REVISIÓN DEL EFECTO DEL USO DE BIOCOMBUSTIBLES EN LA OPACIDAD DE EMISIONES GENERADAS POR MOTORES DIESEL

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REVISIÓN DEL EFECTO DEL USO DE BIOCOMBUSTIBLES EN LA OPACIDAD DE EMISIONES GENERADAS POR MOTORES DIESEL

ANDRÉS ALBERTO ALTAMAR PÉREZ C.C. N. 1.030.527.161

UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERÍA INSTITUTO DE POSGRADOS

ESPECIALIZACIÓN EN GERENCIA AMBIENTAL BOGOTÁ, JULIO DE 2014

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REVISIÓN DEL EFECTO DEL USO DE BIOCOMBUSTIBLES EN LA OPACIDAD DE EMISIONES GENERADAS POR MOTORES DIESEL

ANDRÉS ALBERTO ALTAMAR PÉREZ C.C. N. 1.030.527.161

Proyecto de grado para optar al título de ESPECIALISTA EN GERENCIA AMBIENTAL

Asesor

ING. JULIO CÉSAR RAMÍREZ

UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERÍA INSTITUTO DE POSGRADOS

ESPECIALIZACIÓN EN GERENCIA AMBIENTAL BOGOTÁ, JULIO DE 2014

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Nota de aceptación:

Firma del jurado

Firma del jurado

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CONTENIDO

Página

1. INTRODUCCIÓN ... 7

2. ANTECEDENTES ... 8

3. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ... 9

4. JUSTIFICACIÓN ... 9

5. OBJETIVOS ... 10

5.1 Objetivo General: ... 10

5.2 Objetivos Específicos: ... 10

6. ALCANCE DEL PROYECTO ... 10

7. METODOLOGÍA ... 11

8. MARCOS DE REFERENCIA ... 11

8.1 MARCO TEÓRICO ... 11

8.2 MARCO CONCEPTUAL ... 16

8.3 MARCO LEGAL Y NORMATIVO ... 19

9 RESULTADOS... 22

9.1 Operación y Rendimiento de Motores Diésel Empleando Biodiesel como Combustible ... 22

9.1.1 Resultados de Investigaciones Realizadas en Periodos Anteriores al año 2002 ... 23

9.1.2 Resultados de Investigaciones en Periodos Comprendidos entre el 2003 y el 2010 ... 24

9.1.3 Resultados de Investigaciones en Periodos Comprendidos desde 2011 hasta la fecha ... 36

9.2 Efectos del uso de biocombustibles en las emisiones generadas por los motores diésel ... 38

9.2.1 Resultados de Investigaciones Realizadas en Periodos Anteriores al año 2002 ... 38

9.2.2 Resultados de Investigaciones en Periodos Comprendidos entre el 2003 y el 2010 ... 40

9.2.3 Resultados de Investigaciones en Periodos Comprendidos desde 2011 hasta la fecha ... 45

10 CONCLUSIONES ... 55

10.1 Operación y Rendimiento de Motores Diésel Empleando Biodiesel como Combustible ... 55

10.2 Efectos del uso de biocombustibles en las emisiones generadas por los motores diésel ... 55

11 RECOMENDACIONES ... 56

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Lista de Tablas

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Tabla 1. Literatura (en porcentaje de publicaciones) reportando disminuciones, similitudes, o incrementos en el desempeño de los motores y sus emisiones empleando diésel y biodiesel como combustibles. ... 27 Tabla 2. Estadísticas de los efectos del uso de biodiesel puro en el desempeño y emisiones

de los motores. ... 35 Tabla 3. Propiedades de las mezclas de biodiesel de jatropha y diésel. ... 37

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Lista de Figuras

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Figura 1. Montaje Experimental Empleado por Agudelo et al. ... 25

Figura 2. Consumo de Combustible en Función del Grado de Carga ... 25

Figura 3. Rendimiento Efectivo ... 26

Figura 4. Estimación porcentual del número de autores que encuentran disminuciones de la potencia a plena carga con biodiesel. ... 30

Figura 5. Estimación porcentual del número de autores que encuentran incrementos de consumo específico con biodiesel. ... 31

Figura 6. Estimación porcentual del número de autores que encuentran el mismo rendimiento efectivo del motor alimentado con diésel o biodiesel. ... 32

Figura 7. Variación del consumo especifico de combustible con respecto a la potencia de frenado... 37

Figura 8. Variación del consumo especifico de la eficiencia térmica con respecto a la potencia de frenado. ... 38

Figura 9. Emisiones específicas de CO, en función del grado de carga. ... 41

Figura 10. Emisiones específicas de NOx, en función del grado de carga. ... 41

Figura 11. Opacidad del Humo en función del grado de carga. ... 42

Figura 12. Resumen, efecto de la concentración de biodiesel sobre las emisiones gaseosas y la opacidad del humo. ... 42

Figura 13. Incremento en las emisiones de NOx, con respecto a la concentración de Biodiesel presente en la mezcla. ... 44

Figura 14. Reducción en las emisiones de Material Particulado en relación a la concentración de biodiesel. ... 44

