremento de la temperatura media global del planeta como aparece documentado en numerosas publicaciones científicas y de opinión. Los altos precios del petróleo, el agotamiento de sus reservas, el compromiso de preservar el medio ambiente, y la diversificación de las fuentes de energía, son los que han contribuido a la búsqueda de nuevas alternativas energéticas, en lo posible renovables, entre las que cabe destacar la energía solar, energía eólica, energía geotérmica, el hidrógeno, fusión nuclear, los biocombustibles, etc. En la actualidad, aproximadamente el 14% de la energía del mundo


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proviene de fuentes de energía renovables (biomasa, residuos y otras energías renovables, sin considerar la energía hidroeléctrica) [3], lo que indica que el camino para lograr una consolidación de esta fuente energética aun es largo y deberá salvarse muchos obstáculos, tanto políticos, como sociales y económicos. A estas incógnitas, se suma el creciente cuestionamiento, de una parte, a la premisa de que los biocombustibles tienen un impacto positivo sobre las emisiones de GEI, y de otra que se requiere invertir más energía en su producción, de la que luego se obtiene de ellos. A lo que habría que agregar los interrogantes de orden ambiental, económico, social y político, como la seguridad alimentaria, incremento de precio de los alimentos, violación de derechos humanos, desplazamiento forzado de propietarios de tierras, empeoramiento del empleo rural, contaminación de suelos y aguas, deforestación y concentración de capital en pocas manos, destinación desigual de prebendas por parte de los gobiernos en relación con la asignación de subsidios y asignación de recursos para productores y zonas propicias para los cultivos energéticos, entre otros. De acuerdo con estudios de la Agencia Internacional de la Energía (IEA) sobre los posibles escenarios para los biocombustibles en los Estados Unidos de América y la Unión Europea, es posible que en el mediano plazo se pueda lograr un desplazamiento de la gasolina y el diesel derivados del petróleo por biocombustible hasta en un 6%, suponiendo que exista la disponibilidad de tierras. Un desplazamiento del 5% de la gasolina en la Unión Europea requiere del uso de cerca del 5% de la tierra total disponible para sembrar cultivos orientados a producir etanol, mientras que en los Estados unidos de América esta cifra se acerca al 8%. En el caso del biodiesel las cifras para desplazar un 5% del diesel petrolero son un 13% de la tierra total disponible en Europa y un 15% en Estados Unidos. [5]. La producción y masificación del uso de los biocombustibles tiene varios objetivos y se fundamenta en la necesidad de garantizar el abastecimiento energético de los países, disminuir su dependencia de los combustibles fósiles, adicional a los benéficos sociales, ambientales y económicos que se pueden obtener con la generación de empleos permanentes, el fortalecimiento del sector agrícola y de las economías regionales, el desarrollo agroindustrial, el mejoramiento de la calidad del aire que respiramos y la sustitución de cultivos ilícitos, entre otros beneficios.

Dentro de los biocombustibles más prometedores se puede mencionar el etanol y el biodiesel. Por un lado, el etanol es producido por la fermentación de materiales orgánicos como el maíz, el trigo, la remolacha, los cereales, la caña de azúcar, entre otros y usualmente se mezcla con gasolina a diferentes concentraciones. La producción mundial de etanol combustible se duplicó entre 2000 y 2005, siendo aproximadamente 10 veces la producción de Biodiesel [6]. Con respecto a esta producción mundial de etanol, existen dos grandes participantes, Brasil y Estados Unidos, pero otros gobiernos están considerando incluir los biocombustibles dentro de su portafolio energético. Actualmente todo el etanol que se produce en Estados Unidos se obtiene a partir del maíz, en donde en el lapso de 2000 a 2007 ha cuadruplicado su producción; no obstante el DOE [7] realiza esfuerzos para aumentar la producción de etanol celulósico, obtenido a partir de cultivos no alimentarios. Por su parte el etanol que produce Brasil lo obtiene principalmente de la caña de azúcar de la cual es uno de los principales productores en el mundo.

El biodiesel es un compuesto orgánico oxigenado derivado de una variedad de recursos


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renovables como lo son los aceites vegetales (girasol, soya, colza, palma, entre otros), grasa animal, y aceite para cocción. El proceso de producción se basa en la transesterificación, en la cual al agregar aceite, alcohol y un catalizador, se obtiene biodiesel y como productos adicionales glicerina, agua y residuos que pueden utilizarse como fertilizante. El proceso químico es relativamente sencillo, sin embargo, para producir un biodiesel de calidad deben optimizarse las variables del proceso, tales como el exceso y catálisis de metanol, la desactivación del catalizador, la agitación, la temperatura, entre otras [8].

En cuanto a la producción mundial de biodiesel, y teniendo en cuenta que su auge comenzó en la década del 90, su crecimiento ha sido significativo, pasando de una producción de 586 a casi 9000 millones de litros, producción que ha sido impulsada principalmente por la Unión Europea, la cual vio un mayor beneficio de éste debido al mayor consumo de diesel en la región. En este sentido se destaca Alemania, como la locomotora de Europa en la producción de biodiesel (con una participación del 54%) y con Francia e Italia en un distante segundo y tercer lugar con unas participaciones de 14% y 9% respectivamente, cifras previas a la entrada en vigencia en 2010, de la normatividad que busca aumentar la participación de los biocombustibles en el consumo energético europeo al 5,75%. Otro hecho importante es que esta producción mundial se ha obtenido principalmente a partir de colza con el 84% y de girasol con el 13%.

Figura 4. Evolución de la producción mundial de Biodiesel hasta el año 2007 [9]

En el continente americano también se ha venido desarrollando la industria del biodiesel, con algunas experiencias positivas, por ejemplo, en su condición de principal productor y consumidor de etanol, Brasil está abordando la producción de biodiesel. En octubre 30 de 2002, el Ministerio de Ciencia y Tecnología lanzó el Programa Probiodiesel (Directiva número 702), que busca desarrollar la tecnología para la producción, industrialización, y uso del biodiesel, y sus mezclas con el diesel, para reducir la dependencia en las importaciones de diesel.

En los Estados Unidos, el desarrollo de los biocombustibles han recibido amplio apoyo fiscal reflejado en ayudas directas y específicas, como créditos entre US$ 8.411 a US$10.542 millones para el desarrollo de los combustibles no convencionales, y reducción de impuestos. [6, 10].

El Biodiesel en Colombia

De acuerdo a un informe de la UPME [11, 12], se encuentran terminadas y operando dos plantas de producción de biodiesel con una capacidad cercana a los 300 mil litros por día y se están


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construyendo 5 más para una capacidad total de aproximadamente 1,8 millones de litros por día, las cuales emplearán aceite de palma como materia prima (Tabla 1). Se espera que los rendimientos de conversión a biodiesel a partir de palma de aceite sean de 4600 litros por hectárea, cálculo basado en el rendimiento promedio del cultivo de palma en Colombia equivalente a 3,93 ton/ha en 2006.

Tabla 1. Plantas de producción de biodiesel operando y en construcción en Colombia [11]

Región Inversionista Capacidad (miles de ton/año)

Área sembrada (miles de Ha)

Fecha de Entrada

Norte, Codazzi Oleoflores 50 11,1 Enero de 2008 Norte, Santa Marta Odin Energy 36 8 Agosto de 2008

Norte, Santa Marta

Biocombustibles Sostenibles del

Caribe 100 22,2 Trimestre 1 de

2009

Oriental, Facatativá Bio D 100 22,2 Trimestre 1 de

2009 Central, Barrancabermeja

Ecodiesel de Colombia 100 22,2 Diciembre 2009

Oriental, San Carlos de Guaroa Aceites Manuelita 100 22,2 Mayo 2009

Norte, Santa Marta Clean energy 30 7 Mayo 2009

Actualmente la cobertura de la mezcla de diesel con biodiesel al 5%, incluye la Costa Atlántica, Santander, Sur del Cesar, Sur y Occidente del país, a través de las plantas de abasto indicadas en la tabla 1. Según lo establecido por el Ministerio de Minas y Energía, a partir de abril de 2009 se inició la distribución de diesel mezclado con biodiesel al 5% en los departamentos de Nariño, Cauca, Valle del Cauca, Risaralda, Caldas y Quindío, además que se reinició la misma en el departamento de Bolívar y a partir de mayo del mismo año, se distribuyó mezcla de diesel - biodiesel en el departamento de Antioquia.

Normatividad Colombiana

La ley 939 de 2004 estableció que los biocombustibles de origen vegetal o animal para uso en motores diesel quedaban exentos del impuesto a las ventas y del impuesto global al diesel (artículos 8 y 9 respectivamente). En 2005, con la resolución 1289 de los ministerios de Medio Ambiente y de Minas y energía, se establecieron los porcentajes de mezcla, obligando al uso de B5 (5% de biodiesel + 95% de diesel en volumen) a partir de enero 1 de 2008. Posteriormente el artículo 25 del Decreto 2629 de 2007 estableció que esta mezcla se deberá ampliar a B10 a partir de enero de 2010 y a B20 para enero de 2012 para el parque automotor nuevo que ingrese al país. En lo que respecta a la calidad de los combustibles, la Resolución 1289 de 2005, modificada por la resolución 18 0782 de 2007 (Ministerios del Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial y el de Minas y Energía) establece los requisitos técnicos y ambientales del biodiesel y sus mezclas con el diesel de origen fósil a distribuir en el país, a partir del tercero o cuarto trimestre del año 2007 (Tabla 2).


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Tabla 2. Requisitos de calidad del biocombustible para mezclar con los combustibles diesel [13]

PARÁMETRO UNIDADES ESPECIFICACIÓN (Febrero 1º de 2007) MÉTODOS DE ENSAYO

Densidad a 15 °C kg/m3 860 – 900

ASTM D 4052 ASTM D 1298 ASTM D 287

ISO 3675 ISO 12185

Número de cetano Cetanos 47 mínimo ASTM D 613 ISO 5165

Índice de cetano Cetanos 49 mínimo ISO 4264 Viscosidad (cinemática a 40 °C) mm2/s 1,9 – 5,0 ASTM D 445

ISO 3104

Agua y sedimentos % en volumen 0,05 máximo ASTM D 1796 ASTM D 2709

Contenido de agua mg/kg 500 máximo ASTM E 203 ; ASTM D 95 ISO 12937

Punto de inflamación °C 120 mínimo ASTM D 93 ; ISO 2719

Corrosión lámina de cobre Unidad 1 ASTM D 130 ISO 2160

Estabilidad a la oxidación mg/100 ml Reportar ASTM D 2274 Horas 6 mínimo EN 14112

Cenizas sulfatadas % en masa 0,02 máximo ASTM D 874 ISO 3987

Contenido de azufre mg/kg 10 máximo ASTM D 5453

ISO 4260 ; ISO 20846 ISO 20884 ; ISO 8754

Contenido de fósforo % en masa 0,001 máximo ASTM D 4951 ISO 14107

Rango de destilación °C max 360 ASTM D 86 ; ASTM D 1160 ISO 3405

Número ácido mg de KOH/g 0,8 máximo ASTM D 974 ; ASTM D 664 ISO 6618

Temperatura de Obturación del filtro frío (CFPP) °C Reportar ASTM D6371

EN 116

Punto de nube/ enturbiamiento °C Reportar ASTM D 2500 ISO 3015

Punto de fluidez °C Reportar ASTM D 97 ASTM D 5949

Carbón residual % en masa 0,3 máximo ASTM D 4530 (Referencia

ASTM D 189 y D 524) ISO 10370

Contenido de metales sodio y potasio mg/kg 5 máximo EN 14108

EN 14109

Glicerina libre y total % en masa 0,02/0,25 ASTM D 6584 ; ISO 14105 ISO 14106

Poder calorífico bruto y neto MJ/kg Reportar ASTM D 240

Contenido de metanol o etanol % en masa 0,2 máximo ASTM D 4815 ISO 14110

Contenido de éster % en masa 96,5 mínimo EN 14103 Índice de yodo 120 máximo EN 14111


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11. RESUMEN

Se realizaron 360 pruebas en un motor de encendido por compresión, montado en un banco de ensayos instrumentado y automatizado, ubicado en el Laboratorio de Máquinas Térmicas de la Universidad de Antioquia, operando con mezclas diesel convencional + biodiesel de palma, sacha inchi, higuerilla y jatropha al 5 y 20% v/v, bajo la premisa de igualdad de potencia. Tanto el combustible de referencia, como las 8 mezclas, se probaron en 20 modos estacionarios de funcionamiento, caracterizados cada uno por un torque y régimen de giro y que a su vez correspondieron a puntos representativos, por una parte de un ciclo de conducción europeo, y por la otra del ciclo de conducción norteamericano, ambos realizados a partir de cálculos de dinámica longitudinal para el mismo vehículo.

Los resultados obtenidos muestran que mecánicamente el motor no experimentó ningún cambio en su desempeño al utilizar cualquiera de los biodiesel ensayados y que ambientalmente, salvo por las emisiones de NOx su uso resulta favorable, lo cual queda establecido por los siguientes hechos:

• El consumo de combustible incrementó en la medida que se aumentaba la concentración de biodiesel en la mezcla, este resultado fue independiente del tipo de biodiesel usado, el cual podría ser compensado si se tasara a un precio proporcionalmente menor, según su contenido energético, comparado con el diesel.

• La eficiencia térmica del motor no cambia ni con el tipo de biodiesel ni con la concentración de 5 o 20%.

• Las emisiones de CO2 en base másica fueron siempre menores para todos los biodiesel, sin embargo las emisiones de CO2 en base energética, que son las que verdaderamente interesarían de cara a la comparación entre combustibles, siempre incrementó.

• El biodiesel de palma y el de jatropha, fueron los que en promedio menos emisiones de óxidos de nitrógeno emitieron, siendo en todo caso ligeramente superiores a las del combustible de referencia.

• La opacidad del humo y el material particulado se reducen al usar biodiesel y más aún al incrementar la concentración en la mezcla, no se encontraron diferencias significativas entre los biodiesel de diversos orígenes ensayados.

• El mejor comportamiento a nivel de desempeño mecánico y ambiental lo tuvo el biodiesel de jatropha, ya que es el que menos cantidad (ton/año) de CO2 y NO emite a la atmósfera, y también es uno de los tipos de biodiesel, que después del diesel, presenta la mejor oportunidad para cogenerar con los gases de escape.

12. OBJETIVO GENERAL

Evaluar energética y ambientalmente el uso de mezclas biodiesel autóctonos-diesel común, en motores típicos de tráfico urbano.


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13. Objetivos Específicos

Objetivo Específico 1: Evaluar desde el punto de vista energético y ambiental el uso de mezclas de los diferentes biodiesel en diferentes concentraciones con diesel sobre el desempeño de un motor en banco de ensayos.

Resultado esperado: Indicadores energéticos del uso de biodiesel de palma, higuerilla, Sacha Inchi y Jatropha en motores.

Metodología: A continuación se describe el procedimiento empleado y los diferentes equipos utilizados en las pruebas experimentales necesarias para la caracterización del desempeño mecánico y ambiental de los biocombustibles considerados, al ser ensayados en un motor diesel.

Selección de los modos de funcionamiento Se realizaron 360 ensayos, a una altitud de 1500 m sobre el nivel del mar, correspondiente a la ciudad de Medellín, sobre un motor diesel característico del parque automotor colombiano y en conformidad al plan de ensayos descrito a continuación:

• 5 modos de operación bajo el ciclo de conducción ECE europeo • 5 modos de operación bajo el ciclo de conducción FTP norteamericano • 3 modos de operación a 20 Nm de carga y 2000, 2250 y 2500 rpm • 3 modos de operación a 40 Nm de carga y 2000, 2250 y 2500 rpm • 3 modos de operación a 60 Nm de carga y 2000, 2250 y 2500 rpm • 3 modos de operación a 80 Nm de carga y 2000, 2250 y 2500 rpm • 1 modo de operación en ralentí

Estos 23 modos de operación fueron ensayados para cada uno de los siguientes combustibles:

• Diesel (como combustible de referencia) • Mezcla de diesel con biodiesel de Sacha Inchi al 5% en volumen (BS5) • Mezcla de diesel con biodiesel de Sacha Inchi al 20% en volumen (BS20) • Mezcla de diesel con biodiesel de palma al 5% en volumen (BP5) • Mezcla de diesel con biodiesel de palma al 20% en volumen (BP20) • Mezcla de diesel con biodiesel de higuerilla al 5% en volumen (BH5) • Mezcla de diesel con biodiesel de higuerilla al 20% en volumen (BH20) • Mezcla de diesel con biodiesel de Jatropha al 5% en volumen (BJ5) • Mezcla de diesel con biodiesel de Jatropha al 20% en volumen (BJ20)

Los valores de par y régimen de giro para los modos de los ciclos ECE y FTP se obtuvieron de la siguiente manera:


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Ciclo europeo de conducción Con base en las características de condiciones de funcionamiento que establece la normatividad Europea 2001/C 240 E/01, en lo que respecta a los ciclos de homologación para vehículos ligeros, se observa que está compuesta por una sucesión de cuatro ciclos que simulan la conducción en condiciones urbanas, seguida de un ciclo extraurbano o en carretera.

Figura 5. Ciclo transitorio de homologación para vehículos ligeros

A partir de las características que identifican cada una de las secuencias del ciclo, como el tiempo, la velocidad inicial y la velocidad final, y con las características dinámicas del vehículo (Chevrolet Luv D-Max) equipado con el motor Isuzu 4JA1, se determinan para cada fase del ciclo, sea a velocidad constante o en aceleración, las condiciones de funcionamiento del motor, esto es, el par motor y el régimen de giro, para lo cual se realizó un análisis de dinámica longitudinal con ayuda del módulo Sim DriveLine del Simulink de MatLab, en el que se calcularon las fuerzas a las que se ve sometido el vehículo, a través de las ecuaciones fundamentales de tracción. Como usualmente los modos de desaceleración se desprecian, o se asumen iguales al ralentí, se hace una primera selección de 15 puntos tal como se muestra en la figura 6. A continuación se hace una selección de 5 puntos, dos para el ciclo urbano y 3 para el ciclo extraurbano, que sean representativos y que corresponden a aquellos con mayor duración en condiciones estacionarias, que es precisamente la forma en que se reproducirán en banco de ensayos. De esta forma las condiciones de funcionamiento del motor, obtenidas para dichos 5 modos son los que aparecen en la tabla 3. Ciclo norteamericano de conducción Para seleccionar los modos de operación según el ciclo de conducción FTP75 se realizó un análisis idéntico al que se acaba de exponer, con la diferencia que se tomó como punto de partida el diagrama velocidad vs tiempo, característico del ciclo de conducción en Estados unidos, figura 7, el cual está compuesto por una sucesión de transitorios discriminados en tres fases, una de arranque en frio seguida por una fase transitoria y a continuación una fase de arranque en caliente, para una duración total de 1874 segundos. En este caso los 5 puntos elegidos como los más representativos del ciclo fueron aquellos que más se repitieron en lo que respecta al par motor y régimen de giro, tras haber realizado el análisis de dinámica longitudinal (tabla 4):


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Figura 6. Modos de operación seleccionados como los más representativos del ciclo de conducción

europeo para vehículos livianos

Tabla 3. Condiciones de funcionamiento del motor para los modos de operación seleccionados según el ciclo de conducción ECE

Modo de Operación t (s) V promedio

(km/h) Régimen de giro (rpm)

Torque (Nm)

E 21,43 32 1770 26

E’** 38 50 1890 43

F* 38 70 2250 60

I 37,5 100 2730 82

J 18,75 120 3180 98

Figura 7. Ciclo norteamericano de homologación para vehículos ligeros


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Tabla 4. Condiciones de funcionamiento del motor para los modos de operación seleccionados según el ciclo de conducción FTP75

Modo de Operación

Régimen de giro (rpm)

Torque (Nm)

A 1810 30 E** 1890 43 I* 2250 60 K 2420 76 L 2420 95

Matriz rectangular de puntos

Con el fin de cubrir una mayor área bajo la curva de par del motor ISUZU 4JA1, y en vista de que con los dos conjuntos de modos seleccionados anteriormente se estaría variando el par y el régimen de giro simultáneamente al pasar de un modo al otro, se ha decidido incluir una matriz rectangular de puntos que comprende 4 valores diferentes de torque y 3 regímenes de giro diferentes, buscando que quedaran en la zona central, de forma que se puedan hacer análisis a igual carga pero variando la velocidad angular del motor, o viceversa.

Tabla 5. Condiciones de funcionamiento del motor para los modos de operación seleccionados en la

matriz rectangular

Modo de Operación

Régimen de giro (rpm)

Torque (Nm)

1 2000 20

2 2250 20

3 2500 20

4 2000 40

5 2250 40

6 2500 40

7 2000 60

8* 2250 60

9 2500 60

10 2000 80

11 2250 80

12 2500 80


16

Finalmente, se presenta el conjunto de 20 modos de ensayos correspondientes al ciclo ECE, el ciclo FTP y la matriz rectangular. Obsérvese que hay 3 modos (con asterisco en las tablas 3, 4 y 5) que coinciden en los 3 conjuntos de modos propuestos, y dos modos (con doble asterisco en las tablas 3 y 4) que coinciden en el ciclo ECE y el ciclo FTP, razón por la cual las tablas de datos contienen 23 resultados, aunque en realidad sólo se midieron 20.

