Evaluación del desempeño de un motor Diesel operando con mezclas de Diesel - Biodiesel

Texto completo

(1)EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN MOTOR DIESEL OPERADO CON MEZCLAS DE DIESEL -BIODIESEL. CRISTHIAN FABIAN RUIZ RAMOS. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA CURSO DE PREGRADO BOGOTÁ D.C. JUNIO DE 2005.

(2) EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN MOTOR DIESEL OPERADO CON MEZCLAS DE DIESEL -BIODIESEL. CRISTHIAN FABIAN RUIZ RAMOS. Proyecto de Grado Presentado a la Universidad de los Andes Como Requisito Parcial de Grado En el Programa de Ingeniería Mecánica Asesor RAFAEL G. BELTRAN M.Sc Profesor – Titular Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de Los Andes Co-asesor NESTOR YESID ROJAS Ph.D. Profesor – Asistente Departamento de Ingeniería Química Universidad de los Andes. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA CURSO DE PREGRADO BOGOTÁ D.C. JUNIO DE 2005.

(3) AVISO Yo, Cristhian Fabián Ruiz Ramos, declaro ser el único autor del presente proyecto de grado y como tal autorizo a la Universidad de los Andes para que el mismo sea prestado a otras instituciones o personas, única y exclusivamente con propósitos de investigación..

(4) Bogotá, Junio 23 de 2005. Ingeniero LUIS MARIO MATEUS SANDOVAL Director Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes. Apreciado Ing. Mateus Someto a consideración de usted el proyecto de grado titulado: “EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN MOTOR DIESEL OPERADO CON MEZCLAS DE DIESEL -BIODIESEL.” como requisito parcial de grado en el programa de Ingeniería Mecánica. Agradezco su amable atención y me suscribo de Ud.. Atentamente,. Cristhian Fabián Ruiz Ramos Candidato al Grado de Ingeniero Mecánico Universidad de los Andes Cod. 199812367.

(5) AGRADECIMIENTOS El autor expresa sus más sinceros agradecimientos a quienes contribuyeron con sus aportes a la realización de este trabajo.. Rafael Beltrán MSc., Profesor Titular, Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad de los Andes, quien me brindó la oportunidad de realizar esta interesante investigación Néstor Yesid Rojas Ph.D., Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Química. Universidad de los Andes, quien con su amplio conocimiento en el tema me orientó en cada instante para lograr los mejores resultados. •. Tomás Uribe MSc., Profesor Instructor, Departamento de Ing. Mecánica y Coordinador del Laboratorio de Ing. Mecánica. Universidad de los Andes, de quien recibí sus comentarios como Jurado.. •. Ingeniero Néstor Sergio Gutiérrez, por sus enseñanzas y su constante apoyo durante la ejecución de este proyecto.. •. Personal del Laboratorio de Ing. Mecánica de la Universidad de los Andes.. •. Helmer Acevedo, Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Colombia.. •. Ligia Rodríguez, Profesora de la Facultad de Ingeniería de Alimentos de la Universidad Jorge Tadeo Lozano, quien con su amplia experiencia en el proceso de Transesterificación aportó valiosa información en cuanto a la producción del Biodiesel.. •. A mis compañeros de trabajo, de quienes recibí un constante apoyo y entendimiento a lo largo de la ejecución de este proyecto..

(6) A mis padres Mario Ruiz y Maria Ramos por su amor y entrega. A mi novia Ingrid Moreno por su comprensión y apoyo en los proyectos que he emprendido..

(7) TABLA DE CONTENIDO. 1. INTRODUCCIÓN..................................................................................................................................1 1.1. OBJETIVOS .........................................................................................................................................2 1.1.1. Objetivo general.......................................................................................................................2 1.1.2. Objetivos específicos................................................................................................................2 2. MARCO TEORICO...............................................................................................................................4 2.1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL MOTOR DIESEL .................................................................................4 2.1.1. El Ciclo Diesel .........................................................................................................................5 2.1.2. El Motor Diesel........................................................................................................................9 2.1.3. Generalidades del Proceso de Combustión ...........................................................................11 2.2. ASPECTOS GENERALES DEL BIODIESEL ...........................................................................................14 2.2.1. Proceso de Transesterificación..............................................................................................14 2.2.2. Características Relevantes.....................................................................................................16 2.3. CONSIDERACIONES ECONÓMICAS....................................................................................................19 3. METODOLOGÍA ................................................................................................................................24 3.1. MOTOR DIESEL HATZ 1B30 ..........................................................................................................25 3.2. SISTEMA DE MEDICIÓN DE TORQUE Y VELOCIDAD DE ROTACIÓN ..................................................26 3.2.1. Freno Hidráulico ...................................................................................................................27 3.2.2. Sensor de Torque ...................................................................................................................28 3.2.3. Sensor de Velocidad de Rotación...........................................................................................30 3.2.4. Adquisición de Datos de Torque y Velocidad ........................................................................31 3.3. SISTEMA DE MEDICIÓN DEL CONSUMO DE AIRE..............................................................................32 3.4. SISTEMA DE MEDICIÓN DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE ...............................................................34 3.5. SISTEMA DE MEDICIÓN DE MATERIAL PARTICULADO .....................................................................35 3.6. PRUEBAS REALIZADAS EN EL BANCO. .............................................................................................36 3.6.1. Mezclas Evaluadas................................................................................................................37 3.6.2. Potencia Efectiva ...................................................................................................................40 3.6.3. Consumo Específico de Combustible .....................................................................................41 3.6.4. Pruebas de Emisiones de Material Particulado. ...................................................................43 4. RESULTADOS OBTENIDOS Y ANÁLISIS.....................................................................................45 4.1. RESULTADOS DE POTENCIA EFECTIVA PARA EL ACPM..................................................................45 4.2. RESULTADOS DE POTENCIA EFECTIVA PARA LA MEZCLA B20 .......................................................48 4.3. RESULTADOS DE POTENCIA EFECTIVA PARA LA MEZCLA B40 .......................................................49 4.4. CONSUMO DE AIRE. ........................................................................................................................51 4.5. CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE DEL MOTOR OPERANDO CON ACPM .............................52 4.6. COMPARACIONES DEL CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE DEL MOTOR OPERANDO CON MEZCLAS B20 Y B40..............................................................................................................................53 4.7. RESULTADOS MATERIAL PARTICULADO .........................................................................................55 4.8. VALIDACIÓN ESTADÍSTICA DE LOS DATOS OBTENIDOS ..................................................................56 5. DISCUSIÓN EN TORNO A LOS RESULTADOS OBTENIDOS ..................................................60 5.1. CONCLUSIONES................................................................................................................................64 5.2. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES ..............................................................................................65 6. REFERENCIAS ...................................................................................................................................66 ANEXOS ...................................................................................................................................................68 ANEXO 1. CATALOGO DEL FABRICANTE “MOTORENFABRIK HATZ D-94099 RUHNTORF – GERMANY” .68 ANEXO 2. “PROCEDIMIENTO DE MUESTREO DE EMISIONES POR FILTRACIÓN”. ......................................72 ANEXO 3. DATOS DE LAS GRÁFICAS DE TORQUE Y POTENCIA PARA EL DIESEL PREMIUM 2 FILTRADO..75 ANEXO 4. DATOS DE LAS GRÁFICAS DE TORQUE Y POTENCIA PARA LA MEZCLA B20 ...........................76 ANEXO 5. DATOS DE LAS GRÁFICAS DE TORQUE Y POTENCIA PARA LA MEZCLA B40 ...........................77.