Figura 15. Variación de la Opacidad con respecto a la Potencia de Frenado. ... 46

Figura 16. Variación de las emisiones de CO2 con respecto a la Potencia de Frenado. ... 47

Figura 17. Variación de las emisiones de NOx con respecto a la Potencia de Frenado. ... 47

Figura 18. Variación de las emisiones de CO con respecto a la Potencia de Frenado. ... 48

Figura 19. Variación de las emisiones de HC con respecto a la Potencia de Frenado. ... 49

Figura 20. Porcentaje de Variación en las Emisiones con respecto al Porcentaje de Biodiesel empleado como combustible. ... 49

Figura 21. Variación de las emisiones de NOx con respecto a la velocidad del motor y al combustible empleado. ... 51

Figura 22. Variación de las emisiones de HC con respecto a la velocidad del motor y al combustible empleado. ... 52

Figura 23. Variación de las emisiones de CO con respecto a la velocidad del motor y al combustible empleado. ... 53

Figura 24. Variación de las emisiones de CO2 con respecto a la velocidad del motor y al combustible empleado. ... 53

Figura 25. Variación de la opacidad con respecto a la velocidad del motor y al combustible empleado. ... 54

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1. INTRODUCCIÓN

Con el fin de garantizar la conservación, preservación y recuperación del recurso aire, el gobierno colombiano mediante el Decreto 948 de 1995 (República, 1995) estableció que: “se prohíben las

emisiones visibles de contaminantes en vehículos activados por diésel (ACPM), que presenten una opacidad superior a la establecida en las normas de emisión. La opacidad se verificará mediante mediciones técnicas que permitan su comparación con los estándares vigentes.” [1]

En el año 2008 el Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial (MAVDT) ahora Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible emitió la Resolución 910 de 2008 (MADS, 2008) mediante la cual se reglamentan los límites máximos permisibles de emisiones contaminantes generadas por fuentes móviles terrestres. Esta reglamentación clasifica los vehículos diésel en categorías de acuerdo a su año modelo y propone límites máximos para cada una de ellas [2].

Para el establecimiento de los límites máximos permisibles de opacidad se han efectuado varios estudios como por ejemplo “Actualización del inventario de emisiones de fuentes móviles para la

ciudad de Bogotá a través de mediciones directas” (E.Behrentz, 2009) [3], en la cual mediante factores

de emisión se realiza una aproximación a los valores típicos de contaminantes como CO, CO2, NOx PM2,5 y THC mediante pruebas dinámicas y registro en tiempo real, y el proyecto “Evaluation of methods and equipment to measure vehicular emissions through static testing and determination of máximum permissible limits for mobile sources”, desarrollado en el territorio nacional durante 2011-2012 con el apoyo del Banco Mundial, impulsado por MADS (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible) y ejecutado por la Universidad Nacional de Colombia [4], entre otros.

Paralelamente a estas disposiciones, el país ha priorizado el desarrollo de la producción de biocombustibles dentro de las estrategias de los sectores agrícola, de energía y ambiental. Teniendo en cuenta lo anterior en el documento CONPES 3510 de 2008, se estableció que el entonces Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial (MAVDT) en conjunto con el Ministerio de Minas y Energía (MME) deben determinar los criterios ambientales de calidad de los combustibles, establecer los requisitos técnicos, de calidad y seguridad para la producción y el uso de los biocombustibles.[5]

En cumplimiento de esta directriz, en conjunto el MME y el MAVDT emitieron la Resolución 2604 de 2009 “Por la cual se determinan los combustibles limpios teniendo como criterio fundamental el

contenido de sus componentes, se reglamentan los límites máximos de emisión permisibles en prueba dinámica para los vehículos que se vinculen a la prestación del servicio público de transporte terrestre de pasajeros y para motocarros que se vinculen a la prestación del servicio público de transporte terrestre automotor mixto y se adoptan otras disposiciones.”, [6] en la cual se establecieron los límites

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Sin embargo, en las disposiciones mencionadas anteriormente no se contemplan las emisiones generadas en la combustión de los denominados combustibles limpios, así como el seguimiento, control y vigilancia a los vehículos que operan con este tipo de combustibles Debido a esta situación, actualmente los límites máximos permisibles que se manejan para los combustibles limpios (biocombustibles), son los mismos que se establecieron anteriormente para los combustibles de origen fósil, es decir, medición únicamente de Hidrocarburos (HCT), Monóxido de Carbono (CO), Dióxido de Carbono (CO2) y Oxígeno (O2) para el caso de vehículos que emplean gasolina como combustible y

determinación del porcentaje de Opacidad (%) para vehículos que emplean diésel como combustible, sin tener en cuenta los posibles cambios generados en los productos de la combustión debido a la composición química de los combustibles.