Figura 8. Matriz de puntos experimentales para cada uno de los combustibles a ensayar

Metodología del ensayo Típicamente un ensayo consiste primero que todo en hacer una verificación de la instrumentación y de los componentes del banco de ensayo, luego se enciende el motor en unas condiciones de ralentí y en vacío, hasta que se alcanza el grado térmico apropiado, lo cual puede tomar alrededor de 10 minutos. Luego se lleva el motor a las condiciones de carga y régimen de giro correspondientes al primer modo de operación en el ciclo ECE o el FTP75, que se caracterizan por tener un par y régimen bajos. Una vez que se ha alcanzado la condición de estabilidad, que sería cuando la temperatura de los gases de escape se mantiene en un valor constante, se procede a efectuar la medición de las diferentes variables, tanto mecánicas como de emisiones gaseosas, entre las que se pueden mencionar:

• Par motor • Régimen de giro • Flujo másico de aire • Flujo másico de combustible • Flujo másico de agua del circuito de refrigeración • Temperatura de admisión • Temperatura de gases de escape • Temperatura del lubricante • Temperaturas de entrada y salida del refrigerante al motor • Presión en la admisión • Presión en cámara de combustión • Ángulo de giro del cigüeñal


17

• Avance de la inyección • Concentración de monóxido de carbono en la corriente de gases de escape • Concentración de hidrocarburos sin quemar en la corriente de gases de escape • Concentración de óxido de nitrógeno en la corriente de gases de escape • Concentración de bióxido de carbono en la corriente de gases de escape • Concentración de oxígeno en la corriente de gases de escape • Opacidad de humos de la corriente de gases de escape • Muestras de material particulado para caracterización morfológica y de tamaño

El balance energético se realizó teniendo en cuenta las siguientes variables:

• Flujo másico de combustible • Poder calorífico másico inferior de los combustibles • Potencia en el eje del motor • Potencia que se va en los gases de escape • Potencia que se va con el agua de refrigeración • Pérdidas de energía que cierran el balance (aceite lubricante, calor transmitido por

convección y radiación al ambiente). Instrumentación y Equipos

Para las mediciones en banco de ensayos se utilizaron las instalaciones ubicadas en el Laboratorio de Máquinas Térmicas de la Universidad de Antioquia, el cual cuenta con tres salas debidamente acondicionadas e instrumentadas. En la Figura 9 se muestra un esquema de la instalación experimental. El banco de ensayos está completamente automatizado y equipado con sensores para la medida de temperaturas y presiones medias en la admisión, el escape, del circuito de refrigeración y del circuito de lubricación del motor, también se mide el régimen de giro, el avance de la inyección, el par motor, los flujos másicos de aire y de combustible, las emisiones de CO, NOx, hidrocarburos sin quemar y opacidad de humos; todas estas señales son tomadas y procesadas por un sistema de adquisición de datos de alta velocidad, el cual las envía a una interface gráfica programada en Labview para correr sobre Windows, de tal modo que se pueda caracterizar y monitorear con precisión el punto de funcionamiento deseado del motor. Para ver más información de los equipos empleados referirse al Anexo 3.


18

Figura 9. Cadena de medición empleada durante los ensayos con diesel y las mezclas de biodiesel

El motor elegido para los ensayos es un motor de encendido por compresión, típico del parque automotor nacional, montado en banco de ensayos y debidamente instrumentado y al que no se le efectuó ninguna modificación, el cual tiene las siguientes características técnicas:

Tabla 6. Especificaciones técnicas del motor empleado en los ensayos

Referencia ISUZU 4JA1 Tipo Diesel Inyección directa Alimentación Turboalimentado Cilindrada 2499 cm3 Configuración 4 cilindros en línea Diámetro / carrera 93 mm / 92 mm Relación de Compresión 18,4:1 Potencia máxima 59 kW (80 hp) @ 4100 rpm Torque máximo Bomba de inyección

170 Nm @ 2300 rpm Mecánica rotativa

Por su parte las principales propiedades físicas de los combustibles puros y de las respectivas mezclas al 5% y 20% se listan en las tablas 7, 8 y 9.

Tabla 7. Propiedades de los combustibles puros empleados Propiedad Unidad Diesel Ref BP100 BS100 BH100 BJ100

Formula Química C14.827 H29.032 O0.076 C18.050 H34.9 O2 C18.876 H33.121 O2 C18.975 H35.873 O2.88 C18.364 H34.585 O2

Peso molecular (kg/kmol) 208.2 283.5 291.6 309.8 286.9

Densidad (kg/m3) 853.4 879.7 895.0 926.0 874.5PCI (kJ/kg) 41568 37920 36903 34949 37062

PCI (MJ/m3) 35474 33358 33028 32365 32412Dosado Esteq. 0.0676 0.0782 0.0794 0.0833 0.0786Relación A/C 14.8 12.8 12.6 12.0 12.7


19

Tabla 8. Propiedades de los mezclas de combustibles al 5%

Propiedad Unidad BS5 BP5 BH5 BJ5

Formula Química C14.981 H29.187 O0.149 C14.981 H29.258 O0.15 C14.981 H29.285 O0.18 C14.961 H29.242 O0.149ç

Peso molecular (kg/kmol) 211.3 211.1 211.9 211.2

Densidad (kg/m3) 855.5 854.7 857.0 854.5PCI (kJ/kg) 41425 41444 41387 41389

PCI (MJ/m3) 35439 35422 35468 35367Dosado Esteq. 0.0690 0.0690 0.0692 0.0690Relación A/C 14.5 14.5 14.5 14.5

Tabla 9. Propiedades de los mezclas de combustibles al 20%

Propiedad Unidad BS20 BP20 BH20 BJ20

Formula Química C15.462 H29.673 O0.377 C15.340 H29.965 O0.382 C15.458 H30.072 O0.504 C15.381 H29.901 O0.377

Peso molecular (kg/kmol) 221.3 220.1 223.6 220.5

Densidad (kg/m3) 861.7 858.7 867.9 857.6PCI (kJ/kg) 41000.3 41075.2 40851.5 40853.8

PCI (MJ/m3) 35330 35271 35455 35036Dosado Esteq. 0.0707 0.0705 0.0714 0.0705Relación A/C 14.1 14.2 14.0 14.2

Respecto al desempeño mecánico del motor, los resultados obtenidos se remiten a evaluar el consumo de combustible y el rendimiento efectivo, los cuales se complementan con la potencia efectiva, el dosado relativo y la temperatura de gases de escape.

Resultados Alcanzados (Desempeño Mecánico) Potencia efectiva Puesto que la premisa de los ensayos es que la potencia fuera la misma para todos los combustibles, esto es, igual energía en el eje, en la figuras 10 y 11 se muestran los valores absolutos así como las variaciones porcentuales para cada punto de operación, de cada biodiesel al 5% y 20% de mezcla, respecto al diesel. Se hace evidente que aquellos puntos de baja carga fue donde mayor variación se tuvo, especialmente con las mezclas de Jatropha e Higuerilla, tanto al 5% como al 20%, siendo más notorio el efecto en el ciclo ECE, lo cual se debió en parte a la dificultad inherente al motor y su sistema de control para mantener el régimen de giro y/o el par en el punto de consigna a bajos grados de carga, situación frecuente en los ensayos en motores [14]; mientras que para los puntos de mayor carga las variaciones porcentuales estuvieron por debajo del 2%, tanto para las mezclas al 5% como para las de 20%, que están dentro de los márgenes de error de la instrumentación utilizada. Estas variaciones serán consideradas para explicar las tendencias en algunos de los parámetros de desempeño del motor que se comentarán más adelante. Por su parte, en la matriz rectangular se obtuvo alta repetibilidad en la potencia a cada grado de carga ensayado, para ambos porcentajes de mezcla (Figura 12). La potencia máxima alcanzada fue del orden de 33 kW, mientras que la potencia máxima del motor es de 59 kW (tabla 6), la razón por la que se midió en dicho rango, obedece, como se comentó en la metodología, a que el motor opera con mayor frecuencia en el rango de bajas potencias, tal como lo demuestran los cálculos de dinámica longitudinal para los ciclos de conducción ECE y FTP75.


20

a)

b)

c)

d)

Figura 10. Potencias ensayadas con cada una de las mezclas al 5%, y su variación respecto al diesel, para

el ciclo ECE (a y b), para el ciclo FTP (c y d).

a)

b)

c)

d)

Figura 11. Potencias ensayadas con cada una de las mezclas al 20%, y su variación respecto al diesel, para el ciclo ECE (a y b), para el ciclo FTP (c y d).


21

a)

b)

Figura 12. Potencias ensayadas con cada una de las mezclas, al 5% (a) y al 20% (b), para la matriz rectangular

Dosado relativo Este parámetro indica la riqueza o pobreza de la mezcla aire - combustible con la que está funcionando el motor. Depende de la composición química del combustible y de las cantidades de aire y combustible consumidas para efectuar la combustión. El dosado relativo en motores diesel suele variar entre 0,2 y 0,7. Como puede observarse de las Figuras 13 y 14, a medida que se aumenta el grado de carga, representado en este caso como la presión media efectiva, el dosado relativo aumenta con todos los combustibles, debido a la mayor cantidad de combustible inyectada al motor para lograr tal potencia en el eje.

El biodiesel de higuerilla, tanto al 5% como al 20%, fue el que mayor diferencia presentó respecto al diesel por su menor poder calorífico y su mayor consumo específico, ocasionado probablemente por su mayor viscosidad, lo que dificultaría la formación del chorro, así como su evaporación y mezcla con el aire de la cámara de combustión. Las demás mezclas presentaron variaciones en torno al 4%, por lo que puede concluirse que este parámetro, de interés para explicar las emisiones contaminantes, no se vio afectado por el tipo de combustible.

a)

b)


22

c)

d)

Figura 13. Dosado relativo con cada una de las mezclas al 5%, y su variación respecto al diesel, para el ciclo ECE (a y b), para el ciclo FTP (c y d).

a)

b)

c)

d)

Figura 14. Dosado relativo con cada una de las mezclas al 20%, y su variación respecto al diesel, para el ciclo ECE (a y b), para el ciclo FTP (c y d).

La tendencia obtenida en la matriz rectangular permite concluir que para un nivel de carga constante, el dosado relativo no presenta diferencia significativa ni entre mezclas, ni con respecto al diesel, ver figura 15.


23

a)

b)

Figura 15. Dosado relativo con cada una de las mezclas, al 5% (a) y al 20% (b), para la matriz rectangular

Debido a que en los ensayos realizados, tanto en los ciclos ECE y FTP75 como en la matriz rectangular, se ha obtenido prácticamente el mismo dosado relativo, excepto para el biodiesel de higuerilla al 5 y 20% (BH5 y BH20) a baja carga, por las razones antes discutidas, se puede concluir que las medidas derivadas de los ensayos en el motor son consecuencia directa de las distintas propiedades de los combustibles analizados y no debidas a posibles diferencias en los dosados relativos.

Consumo específico de combustible (gef)

Indica la masa de combustible necesaria para producir una unidad de potencia en el eje, además este parámetro es inversamente proporcional al rendimiento térmico; por tanto, si con cada combustible se fija la misma energía y asumimos que el rendimiento no cambia de un combustible a otro, el menor consumo lo tendrá el combustible que posea mayor contenido de energía. Según las tablas 7, 8 y 9, el poder calorífico inferior (PCI) disminuyó siempre al aumentar la concentración de biodiesel en la mezcla, siendo más pronunciado el efecto en el BH20. De las figuras 16 y 17 se observa un incremento en el gef al usar biodiesel, con respecto al diesel, siendo más notorio el efecto a baja carga (independiente del régimen de giro) y altas concentraciones de biodiesel. El mayor consumo se obtuvo siempre con el biodiesel de higuerilla al 20% (BH20), debido a su menor contenido energético y elevada viscosidad, mientras que el biodiesel de Jatropha fue el que menor variación presentó.


24

Figura 16. Consumo específico de combustible con cada una de las mezclas al 5%, y su variación

respecto al diesel, para el ciclo ECE (a y b), para el ciclo FTP (c y d).

a)

b)

c)

d)

Figura 17. Consumo específico de combustible con cada una de las mezclas al 20%, y su variación respecto al diesel, para el ciclo ECE (a y b), para el ciclo FTP (c y d).

Para la matriz rectangular, se evidencia el incremento en el consumo específico de combustible al disminuir el grado de carga del motor, independientemente del combustible analizado.


25

Adicionalmente se observa un incremento en el gef proporcional al incremento de biodiesel en la mezcla (figura 18).

a)

b)

Figura 18. Consumo específico de combustible con cada una de las mezclas, al 5% (a) y al 20% (b), para la matriz rectangular

Rendimiento efectivo Es una medida de la eficiencia con la que el motor convierte la energía química del combustible en potencia en el eje. En las figuras 19 y 20 se observa que salvo por los puntos de menor carga, en los que se obtuvieron variaciones significativas en la potencia tal como se comentó anteriormente, la tendencia general es la de permanecer constante sin importar ni el tipo de biodiesel ni su contenido en la mezcla, ya que en promedio las variaciones estuvieron en torno al 4%. El biodiesel de Sacha Inchi y el de Jatropha exhibieron los mejores comportamientos, mientras que el de Higuerilla fue el de más bajo rendimiento en casi todos los casos ensayados.

Figura 19. Rendimiento efectivo con cada una de las mezclas al 5%, y su variación respecto al diesel,

para el ciclo ECE (a y b), para el ciclo FTP (c y d).


26

a)

b)

c)

d)

Figura 20. Rendimiento efectivo con cada una de las mezclas al 20%, y su variación respecto al diesel, para el ciclo ECE (a y b), para el ciclo FTP (c y d).

Examinando la matriz rectangular, y con base en lo que se acaba de argumentar, los mejores rendimientos se obtuvieron para el mayor grado de carga (80 Nm), por el mejor aprovechamiento del combustible para realizar trabajo. En términos generales puede afirmarse que los rendimientos son comparables a los obtenidos con diesel puro (figura 21), lo que significa que efectivamente las mezclas de biodiesel, tienen la misma capacidad de transformar su menor contenido de energía química, en energía mecánica, a expensas de un mayor consumo para dar la misma potencia en el eje.

a)

b)

Figura 21. Rendimiento efectivo con cada una de las mezclas, al 5% (a) y al 20% (b), para la matriz rectangular


27

Temperatura de gases de escape El valor reportado corresponde a la temperatura medida después de la turbina del grupo turbocompresor, y en cierto modo indica el grado térmico alcanzado durante la combustión al interior de la cámara. De las figuras 22 y 23 se infiere que, como era de esperarse, la temperatura de la corriente de gases de escape es mayor a medida que se aumenta la presión media efectiva; comparando entre los diferentes tipos de biodiesel se observa que en prácticamente todos los modos de operación los biocombustibles presentaron mayor temperatura de gases, especialmente en el caso del biodiesel de higuerilla y el de Jatropha que arrojaron variaciones mayores al 4%, mientras que el biodiesel de palma y el de higuerilla se mantuvieron en el rango del 2%, que para el orden de magnitud de la medida podría considerarse como insignificante.

a)

b)

c)

d)

Figura 22. Temperatura de los gases de escape con cada una de las mezclas al 5%, y su variación respecto al diesel, para el ciclo ECE (a y b), para el ciclo FTP (c y d).


28

a) b)

c)

d)

Figura 23. Temperatura de los gases de escape con cada una de las mezclas al 20%, y su variación respecto al diesel, para el ciclo ECE (a y b), para el ciclo FTP (c y d).

Para la matriz rectangular, la tendencia obtenida es de aumentar con el régimen de giro, para un grado de carga dado, salvo por el modo de 80 Nm en donde se observa una constancia en el valor medido. Como era de esperarse, las mayores temperaturas, en torno a los 300 ºC, se alcanzaron al máximo par ensayado (80 Nm) y en prácticamente todos los casos se tuvieron temperaturas más altas cuando se emplearon mezclas de biodiesel en ambas concentraciones, lo cual significa que se tendrá un mayor potencial de cogeneración con la corriente de gases de escape, además de una mayor exergía de los mismos.

a)

b)

Figura 24. Temperatura de los gases de escape con cada una de las mezclas, al 5% (a) y al 20% (b), para la matriz rectangular

Resultados Alcanzados (Desempeño Ambiental)

En lo que respecta al desempeño ambiental, los resultados comprenden el reporte de las emisiones contaminantes de CO, CO2, THC y NOx.


29

Emisión de CO El monóxido de carbono (CO) se presenta por la oxidación incompleta del carbono del combustible; no obstante en los motores de encendido por compresión el CO no es importante debido a los excesos de aire con los que operan estos motores. Las concentraciones medidas en todos los casos (figuras 25,26 y 27) fueron inferiores al 0,05% en volumen. Por lo anterior se concluye que las emisiones de CO en el motor diesel, con cualquiera de los combustibles investigados y en cualquier modo de operación, son despreciables.

a)

b)

Figura 25. Emisión de CO, en porcentaje volumétrico para las mezclas al 5%, en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Figura 26. Emisión de CO, en porcentaje volumétrico para las mezclas al 20%, en el ciclo ECE

(a) y en el ciclo FTP (b)

a)

b)

Figura 27. Emisión de CO, en porcentaje volumétrico para las matriz rectangular, con mezclas al 5% (a), y mezclas al 20% (b)


30

Emisión de CO2 Las emisiones de CO2 incrementan por dos razones, en primer lugar por el mayor contenido de carbono en la molécula del combustible, y en segundo lugar por el mayor consumo de combustible. A medida que aumenta la carga del motor, la emisión de CO2 también lo hace, para todos los combustibles sin que se hubiese presentado diferencias significativas entre los diferentes tipos de biodiesel y el diesel de referencia, porque como se mencionó antes se incrementa el consumo de combustible. En este caso particular, y con el fin de mostrar la validez de los resultados experimentales, se muestra en el lado derecho los valores de CO2 calculados a partir de la estequiometría de cada combustible, cuyas fórmulas químicas se presentan en la Tablas 7 a 9.

a)

b)

c)

d)

Figura 28. Emisión de CO2 de las mezclas al 5%, para el ciclo ECE. Medida (a), teórica (b), para el ciclo FTP Medida (c), teórica (d)

a)

b)


31

a)

b)

Figura 29. Emisión de CO2 de las mezclas al 20%, para el ciclo FTP. Medida (a), teórica (b), para el ciclo FTP Medida (c), teórica (d)

Emisiones de oxido nítrico (NO)

Estos compuestos se producen durante la combustión por reacción entre oxígeno atómico y nitrógeno, siendo altamente dependientes de la temperatura. En los modos de alta carga (puntos de mayor dosado relativo) se presentan temperaturas más altas, por lo que las concentraciones de óxidos de nitrógeno son mayores, ver figuras 30 a 32.

El uso de mezclas de biodiesel de palma y jatropha no mostraron una tendencia clara respecto al diesel de referencia. En las mezclas al 5%, sólo se obtuvo incremento de NO significativo en el modo de 301.6 kPa de presión media efectiva, mientras que en los otros modos tendió a disminuir para ambos tipos de biodiesel. Los demás incrementaron sus emisiones independientemente del grado de carga del motor. Al 20%, todos los biodiesel produjeron mayores emisiones de NO que el combustible diesel, sin embargo el biodiesel de aceite de palma fue el que mostró menores incrementos en los modos de mayor grado de carga. Tal tendencia puede deberse en parte a las mayores temperaturas de gases de escape alcanzadas con ambos porcentajes de mezcla en todos los tipos de biodiesel ensayados, lo cual da cuenta de una mayor temperatura al interior de la cámara de combustión, lugar donde comienzan a formarse las emisiones contaminantes que luego son emitidas a la atmósfera.

Se puede concluir que las emisiones de NO con mezclas de biodiesel dependen fuertemente del modo de operación del motor, siendo los modos de alta carga donde menos diferencias se presentan respecto al diesel de referencia. Al 5% no se presentó una tendencia clara en cuanto a emisiones de NO de los diferentes tipos de biodiesel, sin embargo al 20% siempre aumentaron, siendo el de menor incremento el biodiesel de jatropha. El biodiesel de Sacha-inchi fue el que más emisiones de NO produjo.


32

a)

. b)

Figura 30. Emisión de NO, en ppm volumétricas para las mezclas al 5%, en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

a)

b)

Figura 31. Emisión de NO, en ppm volumétricas para las mezclas al 20%, en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Para la matriz rectangular, se observa una tendencia a disminuir la emisión de NO con el régimen de giro, debido al incremento de la turbulencia en la cámara de combustión, lo que mejora el proceso de combustión, siendo más pronunciado el efecto a altos grados de carga y con ambas concentraciones de las mezclas. También se reafirma el hecho de que a mayores grados de carga se tienen las mayores emisiones de NO, debido a los dosados relativos más altos (ver figura 32), nuevamente con una diferencia en contra de los biodiésel ensayados, siendo más pronunciada a medida que se acerca a puntos de máxima carga. Comparativamente el modo de ralentí exhibió resultados sensiblemente menores que el menor de los grados de carga ensayado (20 Nm) y no se apreció diferencia entre combustibles en este modo.

a)

b)

Figura 32. Emisión de NO con cada una de las mezclas, al 5% (a) y al 20% (b), para la matriz rectangular


33

Emisión de hidrocarburos totales (THC)

En los motores diesel, las emisiones tanto de CO como las de hidrocarburos totales (sin quemar + parcialmente quemados) son muy bajas, por el exceso de aire con que trabajan. Los valores obtenidos no sobrepasan las 45 ppm (0.0045% en volumen), adicionalmente a lo anterior, el oxígeno que aporta el biocombustible favorece la combustión.