(8) LISTA DE FIGURAS Figura 1. Diagrama P Vs. V Ciclo Diesel Teórico ........................................................................ 5 Figura 2. Diagrama T Vs. S Ciclo Diesel Teórico ........................................................................ 7 Figura 3. Eficiencia térmica y presiones máximas del ciclo Otto ................................................. 9 Figura 4. El ciclo de Cuatro Carreras del motor Diesel. ............................................................. 10 Figura 5. Diagrama indicado del Motor Diesel en función del Número de Cetano del Combustible........................................................................................................................ 12 Figura 6. Diagrama del Pistón de un Motor Diesel..................................................................... 13 Figura 7. Reacción Química del proceso de Transesterificación ................................................ 15 Figura 8. Diagrama en Bloque del Proceso de Transesterificación............................................. 15 Figura 9. Producción y Demanda de Gasolina y ACPM............................................................. 22 Figura 10. Participación Porcentual de la Demanda de ACPM y Gasolina ................................ 23 Figura 11. Vista de la configuración anterior del Banco de Pruebas .......................................... 24 Figura 12. Configuración actual del Banco de Pruebas .............................................................. 25 Figura 13. Motor Diesel HATZ 1B30 ......................................................................................... 26 Figura 14. Válvulas Reguladoras del Freno Hidráulico .............................................................. 27 Figura 15. Montaje del Resorte Calibrado .................................................................................. 28 Figura 16. Curva de Calibración del Resorte .............................................................................. 29 Figura 17. Montaje del Potenciómetro Lineal............................................................................. 29 Figura 18. Calibración del potenciómetro................................................................................... 30 Figura 19. Vista del Circuito Implementado para la Adquisición de Datos................................ 32 Figura 20. Esquema del Termo - Anemómetro de Aletas ........................................................... 33 Figura 21. Montaje del sistema de Medición de Consumo de Aire ............................................ 33 Figura 22. Dispositivo para la Medición del Consumo de Combustibles ................................... 34 Figura 23. Sistema de Muestreo de Material Particulado. .......................................................... 35 Figura 24. Balanza de alta precisión y desecador adecuado para el muestreo de material particulado .......................................................................................................................... 36 Figura 25. Fotografía del Diesel Premium No. 2 ........................................................................ 38 Figura 26. Fotografía del Biodiesel empleado en las Mezclas.................................................... 39 Figura 27. Fotografía de las Mezclas B20 y B40 evaluadas en el Motor Diesel HATZ 1B30 .. 40 Figura 28. Procedimiento y parámetros para las pruebas............................................................ 45 Figura 29. Gráficas de Potencia y Torque del Motor Especificadas por el Fabricante ............... 46 Figura 30. Valores experimentales del Torque Efectivo del Motor con ACPM ......................... 47 Figura 31. Valores Experimentales de la Potencia Efectiva del motor con ACPM .................... 47 Figura 32. Torque del Motor para la Mezcla B20 ....................................................................... 48 Figura 33. Potencia Efectiva del Motor para la Mezcla B20 ..................................................... 49 Figura 34. Torque del Motor para la Mezcla B40 ....................................................................... 50 Figura 35. Potencia Efectiva del Motor para la Mezcla B40 ...................................................... 50 Figura 36. Gráfica experimental de la Eficiencia Volumétrica para el motor HATZ 1B30 ...... 52 Figura 37. Consumo Específico de Combustible según el Fabricante ........................................ 52 Figura 38. Consumo Específico de Combustible con ACPM ..................................................... 53 Figura 39. Consumo Específico de Combustible con B20.......................................................... 54 Figura 40. Consumo específico de Combustibles con B40......................................................... 54 Figura 41. Intervalos de confianza para un nivel de significancia del 95% de los datos obtenidos para el Torque..................................................................................................................... 57 Figura 42. Diferencia de varianza entre tipos de combustible y revoluciones del motor............ 58 Figura 46. Comportamiento de la Varianza para los datos Obtenidos ........................................ 58 Figura 44. Comparación de las Gráficas de Potencia Obtenidas Experimentalmente ................ 60 Figura 45. Comparación de las Gráficas de Consumo de Combustibles Obtenidas Experimentalmente............................................................................................................. 61 Figura 46. Comparación de las gráficas de Torque Obtenidas Experimentalmente ................... 62.

(9) LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Propiedades de algunas mezclas de Diesel – Biodiesel.................................... 17 Tabla 2. Valores Típicos de las Propiedades para el Diesel, Biodiesel de Aceite de palma y el Aceite de Palma .................................................................................... 18 Tabla 3. Emisiones de Biodiesel respecto al Diesel convencional................................. 18 Tabla 4. Distribución del área sembrada de palma de aceite por zonas (En hectáreas) . 22 Tabla 5. Datos Técnicos del Motor Diesel HATZ 1B30................................................ 26 Tabla 6. Especificaciones de Escala del Termo - Anemómetro de Aletas ..................... 34 Tabla 7. Características del Diesel Premium No. 2 distribuido en Bogotá .................... 37 Tabla 8. Características del Alcohol Etílico Absoluto Marca Casa Científica. Referencia A-02 ........................................................................................................................ 38 Tabla 9. Propiedades del Biodiesel probado en el Motor Diesel HATZ 1B30 ............. 39 Tabla 10. Parámetros Ambientales medidos. Prueba de Consumo Específico de Combustible............................................................................................................ 43 Tabla 11. Parámetros Ambientales medidos. Pesaje Filtros sin usar - Prueba de Emisiones Material Particulado.............................................................................. 44 Tabla 12. Parámetros Ambientales medidos. Pesaje Filtros usados - Prueba de Emisiones Material Particulado.............................................................................. 44 Tabla 13. Variación Porcentual de la Concentración de Material Particulado para el Diesel Corriente...................................................................................................... 55 Tabla 14. Variación Porcentual de la Concentración de Material Particulado para el Diesel Premium 2 Filtrado...................................................................................... 56.

(10) LISTA DE SIMBOLOS r ………………………………………………………………Relación de compresión. Cν ………………………………………………Calor Específico a Volumen Constante. Cρ ...……………………………………………Calor Específico a Volumen Constante. κ. …………………………………………….Relación de calores específicos Cν / Cρ. η .………………………………………………………....................Eficiencia Térmica η Diesel …………………………………...………………………..Eficiencia Ciclo Diesel ηOtto ………..……………………………………………………......Eficiencia Ciclo Otto ηV ………………………………………………………………...Eficiencia Volumétrica ηe ……………………………………………………………Eficiencia Térmica Efectiva L……………………………………………………………….............Relación de carga. Q …………………………………………………………………………………...Calor QL ……..………………...Calor Cedido por el Sistema a la Fuente de Baja Temperatura. QH ……………………………..… Calor Proveniente de la Fuente de Alta Temperatura. W …………………………………………………………………Trabajo neto realizado Gh ………………………………………………Gasto másico de Combustible por Hora We ………………………………………………………………………Potencia Efectiva o. W e (max) ……………………………………………………..…Potencia Efectiva Máxima. τ max …………………………………………………………….….… Torque Máximo g e ……………………………………………….....Consumo Específico de Combustible P …………………………………………………………………………………..Presión V ………………………………………………………………………………...Volumen T……………………………………………………………………………..Temperatura C………………………………………………Concentración por peso de PM10 (gr/m3) W……………………………………………………………………Diferencia de pesos F………………………………………………………………………..Flujo de muestreo t……………………………………………………………………...Tiempo de muestreo PCI ……………………………………………………………..Poder Calorífico Inferior RPM……………………………………………………………Revoluciones por Minuto CMM………………………………………………………...Metros Cúbicos por Minuto P.M…………………………………………………………………..Material Particulado.