En el caso de los vehículos que operan con combustible gasolina, teniendo en cuenta el tipo de tecnología empleada en la medición de emisiones, estos cambios no afectan de manera significativa la metodología, ni los resultados de la medición de emisiones generadas por este tipo de fuentes móviles, aunque se hace necesario realizar un estudio que permita determinar el efecto que tienen los biocombustibles en la generación de NOx y Óxidos de Azufre (SOx). [7]

Para el caso de vehículos que operan con combustible diésel, dada la naturaleza del tipo de medición empleada para el control y vigilancia de este tipo de fuentes móviles, se hace necesario determinar cómo se ven afectadas las emisiones generadas por este tipo de motores debido a la composición química del combustible, así como si es necesario tener en cuenta o no otros productos de la combustión de los ésteres de metilo (principal componente del biodiesel) dentro de la normatividad nacional, y teniendo en cuenta el tipo de parque automotor con el que cuenta el país, es necesario evaluar el grado de afectación al que se pueden ver expuestos los motores diésel por el uso de este tipo de combustible.[8]

2. ANTECEDENTES

Teniendo en cuenta que, actualmente el parque automotor que circula en el país se encuentra conformado por vehículos clasificados por modelos desde el año 1946 aproximadamente, hasta la fecha, realizar un estudio práctico sobre los vehículos que se encuentran actualmente en las calles, no sería lo más conveniente ya que estos vehículos han sido sometidos a diversos tipos de prácticas de mantenimiento, reparación y uso; variables que influyen directamente en la eficiencia de la combustión de los motores y por consiguiente, el resultado de su evaluación, no sería representativo para los fines del documento. De igual manera, realizar un estudio práctico sobre los vehículos que producen las ensambladoras, tampoco permitiría establecer un diagnóstico de la influencia del tipo de combustible empleado en los motores diésel, debido a que las tecnologías de postcombustión con las cuales se diseñan los vehículos en la actualidad hacen que la metodología empleada para el control y vigilancia no sea compatible con el tipo de emisiones generadas por este tipo de vehículos. [9,10]

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Con el fin de satisfacer las necesidades expuestas anteriormente, se propone realizar una revisión documental que permita tener una aproximación real de los efectos generados por la implementación de los biocombustibles sobre las emisiones y el comportamiento de los motores que funcionan con combustible diésel.

3. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Teniendo en cuenta que, actualmente el parque automotor que circula en el país se encuentra conformado por vehículos clasificados por modelos desde el año 1946 aproximadamente, hasta la fecha, realizar un estudio práctico sobre los vehículos que se encuentran actualmente en las calles, no sería lo más conveniente ya que estos vehículos han sido sometidos a diversos tipos de prácticas de mantenimiento, reparación y uso; variables que influyen directamente en la eficiencia de la combustión de los motores y por consiguiente, el resultado de su evaluación, no sería representativo para los fines del documento. De igual manera, realizar un estudio práctico sobre los vehículos que producen las ensambladoras, tampoco permitiría establecer un diagnóstico de la influencia del tipo de combustible empleado en los motores diésel, debido a que las tecnologías de postcombustión con las cuales se diseñan los vehículos en la actualidad hacen que la metodología empleada para el control y vigilancia no sea compatible con el tipo de emisiones generadas por este tipo de vehículos. [9,10] Con el fin de satisfacer las necesidades expuestas anteriormente, se propone realizar una revisión documental que permita tener una aproximación real de los efectos generados por la implementación de los biocombustibles sobre las emisiones y el comportamiento de los motores que funcionan con combustible diésel.

4. JUSTIFICACIÓN

La ausencia de un estudio que permita tener una idea clara y concreta del efecto del uso de biocombustibles en la opacidad de las emisiones generadas por motores diésel, no permite establecer la necesidad o no de la implementación de nuevos límites máximos permisibles para los vehículos que operen con motores de encendido por compresión (diésel) y que empleen biodiesel, o mezclas diésel - biodiesel como combustible.

Por otra parte, dada la amplia variedad de tecnologías, modelos y prácticas de conservación de los vehículos, es necesario realizar una evaluación del grado de afectación de las emisiones generadas por vehículos diésel que operan utilizando los denominados combustibles limpios y en la medida de lo posible identificar cuáles son las condiciones de los motores, diferentes a la combustión, que se ven afectados en mayor medida por el uso de biodiesel y su impacto en la calidad de las emisiones de gases de escape.

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Finalmente y teniendo en cuenta los resultados del estudio propuesto en este documento, será posible identificar si las tecnologías y metodologías empleadas para la protección, prevención, control y vigilancia de las emisiones generadas por fuentes móviles que operan bajo ciclo diésel, son apropiadas o no para los combustibles que ofrece el mercado en la actualidad.

5. OBJETIVOS

5.1 Objetivo General:

Realizar una revisión del efecto del uso de biocombustibles en la opacidad de las emisiones generadas por motores diésel.