La precisión del equipo de medición utilizado (ionización de llama –FID-) permitió establecer que independiente del combustible investigado, la emisión de THC siempre disminuyó al aumentar la carga. Por lo anterior se concluye que las emisiones de THC en el motor diesel, con cualquiera de los combustibles investigados y en cualquier modo de operación, son despreciables, por dicha razón no se presentan los resultados para la matriz rectangular.

a)

b)

Figura 33. Emisión de THC de las mezclas al 5%, para el ciclo ECE (a), y para el FTP (b)

a)

b)

Figura 34. Emisión de THC de las mezclas al 5%, para el ciclo ECE (a), y para el FTP (b)


34

Objetivo Específico 2: Obtener índices de emisiones contaminantes provenientes del uso de estos biodiesel

Resultado esperado: Índices de emisiones contaminantes

EMISIONES ESPECÍFICAS Este parámetro es fundamental al momento de comparar emisiones contaminantes en un motor de combustión, pues se toma como referencia la igualdad de potencia para determinar la masa de cada especie contaminante. Estas emisiones se reportan en gramos de contaminante por cada unidad de energía del motor (kW-h). Dado que las emisiones absolutas, medidas en % volumétrico y partes por millón, para el CO y THC respectivamente, fueron despreciables, debido esencialmente a los altos excesos de aire con los que operan y a las altas eficiencias de combustión alcanzadas en este tipo de motores, no se incluyen dentro del análisis de emisiones específicas.

Bióxido de Carbono (CO2) Se aprecia una reducción de estas emisiones al aumentar la presión media efectiva, esto se debe al mejor aprovechamiento del combustible en la transformación de su energía química para realizar trabajo efectivo. Sin embargo, la variación en la emisión del biodiesel de Sacha inchi y de Palma al 20%, mostraron un aumento inferior al 4%. (Figuras 35 y 36)

a)

b)

Figura 35. Índice de Emisión de CO2 en g/kW h para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

a)

b)

Figura 36. Índice de Emisión de CO2 en g/kW h para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)


35

Óxido Nítrico (NO) Al relacionarse la emisión absoluta de óxido nítrico con la potencia efectiva, figuras 27 y 28, se observa una tendencia a tener un mayor índice de emisión contaminante cuando se emplean los biocombustibles, siendo más notorio el efecto en el caso de la mezcla al 20% y en particular con el biodiesel de Sacha Inchi, tanto en el ciclo ECE como en el FTP.

a)

b)

Figura 37. Índice de Emisión de NO en g/kW h para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

a)

b)

Figura 38. Índice de Emisión de NO en g/kW h para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Material particulado (MP) Se consideran partículas a cualquier sustancia, diferente al agua, que pueda ser atrapada al filtrar los gases de escape, que está compuesta de una parte sólida formada por carbón u hollín y de otra formada por productos orgánicos parcialmente oxidados que se condensan y adsorben al hollín. Aunque hoy día se cuentan con técnicas para medir directamente el material particulado producido durante la operación de un motor, como los túneles de dilución, en este apartado el índice de emisión de este contaminante se ha obtenido a partir de una correlación (ver anexo 1) expresada en términos de la opacidad de los humos y la cantidad generada de hidrocarburos sin quemar.


36

Los resultados del presente estudio indican que la emisión de partículas por unidad de potencia producida por el motor disminuye en la medida en que aumenta la presión media efectiva, para todos los combustibles y prácticamente en ambos ciclos de conducción, salvo por el de mayor carga en el ECE que fue el único que se alejo de esta tendencia general. Comparando entre biocombustibles, se observa que el efecto de la concentración de biodiesel en la mezcla es más benéfico mientras mayor sea esta, siendo el biodiesel de higuerilla el más notable en este sentido en ambos ciclos de conducción. Los valores más bajos estuvieron en torno a 0,12 g/kW h en aquellos modos de mayor carga.

a)

b)

Figura 39. Índice de Emisión de material particulado en g/kW h para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

a)

b)

Figura 40. Índice de Emisión de material particulado en g/kW h para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

INDICES DE EMISIÓN CONTAMINANTE (Ton/año)

En este apartado se presenta un estimativo de la producción anual de los contaminantes examinados (toneladas al año), que es la contribución ponderada de las emisiones en cada uno de los modos de funcionamiento, para cualquiera de los ciclos de conducción empleados. El factor de ponderación se estableció según el tiempo de duración de cada modo, así, el mayor peso lo tiene aquel que en forma estacionaria se efectúe en un mayor intervalo de tiempo. Para los cálculos de estas emisiones se tomó un consumo de combustible diesel base de 90 kBPD, según


37

el boletín estadístico de la UPME 2008), esto implica que todo el combustible diesel consumido en el sector transporte colombiano lo haría un vehículo con un motor como el ensayado en este proyecto (Chevrolet Luv 2500 cc, con motor Isuzu 4JA1) y siguiendo el perfil de conducción establecido por los ciclos de conducción europeo (ECE) o estadounidense (FTP75). El peso ponderado para el cálculo de la emisión específica en toneladas de contaminante / año se asignó de la siguiente manera:

Modo 1: 21.94%

Modo 2: 52.7%

Modo 3: 2.1%

Modo 4: 7.2%

Modo 5: 16%

Monóxido de Carbono (CO)

En vista de que las emisiones absolutas de CO fueron tan bajas, sin importar el tipo de combustible empleado, los resultados obtenidos para el índice de emisión anual de CO no marcaría una tendencia definitiva, ya que se estaría magnificando la diferencia de unos con respecto a otros, que como se mencionó antes, está incluso dentro del margen de resolución del equipo de medición utilizado. No obstante, el estimativo indica una tendencia favorable a los biodiesel, en ambas concentraciones de mezcla y en ambos ciclos de conducción, pero con una aparente ventaja con las mezclas al 5%, con los biodiesel de jatropha e higuerilla como los de mejor desempeño.

a)

b)

Figura 41. Índice de Emisión de CO en Ton/año para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)


38

a)

b)

Figura 42. Índice de Emisión de CO en Ton/año para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Bióxido de carbono (CO2)

Con respecto a la emisión anual de CO2 se observa, como quedó establecido en el apartado referido a su emisión porcentual en volumen, que tanto con mezclas al 5 como al 20% de concentración, se tiene mayor emisión, siendo comparables los resultados en ambos ciclos de conducción. Sin embargo, cuando se comparan tipos de biodiesel entre sí se encuentra que el biodiesel de Sacha Inchi es el que al año más CO2 emitiría seguido muy de cerca por el biodiesel de palma, mientras que la menor diferencia con respecto al combustible base, fue el biodiesel de Jatropha, con una emisión promedio de 14,2 millones de toneladas anuales de CO2, comparadas con las aproximadamente 14 millones de toneladas emitidas por el diesel. Podría esperarse entonces que a mayor concentración del biodiesel, se tuviera una mayor emisión de CO2 a la atmósfera, por lo que se hace necesario involucrar un análisis de ciclo de vida para complementar dichas tendencias, dada la importancia que tiene este gas de cara al efecto invernadero.

a)

b)

Figura 43 Índice de Emisión de CO2 en Ton/año para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)


39

a)

b)

Figura 44. Índice de Emisión de CO2 en ton/año para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Oxido Nítrico

Los resultados estimados para la emisión anual de NO, indican que independientemente del tipo de biodiesel empleado en el motor, las emisiones siempre serán mayores comparadas con el diesel, siendo mayor el efecto cuando la concentración en la mezcla es del 20%. Analizando entre tipos de biodiesel, se encuentra que el biodiesel de jatropha es el que menor emisión presenta, con las otras mezclas en un nivel muy similar de emisión. Con mezclas al 5% se obtuvo un estimado promedio de 245 mil toneladas anuales tanto para el ciclo europeo como para el americano. No obstante, las mezclas al 20% arrojaron una emisión estimada promedio de 257 mil toneladas al año, con una leve disminución a favor del ciclo europeo de conducción, que como puede observarse de la figura 6, se caracteriza por tener mayor cantidad de regímenes estacionarios, haciéndose necesario por lo tanto un estudio más detallado en condiciones de funcionamiento transitorio.

a)

b)

Figura 45. Índice de Emisión de NO en ton/año para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)


40

b)

b)

Figura 46. Índice de Emisión de NO en ton/año para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Hidrocarburos sin quemar (THC)

Al igual que con el índice de emisión de CO, al haberse obtenido valores medidos tan bajos de las emisiones de hidrocarburos sin quemar, las tendencias presentadas en las figuras 47 y 48 no serían definitivas, pero sin embargo, los resultados estimados indican que al emplear cualquier tipo de biodiesel se podría esperar una disminución en la emisión anual de THC, aunque no tan apreciable como en el caso del CO, aparentemente con la higuerilla como el de mayor beneficio, tanto al 5 como al 20%, y en cualquiera de los ciclos de conducción ensayado.

b)

Figura 47. Índice de Emisión de THC en Ton/año para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)


41

b)

Figura 48. Índice de Emisión de THC en Ton/año para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Material particulado

Puede observarse cómo el efecto de mezclar cualquiera de los biodiesel ensayados con diesel, representa una disminución sustancial en la emisión anual de material particulado a la atmósfera. Aún con concentraciones del 5% la tendencia es bastante notoria, con el biodiesel de Higuerilla como el de mejor comportamiento, especialmente en el ciclo de conducción americano y específicamente mezclado al 20%, con los otros tres tipos de biodiesel en rangos muy parecidos, aunque con una desventaja en contra del biodiesel de Jatropha, pero siendo menor en cualquier caso que la emisión reportada por el diesel. Para complementar esta tendencia, en el apartado referente al objetivo específico 3 se hace una completa caracterización, morfológica y de tamaño, del material particulado emitido por cada una de las mezclas ensayadas.

Figura 49 Índice de Emisión de material particulado en ton/año para las mezclas al 5% en el

ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

a)

b)


42

a)

b)

Figura 50 Índice de Emisión de material particulado en ton/año para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Objetivo Específico 3: Evaluar el material particulado proveniente del uso de estos biodiesel

Resultado esperado: Caracterización del material particulado proveniente del uso del biodiesel. ANÁLISIS DE MATERIAL PARTICULADO GENERADO EN MEZCLAS DIESEL – BIODIESEL

Los problemas ambientales asociados al uso de combustibles fósiles, como los derivados del petróleo y el carbón, se han presentado desde la revolución industrial, sin embargo, los problemas de calidad del aire han cobrado gran importancia en las últimas décadas del siglo XX, estos problemas se han relacionado principalmente con la presencia en la atmósfera de compuestos que pueden generar daños ambientales como el efecto invernadero o problemas de salud para las personas, por ejemplo la emisión de material particulado y gases contaminantes.

Debido a esto, los estamentos gubernamentales han decidió controlar y regular, cada vez de manera más estricta, la cantidad de contaminantes que pueden ser emitidos al ambiente. Las principales sustancias reguladas son óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, monóxido de carbono, plomo, ozono y material particulado [15].

El material particulado está formado principalmente por hollín, el cual se puede definir como un sólido producto de la combustión incompleta y de la pirólisis de combustibles fósiles. Este sólido está compuesto por un aglomerado de partículas las cuales tienen regiones o dominios nanocristalinos y amorfos. El dominio con cristalización tipo grafito consta de capas de grafeno altamente desordenadas, el domino amorfo está compuesto por hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAH), que se consideran como precursores de las capas de grafeno. A los PAH se les ha asociado un efecto cancerígeno y mutagénico, además de estar asociados a enfermedades respiratorias [16, 17].


43

A nivel internacional las regulaciones para el material particulado se encuentran clasificadas por el tamaño de la partícula, debido a que se ha encontrado que las partículas de menor tamaño pueden migrar hacia el interior de los pulmones. La clasificación se da según el tamaño de la partícula que se identifica como PMx, por las siglas en inglés para material particulado, donde la x representa el tamaño máximo de la partícula [18].

En la Tabla 10 se muestran los diferentes valores de la regulación para Europa, Estados Unidos y Colombia, se observa claramente que no hay un consenso sobre la regulación [18-20]. Además, estos valores son cada vez más exigentes, haciendo necesaria una menor emisión de material particulado, esto implica un mejor entendimiento de los procesos de formación del material particulado y los diferentes efectos que los combustibles o aditivos pueden tener en este proceso para implementar soluciones a las emisiones. Algunas de estas soluciones son el mejoramiento de los motores y el uso de filtros, esto ha permitido disminuir la cantidad de material particulado emitido. Para obtener un mejor desempeño de los motores y procesos de combustión más limpios se ha optado por el uso de combustibles con menor tendencia a formar hollín y generar menor cantidad de gases como óxidos de nitrógeno o azufre, entre estos combustibles se destacan los combustibles oxigenados como los alcoholes y éteres [21]. Se ha planteado en algunos estudios que la utilización de biodiesel tiende a disminuir la cantidad de material particulado que se forma. [22-24], pero la calidad de este material particulado no se ha estudiado a profundidad, es decir, el estudio de las variaciones químicas que se pueden presentar en el material particulado que se forma en mezclas diesel-biodiesel, respecto a los obtenidos con el diesel.

En este estudio se evaluaron los cambios asociados a la composición química y morfológica del material particulado obtenido en un motor que opera con diesel, biodiesel puro y mezclas de diesel-biodiesel.

Tabla 10. Regulación del material particulado.

Material particulado Estados Unidos Europa Colombia

PM10 Anual -- 40 µg/m3 70 µg/m3

PM10 24 horas 150 µg/m3 50 µg/m3 150 µg/m3

PM2.5 Anual 15 µg/m3 25 µg/m3 --

PM2.5 24 horas 35 µg/m3 -- --

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

Recolección de material particulado:

La figura 51 muestra el motor ISUZU 4JA1 y el punto de muestreo donde se llevó a cabo la recolección de material particulado generado en la combustión del diesel y las mezclas diesel-


44

biodiesel. La condición de operación de régimen de giro y carga para garantizar un muestreo significativo de material particulado durante los experimentos fue seleccionada en base al estándar europeo para mediciones en banco de ensayos de (2750 rpm/98 Nm).

El muestreo se llevó a cabo haciendo uso de una sonda de acero inoxidable de 50 cm de longitud y 0,7 mm de diámetro interno ubicada en el punto de muestreo señalado, la cual fue conectada directamente a un sistema de vacío en línea con un filtro de teflón (Diámetro 50 mm y tamaño de poro 0,2 μm) y una trampa fría con hielo seco, esta úl tima con el objeto de condensar el agua de combustión, material volátil o alquitranes. La tasa de flujo del sistema de succión fue ajustada ligeramente por encima de la velocidad de los gases de salida, con el fin de realizar un muestreo representativo del sistema.

En estas condiciones de muestreo fue necesario hacer tomas de material en periodos de 15 minutos durante cinco horas de funcionamiento continuo del motor en el mismo modo de operación. Esto permitió obtener una cantidad de material particulado entre 30 y 50 mg por combustible probado.

Finalmente, las muestras de hollín fueron pesadas, rotuladas y almacenadas en un desecador para posterior análisis y caracterización química.

Figura 51. (a) Motor diesel ISUZU 4JA1. (b) Punto de muestreo de material particulado.

Caracterización del material

Las muestras de material particulado obtenido se caracterizaron química y morfológicamente haciendo uso de diferentes técnicas analíticas tales como: análisis termogravimétrico (TGA), espectroscopia infrarroja (FTIR), espectroscopia Raman y microscopia electrónica de barrido (SEM) integrada con energía de dispersión de rayos X (EDX) y microscopia electrónica de

(b)(a)Punto

muestreo


45

trasmisión (TEM) cuya finalidad fue evaluar la morfología y composición superficial de las partículas en el sistema de referencia (diesel) y mezclas diesel – biodiesel y algunos biodiesel puros. A continuación se describen cada una de estas metodologías:

Análisis químico del material particulado:

• Análisis termogravimétrico (TGA):

Esta técnica se fundamenta en la variación de peso de la muestra cuando se somete a un tratamiento térmico en atmósfera controlada, con el fin de obtener información acerca del porcentaje de humedad, volátiles, carbono fijo y cenizas.

Para los experimentos de análisis termogravimétrico realizados aquí, se tomaron entre 5 – 7 mg de material particulado, el cual se sometió a un programa que inició con calentamiento en atmósfera inerte de nitrógeno, a una rampa de 40°C/min hasta 120°C, temperatura que se mantuvo por 12 minutos, luego se continuó el calentamiento a una rampa de 40°C/min hasta 800°C y se dejó en isoterma por 10 minutos, tiempo después del cual se cambió a atmósfera de aire-nitrógeno (60:40 vol/vol) para oxidar el carbono fijo presente en las muestras. Durante todo el análisis se usó un flujo total de gases de 100 ml/min. Los análisis se realizaron en un equipo TA Instruments 2950.

• Espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier (FT-IR):

Esta espectroscopia se fundamenta en la absorción de la radiación IR por parte las moléculas presentes en la muestra. Una molécula absorberá la energía de un haz de luz infrarroja cuando la energía incidente sea igual a la necesaria para que se dé la transición vibracional. Sin embargo, dependiendo del tipo de grupos funcionales presentes en la molécula, se observara absorciones a números de onda características que pueden ser usados como huellas dactilares para su identificación. Diversas tablas que permiten asignar modos vibracionales específicos a las bandas observadas en el espectro de infrarrojo se encuentran reportadas en la literatura.

Los espectros de FTIR para las muestras de material particulado recolectado en los filtros para cada uno de los diferentes combustibles, se llevó a cabo por el método de pastilla (1% de muestra en KBr) haciendo uso de un equipo Nicolet Magna IR 560 con un detector MCT/A (Mercurio, Cadmio, Telurio) operado a 77K en el rango de número de onda entre 600-4000 cm-1.

En el trabajo el principal aporte de la espectroscopia de infrarrojo fue la determinación de la presencia de azufre en forma de sulfatos y el cambio en la cantidad de hidrógeno


46

aromático o alifático en las muestras de material particulado debido al efecto de la adición de biodiesel al combustible.

• Espectroscopia Raman: El análisis de espectroscopia Raman se basa en la determinación de la luz dispersada por un material, al incidir sobre él un haz de luz monocromático con una longitud de onda del haz que puede estar entre el infrarrojo cercano y el ultravioleta cercano. Una pequeña porción de la luz es dispersada inelásticamente experimentando ligeros cambios de frecuencia que son característicos del material analizado e independiente de la frecuencia de la luz incidente. Se trata de una técnica de análisis que se realiza directamente sobre el material a analizar sin necesitar ningún tipo de preparación especial y que no conlleva a ninguna alteración de la superficie sobre la cual se realiza el análisis, es decir, es una técnica no destructiva.

Específicamente la espectroscopia Raman empleada para el análisis de materiales carbonosos permite evaluar el grado de grafitización de las muestras al realizar una relación de la intensidad de la banda alrededor de 1550 cm-1, banda grafítica, y la banda en 1350 cm-1, asociada tradicionalmente al material no grafitico o carbono amorfo de la estructura. Esto dará una idea de cómo la composición del combustible de partida afecta el grado de grafitización del material particulado generado en el proceso de combustión. Las mediciones se llevaron a cabo en un LabRaman HR Horiba utilizando un laser He- Ne (λ = 632,8 nm) en un rango de adquisición 200-3600 cm-1.

• Análisis de Energía dispersiva de Rayos X (EDX - Energy Dispersive X- Ray Analysis):

Esta técnica está integrada a la microscopia electrónica de barrido SEM y es usada para determinar la composición elemental de la superficie de las muestras. En un análisis de EDX, la muestra es bombardeada con un haz de electrones incidente que proviene del SEM y que chocan contra los electrones internos de los átomos que se encuentran en la superficie de la muestra haciendo que algunos de estos electrones sean removidos. Posteriormente, la vacante dejada por el electrón removido en la capa interna será eventualmente ocupada por un electrón de mayor energía de las capas externas, durante este proceso de transferencia se libera cierta cantidad de energía la cual será luego emitida como rayos X. La cantidad de energía liberada dependerá del tipo de átomos que se encuentran en la muestra lo cual hace posible su identificación y cuantificación. Para este análisis, la muestra se preparó de la misma forma que para el SEM. Sin embargo, la identificación y cuantificación de cada elemento se llevó a cabo en un analizador EDX Oxford Instruments Inca Penta Fet x3. Se tomaron nueve puntos para el análisis composicional con el objetivo de realizar un promedio representativo.


47

ANÁLISIS MORFOLÓGICO DEL MATERIAL PARTICULADO

• Microscopia electrónica de barrido (SEM – Scanning Electron Microscopy): La morfología de las partículas de hollín recolectada en los filtros fue estudiada por medio de microscopía electrónica de barrido (SEM) que es una técnica que proporciona imágenes de la superficie cuando un barrido de haz de electrones de alta energía interactúa con los átomos de la superficie de la muestra generando señales que contiene información sobre la topografía, la composición y otras propiedades tales como la conductividad eléctrica. Para este análisis se requiere que las muestras de hollín tengan propiedades conductoras, por lo que es necesario un tratamiento adicional para la muestra en donde se deposita una capa delgada de un material conductor, usualmente oro, sobre las superficies de estas partículas por medio de evaporación en alto vacío. Finalmente, las muestras tratadas se analizaron en un equipo SEM Jeol JSM 6490 LV operado a un voltaje de 30 kV, logrando magnificaciones entre 10000 y 40000 aumentos. Las imágenes se analizaron con el programa ImageJ.

• Microscopía electrónica de trasmisión (TEM – Transmission Electron Microscopy) Para complementar la información del tamaño y morfología de los agregados de hollín obtenida por SEM, se llevó a cabo el análisis de microscopía electrónica de transmisión (TEM) que da información del tamaño y morfología de la micropartícula que conforman los agregados que se obtienen en la combustión de diesel-biodiesel. La microscopía electrónica de trasmisión es una técnica en la cual un rayo de electrones interactúa con la muestra que se encuentra soportada sobre una película delgada y luego pasa a través de ésta, dando lugar a la formación de una imagen magnificada del espécimen. En este estudio, una pequeña cantidad de material particulado generado en los diferentes combustibles, fue depositado sobre una película delgada del formvar, las cuales fueron analizadas en un Microscopio electrónico JEOL JEM 1200EX operado a un voltaje de 100 kV. La medición del tamaño de partícula se realizó con el software ImageJ.