(11) IM-2005-I-34 1 ______________________________________________________________________. 1. INTRODUCCIÓN El tema del medio ambiente, cada día es de mayor preocupación para el ser humano, puesto que, debido al desarrollo de grandes concentraciones industriales y urbanas, así como a la explotación de manera inadecuada de los recursos naturales, han traído como consecuencia la saturación de la capacidad asimiladora y regeneradora de la naturaleza. Uno de los problemas más graves que afrontan las grandes ciudades hoy en día es la contaminación atmosférica, debido a que ésta afecta directamente a la población y es fácilmente perceptible en las personas, convirtiéndose en una de las principales causas de enfermedades respiratorias, que a su vez “representan una de las más altas causas. de morbilidad y mortalidad en niños especialmente1”. Bogotá en su calidad de una de las ciudades más grandes de América del sur y por ser la capital de la Republica de Colombia afronta claramente estos problemas. En un estudio reciente contratado por el DAMA, se concluye que “la primera prioridad para la. comunidad es la reducción de la contaminación del aire2”. Los factores determinantes en la contaminación atmosférica de Bogotá son variados, dentro de estos se encuentran; emisiones de la industria; la propia dispersión natural de material particulado proveniente de suelos erosionados y emisiones de las fuentes móviles (automotores), siendo esta última cada día más severa. Se estima que en Bogotá el parque automotor está compuesto por 933.669 vehículos, de los cuales el 14% corresponde al servicio público y el 86% restante a privados. Adicionalmente, el 27% de los habitantes se transporta en vehiculo particular y el 73% lo hace en transporte público3. Es importante mencionar que este crecimiento acelerado del parque automotor sumado a la antigüedad de los vehículos, constituyen factores sumamente importantes en los elevados índices de contaminación de la ciudad. 1. ROJAS, Néstor Y. Revisión de las Emisiones de material Particulado por la Combustión de Diesel y Biodiesel. Revista de Ingeniería. Universidad de los Andes. Noviembre de 2004. 2 “Jornada sin mi carro en Bogotá”. Red de Calidad del Aire. Alcaldía Mayor de Bogotá. DAMA. Tomado de: http://www.cepis.ops-oms.org/bvsci/E/experien/expcol.htm. Ultima visita Abril 2 de 2005 3 Calidad del Aire en Bogotá. Xiomara Sanclemente. Ministerio de Transporte de Colombia, Secretaria de Transito y Transporte de Bogotá. Tomado de http://www.cepis.ops-oms.org. Ultima visita Marzo 2 de 2005..

(12) IM-2005-I-34 2 ______________________________________________________________________ Los procesos de combustión incompleta de combustibles fósiles traen consigo, altas emisiones de monóxido de carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos, se calcula que el 70% de los contaminantes atmosféricos (CO, HC y Nox) provienen de los automotores. En la actualidad, estos elevados índices de contaminación y las características de altura propias de la ciudad (adversas a los procesos de combustión de los motores) han propiciado un incipiente interés por el estudio de combustibles alternativos. De igual manera algunos han estado encaminados a promover el uso energético de los recursos renovables con los que cuenta el país. En este sentido el presente trabajo busca recoger las ideas fundamentales en torno al uso de mezclas de Biodiesel en los motores Diesel, de alguna manera, determinar la aplicabilidad de este biocombustible en Bogotá en términos de rendimiento del motor y emisiones de material particulado.. 1.1. Objetivos 1.1.1. Objetivo general Evaluar el desempeño de un motor diesel operado con mezclas de diesel - biodiesel en diferentes concentraciones para las condiciones de Bogotá.. 1.2.1. Objetivos específicos •. Estudiar y analizar las diferentes mezclas de Diesel – Biodiesel.. •. Determinar las concentraciones de Biodiesel en las mezclas a evaluar.. •. Diseñar la metodología experimental para llevar a cabo las pruebas de banco para determinar el desempeño del motor HATZ-DIESEL D-94099 RUHSTORF.. •. Implementar la metodología y realizar el montaje de los equipos de medición..

(13) IM-2005-I-34 3 ______________________________________________________________________ Para lograr dar cumplimiento a los objetivos del proyecto, se desarrolló en la primera etapa una revisión bibliográfica de las experiencias a nivel tanto nacional como internacional en el tema de biocombustibles. Al final de ésta fue posible determinar las mezclas a evaluar.. De igual manera fue contemplada una etapa experimental, en la que se diseñaron las metodologías de pruebas de banco tanto para determinar el rendimiento del motor como las emisiones del motor al operar con cada una de las mezclas. Por último fueron evaluadas las mezclas determinadas en la última etapa y posteriormente comparadas entre sí, para luego determinar cuál se ajusta de mejor manera a las condiciones de operación de Bogotá..

(14) IM-2005-I-34 4 ______________________________________________________________________. 2. MARCO TEORICO. 2.1. Fundamentos Teóricos del Motor Diesel Un motor térmico es un dispositivo capaz de transformar calor (energía térmica) en trabajo (energía mecánica) de modo continuo. Esto es posible gracias al enunciado de Kelvin-Planck, el cual, establece que; “… es imposible construir un dispositivo que. funcione en un ciclo y no produzca ningún otro efecto que elevar un peso ó intercambiar calor con un solo depósito4”. De igual manera, la eficiencia de un motor térmico esta dada por la relación existente entre el trabajo realizado (W) y el calor absorbido (Q), por esto, se puede apreciar que:. η=. W Q. (1). Es preciso señalar que existen factores que hacen irreversible5 un proceso, estos son; fricción, expansión irrestricta, transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita y mezclas de dos sustancias diferentes. Dichos factores son los causantes que la eficiencia térmica en las maquinas alcance valores inferiores al 100%.. Por tal motivo se han propuesto algunos ciclos teóricos que buscan hacer del motor un motor térmico lo más eficiente posible, estos son: El ciclo de Carnot, el cual está formado por dos procesos isotérmicas y dos adiabáticas; el ciclo de Ericsson, en donde el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotermas y dos isobaras; el ciclo de Stirling, en el cual se realizan dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones a volumen constante; el ciclo de Bouasse donde el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones lineales y el ciclo Diesel. 4. Van Wylen, Fundamentos de Termodinámica, Segunda edición, Editorial Limusa S.A, México 1999. Un proceso reversible para un sistema se define como un proceso que una vez que se realiza se puede invertir sin dejar cambio en el sistema ó en el entorno. 5.

(15) IM-2005-I-34 5 ______________________________________________________________________ El presente capítulo, en su primera parte se concentrará en el estudio y análisis del ciclo Diesel ó ciclo de encendido por compresión, en este sentido, se hará una familiarización con el ciclo, determinando sus características y bondades, posteriormente, se tratarán algunas de las características más importantes del motor Diesel, y, por último, el capitulo abordará temas relevantes a la combustión y al combustible Diesel.. 2.1.1. El Ciclo Diesel El ciclo Diesel está compuesto por cuatro procesos internamente reversibles, de los cuales dos (compresión y expansión) son procesos isentrópicos; así mismo, esta presente un proceso a presión constante que corresponde al periodo de inyección y combustión en la maquina real; por último, se lleva a cabo un proceso isocórico el cual representa la salida de los gases de escape. En la figura 1 se presenta el diagrama P Vs. V para este ciclo Diesel teórico.. Figura 1. Diagrama P Vs. V Ciclo Diesel Teórico Tomado y adaptado de: http://www.mailxmail.com/curso/vida/motoresdecombustion/capitulo9.htm.