5.2 Objetivos Específicos:

5.1.1 Determinar las condiciones del combustible que mayor influencia han tenido en la calidad de las emisiones generadas por vehículos que operan bajo ciclo diésel. 5.1.2 Identificar las condiciones de los motores que afectan en mayor medida la generación

de emisiones en los motores diésel cuando se emplea biodiesel como combustible. 6. ALCANCE DEL PROYECTO

Para la realización de este proyecto se propuso una etapa de recopilación de la información, procurando obtener información de los diferentes estudios desarrollados en lugares con características geográficas, demográficas y de consumo similares a las de Colombia. Posteriormente se realizó una búsqueda de información relacionada con el sector automotriz con el fin de obtener información acerca de los estudios que hayan desarrollado las empresas ensambladoras de vehículos diésel en el país. Una vez finalizada la etapa de recopilación de información, se realizó un análisis del contenido técnico que se ajuste a las condiciones bajo las cuales se han establecido las normas relacionadas con el control y vigilancia de las emisiones generadas por fuentes móviles, clasificando la información disponible según su relevancia para el país, así como el acercamiento con los objetivos planteados y finalmente se realizó la exposición de los resultados obtenidos, evaluando la necesidad de su implementación por parte de las Autoridades Ambientales Competentes.

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7. METODOLOGÍA

Para lograr el cumplimiento de los objetivos planteados en la sección número cinco (5) de este documento se empleó como metodología, la investigación documental, en la cual se realizó una recopilación de la información empleando mecanismos como las bases de datos, convenios con universidades, solicitudes de información remitidas a entidades asociadas como por ejemplo la Asociación Nacional de Empresarios ANDI y la Federación Nacional de Comerciantes – FENALCO, Entidades Ambientales como el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, entre otros. Posteriormente se procedió a la depuración y análisis de la información la cual se presenta en la sección número nueve (9) de este documento.

8. MARCOS DE REFERENCIA

A continuación se presentan los marcos de referencia teórico, normativo y conceptual bajo los cuales se desarrolló el proyecto.

8.1 MARCO TEÓRICO

8.1.1 Aceleración Libre: Es el aumento de revolución del motor de la fuente móvil llevado rápidamente a máxima aceleración estable, sin carga y en neutro (para cajas manuales) y en parqueo (para cajas automáticas). [2]

8.1.2 ACPM: Aceite Combustible Para Motores. [2]

8.1.3 Año Modelo: Año que identifica el de producción del tipo de vehículo automotor. [2]

8.1.4 Certificado de Emisiones por Prueba Dinámica: Documento en el cual se consignan los resultados de la medición de contaminantes del aire, evaluadas mediante los procedimientos establecidos por peso vehicular, incluyendo las emisiones evaporativas, conforme a los métodos, ciclos o procedimientos establecidos en la presente resolución, provenientes de los vehículos prototipo seleccionados como representativos de los modelos nuevos que se importen, fabriquen o se ensamblen en el país. [2]

8.1.5 Ciclo: Es el tiempo necesario para que el vehículo alcance la temperatura normal de operación en condiciones de marcha mínima o ralentí. Para las fuentes móviles equipadas

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con electroventilador, es el período que transcurre entre el encendido del ventilador del sistema de enfriamiento y el momento en que el ventilador se detiene. [2]

8.1.6 CO: Monóxido de Carbono.

8.1.7 CO2: Dióxido de Carbono

8.1.8 Densidad del humo (K) (conocida también como “Coeficiente de extinción de luz” o “Coeficiente de absorción de luz”). Forma fundamental de cuantificar la capacidad de una corriente de humo o del humo de una muestra para oscurecer la luz. Por convención, la densidad del humo se expresa en metros a la menos uno (m-1). La densidad del humo es una función del número de partículas de humo por unidad de volumen de gas, la distribución por tamaño de las partículas de humo, y las propiedades de absorción y dispersión de las partículas. [11]

8.1.9 Emisiones de Gases de Escape: Son las cantidades de Hidrocarburos (HC), Monóxido de Carbono (CO) y Óxidos de Nitrógeno (NOx) emitidas a la atmósfera a través del escape de un vehículo como resultado de su funcionamiento. [2]

8.1.10 Equipo: Es el conjunto completo con todos los accesorios para la operación normal de medición de gases de escape.

8.1.11 Falla súbita del motor. Evento de anormalidad inesperado en el desempeño del motor y/o sus accesorios, durante la ejecución de la prueba. [11]

8.1.12 Fuente Móvil: Es la fuente de emisión que, por razón de su uso o propósito, es susceptible de desplazarse. [2] Para efectos del presente documento, son fuentes móviles los vehículos automotores, las motocicletas, los motociclos y los mototriciclos, motocarros y cuatrimotos. 8.1.13 Fuente móvil accionada por motor Diésel. Fuente de emisiones que por su uso o propósito

está sujeta a desplazamientos y opera siguiendo el ciclo Diésel. Puede operar a dos o cuatro tiempos. [11]

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8.1.15 HCNM: Hidrocarburos diferentes al metano. [2]

8.1.16 HDV: Heavy-Duty Vehicle. Cualquier vehículo automotor con un peso bruto vehicular superior a 3.856 kg o con un peso neto vehicular superior a 2.722 kg o con un área frontal básica superior a 4,18 m2. Los motores diésel usados en estos vehículos se dividen en tres clases de servicio llamados LHDDE, MHDDE y HHDDE, de acuerdo al peso bruto vehicular. [2]

8.1.17 HHDDE: Heavy Heavy-Duty Diesel Engines (Incluye Urban Bus). Cualquier motor diésel instalado en un HDV cuyo peso bruto vehicular sea superior a 14.969 kg. [2]