RESULTADOS Y ANÁLISIS

Recolección de material particulado en filtros:

La Tabla 11 muestra los valores promedio, la desviación estándar y el porcentaje de reducción de la masa de material particulado recolectado a la salida del motor que opera con diesel y diferentes mezclas de diesel-biodiesel. Para efectos de comparación y obtener los valores correspondientes a la reducción porcentual de material particulado en cada uno de los casos evaluados se tomo como referencia el valor para el diesel puro. Vale la pena resaltar que los datos de masa obtenidos aquí no corresponden a la cantidad real en el tiempo de operación del motor, ya que como se mencionó en la metodología, el muestreo se llevó a cabo a una velocidad de succión ligeramente


48

mayor a la velocidad de salida de los gases. Sin embargo, la tendencia descrita por estos datos está de acuerdo con lo esperado en este tipo de análisis.

Tabla 11. Valor promedio de masa de hollín recolectada, porcentaje de diferencia respecto al diesel.

Combustible Promedio (mg) Desviación estándar Porcentaje de diferencia

Diesel 2,96 0,48 0,00 BP5 2,27 0,46 23,42 BP20 2,33 0,50 21,17 BH5 2,23 1,03 24,83 BH20 2,08 0,57 29,90 BJ5 2,63 0,06 11,04 BJ20 3,00 0,41 -1,35 BS5 2,87 0,59 3,15 BS20 2,87 0,23 3,15

En la tabla se observa que para los experimentos con biodiesel de palma e higuerilla se obtuvo una reducción de hollín alrededor del 20%. Cuando se utilizó la mezcla correspondiente al biodiesel Jatropha al 20 % que presentó un ligero aumento en el material recolectado de 2,96 mg a 3,00 mg, que está dentro de la desviación obtenida para los datos, lo cual hace pensar que el material particulado para esta mezcla no disminuye significativamente.

Figura 52. Variación porcentual de la reducción de la masa de hollín

Del mismo modo, al comparar la serie correspondiente a un mismo biodiesel, se observa que al aumentar la proporción de este en el combustible, menor cantidad de material particulado se forma, lo cual se evidenció claramente en las mezclas de diesel-biodiesel al 5, 20% y el biodiesel puro para palma e higuerilla, el único biodiesel que no mostró esta tendencia es el de Sacha Inchi,

BP5

BP20

BP10

0

BH5

BH20 BJ5

BJ20

BS5

BS20

BPL5

0

0

10

20

30

40

50

60

70

Redu

cció

n m

ater

ial p

artic

ulad

o (%

)

Combustible


49

en el cual la cantidad de material particulado permanece constante independiente de la cantidad de biodiesel adicionado.

En el caso del biodiesel de palma puro, se obtuvo una reducción del 65% comparada con la masa recolectada en el sistema de referencia. Sin embargo, se puede afirmar que con una mezcla de diesel biodiesel al 5% es suficiente para obtener una reducción significativa de material particulado independiente del tipo de biodiesel a usar.

Para poder dar explicación a lo anterior, diferentes estudios, han encontrado una correlación entre la estructura química de un combustible y la tendencia de este a producir material particulado [25, 26]. El siguiente orden decreciente ha sido publicado:

Aromáticos > alquinos > alquenos > alcanos

La Figura 53 muestra la estructura química de los componentes mayoritarios (metilésteres) presentes en los diferentes biodiesel utilizados en este estudio.

Fórmula Química Estructura Química Metil palmitato

C17H35O2

Metil oleato

C19H37O2

Metil linoleato

C19H35O2

Metil linolenato

C19H33O2

Metil ricinolenato

C19H37O3

Figura 53. Estructura y fórmula química de los componentes mayoritarios de los biodiesel ensayados

CH3 O

OH

OH

CH3

O

CH3

O

OH

CH3

O

OH

OH

CH3

O

OH


50

Al relacionar la estructura química de los metilésteres que constituyen los diferentes biodiesel, se puede observar que aquellos que presentan un alto contenido en metil linolenato (Sacha inchi) presentan poca tendencia a reducir la cantidad de material particulado en el sistemas de combustión, debido en parte, a la presencia de tres dobles enlaces en su estructura, lo cual favorecería la formación de precursores. Similarmente, para los combustibles que mostraron una reducción significativa en la cantidad de material particulado, como es el caso del biodiesel de palma puro (BP100), la estructura química de los metilésteres constituyentes de estos biodiesel juegan un papel fundamental. Por ejemplo el biodiesel de palma constituido principalmente por metil palmitato y metil oleato, compuestos que se asemejan a un alcano lineal, favorece la reducción de material particulado que se emite, ya que estos muestran poca tendencia a formar hollín. Para el aceite de higuerilla, constituido principalmente por metil ricinoleato y que presenta un grupo –OH en la estructura, facilita los procesos de oxidación que finalmente se verá reflejado en la reducción de material particulado.

ANALISIS QUÍMICO DE LAS MUESTRAS:

Análisis termogravimétrico (TGA):

La Figura 54 presenta un termograma típico para una muestra de material particulado generado en un sistema de combustión operado con diesel puro y mezclas de diesel-biodiesel (BS5-BS20). En forma general, se pueden observar tres eventos principales. El primero está asociado con la pérdida de humedad y compuestos volátiles adsorbidos en el material particulado y que evolucionan durante los primeros 120°C, las pérdidas en este evento varía entre 1-12 %, dependiendo del tipo de combustible. El segundo evento corresponde con la desadsorbción de compuestos de mayor peso molecular, (principalmente hidrocarburos aromáticos policíclicos, PAHs), que evolucionan entre 120 – 800°C, los porcentajes de pérdida en peso en esta etapa varían entre 40 – 54 %. Vale la pena resaltar que los dos eventos anteriores se llevan a cabo en atmósfera inerte, sin embargo, cuando se cambia a atmósfera oxidante, se facilitan los procesos de oxidación del carbono remanente dentro de la estructura, en el material particulado, este carbono se puede relacionar con los dominios grafíticos, cuyos valores varían entre 41 – 50%, lo que está de acuerdo con los valores reportados en la literatura para carbono elemental del material particulado obtenido en motores diesel.


51

Figura 54. Termograma de la muestra obtenida con diesel, BS5 y BS20

La Tabla 12 presenta las pérdidas de peso relacionadas con el material particulado obtenido a partir de los diferentes combustibles. Se observa que para todas las mezclas diesel-biodiesel se presenta un aumento en el carbono fijo y una disminución de los compuestos volátiles, esto indica un aumento en el grado de grafitización del material particulado. Adicionalmente, se observa una cantidad variable de residuo para las mezclas diesel-biodiesel se observa una disminución del residuo.

Tabla 12. Pérdidas de peso del material particulado.

Combustible Humedad (%)

< 120 °C Volátiles (%) 120-800 °C

Carbono Fijo (%) Comb. 800 °C

Residuo (%)

Diesel 6,03 47,83 37,81 8,34 BP5 9,49 42,67 41,43 6,42 BP20 7,50 42,04 44,55 5,92 BH5 4,16 42,18 46,185 7,48 BH20 4,23 47,14 43,88 4,75 BJ5 7,29 40,13 47,80 4,79 BJ20 6,28 43,54 44,20 5,99 BS5 7,74 44,09 41,34 6,78 BS20 3,97 41,94 47,17 6,92

0 10 20 30 40 50 600

20

40

60

80

100 BS20 BS5 Diesel

Porc

enta

je e

n pe

so (%

)

Tiempo (min)


52

Espectroscopía de infrarrojo con transformada de Fourier (FT-IR):

La Figura 55 muestra los espectros de FTIR del material particulado proveniente del diesel y las mezclas diesel-biodiesel. Todos los espectros mostraron un patrón de picos similar, lo que indica que los grupos funcionales de las especies presentes en el material particulado son también similares, siendo los más predominantes, la extensión C-H de especies alifáticas, C=O de compuesto oxigenados del tipo carbonilo, C=C aromático, C-S de especies azufradas del tipo sulfato. Vale la pena resaltar que la ausencia de las señales C-H aromático alrededor de 3050 cm-1 y fuera del plano entre 700-900 cm-1, sugiere que las partículas de hollín y de algunos precursores poli-aromáticos obtenidos del sistema de combustión evaluado pueden ser altamente carbonizadas con estructuras aromáticas poli-condensadas, ya que la cantidad de hidrógeno periférico que rodean estos clústers aromáticos es tan pequeña que no alcanza a revelarse por IR.

Figura 55. Efecto de la adición de 5% de biodiesel al diesel en la química del material particulado formado durante la combustión.

Adicionalmente en la Figura 55, puede observarse que la adición de biodiesel afecta la composición química relativa de las especies presentes en las muestra de material particulado, mas no el tipo de grupo funcional, que como se mencionó anteriormente son similares. Se puede notar que con tan solo un 5% de biodiesel, independiente de cuál sea su origen, reduce la cantidad de especies alifáticas significativamente (20-30%), lo mismo ocurre con el contenido de especies azufradas que por lo general provienen del combustible o del lubricante usado durante el proceso.

600,001100,001600,002100,002600,003100,003600,00

DieselHiguerillaJatrofaSacha

Numero de onda (cm-1)

C-H alifaticoC=O

C=C aromatico

C-S


53

La Figura 56 muestra los espectros infrarrojos del material particulado obtenido en el escape del motor en función de la cantidad de biodiesel de palma adicionado. Puede observarse que adiciones por encima del 5% no causan un efecto importante en la química del material particulado obtenido, excepto en la región de 1000-1300 cm-1 donde se observó una disminución gradual en la cantidad de especies azufradas por efecto de dilución, siendo más drástica para el BP100, hecho que era de esperarse ya que este biodiesel no contiene azufre en su composición, sin embargo, la explicación de la señal observada a 1100cm-1, en el espectro BP100, se asocia principalmente a especies de azufre que provienen del lubricante y no del combustible. Resultados de análisis elemental por EDX que se presentan más adelante también confirman la presencia de azufre en las muestras de material particulado generado en estos combustibles.

Finalmente, con el fin de determinar que el material particulado recolectado en los motores diesel presenta incorporación de especies azufradas en su estructura y a su vez determinar el tipo de especie, se tomó una serie de espectros de infrarrojo que permitió concluir que el azufre se encuentra como sulfato. Inicialmente se tomó el espectro infrarrojo a una sal de sulfato de sodio para determinar la banda característica asociada a este grupo funcional, la cual está centrada alrededor de 1120 cm-1. Luego se comparó este espectro con los obtenidos de un hollín de referencia + 2% Na2SO4 y el de la muestra de hollín obtenido en el motor diesel, observándose una coincidencia en la señal que corresponde al grupo sulfato y corroborando de esta forma la incorporación del azufre al material particulado durante el proceso de combustión. (Ver Figura 57)

Figura 56 Espectro FTIR del material particulado obtenido durante la combustión del diesel y mezclas de biodiesel palma-diesel.

600,001200,001800,002400,003000,003600,00

Diesel5% Palma20% Palma50% Palma100% Palma


C-H alifatico C=O

C=C aromatico

C-S


54

Figura 57 Comparación del espectro de infrarrojo del material particulado recolectado en un experimento con 100% de diesel a 3600 rpm con el espectro de Na2SO4 puro y el espectro del

hollín de tolueno el cual no muestra la señal de azufre.

Espectroscopía Raman:

Las bandas características para materiales carbonosos varían de acuerdo a la longitud de onda del láser con el cual se realizó el análisis. Para el láser usado en los análisis aquí descritos (633,8 nm), se encontró que las bandas relacionadas con el dominio grafítico están entre 1596-1608 cm-1

(banda G) , mientras que las bandas relacionadas con el dominio amorfo están entre 1337-1334 cm -1 (banda D), estas posiciones corresponden a lo reportado en la literatura para material particulado con este láser. En la Figura 58 se muestran estas bandas y los ajustes de las curvas deconvolucionadas con curvas lorentzianas para el diesel.

60012001800240030003600

Hollin ToluenoHollin Tolueno + 2% Na2SO4Na2SO4Diesel


Grupo Sulfato


55

Figura 58 Espectro Raman de la muestra de diesel, muestra las bandas G y D obtenidas por la deconvolución de las curvas.

Se ha establecido que a través de la relación de intensidad de las bandas D/G se puede obtener información del grado de grafitización del material carbonoso. Por lo tanto, a medida que disminuye esta relación se tiene un material más grafítico. La Figura 59 muestra que la relación de intensidad de las bandas D/G para el material particulado obtenido a partir de cada uno de los combustibles evaluados en este estudio disminuye con respecto al sistema de referencia (diesel). Esto indica que las mezclas de diesel-biodiesel o el uso de biodiesel puro conducen a la formación de partículas con un grado de carbonización mayor y que explica el aumento en la cantidad de carbono elemental o fijo observado por análisis termogravimétrico (Tabla 12).

1000 2000 3000

Banda D

Ajuste de los picos Curva ajustada Experimental

Inte

nsid

ad (u

. a)

Número de onda (cm-1)

Banda G


56

Figura 59 Variación del grado de grafitización del material particulado

Este resultado también corrobora lo encontrado por FTIR para el análisis del material particulado, donde se observó que las bandas C-H en el plano y fuera del plano correspondientes a especies aromáticas no se alcanzan a resolver en el espectro, debido al alto grado de condensación y a la baja disponibilidad de hidrógeno periférico que hacen parte de los clúster que conforman las partículas.

Análisis de Energía dispersiva de Rayos X (EDX - Energy Dispersive X- Ray Analysis):

La Figura 60 muestra el espectro de EDX obtenido para la muestra de diesel, en este se puede ver los picos correspondientes a los diferentes valores de energía (KeV) en los cuales ocurren las transiciones electrónicas para cada uno de los elementos, estas transiciones son características de cada uno de los núcleos y es lo que permite realizar la identificación de los elementos en la muestra.

El análisis elemental de EDX realizado para las muestras de material particulado y que se resume en la Tabla 13, sugiere que este material es altamente carbonoso con un contenido en masa cercano al 73,5%, que según los espectros de RAMAN y FTIR corresponde no sólo a la presencia de una componente aromática condensada, sino también a especies alifáticas que puede provenir de la combustión misma o del combustible sin quemar.

Dies

el

BP5

BP20

BP50

BP10

0

BH5

BH20 BJ5

BJ20

BS5

BS20

BPL5

0

BL10

0

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

Combustibles

I D / I G


57

Figura 60 Espectro de EDX para la muestra de Diesel

De igual forma, el análisis EDX indica la presencia de un alto porcentaje de especies oxigenadas, seguido por un contenido significativo de azufre. El alto contenido de oxigeno registrado en las muestras se debe probablemente a las drásticas condiciones de operación a las que fue sometido el motor, lo que puede implicar un alto consumo de aire en este punto. De igual forma, algunos autores han reportado que el uso de biodiesel puro y mezclas de biodiesel-diesel aumenta en el contenido de oxígeno en la composición del material particulado, hecho que favorece los procesos de reducción del material particulado emitido debido a la disminución de la temperatura de combustión en motores que cuentan con sistemas catalíticos [27]. El azufre encontrado en las diversas muestras de material particulado es proveniente del diesel, este azufre favorece el proceso de nucleación que conduce a la formación de las partículas de hollín en este tipo de motores.

La Tabla 13 muestra los valores promedio para los elementos que constituyen el material particulado obtenido. La composición no incluye el hidrógeno, debido a que es un elemento liviano no determinable por EDX, igualmente los elementos que se encuentren en un porcentaje menor al 2% se pueden analizar cualitativamente pero no se pueden cuantificar.

De manera general para todas las muestras se observa un valor promedio del 73,5 % de carbono, 21,2% de oxígeno, azufre entre el 4 – 6,5 %, en las mezclas diesel–biodiesel, para muestras obtenidas de 100% biodiesel, el contenido de azufre varía entre 0,5 – 1,3% mostrando una disminución significativa respecto a las mezclas con diesel. Además, se observa la presencia de diferentes metales como cinc, calcio, cobre y sodio, entre otros.

El carbono es el constituyente principal del material particulado y se encuentra distribuido en pequeños dominios cristalinos e hidrocarburos policíclicos aromáticos. El oxígeno puede estar presente en grupos carbonilo y carboxílicos o como óxidos metálicos que también han sido


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reportados para material particulado, el azufre por su lado se ha asociado tradicionalmente a sulfatos de diferentes metales.

El contenido de cinc también es evidente en la mayoría de los casos estudiados, algunos autores han reportado que la presencia de este metal en el material particulado proviene principalmente del lubricante y sus aditivos. Otros elementos minoritarios como calcio, potasio, magnesio, fósforo, silicio, entre otros, proviene del material vegetativo precursor del biodiesel y del tratamiento alcalino al cual este material es sometido para obtener el combustible. La suma total de estos metales, junto con el azufre determinan la composición heterogénea de las cenizas del material particulado cuando se trabaja con mezclas de diesel-biodiesel [28].

La variación del contenido de azufre se correlaciona con lo obtenido por espectroscopía de infrarrojo, mostrando que al aumentar la cantidad de biodiésel en el combustible disminuye la cantidad de azufre presente en el material particulado generado en el proceso de combustión.


59

Tabla 13 Composición elemental promedio de la superficie del material particulado obtenido del diesel y mezclas diesel-biodiesel.

Combustible

ELEMENTOS C O S Zn Ca Cu K Si Na Fe

Prom

.

Des

v.

Prom

.

Des

v.

Prom

.

Des

v.

Prom

.

Des

v.

Prom

.

Des

v.

Prom

.

Des

v.

Prom

.

Des

v.

Prom

.

Des

v.

Prom

.

Des

v.

Prom

.

Des

v.

Diesel 76,4 4,1 18,9 4,6 4,4 3,2 0,4 0,1

BP5 69,4 3,1 23,0 5,0 6,4 2,6 0,8 0,3 1,5 1,5

BP20 69,9 3,2 22,7 3,0 6,2 1,5 0,5 0,3 1,6 1,0

BP50 73,9 1,7 20,7 1,4 5,3 1,4

BP100 79,5 3,4 18,6 4,1 0,5 0,2 0,8 1,1

BH5 72,6 2,5 21,2 2,9 5,5 1,9 0,5 0,1 0,5 0,1

BH20 74,6 2,2 19,6 2,2 5,0 0,3 0,5 0,1 0,3 0,3 0,3 0,1

BJ5 63,1 3,3 29,6 3,4 6,4 1,7 0,8 0,2 0,4 0,0

BJ20 68,7 3,8 25,2 3,7 5,8 2,4 0,4 0,3

BS5 71,2 2,2 23,9 3,3 4,2 1,1 0,6 0,3 0,3 0,1

BS20 76,9 1,7 18,9 3,2 3,0 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,6 0,7


60

ANALISIS MORFOLOGICO DE LAS MUESTRAS

Microscopía electrónica de barrido (SEM – Scanning Electron Microscopy):

La morfología de hollín ha sido ampliamente estudiada en diferentes sistemas de combustión usando diferentes metodologías ópticas como la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la microscopía electrónica de transmisión (TEM). Es bien sabido que las partículas de hollín emitidas de un motor diesel son usualmente agregados tipo cadena compuestos de cientos de partículas primarias de forma esférica. A continuación se muestran las micrografías SEM a tres grados de magnificación para la muestra de material particulado obtenido del motor Diesel evaluado en este estudio.

Figura 61 Micrografías SEM a tres grados de magnificación para la muestra de hollín obtenida en un motor diesel. (a) 10000X (b) 15000X (c) 25000X.

Para efectos de comparación todas las micrografías fueron normalizadas a la misma escala. En la figura se puede observar claramente que las partículas de hollín generadas en este motor consisten en agregados de partículas casi esféricas con un tamaño aparente que varía entre 60-100 nm. Vale la pena resaltar que el término “tamaño aparente” se ha usado aquí para referirse al tamaño de partícula observado por SEM, que es relativamente mayor a la que se obtiene por TEM, diferencia que se debe en parte a la capacidad de resolución del equipo. A pesar de esto,

(a) (b)

(c)


61

los valores obtenidos, concuerdan con los reportados en la literatura científica para tamaños de material particulado de diesel y biodiesel usando SEM.

Tabla 14 Tamaño aparente de las partículas de las muestras recolectadas

Combustible Promedio

(nm)

Desviación

Estándar

Diesel 107 23

BP5 73 13

BP20 70 12

BH5 62 7

BH20 85 14

BJ5 72 12

BJ20 67 14

BS5 94 22

BS20 78 15

En la Tabla 14 se resume el tamaño promedio aparente del material particulado que se genera en el motor. En todos los casos se puede observar que el tamaño obtenido en las mezclas y en el biodiesel puro es ligeramente menor al que se obtiene en el diesel. Esta tendencia está de acuerdo con lo observado por microscopía electrónica de transmisión que se presenta más adelante, sin embargo, esta última nos dará información del tamaño promedio de la micro-partícula con un grado de resolución mayor.

Microscopía electrónica de trasmisión (TEM – Transmission Electron Microscopy):

A diferencia de la morfología y el tamaño aparente del material particulado obtenido por SEM, el análisis morfológico realizado por TEM, ofrece información del tamaño y el grado de cristalinidad de la microparticula que hace parte de los aglomerados del material. La Tabla 15 presenta un resumen del tamaño promedio de partícula obtenido para cada sistema evaluado en este estudio, haciendo uso del programa ImageJ, que permite el conteo directo de las partículas en cada una de las micrografías. Para efecto estadístico, se realizó un conteo entre 150-200 partículas por micrografía, proceso que fue realizado por duplicado. Al analizar la variación


62

porcentual tomando como base el tamaño de partícula determinado para el diesel, se observan disminuciones hasta del 21%, como es el caso de la mezcla BS20. Sin embargo para la mayoría de los casos, excepto para el material particulado obtenido del BP100 que no presentó cambio, la disminución en el tamaño de partícula fue del 10%.