(16) IM-2005-I-34 6 ______________________________________________________________________ De la figura 1 es posible determinar lo siguiente:. •. El segmento 2-3; representa el proceso a presión constante, en donde el calor es transferido al fluido de trabajo.. •. La línea 3-4; corresponde a la expansión isentrópica que sufre el gas. En la maquina real, esta expansión se detiene cuando el pistón llega a un punto muerto del extremo de la biela.. •. La línea 4-1; indica el rechazo de calor a volumen constante para este ciclo.. •. El segmento 1-2; Compresión isentrópica.. Bajo las condiciones descritas anteriormente, es posible realizar un análisis y de esta manera determinar la eficiencia térmica para este ciclo. Aplicando la primera ley de la termodinámica se obtiene de la ecuación (1) es posible determinar que:. η=. Q W Q H − QL = =1− L Q QH QH. (2). Donde QH representa el calor proveniente de la fuente a alta temperatura, que también es el calor absorbido por el sistema. QL hace referencia al calor cedido por el sistema a la fuente de baja temperatura. Ahora bien, de igual manera tomando la ecuación (2) y la figura 1 se obtiene que:. η =1−. Q L Cν (T4 − T1 ) = Q H Cρ (T3 − T2 ). (3). Es preciso introducir un nuevo término κ , el cual indica la relación de calores específicos Cν / Cρ , de este modo es posible expresar la ecuación (3) de la siguiente manera.. η =1−. 1 (T4 − T1 ) =1− κ (T3 − T2 ). T1. T4 −1 T1. T T2 3 − 1 T2. (4).

(17) IM-2005-I-34 7 ______________________________________________________________________. Figura 2. Diagrama T Vs. S Ciclo Diesel Teórico Tomado y adaptado de: OBERT Edward F. 1997. Pág. 203. De acuerdo a la figura 2,. 1-4. =. 2-3,. por consiguiente, los cambios de entropía. estarían dados por:. Es acertado afirmar que para un proceso isentrópico como el de compresión ilustrado en la figura 1, las relaciones de temperatura se pueden expresar en función del volumen de la siguiente manera:. T1 V = 2 T2 V1. k −1. (6). Se hace necesario introducir un nuevo concepto y es el de relación de compresión r , el cual para el caso del ciclo ideal tiene el mismo valor que el de expansión y representa sencillamente una relación de volúmenes. De este modo, puede expresarse la ecuación (6) así:.

(18) IM-2005-I-34 8 ______________________________________________________________________. Luego, denominando la relación de carga L = T3 / T2 y despejando las ecuaciones (5) y (7), para posteriormente sustituir en la ecuación (4), se obtiene finalmente que la eficiencia térmica para el ciclo Diesel es:. Es preciso hacer referencia nuevamente al factor L, puesto que, éste provee información acerca de la relación entre los volúmenes ocupados por el gas antes y después del proceso de combustión, además es solo en este factor que difiere la eficiencia térmica del ciclo Diesel con la eficiencia del ciclo de Otto, tal y como se presenta en la ecuación (9).. Ahora bien, el término. siempre será mayor que la unidad, por tal motivo, la. eficiencia del ciclo Diesel será menor que le del ciclo Otto para los mismos valores de. r. . De otra parte, es posible apreciar que, el rendimiento del ciclo Diesel aumentará a. medida que el valor de la carga disminuya.. De esta última figura es preciso señalar que para el ciclo Otto valores de. r. mayores a. 10, producen un incremento de presión casi proporcional al aumento de la relación de compresión. Sin embargo, en este sentido radica la mayor diferencia entre el ciclo Otto y el Diesel, puesto que, el primero lleva a cabo la fase de Combustión a presión constante, lo que le imposibilita obtener valores de r altos, mientras que, en el caso del ciclo Diesel estos valores se encuentran entre 15 y 20..

(19) IM-2005-I-34 9 ______________________________________________________________________. Figura 3. Eficiencia térmica y presiones máximas del ciclo Otto Tomado de: OBERT Edward F. 1997. Pág. 201. Lo anterior es realmente importante, debido a que el motor diesel real ó de encendido por compresión (EC) emplea mayores relaciones de compresión que el encendido por chispa (ECH). De otra parte, el menor consumo de combustible en los motores EC frente a los ECH los hace más atractivos.. 2.1.2. El Motor Diesel Este motor fue diseñado por el ingeniero Alemán Rudolph Diesel, en éste, básicamente la combustión se logra por simple compresión del aire en el interior del cilindro, de modo que al inyectarse el combustible se garantice su autoinflamación. Desde sus inicios las principales ventajas de este tipo de motor han sido el menor consumo de combustible y su capacidad para operar con un combustible mucho más viscoso, denso y por ende barato.. Por este motivo, sus aplicaciones han estado dirigidas a motores navales o estacionarios, sin embargo, la posibilidad de adaptar su tamaño y peso, además de conseguir regímenes de revoluciones más elevados han propiciado su incursión en mercados como; maquinaria agrícola (tractores, cosechadoras), propulsión ferroviaria, transporte.

(20) IM-2005-I-34 10 ______________________________________________________________________ terrestre, grupos generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia), Accionamiento industrial (bombas, compresores). La figura 4 presenta los ciclos que lleva a cabo el motor Diesel:. Figura 4. El ciclo de Cuatro Carreras del motor Diesel. Tomado y adaptado de: OBERT Edward F. 1997. Pág. 22. Es posible, entonces, apreciar que el motor Diesel posee una carrera de admisión en la que se permite el ingreso de de aire que carga completamente el cilindro, posteriormente en la carrera de compresión se eleva la temperatura del aire a causa de la alta relación de compresión entre 15 y 20. El combustible es atomizado en la cámara de combustión poco antes de llegar al punto muerto superior en la carrera de compresión. Posteriormente los productos de la combustión se expanden produciendo potencia. Por.

(21) IM-2005-I-34 11 ______________________________________________________________________ último salen los productos de la combustión después de expandirse para concluir el ciclo.. 2.1.3. Generalidades del Proceso de Combustión La combustión es un proceso físico-químico, en el que son oxidados algunos constituyentes del combustible, este proceso está siempre acompañado por el desprendimiento de una cantidad de calor Básicamente para que se lleve a cabo la combustión, deben entrar en contacto el combustible y el carburante a una temperatura suficientemente alta. Existen diversos tipos de combustible, por ejemplo, dentro de los sólidos se encuentran el carbón, la madera y la turba. El primero se emplea en las calderas para calentar agua que puede vaporizarse y posteriormente mover máquinas a vapor o directamente para producir calor utilizable en usos térmicos (calefacción). La turba y la madera se utilizan principalmente para la calefacción doméstica e industrial. En cuanto a los combustibles líquidos se encuentran la gasolina y los gasóleos6, y dentro de los gaseosos están el gas natural ó los Gases Licuados de Petróleo (GLP). En los motores se emplean comúnmente los líquidos, donde estos reaccionan con el oxígeno de manera violenta, produciendo calor, llamas y gases. Es preciso mencionar que la combustión en los motores ocurre en la fase gaseosa, puesto que, esto permite que la oxidación se lleve a cabo a velocidades bastante altas. Por tal motivo, es necesario que el combustible líquido pase a su fase de vapor y posteriormente sea mezclado con el aire. En los motores Diesel, la alimentación, es decir el fluido que entra al motor, lo constituye solamente el aire, éste es calentado gracias a la compresión que sufre y posteriormente es inyectado el combustible. Sin embargo, la inyección del combustible a la cámara de combustión debe hacerse en forma de gotas muy finas, debido a que el 6. Producto líquido derivado del petróleo crudo por fraccionamiento y destilación..