8.1.18 Humo: Es la materia que en la emisión de escape reduce la transmisión de la luz. [2]

8.1.19 Ley de Beer-Lambert. Expresión matemática que relaciona la opacidad de una columna de humo, con la longitud de trayectoria óptica efectiva y el coeficiente de extinción de luz específico del humo. [11]

8.1.20 LHDDE: Light Heavy-Duty Diesel Engines. Cualquier motor diésel instalado en un HDV cuyo peso bruto vehicular sea superior a 3.856 kg y que no supere 8.845 kg.[2]

8.1.21 Longitud de trayectoria óptica efectiva (L). Longitud del haz de luz entre el emisor y el detector que es interceptado por la columna de humo. También denominada LTOE por sus siglas. [11]

8.1.22 Material Particulado (MP). Emisión conformada por partículas sólidas y líquidas de carácter orgánico e inorgánico que permanecen suspendidas en los productos gaseosos de escape y en el aire. Químicamente, el MP es una mezcla de alta complejidad. Incluye carbono del combustible que no es oxidado en el proceso de combustión, en forma tanto elemental como orgánica. También incluye sulfatos o ácido sulfúrico provenientes del azufre del combustible. Además, se encuentran nitratos, sales de amonio y metales. Se encuentra asociada a combustión incompleta y mezclas con baja proporción de aire. [11]

8.1.23 Método de extinción de luz. Técnica que implica la medición de la cantidad de luz que no logra atravesar un material. Para fines específicos de esta norma, una columna de humo. [11]

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8.1.24 Opacidad (N). Fracción de luz expresada en porcentaje (%) que, al ser enviada desde una fuente, a través de una trayectoria obstruida por humo, no llega al receptor de instrumento de medida.[11]

8.1.25 Opacímetro. Equipo diseñado para medir la opacidad de una corriente de humo o muestra parcial de esta, mediante el principio de extinción de luz. Para fines de esta norma, se hace referencia específicamente a los equipos que operan bajo el principio de flujo parcial, o de muestreo. [11]

8.1.26 Propiedades ópticas del Material Particulado. Son las propiedades que exhibe el material particulado en su interacción con la luz. Dentro de estas se tienen: absorción, refracción y reflexión. Estas propiedades dependen de la geometría, rugosidad y composición de material particulado suspendido en los productos de escape gaseosos. Como consecuencia de estas propiedades, la intensidad de luz que atraviesa una columna de humo con material particulado se ve disminuida. [11]

8.1.27 Prueba de opacidad. Prueba de evaluación en la cual se registra el valor de opacidad del humo emitido por un vehículo sometido a una o más pruebas unitarias de aceleración libre, para ser comparado con los límites normativos vigentes. [11]

8.1.28 Prueba unitaria de aceleración libre. Es la secuencia de aceleraciones necesarias para determinar el resultado representativo de opacidad para el vehículo en evaluación. [11] De acuerdo con la Norma Técnica de Referencia consta de cuatro ciclos de aceleración.

8.1.29 Reglaje de Motor: Son las condiciones determinadas por el fabricante que pueden modificar las condiciones del ciclo de combustión de un vehículo automotor, como por ejemplo luz (gap) de válvulas, luz (gap) de bujías, avance de encendido, avance de inyección, revoluciones de ralentí o revoluciones gobernadas. [11]

8.1.30 Sistema Cerrado de Ventilación Positiva del Cárter: Es el que previene la liberación de gases del depósito de aceite del motor (Cárter) a la atmósfera, conduciéndolos a la cámara de combustión, donde se queman junto con la mezcla aire/combustible. Este sistema utiliza como elemento principal una válvula de ventilación positiva (PCV). [2]

8.1.31 Sistema de Control de Emisiones Evaporativas: Es aquel que recoge los vapores de gasolina provenientes del tanque de combustible o del carburador y los conduce hacia el

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depósito que contiene carbón activado (Cánister), para después drenarlos y llevarlos a la cámara de combustión donde se queman al tiempo con la mezcla aire/combustible. [2] 8.1.32 Sistema de Control de velocidad del motor. Sistema encargado de controlar la velocidad

máxima y mínima de rotación del motor. Es de naturaleza mecánica o electrónica, según la tecnología con la que cuente el motor. Los valores máximos y mínimos de velocidad de rotación del motor son parámetros establecido por el fabricante. [11]

8.1.33 Sistema de Recirculación de Gases de Escape: Es aquel que tiene la función de recircular pequeñas cantidades de gases de escape hacia el múltiple de admisión, con lo cual se reduce la emisión de Óxidos de Nitrógeno.