Adicionalmente, se puede observar en la Figura 62, que el material particulado obtenido de la mezcla de diesel-biodiesel (BP5, BP20) es más oscuro, indicando un grado de carbonización mayor para esta muestra. Este resultado ratifica la información obtenida por análisis químico de TGA (Tabla 12) para el material particulado obtenido en la mezclas, donde se observó un aumento en la cantidad de carbono fijo, lo que a su vez corresponde a una disminución en la relación de la bandas D/G observada por RAMAN (Figura 59).

Figura 62 Micrografías TEM del material particulado obtenido en el motor con (a) diesel (b) BP5 (c) BP20 (d) BP100.

(a) (b)

(c) (d)


63

Tabla 15 Tamaño promedio de las partículas del material particulado.

Combustible Número de medidas Promedio (nm) Desviación estándar

Diesel 179 24,0 6,0

BP5 166 21,5 7,1

BP20 133 21,9 4,7

BH5 192 22,4 8,0

BH20 120 21,0 8,9

BJ5 159 22,0 8,3

BJ20 135 23,0 6,3

BS5 179 19,7 5,9

BS20 211 18,8 5,1

Figura 63 Variación porcentual del tamaño de partícula en función del tipo de combustible

RECOMENDACIONES

• Realizar determinaciones de la masa con túneles de dilución, para tener datos de masa que puedan ser enmarcados dentro de los métodos recomendados para este tipo de medición.

• Realizar análisis de rayos x, los datos de esta técnica pueden ser correlacionados con los datos obtenidos con la espectroscopía Raman.

BP5

BP20

BP50

BP10

0

BH5

BH20 BJ5

BJ20

BS5

BS20

BPL5

0

BL10

0

0

5

10

15

20

Redu

cció

n en

el t

amañ

o de

par

tícul

a (%

)

Combustible


64

• Realizar fluorescencia de rayos x a las muestras para conocer la composición del bulk de las muestras recolectadas.

CONCLUSIÓN

Las diferentes técnicas permiten concluir de manera general:

• La adición de biodiesel al diesel disminuye la cantidad de material particulado emitido por el motor. Los resultados obtenidos de la masa muestran que es necesario tener en cuenta la estructura de los metilésteres que conforman el biodiesel debido a que éstos pueden tener una influencia directa en la cantidad de material particulado que se forma.

• Las técnicas de análisis termogravimétrico (TGA), espectroscopía de infrarrojo, espectroscopía Raman y microscopía electrónica de trasmisión (TEM) muestran que el adicionar biodiesel al combustible genera material particulado más grafítico, es decir, una disminución en los hidrocarburos policíclicos aromáticos, que son los compuestos a los cuales se les ha asociado efectos cancerígenos y mutagénicos.

• Las muestras de material particulado recolectado para los diferentes combustibles muestran, por espectroscopía de infrarrojo, los mismos grupos funcionales con intensidades relativas diferentes, no evidencia cambios significativos en la química de los grupos funcionales.

• Se comprobó que la adición de diferentes porcentajes de biodiesel al combustible disminuye la cantidad de azufre presente en el material particulado, esto se observó tanto por espectroscopía de infrarrojo como con energía dispersiva de rayos X (EDX).

• La microscopía electrónica de barrido (SEM) y la microscopia electrónica de trasmisión (TEM) permitieron determinar que todas las muestras presentan morfología esférica y que la adición de biodiesel genera una disminución del tamaño promedio de las partículas.

Objetivo Específico 4: Obtener índices energéticos y exergéticos asociados al uso de biodiesel en motores

Resultado esperado: índices energéticos y exergéticos

Estos indicadores establecen, respectivamente la forma en que se está distribuyendo la energía durante el funcionamiento del motor, donde idealmente toda la energía que se suministra con el combustible se debería transformar en trabajo mecánico, pero en la realidad algo se pierde con los gases de escape, otro tanto con el agua de refrigeración, algo con el lubricante y el resto como energía disipada en forma de calor al ambiente. Los índices exergéticos por su parte permiten analizar con cierto rigor la forma en que se está aprovechando la energía, o la forma en que se


65

está desperdiciando la misma, resultando de gran interés para establecer pautas respecto a su uso y ahorro.

Energía del combustible

Representa la energía almacenada químicamente en el combustible y que habrá de transformarse, una fracción en potencia mecánica en el eje, otra fracción como contenido energético de la corriente de gases de escape y del circuito de agua de refrigeración del motor y otra como pérdidas por fricción y por transferencia de calor al ambiente. En este sentido, en la tablas 7 a 9 se muestran los valores de los poderes caloríficos de los combustibles puros y sus mezclas al 5 y 20 % con diesel, tanto en base másica como en base volumétrica, lo que da cuenta de una de las mayores desventajas que presentan los biocombustibles.

a)

b)

Figura 64. Energía del combustible para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

a)

b)

Figura 65. Energía del combustible para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)


66

Fracción de energía como potencia útil Este parámetro considera la parte de energía que se suministra con el combustible, que efectivamente se transforma en energía mecánica para ser transmitida a las ruedas en el vehículo, de ahí que se busque que sea lo más grande posible. Depende de varios factores, como las propiedades del combustible, las condiciones de operación del motor, los parámetros geométricos del mismo, etc. El estudio llevado a cabo arrojó como resultados en este respecto, que en la medida que el motor se acerca a su punto de par máximo, el porcentaje de energía suministrada que se transforma en potencia también aumenta, alcanzándose valores de 35%, sin haber diferencia significativa entre los diversos combustibles ensayados.

a)

b)

Figura 66. Fracción de la energía como potencia efectiva, en relación a la del combustible, para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

a)

b)

Figura 67. Fracción de la energía como potencia efectiva, en relación a la del combustible, para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Fracción de energía de los gases de escape Como se mencionó antes, es el contenido de energía en forma de calor que se va con la corriente de gases de escape. Depende de la composición química de las especies en la mezcla, pero usualmente en los motores diesel, a causa del exceso de aire, se asume que está compuesta esencialmente por aire y vapor de agua producido durante la combustión. Otro factor que afecta este parámetro es la temperatura promedio de esos gases una vez que han salido del motor. En las


67

figuras 68 y 69 se muestra la fracción correspondiente a la energía que se va con los gases de escape, estando en torno al 30% para todos los modos de operación y con una leve tendencia a aumentar en la medida que lo hace el grado de carga; tampoco se aprecia una diferencia significativa entre los diferentes tipos de biodiesel ensayados con respecto al combustible referencia.

a)

b)

Figura 68. Fracción de la energía de los gases de escape, en relación a la del combustible, para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

a)

b)

Figura 69. Fracción de la energía de los gases de escape, en relación a la del combustible, para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Fracción de energía del agua de refrigeración

Corresponde a la parte de energía que entra con el combustible, pero que absorbe el circuito de refrigeración del motor. Está cuantificada por la cantidad de agua que circula por el motor y por el salto térmico de la misma entre la entrada y la salida del mismo. Proporcionalmente se obtuvieron porcentajes similares que en el caso de los gases de escape y de la potencia en todos los modos de operación ensayados, salvo por los modos a baja carga en donde se alcanzó hasta un 43% con el biodiesel de higuerilla en la menor de sus concentraciones.


68

a)

b)

Figura 70.Variación porcentual de la energía del agua de refrigeración, en relación a la del combustible, para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

a)

b)

Figura 71. Variación porcentual de la energía del agua de refrigeración, en relación a la del combustible, para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Exergía del combustible Representa la cantidad de energía del combustible que potencialmente se puede transformar en trabajo útil si la máquina interactuara con su entorno de la forma más eficiente. Como puede observarse de las figuras 72 y 73, el diesel de referencia tiene una mayor exergía que cualquiera de los tipos de biodiesel ensayado, a cualquier concentración y en cualquiera de los ciclos de conducción, aunque la diferencia puede que no sea significativa.

a)

b)

Figura 72. Exergía del combustible para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)


69

c)

d)

Figura 73. Exergía del combustible para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Exergía de los gases de escape

Establece cuánto trabajo útil se podría obtener a partir de la energía que viene con la corriente de gases de escape, que de otra forma pudo haberse transformado en potencia en el motor. A partir de las figuras 74 y 75 puede decirse que esta oportunidad de obtener trabajo aumenta en la medida que lo hace la presión media efectiva del motor, pero analizando el comportamiento entre mezclas de biodiesel respecto al diesel, se observa una tendencia a ser mayor con los biocombustibles, tanto en concentraciones del 5 como del 20%, debido en parte, como se mencionó antes al hecho de tenerse una mayor temperatura en el escape.

a)

b)

Figura 74. Exergía de la corriente de gases de escape para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)


70

a)

b)

Figura 75. Exergía de la corriente de gases de escape para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Exergía del agua de refrigeración

A diferencia de la exergía de los gases de escape, la del agua de refrigeración presenta el inconveniente de que la magnitud del flujo de masa y la temperatura promedio son menores, por lo que aunque se tenga una exergía ligeramente menor, la cantidad de trabajo que podría obtenerse sería también menor. Las figuras 76 y 77 muestran que a mayor grado de carga, mayor es la exergía del agua de refrigeración, debido a la mayor exigencia de refrigeración del motor, representada por la temperatura media del refrigerante. Salvo por los modos a baja carga, la tendencia es a que los diferentes tipos de biodiesel disminuyan su exergía, siendo el biodiesel de Sacha Inchi el de menor diferencia respecto al diesel.

a)

b)

Figura 76. Exergía de la corriente de refrigeración para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)


71

a)

b)

Figura 77. Exergía de la corriente de refrigeración para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Variación frente a la exergía suministrada con el combustible

De la potencia efectiva

Las figuras 78 y 79, dejan entrever que independiente del tipo de combustible y del ciclo de conducción ensayado, la potencia efectiva tiende a aumentar con el grado de carga del motor, es decir, que el potencial de aprovechamiento de energía que se entra con el combustible alcanza sus valores máximos cercanos al 30% en aquellos modos de mayor presión media efectiva, no así a baja carga en donde se tuvieron valores de 20% o menos, en cualquier caso estos valores son completamente típicos para un motor de combustión interna. Mirando entre combustibles, las diferencias exhibidas permiten afirmar que en general las diferencias obtenidas no resultan significativas.

a)

b)

Figura 78. Variación porcentual de la exergía de la potencia con respecto a la del combustible para las mezclas al 5 en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)


72

a)

b)

Figura 79. Variación porcentual de la exergia de la potencia con respecto a la del combustible para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

De los gases de escape

Este valor resulta importante en virtud de que permite establecer la conveniencia o no de cogenerar con los gases de escape en un motor de combustión. Las figuras 80 y 81 indican que tanto con las mezclas al 5 como al 20% se tienen porcentajes de aprovechamiento menores al 10%, pero se debe recordar que el motor en ningún momento se acercó a su punto de potencia máxima, en donde presumiblemente se hubiera tenido una mayor exergía de gases de escape y por ende un mejor aprovechamiento. Comparando el comportamiento entre combustibles se presenta la misma tendencia que en la exergía con la corriente de escape, es decir a ser mejor cuando se emplea cualquiera de los biodiesel, básicamente por las razones antes mencionadas.

a)

b)

Figura 80. Variación porcentual de la exergia de los gases de escape con respecto a la del combustible para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)


73

a)

b)

Figura 81. Variación porcentual de la exergia de los gases de escape con respecto a la del combustible para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

Del agua de refrigeración Con respecto al porcentaje de exergía que va con el agua refrigerante, se observa que salvo por los valores picos del biodiesel de sacha inchi al 20% en el ciclo FTP, y el de jatropha al 5% en el ciclo ECE, ambos en modos de baja carga, la tendencia general es a mantenerse constante en torno al 5,5%. Mirando el comportamiento entre combustibles, no hay una uniformidad en el comportamiento al pasar de un grado de carga al otro, en ambas concentraciones de mezcla y en ambos ciclos de conducción, debido seguramente a las diferencias en el salto térmico del agua de refrigeración con cada combustible.

a)

b)

Figura 82. Variación porcentual de la exergía del agua de refrigeración con respecto a la del combustible para las mezclas al 5% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)

a)

b)

Figura 83. Variación porcentual de la exergía del agua de refrigeración con respecto a la del combustible para las mezclas al 20% en el ciclo ECE (a) y en el ciclo FTP (b)


74

14. FUNCIONAMIENTO DE LA ALIANZA

En el proyecto participaron en forma mancomunada y con tareas y responsabilidades bien definidas los siguientes actores:

• Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, como ente estatal encargado de la interventoría del proyecto, así como de los respectivos desembolsos financieros.

• La universidad de Antioquia, como entidad investigadora, encargada de la preparación de la instrumentación y equipos, del montaje del motor en banco de ensayos, de la puesta a punto y calibración de los equipos de medición, de la realización de las pruebas preliminares y de las definitivas y del análisis de los resultados de los ensayos. El personal encargado de coordinar todas estas actividades fue el siguiente

o John Ramiro Agudelo Santamaría, cuyo rol en el proyecto fue el de coordinar todas las actividades de investigación y la adecuada ejecución del proyecto, presentación de informes, escritura de artículos. Diseño de experimentos. Análisis de información obtenida en los experimentos. Modificaciones de experimentos. Su dedicación al proyecto fue de 13 horas por semana durante los 24 meses que duró el proyecto

o Fanor Mondragón Pérez, quien participó como investigador y asesor de la parte experimental relacionada con la determinación de las emisiones contaminantes. Su dedicación fue de 8 horas semanales por 24 meses.

o John Jairo Fernández Hincapié, Investigador, cuya participación consistió en el montaje y aplicación de las técnicas para la determinación del material particulado y la determinación de los índices de emisiones, con una dedicación de 10 horas a la semana durante 24 meses.

o Álvaro Delgado Mejía, quien participó como analista investigador y brindando apoyo en las pruebas en banco de ensayo de motores, montaje de todos los sistemas de suministro de fluidos al motor: agua para refrigeración del motor y del banco, sistema de suministro de aire, sistema de gases de escape, instalación y calibración de los sensores, participación en el diseño de las pruebas, realización de los balances energético y exergético, realización de pruebas y participación en elaboración de informes. Su dedicación al proyecto fue de 40 horas semanales durante los 24 meses de duración del proyecto

o Frank Ruiz Holguín, cuyo rol en el proyecto fue el de apoyo técnico y auxiliar de laboratorio, y responsable del montaje de toda la sensórica del banco de ensayos, sistema de adquisición de datos en tiempo real, participación en el diseño de las pruebas, realización de pruebas y participación en elaboración de informes. Su dedicación al proyecto fue de 40 horas semanales durante 24 meses.


75

o Fabian Vargas, auxiliar de laboratorio responsable de brindar apoyo durante la realización de los ensayos en el motor, así como en las tareas de mantenimiento, arme, desarme y soldadura de piezas, trabajos electromecánicos e hidráulicos de la celda de ensayos. Su dedicación al proyecto fue de 40 horas a la semana por un lapso de 15 meses.

o Yuhan Arley Lenis, auxiliar de laboratorio encargado de la ejecución de las mediciones en banco de ensayos, de la calibración y análisis de las emisiones de NOx y material particulado y elaboración de informes.

o Juan Gabriel Flórez, auxiliar de laboratorio a cargo de las mediciones en banco de ensayos. Y todo lo relacionado con las mediciones de material particulado, calibración de equipos, procesamiento y análisis de los resultados.

• Gustavo Londoño, por parte de la alianza en representación del Área Metropolitana del Valle de Aburrá, participó activamente durante el desarrollo de las pruebas, acompañó en el análisis de resultados y de búsqueda y análisis de la información bibliográfica. Además se encargó de gestionar los desembolsos de la alianza, así como de realizar actividades de interventoría.

En términos generales, cada uno de los actores se destacó por su compromiso y dedicación, teniéndose una sinergia que permitió llevar a buen término la conclusión del proyecto.

Como actividades de la alianza se cuentan las siguientes:

• Realización de talleres y seminarios de capacitación en temas relacionados con la ejecución del proyecto.

• Divulgación de los resultados al interior del Área Metropolitana mediante conferencias.

• Divulgación de los resultados mediante artículos técnicos y conferencias, previa solicitud de autorización a las partes que financiaron el proyecto.

• Se recibió una inteventoría cada seis meses por parte del Ministerio y una interventoría cada tres meses por parte del Área Metropolitana en cabeza del Ingeniero Gustavo Londoño.

15. ANÁLISIS DE IMPACTOS

La implantación de un programa con B5 (5% de biodiesel), requiere aproximadamente de 4000 BPD de biodiesel, que representarían cerca de 50.000 nuevas hectáreas para cultivo dedicado solo a biodiesel (asumiendo un rendimiento de 4 toneladas/ha-año). De acuerdo con Fedepalma, se generan alrededor de 0,21 empleos por hectárea, con lo cual se generarían 10.500 nuevos empleos, asumiendo un núcleo familiar de cuatro personas por familia, se estiman 42.000 beneficiarios para el 2008. Si se cumplen las expectativas de crecimiento en el uso de biodiesel en el país de las mezclas B20, para el 2019 se tendrían 52.500 nuevos empleos, que sumarían 210.000 beneficiarios totales.


76

Análisis de impactos por objetivo específico

• Indicadores energéticos: Se obtuvo un mayor consumo al incrementar la concentración de biodiesel en la mezcla debido a su menor contenido energético, se esperaría que por lo tanto el parámetro del poder calorífico inferior fuese tenido en cuenta en la fórmula del cálculo del precio del galón de combustible.

• Indicadores exergéticos: no hubo diferencia apreciable en este tipo de indicadores entre combustibles, salvo la exergía de los gases de escape que fue mayor para el biodiesel debido a su mayor temperatura, esto sería de interés únicamente en plantas de aplicación estacionaria, ya que en automoción es impráctico recuperar la exergía de los gases de escape.

• Material particulado: Disminuye tanto la cantidad emitida como el tamaño medio de las partículas. Además, al mostrar una estructura más grafítica, significa que las partículas con biodiesel tienden a ser menos peligrosas por su menor contenido de hidrocarburos aromáticos policíclicos. Las partículas pequeñas del biodiesel no fueron más pequeñas que las del diesel, pero el valor medio de su tamaño fue menor.

• Índices de emisiones: excepto las emisiones de óxido nítrico (NO), todas las demás disminuyeron al usar biodiesel. El origen del biodiesel afectó estas emisiones, siendo en términos generales el de jatropha el más benéfico en el aspecto ambiental.

16. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Respecto al desempeño mecánico del motor

• Se midió a igualdad de potencia, los puntos de mayor dificultad experimental fueron los de baja carga y bajo régimen debido a las inestabilidades propias del motor y del sistema de control.

• El dosado relativo no varió con el tipo de combustible, con lo cual las medidas derivadas de los ensayos en el motor son consecuencia directa de las distintas propiedades de los combustibles analizados y no debidas a posibles diferencias en los dosados relativos.

• El rendimiento efectivo no varió significativamente con el tipo de combustible empleado, lo cual indica que la relación entre la energía suministrada y la obtenida en el eje fue prácticamente igual para todos los combustibles.

• El consumo específico de combustible aumentó en proporción a las variaciones en los poderes caloríficos de los combustibles ensayados, con lo cual incrementó en torno al 2% para las mezclas B5 y en torno al 4% para las mezclas B20.

• En cuanto a prestaciones mecánicas el mejor comportamiento respecto al diesel de referencia lo presentó el biodiesel de jatropha, mientras que el peor fue el biodiesel de higuerilla.


77

Respecto al comportamiento ambiental del motor

• Las emisiones de CO y THC en el motor diesel, con cualquiera de los combustibles

investigados y en cualquier modo de operación, son despreciables. • Para todos los combustibles se observó que a medida que aumentaba el grado de carga del

motor, la emisión de CO2 también lo hacía, sin que se hubiesen presentado diferencias significativas entre ellos, debido a que se incrementa el consumo de combustible.

• Las emisiones de NO con mezclas de biodiesel dependen fuertemente del modo de operación del motor, siendo los modos de alta carga donde menos diferencias se presentan respecto al diesel de referencia. Al 5% no se presentó una tendencia clara en cuanto a emisiones de NO de los diferentes tipos de biodiesel, sin embargo al 20% siempre aumentaron, siendo el de menor incremento el biodiesel de palma junto con el de jatropha. El biodiesel de Sacha-inchi fue el que más emisiones de NO produjo.

Respecto a los índices de emisiones

• En general el empleo de mezclas diesel - biodiesel (cualquiera de los ensayados, y en cualquier concentración) conduce a una reducción en las emisiones anuales de THC, CO y material particulado.

• Ambientalmente, el biodiesel de jatropha al 20% es el que menos cantidad (ton/año) de CO2 emite a la atmósfera, y comparativamente con las demás mezclas el que menos NOx emite.

Respecto a la caracterización del material particulado

• La adición de biodiesel al diesel disminuye la cantidad de material particulado emitido por el motor según lo mostraron las microscopías realizadas a los filtros. Los resultados obtenidos de la masa de hollín muestran que el tipo de biodiesel usado afecta ligeramente la cantidad de material particulado que se forma. El biodiesel de higuerilla, por tener un grupo hidroxilo (OH) fue el que mayor reducción mostró, y a continuación los biodiesel más saturados como el de palma y jatropha. El peor respecto al diesel fue el de sacha inchi.