(22) IM-2005-I-34 12 ______________________________________________________________________ aire es altamente turbulento. En este sentido las propiedades del combustible que afectan en mayor grado la inyección son la viscosidad y la tensión superficial. Una vez inyectado el combustible, es necesario que éste se inflame con gran facilidad al entrar en contacto con el aire. El parámetro que indica la inflamabilidad del combustible es el número de Cetano, el cual se define como: “La facilidad de auto-ignición que. ofrece el combustible al incrementarse la presión7”. De acuerdo a esto, cuanto mayor sea el número de Cetano, menor será el retardo de la inflación. Lo anterior puede verse de manera gráfica en la figura 5, donde. representa el ángulo de avance de la. inyección.. Figura 5. Diagrama indicado del Motor Diesel en función del Número de Cetano del Combustible. Tomado y adaptado de: JOVÁJ M. 1982, Pág. 150. De acuerdo a la figura anterior se hace evidente que, el número de Cetano adelanta ó retraza la inflamación logrando mayores valores de presión. Es importante hacer énfasis en que la gráfica mostrada en la figura 5, representa los valores instantáneos al interior del pistón. La figura 6 presenta un esquema del pistón de un motor Diesel, donde el. 7. Rodríguez, Javier, Montaje de Banco de Pruebas y Evaluación de Mezclas EB-Diesel como Combustible para Motores de Ignición por Compresión., Universidad de los Andes, Bogotá 2004..

(23) IM-2005-I-34 13 ______________________________________________________________________ ángulo de avance de la inyección, esta asociado al movimiento del pistón sobre el árbol de levas.. Figura 6. Diagrama del Pistón de un Motor Diesel Tomado de: OBERT Edward F. 1997. Pág. 27. Otra propiedad relevante de los combustibles es el poder calorífico, cuyo valor representa la cantidad de calor que es entregado al entorno cuando una unidad de combustible en condiciones de referencia se quema completamente, en estado de régimen permanente, de tal manera que los productos salen también en condiciones de referencia. En principio, el poder calorífico de cualquier combustible es calculable a partir de las entalpías de formación de sus componentes. No obstante, la mayoría de los combustibles empleados en la industria son mezclas complejas de diversos compuestos, alguno de los cuales pueden no aparecer en tablas. En tal caso el poder calorífico debe medirse. en. forma. experimental,. siguiendo. procedimientos. cuidadosamente. normalizados. Es común hablar de dos tipos de poder calorífico uno inferior y el otro superior, en el primero, el agua presente en los productos se encuentra completamente en estado gaseoso, sin haber entregado su calor latente. En el segundo, toda el agua se ha.

(24) IM-2005-I-34 14 ______________________________________________________________________ condensado, liberando calor al entorno. En este trabajo, el análisis se concentrara en el Poder calorífico Inferior.. 2.2.. Aspectos Generales del Biodiesel. El Biodiesel es un derivado de los aceites vegetales, su obtención se lleva a cabo a través de un proceso químico denominado transesterificación, donde se emplea algún tipo de alcohol (metanol o etanol) con el fin de obtener cadenas de esteres grasos. Las propiedades de estos esteres dependen básicamente de la materia prima utilizada, siendo el metanol, el alcohol de mayor uso en la producción de Biodiesel (ésteres metílicos), sin embargo, en la actualidad se considera el etanol en este tipo de procesos por las ventajas que presenta en cuanto a su baja toxicidad en comparación con el metanol.. Dadas las propiedades del Biodiesel, en la actualidad varias naciones del mundo han concentrado sus estudios en el empleo de éste como un combustible alterno para los motores Diesel. Cabe recalcar el hecho que las cadenas de ésteres retienen moléculas de oxígeno en su constitución, lo que le otorga a este tipo de combustible mejores propiedades en la combustión, de igual manera, no contiene azufre en proporciones significativas y el contenido de aromáticos es casi nulo, lo que le proporciona un menor potencial contaminante en comparación con el ACPM, en cuanto a la emisión de óxidos de azufre y nitrógeno.. 2.2.1. Proceso de Transesterificación. Tal y como se menciono en el numeral anterior, este tipo de proceso combina un aceite vegetal con un alcohol para producir esteres y como producto adicional glicerina. El proceso que se lleva a cabo es el resultado de tres reacciones reversibles consecutivas8: La primera consiste en una transesterificación parcial del triglicérido para formar el diglicérido, la segunda es la transesterificación parcial del diglicérido a monoglicérido y 8. NARVÁEZ, Paulo. Producción de Biodiesel: Variables Asociadas al Proceso de Transformación, Bogotá 2004..

(25) IM-2005-I-34 15 ______________________________________________________________________ por último, de monoglicérido para formar los esteres metílicos ó etílicos de ácidos grasos.. La figura 7 presenta la reacción química ocurrida en este proceso, en principio, el glicerol de los triglicéridos es sustituido con tres moléculas de mono-alcohol, el cual puede ser metanol ó etanol, posteriormente por medio de unos catalizadores se forman tres moléculas de metíl ó etílester del aceite vegetal (Biodiesel). En la figura 8 se aprecia el diagrama de bloque para este proceso.. Figura 7. Reacción Química del proceso de Transesterificación Tomado de: PRAMANIK. T. 2005. Pág. 49. Figura 8. Diagrama en Bloque del Proceso de Transesterificación Tomado de: PRAMANIK. T. 2005. Pág. 50.

(26) IM-2005-I-34 16 ______________________________________________________________________ De acuerdo al tipo de catalizador, la reacción para el caso del metanol puede ser9: Transesterificación con catálisis ácida, alcalina, enzimática ó en condiciones supercríticas. Sin embargo, se prefiere la catálisis ácida, debido a que este proceso provee una conversión mayor al 98% y un proceso de conversión directo sin la necesidad de llevar acabo pasos intermedios10, el catalizador comúnmente empleado es el hidróxido de sodio, puesto que se disuelve con gran facilidad en el metanol. De otra parte, en el caso del etílester se emplea el hidróxido de potasio como catalizador, pues presenta una alta solubilidad en el etanol.. 2.2.2. Características Relevantes. El interés que toma la comunidad científica hacia los estudios tendientes a determinar la aplicación energética de los ésteres metílicos y etílicos, se convierte en un potencial importante que proyecta a estos nuevos tipos de combustibles como posibles sustitutos del Diesel en un futuro.. El mayor atractivo que presenta el Biodiesel, es la gran similitud que tienen sus propiedades con las del ACPM. En un estudio realizado en el 200211, fueron empleadas dos mezclas de Diesel – Biodiesel, las propiedades de éstas se presentan en la Tabla 1.. Es posible apreciar que el poder calorífico para el Biodiesel de aceite de palma (POD) disminuye en un 11.7% en comparación con el del Diesel 100% (OD). De igual manera, es preciso mencionar que el cambio en las mezclas no es apreciable, puesto que, para el combustible A (50 ppm de aditivo + 7.5% POD + 92.5 OD) el poder calorífico es de 45.99 MJ/kg y para el B (50 ppm de aditivo + 15% POD + 85% OD) es de 45.77 MJ/kg, se aprecia solo una disminución del 0.5% para el de mayor concentración de Biodiesel comparado con el de menor concentración. 9. NARVÁEZ, Paulo. Producción de Biodiesel: Variables Asociadas al Proceso de Transformación, Bogotá 2004. 10 PRAMANIK T & TRIPHATI Subhabrata. Hydrocarbon Processing, Hindustan Petroieum Corp., Ltd., New Delhi, India 2005. 11 KALAM, M. MASJUKI. H. Biodiesel from Palmoil – an Análisis of its Properties and Potencial. University of Malaya. Malaysia 2002.