8.1.34 Software de aplicación. Programa específico encargado de realizar las rutinas automáticas, controlar los tiempos de medición, procesamiento de la señal, conversiones matemáticas, validación y reporte de resultados entre otros. [11]

8.1.35 Transmitancia (T). Es la fracción de luz, que al ser trasmitida desde una fuente a través de una trayectoria obstruida por humo, llega al receptor del instrumento de medida. [11]

8.1.36 Temperatura mínima de operación. Temperatura de operación considerada como mínima para efectuar la prueba de opacidad, sin restricciones. Se establece en 50 °C, al ser estimada por medio de la medición de la temperatura del aceite de lubricación o cualquier método adecuado y disponible.[11]

8.1.37 Temperatura óptima de operación. Temperatura de operación del motor a la cual se obtiene su mejor desempeño, establecida por el fabricante o ensamblador. [11]

8.1.38 Vehículo Ciclo Diésel: Vehículo que opera con un motor de combustión interna cuya función se basa en un ciclo termodinámico, en el cual se inyecta en la cámara de combustión el combustible después de haberse realizado una compresión de aire por el pistón. La relación de compresión de la carga del aire es lo suficientemente alta como para encender el combustible inyectado, es decir, el calor se aporta a presión constante. [2]

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8.1.39 Vehículo rechazado. Vehículo cuya prueba llega a su fin y presenta número consecutivo. El rechazo puede estar asociado al incumplimiento de los requisitos necesarios para el vehículo en evaluación, o por incumplimiento de los límites normativos de opacidad vigentes. [11] 8.1.40 Vehículo Dual: Vehículo automotor que utiliza un motor de combustión interna con una

mezcla de gas natural y diésel. El diésel es inyectado directamente en el interior de la cámara de combustión, mientras el gas es introducido al interior de la entrada de aire por medio del carburador o por medio de inyección de gas. Generalmente, se construye a partir de un vehículo ciclo Diésel. [2]

8.1.41 Vehículo Prototipo o de Certificación: Prototipo, con motor de desarrollo o nuevo, representativo de la producción de un tipo de vehículo.

8.1.42 Velocidad1 máxima de rotación (gobernada). Velocidad máxima de rotación que puede

alcanzar el motor antes de que se produzca la reducción o corte del suministro de combustible. Es la velocidad máxima permisible para evitar daños por sobre-revoluciones del motor. Es un parámetro especificado por el fabricante del motor. [11]

8.1.43 Velocidad1 mínima de rotación (ralentí). Velocidad mínima de rotación del motor, necesaria

para mantener en operación y sin carga el motor. Corresponde a la posición “neutro” para transmisión manual y “parqueo” para transmisión automática, sin accionar el acelerador. Es un parámetro especificado por el fabricante del motor. [11]

8.2 MARCO CONCEPTUAL

El uso de combustibles de origen fósil ha derivado en una grave situación de contaminación debido a las emisiones generadas por las fuentes que operan con este tipo de combustibles. Uno de los contaminantes atmosféricos más abundantes es el material particulado, el cual debido a su composición química, tamaño de partícula y alta concentración en el aire, ha sido catalogado como una de las principales causas del aumento en las enfermedades respiratorias agudas en las grandes ciudades, las cuales han sido detectadas en gran parte a zonas industriales y en zonas de alto flujo vehicular. [12]

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Este material particulado se genera como uno de los productos de la reacción química que ocurre al interior de un motor entre un combustible y el Oxígeno presente a una temperatura y presión elevadas, sin embargo, tanto su composición química como los mecanismos de reacción y de formación, aún no se han establecido con certeza. [13] Se ha determinado que la generación de material particulado se encuentra asociada con la calidad de la combustión que ocurre en los motores diésel y por consiguiente, a pesar de que no se conoce totalmente su composición química, su determinación puede emplearse como un mecanismo para la determinación del nivel de contaminación que genera una fuente de emisiones; ya que entre más incompleta sea la combustión mayor será la cantidad de material particulado que se genere como producto de esta reacción.

Teniendo en cuenta esta situación, las propiedades ópticas del material particulado y además que en Bogotá se cuenta con más de 66.308 vehículos diésel, y que estos vehículos constituyen más del 35 % del parque automotor de la ciudad [14], se ha implementado la medición de opacidad como un mecanismo para el control de las emisiones generadas por este tipo de vehículos. La determinación de la opacidad generada por una fuente móvil se basa en la determinación del coeficiente de extinción de luz (K) o densidad de humo ya que ésta es una relación entre el número de partículas (material particulado y otros productos de la combustión) por unidad de volumen de gas y además se encuentra en función de la distribución de los diferentes tamaños de estas partículas de humo y sus propiedades ópticas (absorción y dispersión de la luz, entre otras). La densidad de humo se encuentra definida para una corriente de humo de la siguiente manera, con base en la Ley de Beer Lambert:

K = - (1/L) Ln (1-(N/100)) En dónde:

K = Densidad de humo en [m-1]

L = Longitud de trayectoria óptica efectiva en metros [m] N = Opacidad en porcentaje

En esta relación matemática la opacidad N se interpreta como el porcentaje de luz que la columna de humo con longitud L, es capaz de obstruir, cuando el humo presenta un coeficiente de extinción de luz K [11].