• Las técnicas de análisis termogravimétrico (TGA), espectroscopía de infrarrojo, espectroscopía Raman y microscopía electrónica de trasmisión (TEM) muestran que el adicionar biodiesel al combustible genera material particulado más grafítico, es decir, una disminución en los hidrocarburos policíclicos aromáticos, que son los compuestos a los cuales se les ha asociado efectos cancerígenos y mutagénicos. Lo anterior implica un incremento en la fracción orgánica insoluble de las partículas con biodiesel.


78

• Las muestras de material particulado recolectado para los diferentes combustibles muestran, por espectroscopía de infrarrojo, los mismos grupos funcionales con intensidades relativas diferentes, no evidencia cambios significativos en la química de los grupos funcionales.

• Se comprobó que la adición de diferentes porcentajes de biodiesel al combustible disminuye la cantidad de azufre presente en el material particulado, esto se observó tanto por espectroscopía de infrarrojo como con energía dispersiva de rayos X (EDX).

• La microscopía electrónica de barrido (SEM) y la microscopia electrónica de trasmisión (TEM) permitieron determinar que todas las muestras presentan morfología esférica y que la adición de biodiesel genera una disminución del tamaño promedio de las partículas.

Recomendaciones • Explorar a profundidad desde el punto de vista agronómico y agroindustrial las

posibilidades del biodiesel de aceite de jatropha, ya que en términos promedios fue el de mejor desemepeño ambiental y comparativamente con los demás biodiesel se comportó prácticamente igual desde el punto de vista mecánico, es decir, produjo los mismos incrementos de consumo de combustible, eficiencia y temperatura del motor.

• El biodiesel de aceite de higuerilla produjo inestabilidades en el motor, haciendo difícil alcanzar los modos de operación estacionarios, esto fue cierto especialmente a elevadas concentraciones (20%), por lo que su uso como biodiesel sería recomendable sólo en cantidades como aditivo, por ejemplo, mejorador de lubricidad.

• Explorar la posibilidad de hacer mezclas entre diferentes biodiesel con el fin de lograr combinar propiedades, por ejemplo, las buenas propiedades de combustión del biodiesel de palma, pero sus malas propiedades de flujo en frío se podrían compensar con mezclas con biodiesel de higuerilla y jatropha.

• Explorar el efecto a largo plazo, no sólo en motores y vehículos, pero especialmente en tanques de almacenamiento y transporte de biodiesel por los posibles efectos que tengan algunos contaminantes minoritarios.

• Profundizar en el efecto de desgaste (tribología) de los diferentes tipos de biodiesel como aditivos mejoradores de lubricidad, ya que por ejemplo el biodiesel de sacha inchi mostró mejores propiedades lubricantes que el de palma.

• Realizar determinaciones de la masa con túneles de dilución, para tener datos de masa que puedan ser enmarcados dentro de los métodos recomendados para este tipo de medición.

• Realizar análisis de rayos x, los datos de esta técnica pueden ser correlacionados con los datos obtenidos con la espectroscopía Raman.


79

• Realizar fluorescencia de rayos x a las muestras para conocer la composición del bulk de las muestras recolectadas.

• Se hace necesario realizar un análisis de ciclo de vida de CO2 para tener un mejor panorama respecto a las bondades o no del uso de biodiesel mezclado con diesel

Respuesta a preguntas frecuentes

1. Cuál biodiésel fue el de mejor desempeño mecánico en el motor? R/ No hubo diferencia apreciable entre ellos, prácticamente todos incrementaron el consumo de combustible, del orden del 2% cuando se usaron mezclas al 5% de biodiesel (B5) y del orden del 4% cuando se usaron mezclas al 20% de biodiesel (B20).

2. Cuál biodiesel contamina menos? R/ todos los biodiesel ensayados emitieron ligeramente más óxido nítrico (NO) que el diesel, aunque dependía del modo de operación del motor. En promedio, las emisiones de hidrocarburos, monóxido de carbono y bióxido de carbono disminuyeron con el biodiesel, siendo el de jatropha el mejor entre los biodiesel ensayados.

3. Cómo se pudieran disminuir las emisiones contaminantes de NO con el biodiesel? R/ Como se mostró en este proyecto, dependen del modo de operación, también podrían verse afectadas por la tecnología del motor, por lo que sería recomendable que los fabricantes probaran diferentes estrategias como el uso de recirculación de gases de escape (frío y variable en función del biodiesel usado en la mezcla), variar las estrategias de inyección por programación de las unidades de control electrónico, etc.

4. Cuál mezcla sería la ideal al usar biodiesel? R/ Desde el punto de vista energético y ambiental, se observó que al incrementar la concentración de biodiesel se producía un incremento en el consumo de combustible, la eficiencia térmica no variaba y la temperatura de los gases aumentaba ligeramente, mientras que las emisiones disminuían (incluso el material particulado), excepto los óxidos de nitrógeno; por lo anterior esta respuesta depende de la valoración de éste y otros parámetros, por ejemplo de tipo social y económico.

5. Es el biodiesel la solución definitiva al agotamiento del diesel fósil? R/ Los autores de este informe piensan que el biodiesel es una solución transitoria que ha generado un movimiento económico y social de grandes magnitudes en Colombia y en el mundo, sin embargo consideran que el uso de los biocombustibles en general son una solución transitoria mientras hasta que se logre madurar la tecnología del hidrógeno, y que debería acompañarse de campañas de educación vial, de mejoramiento de pautas de conducción, de implementación del uso racional de la energía y de los recursos naturales.


80

17. BIBLIOGRAFIA

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[30] Agudelo J., Agudelo A. Cuadrado I. Análisis de primera y segunda ley de un motor operando con biodiesel de aceite de palma. Parte 1: balance energético global. Revista Energética #35, Julio de 2006. Universidad Nacional de Colombia. p 1 – 8.

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[33] Agudelo J., Agudelo A. Cuadrado I. Análisis de primera y segunda ley de un motor operando con biodiesel de aceite de palma. Parte 2: balance exergético global. Revista Energética #35, Julio de 2006. Universidad Nacional de Colombia. p 9-14.

[34] Kotas T. J. The Exergy Method of Thermal plant Analysis. Krieger Publishing Company. Florida, Septiembre de 1995.


83

ANEXOS


84

ANEXO 1

MODELO DE CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DE EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DEL MOTOR

Una parte importante de la información necesaria para hacer la evaluación del desempeño del motor debe ser calculada a partir de los resultados medidos en las pruebas del motor en banco de ensayos, se detalla esto a continuación tanto para parámetros efectivos de operación como para índices energéticos, exergéticos y de emisiones contaminantes.

Nomenclatura

Tabla 16. Diseño experimental de las pruebas preliminares

Parámetro Identificación Unidades

Par efectivo o al freno del motor Me Nm

Potencia efectiva o al freno del motor Ne kW

Régimen de giro del motor n rpm

Flujo másico de combustible fm

g/s

Flujo másico de aire que entra al motor am

g/s

flujo másico de gases en el motor, corresponde a la suma de los flujos de aire y combustible gm

g/s

Eficiencia Efectiva o de conversión energética del motor ηe %

Consumo especifico de combustible sfc g/(kW-h)

Poder calorífico inferior del combustible LHV kJ/kg

Densidad de combustible ρf kg/m3

Temperatura del ambiente (Sala de ensayo) Tamb ºC

Temperatura de los gases de escape Tex ºC

Calor específico de los gases de escape Cp kJ/(kg-K)

fracción molar del gas j en la mezcla de gases Yj *

fracción másica del gas j en la mezcla de gases Xj *


85

Numero de moles del gas j Nj Mol

Peso molecular del gas j PMj kg/kmol

peso molecular de la corriente de gases de escape

PMg kg/kmol

Constante universal de los gases Ru kJ/(kmol-K)

Relación aire-combustible AF kga / kgf

Dosado (Relación combustible-aire) FA kgf / kga

Coeficiente de exceso de aire – Lambda λ *

Dosado relativo φ *

Indice de emisiones por unidad de combustible Im,j kgj / kgf

Indice de emisiones por unidad de potencia IW,j kgj / kW

Indice de emisiones en toneladas por año ITON,j

Energía E kJ

Energía específica e kJ/kg

Potencia o Flujo de energía kW

Flujo de Calor kW

Entalpia específica kJ/kg

Exergía Ex kW

Entropía S kW/K

Entropía específica s kJ/kgK

Autonomía Autonomía hora/galón

Potencial Cogeneración PCOG kW

*Parámetros adimensionales


86

Tabla 17. Subíndices empleados en el modelo

Subíndice para: Identificación

Combustible f

Condiciones ambiente amb

Gases de escape g

Aire entrada al motor a

Refrigerante ref

Trabajo W

Entrada e

Salida s

Destruida d


Tabla 18. Superíndices empleados en el modelo

Superíndice para: Identificación

Componente física F

Componente química Q


COMPOSICIÓN DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN

Para obtener las propiedades de los productos de combustión y calcular los flujos energéticos y exergéticos asociados, es preciso conocer la composición de la mezcla de gases en la corriente de escape. La fracción molar Yj en base seca es conocido para j = CO2, CO, THC, NOx, y O2. Estas medidas se obtienen directamente de los respectivos analizadores de gases. La composición completa en base seca se balancea con Nitrógeno que es el principal componente del aire atmosférico.


87

( )2

1N j analizadoresY Y= − ∑ Ecuación 1

Sin embargo una parte importante de la composición de los productos de combustión es agua, formada a partir del hidrogeno del combustible. Para estimar la composición real que sale por el tubo de escape del motor, que contiene una cantidad importante de agua se procede partiendo de una reacción de combustión para el combustible en cuestión:

( )2 2 2 2 2 23.76x y n mC H a O N bCO cH O dCO eNO fC H gO hNλ+ + → + + + + + + Ecuación 2

Donde x e y dependen de la fórmula química del combustible, λ es el coeficiente de exceso de aire, cuyo valor es 1 para dosificación estequiométrica, a es el coeficiente estequiométrica de aire (para combustión estequiométrica completa, es decir λ=1) que se obtiene fácilmente por balance estequiométrica. Los valores de n y m dependen de la medición de hidrocarburos totales del equipo, en este trabajo se midió en base hexano (C6H14) por lo que serán entonces el numero de átomos de carbono e hidrogeno del hexano, es decir n = 6 y m = 14. Los valores de b, d, e, f y g se obtienen de los analizadores de gases considerando 100 mol de productos de combustión secos y h se obtiene por balance con la ecuación 2. Así pues, la ecuación de combustión queda:

( ) ( )2 2 2 2 2 23.76x y n mz C H a O N bCO cH O dCO eNO fC H gO hNλ+ + → + + + + + +

Ecuación 3 Donde solo son desconocidos c, λ, y z, este último es el número de moles de combustible necesarios para obtener la combustión con 100 mol de productos secos con las fracciones como se registraron con los analizadores. Un balance del carbono de la reacción nos entrega el valor de z.

z x b d f n⋅ = + + ⋅ Ecuación 4 Dado que lamba es el factor de exceso de aire y a su vez el inverso del dosado relativo, se puede conocer a partir de la relación aire-combustible que a su vez se determina con las medidas de los flujos de aire y combustible.


88

1a

f

mAFFAm

= =

Ecuación 5 ( )

( )1medido

estequiometrico

AFAF

λφ

= = Ecuación 6

Finalmente se puede llegar al número de moles de agua por cualquiera de las dos siguientes vías:

Por balance de H: 2

2z y f mz y c f m c ⋅ − ⋅

⋅ = + ⋅ ⇒ = Ecuación 7

Por balance de O: ( )2 2 2

2c d ea b g c a b d e gλ λ+ +

= + + ⇒ = − + + + Ecuación 8

La composición de la mezcla de gases en base húmeda se hace a partir del número de moles, calculando la fracción molar de cada especie j de la siguiente manera:

jj

NY

b c d e f g h=

+ + + + + + Ecuación 9 Para j = numero de moles de la especie a calcular su fracción molar. Adicionalmente la masa molar de los productos de combustión se obtiene de:

g j jPM Y PM= ∑ Ecuación 10 Cálculo del material particulado

El método desarrollado por Lapuerta et al [29] involucra la opacidad de los gases de escape y las emisiones totales de hidrocarburos (THC), además de un factor de ponderación k que depende de la composición del combustible y de la configuración del motor. Esta correlación está dada por la Ecuación 11

[ ] [ ] [ ]g/kWh sTHCK g/kWhsoot g/kWh MP += Ecuación 11

Donde MP es la emisión específica de material particulado, soot es la de hollín y sTHC la de THCs. Éstos índices no se miden directamente, sino a partir de las emisiones de THC, hollín, y


89

potencia. A partir de aquí, el procedimiento de cálculo se puede dividir en 2: el cálculo de las emisiones específicas de hollín y el de las emisiones de THC.

Cálculo de las emisiones específicas de THC

Las emisiones específicas de THC están dadas por la Ecuación 12

( )

e

fagases

HCHC

N

mmPMPM

XsTHC

+

=

146

146

Ecuación 12

Donde Ne es la potencia al freno en kW, 146HCPM es el peso molecular del hexano (86 g/mol) y

gasesPM es el peso molecular de los gases de escape, el cual se asumirá igual al del aire (28,84

g/mol). am

y fm

son los flujos másicos de aire y combustible en gramos/hora, respectivamente, y

146HCX es la fracción molar de hexano. Los instrumentos de medición con los que cuenta el

Laboratorio de Máquinas Térmicas de la Universidad de Antioquia miden la concentración en partes por millón (ppm), base volumétrica. Asumiendo gas ideal, se puede afirmar lo siguiente:

6

,

10146

146

volHCHC

ppmX =

Ecuación 13

Esto aplica siempre y cuando las concentraciones sean medidas en base hexano. En caso de que se mida en otra base, es necesario ajustar el equipo para medir en base hexano, aplicar los factores de corrección correspondientes para convertir la medición a base hexano, o cambiar el peso molecular del hexano por el correspondiente a la base.

Para determinar el valor de K en la Ecuación 1, se utilizó el trabajo de Lapuerta et al., en el cual se tienen diferentes valores dependiendo de la configuración del motor. Estos valores se pueden observar en la tabla siguiente

Tabla 19. Valores numéricos de K para diferentes tipos de motor.

Motor IDI/ Turbo-intercooler DI/ Turbo-intercooler DI/ Aspiración

natural

K 0,66 0,40 0,20

Las características del motor Isuzu 4JA1 hacen elegir un valor de K igual a 0,40.


90

Cálculo de las emisiones específicas de hollín

Las emisiones específicas de hollín se pueden encontrar a partir de

[ ]][

]/³[³]/[/

kWNhmVmgC

kWhgsoote

gases×

=

Ecuación 14

Donde C es la concentración de hollín y gasesV es el caudal volumétrico de gases de combustión.

Para simplicidad en los cálculos, se asumirá igual a la suma de los flujos volumétricos de aire y combustible. Es decir

ecombustiblairegases VVV += Ecuación 15

El equipo AVL Dicom 4000, equipo con el que se mide la opacidad en porcentaje (N) y en coeficiente de absorción de luz (K), hace necesario convertir los valores obtenidos por él a concentraciones de hollín, con el fin de poder obtener las emisiones específicas.

Según AVL, fabricante del equipo, la correlación entre la opacidad y una magnitud denominada Filter Smoke Number (FSN) está dada por:

FSNFSNFSNN 96.3²62.0³12.0(%) ++= Ecuación 16

Esta correlación, determinada empíricamente, es válida para valores de FSN entre 0 y 4. Sin embargo, permite encontrar la opacidad en función del FSN. Para hacer lo opuesto, se generó a partir de la Ecuación 16 la siguiente correlación:

9998.0²

0277.02271.0²0053.0³106 5

=++−×= −

RNNNFSN

Ecuación 17

El índice R², que varía entre 0 y 1, indica la bondad del ajuste, siendo 1 un ajuste perfecto. A partir del valor de FSN, se puede hallar la concentración de hollín C en mg/m³, la cual está dada por:

FSN

ef

eFSNL

C βγα1=

Ecuación 18

Donde:

>

−

+

≤=

==

82

81

8138.095.4

10

FSNsiFSNFSNsi

γ

βα


91

Y Lef es la longitud efectiva de la cámara de gases. En el opacímetro del AVL Dicom 4000, ésta mide 215 mm.

La figura 84 muestra un diagrama de flujo en el que se pueden apreciar los cálculos necesarios para determinar las emisiones de material particulado mediante el método de Lapuerta et al [29], y su respectivo orden.

Figura 84. Diagrama de flujo para determinar las emisiones de material particulado.

Cálculo de los índices de emisión

Se calcularon los índices de emisión o emisiones especificas, los cuales aportan mayor información que la solo lectura de la concentración molar de las especies en los productos de combustión, esto porque revelan la cantidad másica de cada especie (en particular los contaminantes) que es emitida por cada unidad de combustible consumido, o por unidad de potencia que el motor entrega en el eje de salida.

Por unidad de masa de combustible: ,j g

m j jg

f

PM mI Y

PM m=

Ecuación 19

Por unidad de potencia entregada: , 3600 j gW j j

g e

PM mI Y

PM N

=

Ecuación 20

Se puede expresar también en toneladas / año, si se conoce el consumo promedio anual de combustible en una región:


92

7, , , , ,9

42 3.785 1.5897 1010

j gTON j j f B A TON j m j f B A

gf

PM mI Y C I I C

PM mρ ρ−

× = ⇒ = ×

Ecuación 21

Donde CB,A es el consumo anual de combustible en barriles, que para el caso colombiano se tomó una cifra de 90 mil barriles diarios de diesel, consumidos por el sector transporte [2]. El subíndice j representa las especies de los productos de combustión: CO2, CO, NO, etc. Modelo de cálculos energéticos [30] Un análisis energético está basado en la primera ley de la termodinámica, y en un sistema permite conocer la distribución de energía a través de sus fronteras, para el caso de un motor el balance puede realizarse en estado estable o en transitorio, tanto para sus diferentes subsistemas como para el motor global. La primera ley de la termodinámica para un sistema abierto está dada por:

e se se s

dE Q W m e m edt

= − + −∑ ∑

Ecuación 22

Donde W

para el motor es la potencia en el eje (Ne) y Q

es la transferencia de calor desde el motor a los alrededores, se obtiene por balance e incluye calor por convección y radiación. La energía con los flujos entrantes y salientes se puede obtener de:

e f agua ae agua ae e e

m e m LHV m h m h = + +

∑

Ecuación 23

s agua gs agua gs s s

m e m h m h = +

∑

Ecuación 24 Reemplazando y reordenando se obtiene:

( ) ( )( )f g a aguae g a agua agua ambs es e

m LHV N m h m h m h h Q = + − + − +

Ecuación 25 La energía de la corriente de gases de escape:


93

( ),298.15 ,298.15

gT

g g gg g p gE m h h m C dT= − = ∫

Ecuación 26 El Cp de los productos de combustión se calcula para la mezcla de gases a partir del Cp de cada especie a la presión y temperatura de la mezcla, este último se obtuvo a partir de un polinomio de cuarto orden que considera la variación de Cp con la temperatura. Los valores de los coeficientes son propios de cada especie y se obtienen de las tablas de Janaf, las cuales fueron tomadas de [31].

, 2 3 4,1 ,2 ,3 ,4 ,5

p jj j j j j

u

C a a T a T a T a TR

= + + + + Ecuación 27

Que es el calor específico molar del gas j, al integrar respecto a la temperatura, la entalpía queda:

,2 ,3 ,4 ,5 ,62 3 4,1 2 3 4 5

j j j j j jj

u

a a a a ah a T T T TR T T

= + + + + + Ecuación 28

El calor especifico:

, ,p g p jjC Y C= ∑ Ecuación 29

Coeficientes H20 N2 O2 CO CO2 NO

a1 4.0701 3.6748 3.6256 3.7101 2.4008 3.189

a2 -0.0011084 -0.0012082 -0.0018782 -0.0016191 0.0087351 0.0013382

a3 4.1521E-06 2.324E-06 7.0555E-06 3.6924E-06 -6.6071E-06 -5.2899E-07

a4 -2.9637E-09 -6.3218E-10 -6.7635E-09 -2.032E-09 2.0022E-09 9.5919E-11

a5 8.0702E-13 -2.2577E-13 2.1556E-12 2.3953E-13 6.3274E-16 -6.4848E-15

a6 30280 -1061.2 -1047.5 -14356 -48378 9828.3

a7 0.3227 2.358 4.3053 2.9555 9.6951 6.7458


94

Coeficientes THC (Hex)

Af1 -20.777

Af2 210.48

Af3 -164.125

Af4 52.832

Af5 0.56635

Af6 -39.836

Af8 15.611

La energía asociada al flujo de aire quedaría:

( ),298.15a a a aE m h h= −

Ecuación 30 Puesto que la temperatura del aire es muy cercana a la temperatura de referencia, podemos despreciar esta energía. La energía cedida al refrigerante se calcula como:

( ) ( )( )agua agua agua aguas eE m h h= −

Ecuación 31 La entalpía del agua en los diferentes estados se obtuvo a partir de las correlaciones presentadas por Wagner et ál, [32]. Una vez conocida la magnitud de cada flujo energético en el motor se calcularon los porcentajes de energía, que revelan que porcentaje de la energía suministrada al motor en el combustible se va en cada flujo energético.

% ii

f

EEm LHV

=

Ecuación 32 El subíndice i representa cualquiera de las especies entre los gases de escape, el sistema de refrigeración o el ambiente.