(27) IM-2005-I-34 17 ______________________________________________________________________ De igual manera se puede observar que los valores para la viscosidad y densidad especifica aumentan de acuerdo se incrementa la concentración de Biodiesel en la mezcla.. Tabla 1. Propiedades de algunas mezclas de Diesel – Biodiesel Tomado de: KALAM M. 2002. Es preciso recordar que en el numeral 2.1.3. se señaló que el valor de poder calorífico base de análisis en el presente documento, correspondía al valor del poder calorífico inferior, por esta razón en la tabla 1 se presentan las propiedades típicas para el Diesel 100%, el Biodiesel de Aceite de Palma y el Aceite de Palma. A lo largo del desarrollo de este informe se tomaran como base, principalmente para el número de Cetano y el poder Calorífico los valores consignados en esta tabla.. En conclusión se puede decir que en comparación con el Diesel: El poder calorífico del Biodiesel se reduce en un porcentaje del 10% aproximadamente, debido principalmente a la presencia de oxigeno al interior de la molécula; tanto al densidad como la viscosidad incrementan su valor, lo cual afecta el proceso de pulverización del combustible produciendo un ligero incremento en la formación de carbón en los inyectores y en la cámara de combustión.. No obstante, la presencia de oxigeno en las moléculas del Biodiesel constituyen una gran ventaja en términos ambientales, puesto que, disminuye la emisión de material particulado y monóxido de carbono, sin embargo, se propician las emisiones de NOx por aumento en la temperatura de la cámara de combustión (ver Tabla 3).

(28) IM-2005-I-34 18 ______________________________________________________________________. Diesel. Biodiesel. Aceite de. típico. típico. palma. 44. 40. 39. 3. 4–6. 41. Densidad ( kg / m ). 852. 874. 906. Gravedad específica ( kg / l ). 0.85. 0.88. 0.92. Calor específico ( kJ / kg .K ). 1.7. 2.47. 2.43. Conductividad ( W / m . K ). 0.11. 0.17. 0.15. 23. 25. 28. 40-55. 48-65. 50. 180-340. 315-350. >300. Flash point (ºC). 60-80. 100-170. >300. Cloud point (ºC). <5. <12. Pour point (ºC). <-15. <10. Azufre %. 0.05. 0.001. 0. 10.9. 0.15. 0.05. Poder calorífico ( MJ/kg) Viscosidad cinemática (cSt) 40ºC 3. 2. Tensión superficial ( mN / m ) Número de cetano (NC) Boiling point (ºC). Oxígeno % Carbón residual %. 0.001 0.22. Tabla 2. Valores Típicos de las Propiedades para el Diesel, Biodiesel de Aceite de palma y el Aceite de Palma Tomado y adaptado de: Biodiesel Handing and Use Guidelines, 2004. Pág. 9. Tabla 3. Emisiones de Biodiesel respecto al Diesel convencional. Tomado de: STRATTA J. 2000.

(29) IM-2005-I-34 19 ______________________________________________________________________ Por estas razones, la Industria Americana de Fabricantes de Motores (EMA por sus siglas en ingles) han adelantado estudios en este sentido, llegando a concluir que empleando mezclas B100 (100% Biodiesel) se presenta una perdida de potencia del 7% y que por garantía de los motores se recomiendan mezclas que no superen el 5% de Biodiesel (ASTM – D6751-03). De igual manera la Asociación Europea de fabricantes de Vehículos (ACEA) restringe el uso de Biodiesel solo en mezclas con Diesel en concentraciones máximas del 5% y no debe ser mezclado con combustibles Diesel donde el contenido de azufre sea menor a 30PPM (EN 14214). En cuanto al ámbito nacional, existen ciertos incentivos hacia el cultivo de aceite de Palma, materia prima en la producción de Biodiesel. Tal es el caso de la ley 939 de 2004, por medio de la cual se otorgan exenciones tributarias a los cultivos de Aceite de Palma, Cacao y Caucho entre otros. De otra parte, se ha constituido la Mesa Nacional de Biodiesel, iniciativa impulsada por el Ministerio del Medio Ambiente, donde se adelanta un proyecto que busca realizar la Norma técnica con parámetros únicos para Biocombustibles producidos en el país para motor Diesel.. 2.3.. Consideraciones Económicas.. El propósito del presente acápite, es dar una mirada inicialmente a la producción actual de la Gasolina y ACPM, donde los precios de éstos aumentan considerablemente, frente a una menor reserva cada día de combustibles fósiles. De acuerdo a lo anterior, es observar la viabilidad económica en Colombia del uso del Biodiesel, debido al aumento considerable como se demuestra en el presente aparte de la producción de aceite de palma. Se considera que es una oportunidad del momento para aprovechar estos excedentes de producción en la fabricación de este combustible sustituto. En los últimos años en los países industrializados se ha incrementado la utilización de combustibles basados en aceites vegetales como fuente alterna de energía y se les ha denominado BIOCOMBUSTIBLES..

(30) IM-2005-I-34 20 ______________________________________________________________________ En Colombia los biocombustibles. han. surgido como alternativa. para cubrir las. deficiencias del sector petrolero del país (ECOPETROL), que esta produciendo ACPM (combustible diesel) utilizando su capacidad plena y las reservas probadas de los hidrocarburos del país están disminuyendo; que de no ser atendidos en el futuro inmediato llevaran al país, en pocos años, a importar el combustible para suplir las necesidades básicas de consumo. Además de factores como el alto precio del petróleo y el gas natural; adicionalmente la falta de hallazgos de nuevos. yacimientos y la. prolongación de su explotación (20 años para una producción plena) han llevado a la declinación de los actuales campos petrolíferos. La ventaja para Colombia es que posee las condiciones y los recursos para producir biocombustibles en el mediano plazo, ejemplo de ello es la disponibilidad de millones de hectáreas en climas aptos para la cultivación de palma aceitera, además del conocimiento y experiencia en esta agroindustria, que hacen, que la producción de esta materia prima del Biodiesel (palma aceitera) sea competitiva mundialmente. Con base en lo en lo anterior la posibilidad de utilizar el aceite de palma directamente como combustible en motores diesel, o transformado en Biodiesel de palma surge como una opción atractiva por lo siguiente: Los combustibles derivados del aceite de palma pueden frenar el impacto macroeconómico que conllevaría en el futuro las importaciones de combustible, antes mencionadas. La expansión de las plantaciones de palma de aceite que se requerirían para lograr la sustitución de petrodiesel por Biodiesel generaría empleo permanente y bienestar económico y social en las zonas afectadas por la violencia y el desempleo rural, al ritmo de un empleo directo y 2-3 empleos indirectos por cada 10 hectáreas sembradas.. •. El mercado mundial de los combustibles opera de manera independiente del mercado tradicional de las grasas y aceites, por lo cual es atractivo para el palmicultor incursionar en el mundo de los combustibles para diversificar los.