Durante la medición de opacidad, se somete el vehículo de prueba a una prueba unitaria de aceleración la cual consta de cuatro ciclos de aceleración libre, en los cuales se parte de la

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velocidad mínima de rotación o velocidad Ralentí, posteriormente se acelera el vehículo a su velocidad máxima de rotación o velocidad gobernada, la cual se sostiene por unos cuantos segundos al cabo de los cuales se permite nuevamente que la velocidad de rotación del motor retorne a la velocidad Ralentí y se repite el proceso descrito anteriormente por tres (3) veces más. [11].Durante este proceso se captura una parte de las emisiones de gases de escape del vehículo y se llevan a un opacímetro o medidor de humos, el cual mediante los principios anteriormente descritos determina la cantidad de luz que obstruye la columna de humo (generada por los gases de escape) y realiza la comparación con los límites máximos permisibles, establecidos para el año modelo en particular del vehículo de prueba y genera el correspondiente certificado de aprobación o rechazo, según sea el caso.

De acuerdo con las normas establecidas para el territorio nacional, los combustibles empleados en el país deben contener una mezcla entre diésel proveniente del petróleo y metil ésteres (biodiesel) generado a partir de recursos renovables como el aceite de palma, lo cual, como es de esperarse genera cambios importantes en los productos de la combustión en los motores de encendido por compresión (diésel), aumentando la presencia de óxidos de nitrógeno (NOx) [7, 8], sin que esto signifique necesariamente la disminución del material particulado que se forma en la combustión [13] y permitiendo la generación de otros compuestos químicos a partir de las reacciones entre los componentes de la mezcla diésel – biodiesel y las características propias del motor (temperatura, presión, tiempo de residencia, riqueza de la mezcla, entre otros).

Hasta el momento se han tenido en cuenta alrededor de 211 de las posibles reacciones que se pueden presentar durante la combustión del biodiesel [13], sin que se hayan tenido en cuenta los efectos que los productos de estas reacciones pueden generar sobre la determinación de la opacidad, la cual por ser una medición cualitativa y con base en principios ópticos, puede aumentar o disminuir según la naturaleza de estos productos adicionales.

Hasta el momento se ha hablado de la combustión del diésel o biodiesel como una de las fuentes para la generación de material particulado en los vehículos diésel, sin embargo se hace necesario tener en cuenta otros efectos que puede causar el uso de los denominados combustibles limpios en otros componentes del vehículo diferentes a la cámara de combustión, pero que de igual manera están asociados a la generación de emisiones contaminantes. Un ejemplo de ello es la presencia o no de sistemas de recirculación de gases, ya que si bien es conocido que este tipo de sistemas contribuyen a la disminución de NOx cuando se emplea diésel convencional, debido a que estos ingresan nuevamente a la cámara de combustión, aún no se ha llegado a una conclusión con respecto a la recirculación de estos gases cuando se emplean metil ésteres (biodiesel) como combustible principal [7,8]. Otro ejemplo que permite ilustrar esta situación es la pérdida o ganancia de potencia del motor y la alteración de algunas características del reglaje del vehículo, cuando se emplean mezclas entre diésel y biodiesel, o biodiesel puro, ya que esto influye directamente sobre el consumo necesario de combustible para lograr el desplazamiento del vehículo y por consiguiente en los niveles de opacidad de las emisiones de los gases de escape [9,10].

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Debido a la amplia variedad de situaciones que se pueden generar entre los factores externos es que se plantea como uno de los objetivos de este documento la identificación de las condiciones de los motores que afectan en mayor medida la generación de emisiones en los motores diésel, cuando se emplea biodiesel como combustible.

8.3 MARCO LEGAL Y NORMATIVO

A continuación se presenta la estructura legal y normativa bajo la cual se debe realizar este proyecto: 8.3.1 Estructura Legal:

8.3.1.1 LEY 23 del 19 de diciembre de 1973, emitida por el Congreso de Colombia: “Por la cual se

conceden facultades extraordinarias al Presidente de la República para expedir el Código de Recursos Naturales y protección al medio ambiente y se dictan otras disposiciones”. Artículo

3°. “Se consideran bienes contaminables el aire, el agua y el suelo.”

8.3.1.2 LEY 99 del 22 de Diciembre de 1993, emitida por el Congreso de Colombia: “por la cual se crea el Ministerio del Medio Ambiente, se reordena el Sector Público encargado de la gestión y conservación del medio ambiente y los recursos naturales renovables, se organiza el Sistema Nacional Ambiental, SINA, y se dictan otras disposiciones”. Artículo 1°. ” (…) 2. La biodiversidad del país, por ser patrimonio nacional y de interés de la humanidad, deberá ser protegida prioritariamente y aprovechada en forma sostenible.3. Las políticas de población tendrán en cuenta el derecho de los seres humanos a una vida saludable y productiva en armonía con la naturaleza”.

8.3.1.3 DECRETO – LEY 2811 del 18 de diciembre de 1974, emitido por el Presidente de la República de Colombia: “Por el cual se dicta el Código Nacional de Recursos Naturales Renovables y

de Protección al Medio Ambiente”.

Artículo 8°. “Se consideran factores que deterioran el ambiente, entre otros:

a.- La contaminación del aire, de las aguas, del suelo y de los demás recursos naturales renovables.