95

Modelo de cálculos exergéticos [33] Un análisis de segunda ley practicado a un motor de combustión interna, permite evaluar de una manera más realista el desempeño del mismo, ya que se establecen los límites teóricos que se pueden alcanzar, a la vez que permite identificar los puntos del proceso en los que se presentan las mayores irreversibilidades. En esencia, el resultado de un análisis de este tipo consiste en determinar la energía disponible para su posible aprovechamiento en sistemas combinados por ejemplo. Para el motor ensayado, se tiene que en su operación normal, le está entrando flujo de aire y de combustible y le está saliendo flujo de gases en la corriente de escape, así como flujos energéticos asociados con la potencia efectiva desarrollada, con el sistema de refrigeración y con las irreversibilidades propias de una máquina térmica. Vale aclarar que de los flujos entrantes al motor, sólo el de combustible representa una entrada de energía al sistema, el de aire sólo es necesario para poder efectuar el proceso de combustión al interior de la máquina y su contenido energético sensible (en virtud a la diferencia de temperatura con el ambiente o una temperatura de referencia, típicamente 298,15 K) al igual que el del combustible es muy bajo y su aporte a favor o en contra es despreciable. El balance energético para el motor queda determinado a partir de la siguiente expresión:

f W g ref dE x E x E x E x E x= + + +

Ecuación 33

Esta expresión indica que toda la exergía entrante esta con el combustible, más aún se considera solo la exergía química del combustible, puesto que tanto el combustible como el aire entran al sistema a temperaturas y presiones que les proveen una exergía física despreciable en comparación con los demás flujos exergéticos, por lo tanto:

Qf f fE x m ex=

Ecuación 34 La exergía química del combustible se estima a partir de su poder calorífico inferior. Para esto se usa la expresión de Kotas [34]:

1.0401 0.1728 0.0432Q

OH

C Cf

Xex XPCI X X

− ≅ + +

Ecuación 35 Donde los Xi se refieren a la fracción másica Hidrógeno, Carbono y Oxigeno en el combustible. El flujo exergético del trabajo es de hecho la misma potencia efectiva que entrega el motor en el eje de salida.


96

El flujo exergético de la corriente de gases de escape considera solo su parte física, ya que aunque tenga algún contenido de exergía química, es difícilmente aprovechable por un sistema convencional, o por un sistema de cogeneración.

( ) ( )( )0 0 0F

g gg g g gE x m ex m h h T s s= = − − −

Ecuación 36 En general no se puede aprovechar la presión de los gases de escape del motor de manera útil, por lo que otra alternativa para estimar el potencial que se puede utilizar de los gases de escape, es calcular el potencial de cogeneración, que da la medida de la energía recuperable de los gases de escape dependiendo de la temperatura de los gases.

( )1 11000

ambCOG ex amb g

ex

TP Cp T T mT

= − −

Ecuación 37 Las diferencias de entalpía se obtienen con las expresiones polinómicas usadas en el análisis energético, en esa misma línea se puede llegar a una expresión para la diferencia de entropía, cuyos coeficientes son los están en las mismas tablas referenciadas anteriormente.

,3 ,4 ,52 3 4,1 ,2 ,7ln

2 3 4j j j j

j j ju

a a as a T a T T T T aR

= + + + + + Ecuación 38

La exergía que se le cede al líquido refrigerante del motor que en esencia es agua se calcula:

( ) ( )( )0 0 0F

ref refref ref ref refE x m ex m h h T s s= = − − −

Ecuación 39 Las diferencias de entalpía y entropía del agua se calculan nuevamente según las correlaciones de la IAPWS [32]. Finalmente la tasa de destrucción de exergía se puede obtener a partir del balance de exergía planteado inicialmente. Se considera apropiado para el motor calcular la eficiencia de segunda ley de la termodinámica como la relación entre la potencia real y la máxima reversible, esto permite identificar que tan lejos se encuentra el motor del límite impuesto por Carnot. El trabajo máximo reversible se obtiene por balance de exergía haciendo cero el término de destrucción de exergía.

,max

realII

rev

W

Wη =

Ecuación 40


97

ANEXO 2

METODOLOGÍA PARA OBTENCIÓN DE LOS MODOS DE ENSAYO A continuación se presentan los métodos trabajados para la obtención de los modos de ensayo. Para los cálculos con cada uno de los métodos se requiere información del vehículo tal como las especificaciones del motor, peso del vehículo, relaciones de transmisión y diferencial, ruedas (llanta), etc. Esta información se presenta a continuación:

Tabla 20. Características dinámicas del vehículo Chevrolet Luv. Dmax. 2.5 L Turbo

Chevrolet Luv. Dmax. 2.5 L Turbo.

Tipo 4 cilindros en línea, turboalimentado sin intercooler

Cilindrada 2.5 Litros

Potencia (HP @ RPM) 79 @ 3900

Par (N.m @ RPM) 176 @ 2000

Relación de Compresión 17.7

Relaciones de Caja y Diferencial

1ra marcha: 4,122 2da marcha: 2,493 3ra marcha: 1,504 4ta marcha: 1,00 5ta marcha: 0.855 Reversa: 3,720 Diferencial: 4,1

Llantas 225/70 R15

Pesos (kg) Peso Vacío: 1555 Peso Bruto: 2420

Coeficiente Aerodinámico 0.42*

Área Frontal (m2) 2.24

La dinámica longitudinal del vehículo comprende las herramientas matemáticas que relacionan las fuerzas que actúan sobre el vehículo para estimar las condiciones de desplazamiento a que se ve sometido cuando transita bajo las condiciones supuestas.

Las siguientes variables están involucradas en el cálculo de la dinámica longitudinal:

• Fuerza aplicada en las ruedas (FX): Es la fuerza que utiliza el vehículo para traccionar y producir el movimiento. Depende del torque del motor y su régimen de giro, el cual varía conforme a la curva característica del mismo. También están involucradas las relaciones de transmisión de la caja de velocidad, la relación del diferencial, el tamaño de las ruedas y el radio dinámico de estas últimas.


98

• Fuerza resistiva de rodadura (RX): Depende de las llantas, tamaño, tipo, presión de inflado, tipo de superficie por la que se desplaza el vehículo.

• Fuerza resistiva aerodinámica (DA): Debida a la resistencia que opone el aire al movimiento del vehículo, es mayor cuanto mayor es la velocidad, y depende además del tamaño (área frontal) así como de la geometría del vehículo.

• Fuerza resistiva debida a la pendiente (W): Se presentan cuando el vehículo debe ascender una cuesta y depende del peso del vehículo.

• Fuerza resistiva de aceleración: Aparece cuando el vehículo sufre una aceleración, donde el sistema motriz del auto (motor-caja-transmisión-ruedas) debe hacer un aporte adicional para permitir que el vehículo tenga una tasa de incremento de velocidad, o bien de reducción de velocidad en cuyo caso el sistema de frenos es el encargado del aplicar la fuerza.

Figura 85. Fuerzas actuantes sobre un vehículo en movimiento

Estas fuerzas actuando simultáneamente sobre el vehículo se ilustran en la figura 85. Cuando el vehículo transita en estado estable a velocidad constante, estas fuerzas están en equilibrio, lo cual significa que la fuerza aportada por el sistema motriz debe compensar las fuerzas resistivas que se oponen a su movimiento. La fuente de energía para lograr esto está en el motor del vehículo.

Se presentan a continuación las ecuaciones que utilizaron para cuantificar las condiciones dinámicas del vehículo.

Fuerza resistiva de rodadura: Fr.

mgfWfF rrr == Ecuación 41

Donde:

W: Fuerza normal al piso sobre las ruedas, en terreno plano sin inclinación es el peso del vehículo (el producto de su masa por la gravedad).


99

fr: Coeficiente de resistencia por rodadura. Depende del neumático utilizado, la presión de inflado y las características de la carretera, así mismo en algunos modelos es función de la velocidad.

fr = 0,042 en nuestro modelo.

Fuerza resistiva aerodinámica: Fa.

2

21 VACF da ρ=

Ecuación 42

Donde:

ρ: es la densidad del aire en kg/m3. A: Es el área frontal del vehículo, en m2.

V: Velocidad del vehículo, en m/s.

Cd: Coeficiente de arrastre.

Fuerza resistiva debida a la pendiente: FP.

θsinWFP =

Donde:

W: Peso del vehículo, en N

θ: Angulo de inclinación de la vía respecto a la horizontal.

Fuerza resistiva debida a aceleración:

ag

WFac =

Donde:

a: Aceleración del vehículo, en m/s2

W: Peso del vehículo.

g: Aceleración de la gravedad

Fuerza de tracción y velocidad en las ruedas. La transmisión de potencia desde el motor a las ruedas, que permite el movimiento del vehículo, se hace por medio de un complejo sistema que involucra diversos mecanismos que además de transmitir el movimiento, permiten regular la velocidad, lograr arranques con suavidad, llevar el motor en un punto de operación eficiente y seguro, etc.

La fuente de potencia es el motor, la cual es variable según el grado de carga (determinado por la


100

posición del pedal de aceleración) y la velocidad a la que entrega esa potencia (régimen de giro del motor). Esto depende entonces de las curvas características de par (ó potencia) vs rpm del motor. En adelante esta potencia debe ser transmitida por un sistema que incluye algunas pérdidas mecánicas y que cumplen funciones adicionales:

Embrague: Acopla el eje de salida del motor con la caja de velocidades, permite además realizar los arranques con suavidad, realizando el acople de manera progresiva, atenuar vibraciones torsionales y absorver energía durante los arranques bruscos para proteger el sistema. Existen embragues cuyo acople se hace por medios hidrocinemáticos, donde el usuario no tiene la necesidad de operar el mecanismo, esto aunque más cómodo, implica mayores pérdidas de potencia.

Caja de velocidades: Permite aplicar una relación de transmisión entre la velocidad en entrada del motor y la de salida de la caja, en un compromiso entre alto torque (por ende fuerza de tracción en la rueda) y alta velocidad, esto brinda la posibilidad de tener marchas con mucha fuerza como primera, pero que limitan a un lento desplazamiento, o marchas que permiten más velocidad, sacrificando parte la fuerza disponible en las ruedas.

Conjunto Diferencial: Permite que las ruedas de tracción del vehículo giren a diferentes velocidades cuando el vehículo toma una curva, para evitar el deslizamiento de las ruedas. Adicionalmente aplica una relación de transmisión adicional que reduce velocidad e incrementa el torque, que es entregado por el diferencial a los semiejes de las ruedas motrices.

Ruedas:

Determinan la interacción con el piso, permiten transmitir la potencia del vehículo para lograr movimiento, su adherencia determina la capacidad de frenado y de mantener la trayectoria durante las curvas, también su diseño y presión de trabajo influye sobre la resistencia a la rodadura del vehículo.

Adicionalmente su tamaño es un factor determinante en la fuerza de tracción del vehículo y la velocidad del mismo. Una rueda más grande recorrerá más distancia en un giro, pero demanda mayor torque para lograr una determinada cantidad de fuerza de tracción que una rueda más pequeña, en consecuencia hace al vehículo más rápido a cambio de lograr menos fuerza de tracción.

El torque que llega a la rueda T se puede calcular como:

mDC

TRR

T 1η=

Ecuación 43

Donde

Tm: Es el torque entregado por el motor, según su curva característica, en Nm.

η: es la eficiencia del sistema mecánico de transmisión, que involucra el embrague, la caja, el diferencial y demás elementos que impliquen pérdidas mecánicas

RC: Es la relación de transmisión de la caja de velocidades


101

RD: Es la relación de transmisión del diferencial

La fuerza de tracción en la rueda FT que puede calcular como:

dT r

TF = Ecuación 44

Donde:

rd: Es el radio dinámico de la rueda, en m.

La velocidad angular de las ruedas wR se obtiene de la siguiente expresión

mDC

R wRR

w 1=

Ecuación 45

Donde

wm: Es la velocidad angular del motor en rad/s.

RC: Es la relación de transmisión de la caja de velocidades que se está utilizando.

RD: Es la relación de transmisión del diferencial

Esta expresión asume que no hay deslizamiento en el embrague (s) dentro del sistema de transmisión.

La velocidad lineal en la rueda, que será la misma velocidad del vehículo se obtiene de:

dRrwV = Ecuación 46

Al hacer el balance de fuerzas sobre el vehículo se aprecia que la fuerza que las ruedas aplican sobre el piso, debe ser igual a la suma de las fuerzas resistivas que se oponen a su movimiento

acaPrT FFFFF +++= Ecuación 47

Para el caso de nuestro análisis el vehículo se considero en estado estable transitando con su peso vehicular vacío sobre una vía plana. Lo cual anula las componentes asociadas a la aceleración y a la pendiente, siendo las restricciones que intervienen, las relacionadas con la resistencia a rodadura y la fuerza aerodinámica.

arT FFF += Ecuación 48

Conjugando las ecuaciones 41 a 48 se llega a:


102

21

2111

+= dm

DCdrm

dDC

rwRR

ACWfTrRR

ρη

Ecuación 49

Asumiendo que el fr es constante para diferentes velocidades, lo mismo queη, que el radio dinámico de la rueda es conocido, y que se conocen además los parámetros del vehículo como la relación de transmisión del conjunto de transmisión, área frontal, coeficiente de arrastre aerodinámico y la densidad de aire, se aprecia que solo el Torque del motor y su velocidad angular son variables. Ambas están relacionadas y dependen de la curva característica de operación del motor, de manera que a cada régimen de giro corresponde un torque.

2

21 mm wCCT += Ecuación 50

Donde C1 y C2 son constantes.

Las expresiones anteriores permiten establecer las condiciones de operación del motor (par y régimen de giro, que pueden ser luego reproducidos en un banco de pruebas) necesarias para que el vehículo de especificaciones conocidas, transite a una velocidad determinada, por ejemplo durante el recorrido típico de un ciclo de conducción homologado.

Este es el modelo matemático que se aplicó por medio del módulo SimDriveLine del Simulink de Matlab. Para tal efecto se ha realizado un modelo en Simulink que se alimenta con las características del vehículo y con la información de las velocidades requeridas durante la operación. Estas velocidades se han tenido en cuenta según los ciclos de conducción Europeo ECE-15 y Americano FTP-75.

El modelo parte de la velocidad requerida en un instante dado, y calcula las fuerzas resistivas que debe vencer el vehículo (Aerodinámica, Rodadura, Pendiente y fuerza necesaria para tener aceleración), este requerimiento en la rueda es llevado, teniendo en cuenta la transmisión, hasta las condiciones de Torque y RPM que debe entregar el motor para cumplir con el trabajo.


103

Figura 86. Esquema del modelo realizado en Simulink

Figura 87. Resultados típicos del programa. En el eje horizontal: tiempo (s), eje Vertical Par

(Nm) y RPM x 100 (del motor)

Notas:

• Durante la ejecución del modelo, el vehículo cambia de marcha, el criterio para hacerlo es mantener el motor cercano a las zonas de par máximo y menor consumo especifico de combustible para cada velocidad del vehículo requerida, es decir una conducción sosegada, no agresiva, el motor no se lleva a rpm máximas en ningún momento.


104

• En virtud a lo anterior se puede considerar que algunos puntos podrían también ser alcanzados a mayores rpm en una relación de marcha más lenta, demandando menos torque del motor, pero mayores regímenes. Se puede sin embargo ignorar el caso contrario, ir a menores regímenes y en una relación de marcha más rápida, porque se aumenta mucho la demanda de torque y a bajas rpm el motor no trabaja en forma óptima, suele decirse en forma común que el motor tiende a “agotarse” si esto se permite.

• No se han incluido las eficiencias de la caja y la transmisión en los modelos de Simulink.

Resultados del modelo para el ciclo Europeo.

En la Figura 88 Se aprecia que para estado estable los valores de par requerido son un poco mayores con el vehículo cargado, en este caso la resistencia por rodadura está ligada al peso del vehículo. También Se aprecia que 12 de 15 puntos caen dentro del rango de las 1900 a 3000 rpm aproximadamente, las cargas cubren todo el rango del motor, incluso en estado estable. No se considera ascenso o descenso de pendiente alguna.

Figura 88. Condiciones de Par y régimen de giro proporcionadas por la simulación para el ciclo

ECE

Nota: Algunos valores de par, especialmente los más altos consideran aceleración.

Retirando los puntos de aceleración se aprecian los puntos de operación del motor para condiciones de estado estable.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

900 1400 1900 2400 2900 3400

Simulink - Ciclo Europeo

Matriz Inicial

ECE_Cargado

ECE_Vacio


105

Figura 89. Condiciones de Par y régimen de giro para condiciones de estado estable en el motor

Resultados del modelo para el ciclo Americano.

Se aprecia que para estado estable los valores de par requerido son un poco mayores con el vehículo cargado, en este caso la resistencia por rodadura está ligada al peso del vehículo. También que la Totalidad de los puntos está entre 1800 y 2500 rpm. (No se considera ascenso o descenso de pendiente alguna).

Figura 90. Condiciones de Par y régimen de giro proporcionadas por la simulación para el ciclo

FTP

Nota: Algunos valores de par, especialmente los más altos consideran aceleración.

0

20

40

60

80

100

120

140

900 1400 1900 2400 2900 3400

Simulink - Ciclo Europeo

Matriz Inicial

ECE_Cargado

ECE_Vacio

0

20

40

60

80

100

120

140

160

900 1400 1900 2400 2900 3400

Simulink - Ciclo Americano

Matriz Inicial

FTP_Cargado

FTP_Vacio


106

Retirando los puntos de aceleración se aprecia los puntos de operación del motor para condiciones de estado estable.

Figura 91. Condiciones de Par y régimen de giro para condiciones de estado estable en el motor

A continuación se presentan todos los resultados en un solo gráfico.

Figura 92. Superposición de los modos de operación arrojados por el modelo para los ciclos

considerados

El mapeado de todo el rango de operación del motor se ha clasificado en 4 zonas básicas, cada una de ellas asociada a unas condiciones de operación:

0

20

40

60

80

100

120

140

900 1400 1900 2400 2900 3400

Simulink - Ciclo Americano

Matriz Inicial

FTP_Cargado

FTP_Vacio

020406080

100120140160180200

900 1400 1900 2400 2900 3400

Puntos obtenidos por diversos metodos

Matriz Inicial

ECE_Cargado

ECE_Vacio

FTP_Cargado

FTP_Vacio


107

Figura 93. Zonas de trabajo según el grado de exigencia demandado al motor

Zona 1: Zona de bajas rpm. Según se aprecia en los resultados, ningún punto de operación cae en esta zona, lo cual es natural, pues es una zona muy inestable del motor, está lejos de entregar buenas prestaciones mecánicas, en consumo y por supuesto en emisiones. Cuando un motor se opera en esta zona, tiende a agotarse. En otras palabras, esta zona además de ser difícil para la toma de puntos experimentales, no tiene valor puesto que el vehículo no se opera en esta zona en casi ningún momento. Se concluye entonces que no se deben tomar puntos en esta zona.

Zona 2. Es una zona de muy altas rpm pero baja carga, lo cual también es inusual, puesto que cuando el motor está en estas condiciones se suele cambiar de marcha para ubicar el motor en un régimen más apropiado, con mejor consumo específico de combustible. Aunque esta zona se puede alcanzar momentáneamente justo antes de desaceleraciones, o cambios de marcha, es también poco representativa de las condiciones de operación típicas del vehículo. Se concluye que tampoco se deben tomar puntos en esta zona. Zona 3. Es la zona importante en funcionamiento del vehículo, la gran mayoría de puntos de trabajo están en esta zona, el par máximo y los mejores consumos específicos de combustible están en esta zona. Hay coincidencia en que esta zona sea la más importante en todos los modelos estudiados, por lo cual Se concluye que esta es la zona principal de toma de datos. Los esfuerzos se centrarán por lo tanto en esta región.

Zona 4. No tan usual como la región 3, esta zona de operación del motor es de las máximas prestaciones

0

20

40

60

80

100

120

140

900 1400 1900 2400 2900 3400

Matriz Inicial

ECE_Cargado

ECE_Vacio

FTP_Cargado

FTP_Vacio

Zona 1

Zona 2

Zona 3

Zona 4


108

mecánicas de la máquina. Se ha encontrado en todos los modelos que al menos una y hasta 3 condiciones de operación en los ciclos y modelos estudiados incluyen esta zona de trabajo del motor. Es además el referente de capacidad del motor, y una condición que se puede alcanzar cuando se demanda del motor acelerar, desplazar el vehículo cargado, o ascender alguna pendiente. Se concluye que esta zona debe incluir algunos puntos de trabajo. Según el análisis anterior se podría tomar puntos en las regiones 3 y 4 de operación del motor, adquiriendo con ello la información más importante de su operación, la más representativa puesto que es la que más se adapta a las condiciones reales de operación de la máquina, excluyendo la toma de datos de condiciones de operación atípicas.

Se aprecia además lo siguiente:

Rango de RPM de operación típico (zona 3): 1750 a 2750 rpm.

Rango de Carga típico (zona 3): 0 a 90 N.m

Observando los resultados de cada modelo, se nota que con un conjunto de 6 a 8 puntos de operación se pueden registrar las condiciones de operación demandas al vehículo.

Sin embargo para el proyecto se tiene el compromiso de medir 20 puntos con cada combustible, lo cual da un excedente de puntos posibles para medir. Sin embargo se recomienda precaución en relación a lo siguiente:

• El rango en regímenes es muy estrecho, esto implicaría tomar muchos puntos muy cercanos, lo cual tiene en su contra:

• Demanda capacidad de medir con excelente precisión las diferentes variables, y si bien se ha mejorado significativamente la forma de medir en el laboratorio, no se ha comprobado con diesel ni obtenido diferencias entre combustibles.

• Son muchas variables a medir, habría que considerar la capacidad de medir diferenciadamente y con alta precisión en cada una de ellas.

• Son también una cantidad importante de combustibles algunos con diferencias pequeñas entre ellos, lo cual hace aún más difícil apreciar diferencias.