(31) IM-2005-I-34 21 ______________________________________________________________________ riesgos ante las notables oscilaciones de los precios internacionales del aceite crudo de palma. Colombia goza de condiciones y recursos que hacen especialmente favorable la perspectiva de explotación de biocombustibles en el futuro inmediato. Colombia es el primer productor de palma de aceite en América Latina y el cuarto en el mundo. La Tabla 4 refleja un crecimiento en áreas sembradas y en la producción por toneladas. De este gráfico la zona norte corresponde al Magdalena, Norte del César, Atlántico y la Guajira; la zona central a Santander, Norte de Santander, Sur del César y Bolívar; la zona oriental al Meta, Cundinamarca, Casanare y Caquetá; por último la zona occidental a Nariño. Fedepalma. (Federación Nacional de Cultivadores de Palma de Aceite) se ha. comprometido y ha demostrado avances importantes en la gestión ambiental, gremial y empresarial, como una estrategia de competitividad en mercados nacionales e internacionales, de tal manera que la gran mayoría de las empresas cuentan hoy con Planes de Manejo Ambiental y adelantan acciones importantes en el marco de Convenio de Producción mas Limpia, con el objeto de. adelantar acciones. concretas en la. adopción de métodos de producción y operación de las plantas de beneficio de fruto de palma de aceite, que sean mas limpios, ambientalmente sanos, orientados a disminuir niveles de contaminación y reducir riesgos relevantes para el medio ambiente y la población, así como la protección y optimización del uso racional de los recursos naturales, dentro de un marco de competitividad sectorial. La figura 9 presenta la demanda interna de gasolina tanto extra como corriente y de ACPM desde la década del 90, de acuerdo a ésta se puede apreciar que a partir de 1999 se presenta un incremento en la demanda, de acuerdo con ECOPETROL para el 2016 – 2017, el país empezará a consumir más combustible diesel que gasolina, esta tendencia se corrobora con el gráfico presentado en el figura 10, donde se evidencia un aumento constante en la demanda de ACPM desde 1993..

(32) IM-2005-I-34 22 ______________________________________________________________________. Tabla 4. Distribución del área sembrada de palma de aceite por zonas (En hectáreas) Tomado de: www.fedepalma.gov.co. Figura 9. Producción y Demanda de Gasolina y ACPM Tomado de: RINCON Hernán. 2004.

(33) IM-2005-I-34 23 ______________________________________________________________________. Figura 10. Participación Porcentual de la Demanda de ACPM y Gasolina Tomado de: RINCON Hernán. 2004. Una visión que se tiene es que los excedentes para exportaciones permitan sustituir las cantidades y porcentajes de ACPM. En un nicho como Bogotá se pueden concentrar esfuerzos para poder irrigarlo a otras regiones en la medida en que aumente el suministro de aceite crudo de palma como combustible. La incorporación de nuevos combustibles al sistema TRANSMILENIO supone la superación de dificultades como la resistencia al cambio por parte de transportadores e inversionistas, propietarios agremiaciones y todos lo que tuvieren un interés directo u indirecto en mantener el uso, la producción o comercialización de combustible a cambiar. El protocolo de Kyoto contempla la introducción de biocombustibles en el sector transporte y así disminuir las emisiones de los denominados gases de efecto invernadero. En el ámbito internacional, este hecho puede jalonar varias iniciativas tanto reproducción y comercialización, como en el campo de la investigación. El fomento a la utilización de biocombustibles como complemento de combustibles fósiles contribuye a la disminución de la contaminación global y local y a una reducción del grado de dependencia del petróleo..

(34) IM-2005-I-34 24 ______________________________________________________________________. 3.. METODOLOGÍA. La implementación del Banco de pruebas inicio en el año 2004 con un proyecto de grado cuyo objetivo era la Evaluación de Mezclas EB-Diesel como Combustible para Motores de Ignición por Compresión12. La figura 11 Presenta la configuración empleada para la realización del mencionado proyecto.. Figura 11. Vista de la configuración anterior del Banco de Pruebas Tomado de: RODRÍGUEZ, Javier. 2004. Pág. 48. Sin embargo de acuerdo con el autor del mismo, esta configuración presentaba problemas de vibración así como del sistema de transmisión de potencia freno – motor, adicionalmente se hacía necesario contar con un dispositivo mucho más adecuado para medir con precisión la carga impuesta por el motor. Por tal motivo, gran parte del tiempo empleado en la realización de este proyecto de grado estuvo encaminado a la adecuación del banco y al diseño de los sistemas de medición. Es preciso señalar que para lograr un adecuado montaje y optimizar el tiempo fue necesario trabajar en conjunto con el Ingeniero Néstor Gutiérrez, quien por la misma 12. Rodríguez, Javier, Montaje de Banco de Pruebas y Evaluación de Mezclas EB-Diesel como Combustible para Motores de Ignición por Compresión., Universidad de los Andes, Bogotá 2004..

(35) IM-2005-I-34 25 ______________________________________________________________________ época adelantaba su proyecto de Maestría. En la figura 12 se presenta la configuración actual del banco de pruebas.. Figura 12. Configuración actual del Banco de Pruebas. Es de vital importancia recalcar que este proyecto siempre estuvo encaminado en evaluar la respuesta del motor al operar con mezclas de Biodiesel, para luego ser comparadas entre sí. Por esto, los parámetros a tener en cuenta fueron: Torque, velocidad, consumo de aire, consumo de combustible y emisiones de material particulado. En este sentido se describen a continuación cada uno de los sistemas que integra la nueva configuración del banco de pruebas.. 3.1. Motor Diesel HATZ 1B30 El motor diesel empleado en las pruebas fue el HATZ 1B30, el cual se ilustra en la figura 13, éste se caracteriza por ser un motor de larga duración, cuya utilidad se concentra en equipos para uso comercial o industrial, tales como, impulsión de generadores eléctricos, motobombas y cualquier otra aplicación estacionaria. De igual manera, tal y como se presenta en la tabla 5, éste es un motor monocilíndrico de cuatro tiempos, de aspiración natural, de inyección directa, refrigeración por aire. Trabaja con una relación de compresión r = 22 y una cilindrada de 0.47 litros. De otra.

(36) IM-2005-I-34 26 ______________________________________________________________________ parte, Maneja un régimen de velocidad de hasta 3600 RPM y una potencia máxima de 5.5 kW ó 7.4 HP.. Figura 13. Motor Diesel HATZ 1B30 Tomado de: Catalogo del Fabricante13. Tabla 5. Datos Técnicos del Motor Diesel HATZ 1B30 Tomado de: Catalogo del Fabricante. 3.2.. Sistema de Medición de Torque y Velocidad de Rotación. Como se menciono al inicio del capitulo al medir la respuesta del motor en términos de su potencia es necesario determinar tanto el Torque como la velocidad de rotación del. 13. En Anexo 1. Catalogo del Fabricante “Motorenfabrik Hatz D-94099 Ruhntorf – Germany”.

(37) IM-2005-I-34 27 ______________________________________________________________________ mismo. Para esto, el banco de pruebas cuenta con un freno hidráulico, el cual se encarga de crear un par resistente que es el que proporciona la carga al motor.. 3.2.1. Freno Hidráulico Los frenos hidráulicos son dispositivos adecuados para las mediciones de potencia en los motores de combustión interna, para las pruebas llevadas a cabo, se utilizó un freno hidráulico diseñado y construido en dos proyectos de grado anteriores, el cual es capaz de disipar una potencia equivalente a 100 kW y consta de un impulsor hidráulico dentro de un estator14. En el freno dispuesto en el banco, las cavidades y álabes dispuestas al interior del freno imparten al agua un movimiento turbulento que crea una resistencia al giro del rotor, produciendo que este se embrague a la campana del estator y se disipe la potencia entregada por el motor en forma de calor. En este sistema, la regulación de la carga aplicada al motor se lleva a cabo controlando la cantidad de agua al interior del freno. Por esto se han dispuesto dos válvulas reguladoras, ubicadas una a la entrada del flujo y otra a la salida, tal y como se ilustra en la figura 14.. Figura 14. Válvulas Reguladoras del Freno Hidráulico 14. Benavides, Marco. Construcción de un dinamómetro hidráulico para disipar 100 kw en un rango de velocidades de 600 a 6000 RPM / Marco Antonio Benavides Huertas. Universidad de los Andes. Bogotá, 1994..