• Las diferencias al cambiar de combustible son menos apreciables conforme están más cercanos los puntos de medición.

• Se subutiliza la capacidad de cobertura, obteniendo resultados muy cercanos unos de otros, pudiéndose haber cubierto una gama más amplia de condiciones de operación del motor, con el espaciamiento adecuado entre ellas para inferir el comportamiento en las zonas intermedias a los puntos medidos.

Se recomienda por tanto no concentrar una cantidad de datos muy alta en esta zona, si se tiene disponibilidad de medir muchos puntos, es mejor cubrir también otras condiciones de operación del motor. Como resultado de la discusión de los pros y contras de medir a plena carga se han obtenido las siguientes conclusiones:

• Si bien es cierto que al medir a plena carga las diferencias en prestaciones deben ser proporcionales a las diferencias en poder calorífico, no pierde del todo su valor esta medición, pues es la condición más exigente, es la que dice de qué es capaz el motor. Además, un razonamiento similar permitiría concluir a priori que para obtener el mismo


109

par con dos combustibles diferentes debe variarse el consumo en cantidad proporcional al contenido energético de los combustibles en cuestión.

• Las condiciones de plena carga son las que requieren mayor inyección de combustible, es la dosificación más rica, y la sensibilidad del motor diesel a las condiciones de combustión (turbulencia, dosado, tiempo de inyección y premezclado, etc.) hacen a estos puntos altamente apreciables en cuestión de información acerca de emisiones contaminantes, lo cual no puede inferirse tan fácilmente como la cuestión del contenido energético.

• Varios puntos de los modelos apuntaban a condiciones cercanas a las de carga máxima, de hecho aceleraciones muy pequeñas exigían la máxima capacidad del motor.

• Se considera conveniente que en lugar de tomar mucha información cercana que podría llegar a ser redundante, tener información de plena carga puede ser muy útil para las condiciones colombianas de operación. Casi cualquier conductor puede atestiguar que lleva el acelerador a fondo en las diferentes cuestas del país. Esta información puede ser muy útil para estudios posteriores combinados con estudios de dinámica longitudinal.

• Se descartan eso si lo puntos de plena carga a bajas rpm, absolutamente atípicos para operación del vehículo además de producir funcionamiento inestable del motor.

Tras debatir todas las condiciones y resultados se propone medir los puntos señalados a continuación:

Figura 94. Modos de operación definitivos para ser reproducidos en banco de pruebas


110

ANEXO 3

DESCRIPCIÓN DE LA INSTRUMENTACION Y EQUIPOS DE MEDICIÓN EMPLEADOS

Para las mediciones de óxidos de nitrógeno (NOx), se utilizó un equipo portátil HORIBA EXA 240CL por quimioluminiscencia en caliente (Figura 95), el cual presenta las siguientes características técnicas:

Rango de medida 0 – 2500 ppm. Temperatura de trabajo 5 a 45°C Tiempo de respuesta T90 30 segundos Linealidad +/- 2% de la escala completa Ruido +/- 1% de la escala completa Reproducibilidad +/- 0,5% de la escala completa Tiempo de calentamiento 30 min Salida análoga 0 a 1 V

Figura 95. Medidor portátil de NOx EXA240CL

Este mimo equipo proporciona la lectura de oxígeno (O2) presente en la corriente de gases de escape, pero medida por medio de una celda electroquímica.


111

Los valores de CO2 y CO, así como el régimen de giro, la temperatura de aceite y el ángulo de avance de la chispa se midieron con un equipo AVL Dicom 4000 (Figura 96), que tiene las siguientes características técnicas

Parámetro de medición Unidad de medida Rango de Medida Resolución

Régimen de giro rpm 250 a 8000 10

Temperatura de aceite °C 0 a 120 1

CO % en volumen 0 a 10 0,01

CO2 % en volumen 0 a 20 0,1

HC ppm en volumen 0 a 20000 1

O2 % en volumen 0 a 4

4 a 22

0,01

0,1

NO ppm en volumen 0 a 9000 1

Angulo de avance de chispa (con respecto al punto muerto superior)

° del eje del cigüeñal -10 a 100 0,1

Notas: Las medidas de CO y CO2 se efectúan por métodos infrarrojos Las medidas de O2 y NO se efectúan por métodos electroquímicos La medida de NO es opcional

Figura 96. Medidor AVL Dicom 4000


112

Para la medición del flujo másico de aire se empleó un sensor de hilo caliente Thermatel TA2 Mass Flow Transmitter, ubicado en la línea de admisión antes del compresor, el cual presenta las siguientes especificaciones técnicas

Rango de flujo máximo 0,05 a 200 Nm/s de velocidad de aire a condiciones estándar Rango de flujo mínimo 0,05 a 2,5 Nm/s de velocidad de aire a condiciones estándar Presión de trabajo 100 psi (680 kPa) Precisión +/- 1% de la lectura Repetibilidad +/- 0,5% de la lectura Efecto de la temperatura +/- 0,04% por cada °C Temperatura de trabajo 40 a 70°C Salida análoga 4 a 20 mA Tiempo de respuesta 1 a 2 segundos

Figura 97. Medidor de flujo de aire Thermatel TA2

Por su parte, el flujo másico de combustible se midió con un dispositivo gravimétrico, el cual por medio de una balanza electrónica de alta resolución, calcula la cantidad de combustible consumido por el motor en un intervalo de tiempo característico, en condiciones estacionarias. La capacidad de la balanza es de 4100 g, con una precisión de 0,1 g. por su parte la resolución de la medida es de 0.084 V por cada 50 mg/s.


113

Figura 98. Medidor de gravimétrico de flujo de combustible

Los hidrocarburos totales se midieron con un equipo que funciona basado en el principio de detección por ionización de llama (FID por sus siglas en Inglés), y que permite reportar la medida bien sea en base hexano o en base propano, el cual tiene las siguientes características:

Unidad de medida en ppm, mg/m3, g/m3, % volumétrico Linealidad < 4% por encima del rango de medición Tipo de salida, 4 a 20 mA Rango de medida 0,5 a 100.000 mg/m3 de carbono orgánico Límite de detección < 0,01 mg/m3 de carbono orgánico Temperatura de catálisis 400ºC Consumo de gas < 80 mL/min de Hidrógeno calidad 5,0

Figura 99. Medidor de THC por ionización de llama


114

El par motor se midió con un freno electromagnético SCHENCK W230 EDDY- current dynamometer, el cual posee un compartimento de refrigeración con canales dispuestos axialmente y distribuidos a la entrada y a la salida del circuito del agua de refrigeración. En el cuerpo del dinamómetro, un rotor cilíndrico es montado en dos profundos surcos con rodamientos y grasa lubricada. Una bobina concéntrica es fijada entre los dos discos del rotor en el compartimento de refrigeración. Cuando el rotor está girando, se generan corrientes de eddy en las paredes interiores del compartimento de refrigeración. Los campos magnéticos de estas corrientes de Eddy inhiben la rotación del rotor cada vez más con el aumento de la velocidad, hasta alcanzar el valor máximo de la potencia. Dado que el cuerpo del dinamómetro está apoyado haciendo fuerza en un dispositivo de medición de brazo de palanca (celda de carga), el par de frenado puede ser medido y se indica como una fuerza relacionada con un brazo de palanca (Torque). Para determinar la potencia, la velocidad también se debe medir. Un disco de 60 dientes en el extremo del eje del banco, genera pulsos de voltaje, esos pulsos (señal de frecuencia) son convertidos a una velocidad que dependen del voltaje. Esta tensión de un máximo de 10 voltios se utiliza para indicar digital y / o analógicamente las RPM y realizar un control de velocidad. Los dinamómetros SCHENCK de corrientes de Eddy funcionan en los dos sentidos de rotación.

Figura 100. Freno electromagnético acoplado al motor


115

Exactitud en la medición y el control Speed indication ± 1 1/min (max. 0,25 ‰ of maximum speed) Measuring chain 0,2 % of maximum measuring range load cell, measuring amplifier indicator (1.5 % with analog indicator 144 x 144 mm) Speed control ± 10 1/min Torque control ± 1 % of maximum torque Celda de carga

Type: U2A Class: 0.1 Max. capacity (Emax): 200 Kg Sensitivity (CN): 2mV/V El cero en la señal de salida se puede desplazar por los cambios de la presión ambiental, es necesario que la presión del ambiente esté entre 0 y 5 bar:

Los transductores de presión de la serie U2A miden carga por compresión o tensión en la dirección axial al punto donde se ejerce la fuerza. En la tabla siguiente se presentan más especificaciones técnicas de la celda de carga.


116


117

La captura de los datos de operación del motor, de acuerdo con la sensórica disponible en la instalación experimental, se realizó por medio de una tarjeta de adquisición de datos National Instruments PCI-MIO-16E-4 12-Bit Multifunction DAQ, con las siguientes especificaciones técnicas:

• 500 kS/s (1-Canal), 250 kS/s (Multi-Canal) • 16 Canales analógicos de entrada (Ocho Diferenciales) con16-Bit de resolución. • 2 Canales analógicos de salida con 12-Bit resolución. • 8 Lineas digitales de entrada/salida configurables. • Dos contadores 24-bit. • Un Conector de 68-Pines de entrada/salida.


118

El Tratamiento de la información medida se realizó por medio del software Toné® desarrollado en el Laboratorio de Máquinas Térmicas. Dicho programa tiene la capacidad de almacenar las variables de operación del motor, así como los datos instantáneos de presión en cámara, presión de inyección y ángulo de giro del cigüeñal (Figura 101).

Figura 101. Software Toné para el registro de datos de las pruebas

El computador en el cual se instaló Toné, tiene las siguientes características técnicas • Procesador Intel Pentium 4(R) 2.40 GHz • Memoria RAM de 512 MB • Sistema Operativo Windows XP Profesional • Puertos de comunicaciones: COM1, COM2, LPT1, 4 USB 2.0 • Unidad DVD RW 16x • Unidad CD R 52x • Unidad disco 3 1/2 • Puerto Ethernet • Conectores multimedia


119

ANEXO 4

ANÁLISIS DE LAS CONDICIONES AL INTERIOR DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN EN EL MOTOR

A continuación se muestran las curvas provenientes del análisis termodinámico de las condiciones al interior del cilindro del motor operando con biodiesel de aceite de palma al 5 y 20% comparados con el combustible diesel de referencia a 2420 rpm y 95 Nm.

Con este tipo de análisis se pueden comparar parámetros al interior de la cámara de combustión mediante la captura de la presión instantánea a través de un sensor piezoeléctrico ubicado en la sonda de precalentamiento. Usando el software de diagnóstico termodinámico CARIBE, desarrollado en el laboratorio de Máquinas Térmicas, se logran obtener parámetros como:

1. Presión instantánea (Figura 102)

2. Temperatura media instantánea dentro de la cámara (Figura 103)

3. Fracción de calor liberado por el combustible (comparable con el rendimiento de la combustión) (Figura 104).

4. Tasa de liberación de calor del combustible, comparable a la velocidad de quemado (Figura 105).

5. Evolución de la exergía media instantánea en el cilindro.

Figura 102. Presión media instantánea en la cámara de combustión.

En la Figura 102 no se aprecian variaciones ocasionadas por el tipo de combustible.


120

Figura 103. Temperatura media instantánea en la cámara de combustión.

Se aprecia un incremento importante con la mezcla BP20, lo que permite explicar la mayor tasa de formación de óxido nítrico (NO) para estas condiciones de operación del motor.

Figura 104. Fracción de calor liberado

La Figura 104 muestra que todos los combustibles se quemaron con el mismo rendimiento de combustión y que el combustible no alcanzó a quemarse al 100%.


121

Figura 105. Tasa de liberación de calor.

Se observa en la Figura 105 que todos los combustibles se quemaron con las mismas fases: premezcla, difusión con englobamiento de aire y difusión pura. La fase de combustión premezclada o combustión rápida disminuyó en la medida que incrementó el biodiesel, lo anterior se debió probablemente al mejoramiento del número de cetano que implica el biodiesel de palma, así como a su mayor contenido de oxígeno, que hace que la combustión sea más rápida y que el tiempo de retraso disminuya.

Figura 106. Exergía en el cilindro.

La evolución de la exergía instantánea muestra una tendencia similar a la temperatura, debido a que este parámetro influye en mayor proporción en su valor.


122

ANEXO 5

PRUEBAS DE LUBRICIDAD DE LOS COMBUSTIBLES

A los combustibles: biodiesel de palma puro (BP100), diesel de referencia, biodiesel de palma al 5% (BP5), biodiesel de palma al 20% (BP20), biodiesel de Sacha Inchi al 5% (BS5) y biodiesel de sacha inchi al 20% (BS20) se les determinó su lubricidad mediante un equipo HFRR de la empresa PCS Instruments (Figura 107), instalado en el laboratorio de combustibles del grupo de motores y combustibles de la Universidad de Castilla-La Mancha en España. A pesar de que estas pruebas no estaban contempladas en el marco de este proyecto, se aprovechó un viaje del investigador principal a dicha universidad y se realizaron estas interesantes pruebas, que mostraron la bondad del biodiesel como aditivo para mejorar la lubricidad del diesel.

Figura 107. Equipo HFRR para determinación de lubricidad de los combustibles

En la Tabla 21 se muestran los resultados de los ensayos realizados de acuerdo a la norma ASTM D 6079 a 60ºC, la huella se corrigió por humedad relativa y por temperatura (últimas columnas de la Tabla 21), también se presentan los valores del coeficiente de fricción (Frict.) y de película (Film). El valor de huella más elevado fue el del combustible de referencia (247 µm), mientras que el biodiesel de palma puro obtuvo 216 µm. Al agregar biodiesel de palma mejoró la lubricidad, reduciéndose de 230 a 221 µm con BP5 y BP20 respectivamente. El biodiesel de sacha inchi mostró las mejores propiedades lubricantes, disminuyendo la huella de desgaste corregida (WSD) hasta valores como 171 y 174 µm, inferiores con diferencia respecto al valor mínimo requerido para el diesel en Europa que es de 460 µm.

En las Figuras 108 a 113 se muestra el registro fotográfico de las huellas de desgaste tomadas en un microscopio óptico Leica.


123

Tabla 21. Resultados de lubricidad en equipo HFRR según norma ASTM D6079 a 60ºC

Figura 108. Micrografía de la huella de BP100

Figura 109. Micrografía de la huella del combustible de referencia

WSD 1.4(μm) Frict. Film Ti (ºC) Tf (ºC) Wi (%) Wf (%)BP100 216 0.1 93.8 24.1 25.4 45.7 49Referencia 247 0.126 84.3 26.3 26.6 44.2 43BP5 230 0.123 85.1 26.3 26.1 48.9 47.9BP20 221 0.12 86.3 26.4 26.9 49 44.6BS5 171 0.11 86.8 24.6 24.8 57.6 55.4BS20 174 0.101 91.5 24.9 25.3 54.3 52.8


124

Figura 110. Micrografía de la huella del BP5

Figura 111. Micrografía de la huella del BP20


125

Figura 112. Micrografía de la huella del BS5

Figura 113. Micrografía de la huella del BS20


126

ANEXO 6

CARACTERIZACIÓN Y PROPIEDADES DE LOS DIFERENTES BIODIESEL ENSAYADOS

A continuación se presentan los resultados de la composición de metilésteres de ácidos grasos y las propiedades fisicoquímicas de los diferentes tipos de biodiesel usados en este proyecto, en el siguiente orden: Palma, higuerilla, sacha inchi, jatropha

Biodiesel de palma

Figura 114. Cromatografía gaseosa del biodiesel de aceite de palma

Tabla 22 Composición de metilésteres de ácidos grasos del biodiesel de Palma

Acido Graso Composición (% p/p) Laurico 0.362 Miristico 1.078 Palmítico 43.502 Palmitoleico 0.156 Esteárico 4.302 Oleico 41.002 Linoleico 9.359 Linolenico 0.240


127

Tabla 23. Certificado de calidad del biodiesel de palma


128

Composición del biodiesel de Sacha inchi

Figura 115. Composición del biodiesel de Sacha inchi por cromatografía gaseosa

Como puede apreciarse de la Tabla 23, el biodiesel de aceite de Sacha inchi es altamente insaturado (en torno al 82%).

Tabla 24. Principales metilésteres que componen el biodiesel de Sacha inchi

Metilésteres Sacha inchi C(%peso) laurico 0,00 C(%peso) miristico 0,00 C(%peso) palmitico 4,57 C(%peso) palmitoleico 0,05 C(%peso) estearico 2,06 C(%peso) oleico 8,15 C(%peso) linoleico 27,46 C(%peso) linolenico 55,68

min4 6 8 10 12

pA

0

200

400

600

800

FID1 A, Front Signal (BIODIESEL\BIODIESEL 20 08 09 2009-08-20 18-36-37\SACHA 10.D)

11.

078

- P

ALM

ITO

LEIC

O

12.

576

- E

STE

AR

ICO

10.

846

- P

ALM

ITIC

O

12.

747

- O

LEIC

O

13.

151

- LI

NO

LEIC

O

13.

702

- LI

NO

LEN

ICO

2.9

79 -

TE

TRA

DE

CA

JNO


129

Propiedades fisicoquímicas del biodiesel de Sacha inchi


130

Composición del biodiesel de jatropha

Figura 116. Cromatografía gaseosa del biodiesel de jatropha

Tabla 25. Composición de metilésteres de ácidos grasos del biodiesel de jatropha

Acido Graso Composición % (p/p) Mirístico 0.225 Palmítico 14.444 Palmitoleico 0.733 Esteárico 6.074 Oleico 34.395 Linoleico 44.128

min4 6 8 10 12

pA

0

100

200

300

400

500

600

700

FID1 A, Front Signal (BIODIESEL\BIODIESEL 22 10 09 2009-10-22 13-03-56\GIMEL 09 10 09.D)

6.5

98 -

M. L

AU

RIC

O

8.5

97 -

M. M

IRIS

TIC

O

13.

389

- M

. LIN

OLE

NIC

O

10.

741

- M

. PA

LMIT

OLE

ICO

12.

268

- M

. ES

TEA

RIC

O

10.

508

- M

. PA

LMIT

ICO

12.

857

- M

. LIN

OLE

ICO

12.

461

- M

. OLE

ICO

2.9

58 -

TE

TRA

DE

CA

NO


131

Propiedades fisicoquímicas del biodiesel de Jatropha


132

Composición del biodiesel de higuerilla

Higuerilla

Composición del biodiesel de aceite de higuerilla

Acido Graso Composición (% p/p)

Palmítico 1.708 Estearico 0.969 Oleico 3.839 linoleico 5.593 Linolenico 2.682 Ricinoleico 85.209


133

Propiedades fisicoquímicas del biodiesel de Higuerilla


134

Propiedades fisicoquímicas del diesel de referencia


135

ANEXO 7

RESUMEN DEL PROYECTO EN GRÁFICOS CLAVES

METODOLOGÍA DE ENSAYOS: CONCEPCIÓN GENERAL

METODOLOGÍA DE ENSAYOS: MOTOR


136

METODOLOGÍA DE ENSAYOS: MATERIAL PARTICULADO

RESULTADOS: ÍNDICES DE EMISIÓN CONTAMINANTE – HIDROCARBUROS TOTALES –

Las barras de la izquierda corresponden a 5% de biodiesel y las de la derecha a 20%.


137

RESULTADOS: ÍNDICES DE EMISIÓN CONTAMINANTE – MATERIAL PARTICULADO -

RESULTADOS: ÍNDICES DE EMISIÓN CONTAMINANTE – CO2 -


138

RESULTADOS: ÍNDICES DE EMISIÓN CONTAMINANTE – ÓXIDO NÍTRICO (NO) -

En todos los resultados gráficos presentados en este anexo, las barras de la izquierda corresponden a 5% de biodiesel y las de la derecha a 20%. BS: biodiesel de sacha inchi; BP: biodiesel de palma; BH: biodiesel de higuerilla y BJ: biodiesel de jatropha.

CONCLUSIONES RESUMIDAS DEL PROYECTO


139

AGRADECIMIENTOS El grupo de investigadores que participaron en la ejecución del proyecto: “Evaluación del desempeño energético y ambiental del biodiesel” (Contrato 2007 D3347-499) expresan su sincero agradecimiento al Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, al Área Metropolitana del Valle de Aburrá y al Comité para el Desarrollo de la Investigación (CODI) de la Universidad de Antioquia por la confianza depositada, así como por su colaboración continua durante la ejecución de este proyecto que llegó a feliz término dentro de los tiempo proyectados.

Especialmente queremos extender nuestro agradecimiento a las siguientes personas por su valiosa colaboración:

Yecenia Vega Tello, interventora del Ministerio de Agricultura

Elzbieta Bochno, asesora del Ministerio de Agricultura

Gustavo Londoño, interventor por parte del Área Metropolitana del Valle de Aburrá

Luis Alberto Ríos y Fernando Cardeño, grupo PFA de la UdeA por la caracterización de combustibles

Pedro Benjumea de la Universidad Nacional sede Medellín, por las pruebas en el laboratorio de crudos y derivados, así como por su participación en la discusión de parámetros claves del proyecto

Magín Lapuerta y Octavio Armas, de la Universidad de Castilla-La Mancha por su asesoría en puntos clave del proyecto y por las pruebas de lubricidad de los combustibles (extensivo a Ana Belén, Fermín y todo el grupo de combustibles y motores).

Leidy Madrigal y Fredy Osorio, del CIA de la Universidad de Antioquia por su apoyo en el la administración financiera del proyecto.

Miguel Velásquez, del centro administrativo de la Facultad de Ingeniería, por su apoyo jurídico y administrativo.

Y a todos los que colaboraron en el exitoso cumplimiento de los objetivos propuestos en este proyecto.

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