(38) IM-2005-I-34 28 ______________________________________________________________________. 3.2.2. Sensor de Torque El sistema de medición de Torque está conformado por un resorte previamente calibrado, el cual está dispuesto de tal manera que su deformación indique la reacción del freno hidráulico. En la figura 15 se aprecia la forma en que un extremo del resorte esta fijo y el otro se desplaza conforme haya un desplazamiento angular del freno. Cabe anotar que la acción del resorte siempre es tangente al radio externo y perpendicular al eje del freno.. Figura 15. Montaje del Resorte Calibrado. Para obtener la constante del resorte k, fue necesario someterlo a una prueba de esfuerzo deformación, en la que se registraron los datos de elongación a medida que variaba la carga. En la figura 16 se presenta la curva resultante de esta prueba. Una vez conocido el valor de la rigidez del resorte, era necesario poder determinar el valor de la deformación en metros que causaba el movimiento del freno. Para esto, se adecuo un potenciómetro lineal al borde de la estructura metálica, conectado por medio de unos piñones a uno de los extremos del freno. De esta maneara, es posible determinar el movimiento angular del potenciómetro para posteriormente transformarlo en unidades de movimiento lineal (ver figura 17)..

(39) IM-2005-I-34 29 ______________________________________________________________________. Fuerza (N). Calibración Resorte 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0. y = 893,48x + 15,682 2 R = 0,9998. 0. 0,05. 0,1. 0,15. 0,2. Deformación (m). Figura 16. Curva de Calibración del Resorte. Figura 17. Montaje del Potenciómetro Lineal. Al igual que para el caso del resorte, el potenciómetro debió ser calibrado, para esto, en el laboratorio con ayuda de una fuente de potencia se llevaron a cabo pruebas en las que se reportaron los valores de voltaje para cada movimiento del potenciómetro, de esta manera fue posible construir la grafica de calibración mostrada en la figura 18..

(40) IM-2005-I-34 30 ______________________________________________________________________ Ahora bien, comprobada la linealidad del potenciómetro, es posible decir que el desplazamiento angular en radianes del freno está asociado a un valor de voltaje de la siguiente manera:. ∆θ = 1.0823 (ν ). (10). Calibración Potenciometro 6,00. Voltaje (V). 5,00. y = 1,0823x - 9E-16 R2 = 1. 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0,00. 1,00. 2,00. 3,00. 4,00. 5,00. Ángulo (rad). Figura 18. Calibración del potenciómetro.. Por lo tanto, el desplazamiento lineal del resorte podría ser determinado así:. χ = ∆θ × R. (11). Donde R representa el radio externo del freno hidráulico, que para este caso es 0.14 m. Una vez hallado este valor, el Torque (. τ. ) está dado por:. τ = k×X ×R. (12). 3.2.3. Sensor de Velocidad de Rotación Para lograr medir el número de revoluciones por minuto del motor, fue necesario implementar un sistema, el cual principalmente está constituido por un disco con cuatro ranuras que son atravesadas por una luz infrarroja, esta luz a su vez, esta enfocando un fototransistor, poniéndolo en estado de corte o saturación según la posición del disco y.

(41) IM-2005-I-34 31 ______________________________________________________________________ su polarización con el fin de generar una señal cuadrada con frecuencia proporcional a la velocidad angular del eje del motor La señal generada se acopla luego al convertidor de frecuencia – voltaje LM 2907, que entrega un determinado nivel de voltaje para cierta frecuencia de la siguiente forma:. v f = Vcc ⋅ R ⋅ C ⋅ f Donde. vf. (13). es el voltaje para la frecuencia de la señal. f. y. Vcc. es el voltaje de. polarización, que para este caso es 10 V. Los valores de R y C permiten que el sistema sea mucho más confiable minimizando el ruido y aumentando su precisión. Luego de una serie de pruebas de calibración en un torno CNC se logró determinar los valores de;. R = 100 KΩ y C = 0.01 µF .. 3.2.4. Adquisición de Datos de Torque y Velocidad Una vez descritos los sistemas de medición, surge la necesidad de recolectar de manera digital los datos generados en cuanto a la velocidad de rotación del eje del motor y la carga aplicada. En este sentido, se deben adecuar las señales análogas generadas por los sensores mediante convertidores análogo – digitales. En este caso, las señales son digitalizadas con el PIC 16F877 para luego ser transmitidas por este, a una computadora mediante el protocolo de transmisión serial RS-232. La ventaja de emplear este dispositivo es la gran versatilidad que posee para transmitir los datos a la computadora, puesto que, posee módulos específicos de transmisión serial como. el. UNIVERSAL. SYNCHRONOUS. ASYNCHRONOUS. RECEIVER. TRANSMITTER (USART) y el modulo de conversión análogo digital. La ventaja más importante que se logra al poder transmitir los datos a la computadora, es que estos son almacenados empleando el programa de instrumentación virtual LABVIEW de la National Instruments. Así mismo, este programa permite obtener una gráfica en tiempo real del comportamiento de los datos que están siendo almacenados,.

(42) IM-2005-I-34 32 ______________________________________________________________________ es decir, es posible observar gráficamente el comportamiento del motor en cuanto a Torque y velocidad segundo a segundo. La figura 19 presenta un esquema del circuito empleado durante las pruebas.. Figura 19. Vista del Circuito Implementado para la Adquisición de Datos. Es posible observar en la parte superior de la figura el puerto de transmisión serial RS232, el cual fue configurado para obtener una frecuencia de muestreo de 400 datos por segundo para cada una de las señales. El convertidor análogo digital, posee 10 bits de resolución (1024 valores posibles) y ocho canales multiplexados, queriendo decir con esto, que es posible tomar 8 señales diferentes cada 1 milisegundo y un rango de voltaje de 0 a 5 voltios.. 3.3.. Sistema de Medición del Consumo de Aire.. El laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, cuenta con un Termo - Anemómetro de Aletas / Registrador modelo 451126, el cual permite medir al mismo tiempo la velocidad y temperatura del flujo de aire, así como el flujo por unidad de área. De igual manera, permite por medio de una interfaz RS-232 transferir y almacenar los datos en la computadora. En la figura 20 se muestran cada una de las.

(43) IM-2005-I-34 33 ______________________________________________________________________ partes que conforman este sistema donde: 1 representa la pantalla LCD, 2 el sensor de veleta, 3 la tecla de encendido, 4 el conector RS-232 y 5 el teclado numérico y de funciones.. Figura 20. Esquema del Termo - Anemómetro de Aletas Tomado de: Manual de Instrucciones. Este dispositivo no fue conectado directamente al orificio de succión del motor, puesto que, la frecuencia de oscilación del pistón hace del proceso de succión un proceso alternante, el cual origina fluctuaciones en la medición. El Termo – Anemómetro fue conectado a un recipiente amplio y rígido con un orificio en la parte superior. (Ver figura 21).. Figura 21. Montaje del sistema de Medición de Consumo de Aire.