Se entiende por contaminación la alteración del ambiente con sustancias o formas de energía puestas en él, por actividad humana o de la naturaleza, en cantidades, concentraciones o niveles capaces de interferir el bienestar y la salud de las personas, atentar contra la flora y la fauna, degradar la calidad del ambiente o de los recursos de la nación o de los particulares. Se entiende por contaminante cualquier elemento, combinación de elementos, o forma de energía que actual o potencialmente puede producir alteración ambiental de las precedentemente escritas. La contaminación puede ser física, química, o biológica;”

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Artículo 75°. “Para prevenir la contaminación atmosférica se dictarán disposiciones

concernientes a:

La calidad que debe tener el aire, como elemento indispensable para la salud humana, animal o vegetal;

El grado permisible de concentración de sustancias aisladas o en combinación, capaces de causar perjuicios o deterioro en los bienes, en la salud humana, animal y vegetal;

Los métodos más apropiados para impedir y combatir la contaminación atmosférica;

La contaminación atmosférica de origen energético, inclusive la producida por aeronaves y demás automotores;

Restricciones o prohibiciones a la importación, ensamble, producción o circulación de vehículos y otros medios de transporte que alteren la protección ambiental, en lo relacionado con el control de gases, ruidos y otros factores contaminantes;

La circulación de vehículos en lugares donde los efectos de contaminación sean más apreciables;

El empleo de métodos adecuados para reducir las emisiones a niveles permisibles;

Establecimiento de estaciones o redes de muestreo para localizar las fuentes de contaminación atmosférica y detectar su peligro actual o potencial.”

8.3.1.4 LEY 9 del 24 de Enero de 1979, emitida por el Congreso de Colombia: “Por la cual se dictan

Medidas Sanitarias”

Artículo 41°. “El Ministerio de Salud fijará las normas sobre calidad del aire teniendo en cuenta

los postulados en la presente Ley y en los artículos 73 a 76 del Decreto-Ley 2811 de 1974”.

Artículo 42°. “El Ministerio de Salud fijará, de acuerdo a lo establecido en el artículo 41, las normas de emisión de sustancias contaminantes, ya sea para fuentes individuales o para un conjunto de fuentes”.

Artículo 44°. “Se prohíbe descargar en el aire contaminantes en concentraciones y cantidades

superiores a las establecidas en las normas que se establezcan al respecto”.

Artículo 45°. “Cuando las emisiones a la atmósfera de una fuente sobrepasen o puedan

sobrepasar los límites establecidos en las normas, se procederá a aplicar los sistemas de tratamiento que le permitan cumplirlos”.

Artículo 48°. “En cumplimiento de las normas sobre emisiones atmosféricas el Ministerio de

Salud podrá:

Exigir el cambio, modificación o adición de los elementos que a su juicio contribuyan a mejorar la calidad de las descargas provenientes de fuentes móviles;

Impedir la circulación de fuentes móviles, cuando por las características del modelo, combustible o cualquier factor, exista la posibilidad de ser inoperante cualquier medida correctiva;

Condicionar la circulación de fuentes móviles, cuando ello sea necesario, en atención a las características atmosféricas y urbanísticas de las zonas de tránsito;

Impedir el tránsito de fuentes móviles cuyas características de funcionamiento produzcan ruidos, en forma directa o por remoción de alguna parte mecánica”.

Artículo 49°. “No se permitirá el uso en el territorio nacional de combustibles que contengan

sustancias o aditivos en un grado de concentración tal que las emisiones atmosféricas resultantes sobrepasen los límites fijados al respecto por el Ministerio de Salud”.

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8.3.1.5 DECRETO 948 del 5 de junio de 1995, emitido por el Presidente de la República de Colombia:

“por el cual se reglamentan, parcialmente la Ley 23 de 1973, los artículos 33, 73, 74, 75 y 75 del Decreto-Ley 2811 de 1974; los artículos 41, 42, 43, 44, 45, 48 y 49 de la Ley 9 de 1979; y la Ley 99 de 1993, en relación con la prevención y control de la contaminación atmosférica y la protección de la calidad del aire”. En su totalidad.

8.3.1.6 DOCUMENTO CONPES 3510 del 31 de marzo de 2008, emitido por el Departamento Nacional de Planeación. “Lineamientos de política para promover la producción sostenible de

biocombustibles en Colombia”.

8.3.1.7 Resolución 910 del 5 de junio de 2008, emitida por el Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial. ““Por la cual se reglamentan los niveles permisibles de emisión de

contaminantes que deberán cumplir las fuentes móviles terrestres, se reglamenta el artículo 91 del Decreto 948 de 1995 y se adoptan otras disposiciones.”

8.3.1.8 Resolución 2604 del 24 de diciembre de 2009, emitida por los Ministerios de Minas y Energía, de la Protección Social y de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. “Por la cual se

determinan los combustibles limpios teniendo como criterio fundamental el contenido de sus componentes, se reglamentan los límites máximos de emisión permisibles en prueba dinámica para los vehículos que se vinculen a la prestación del servicio público de transporte terrestre de pasajeros y para motocarros que se vinculen a la prestación del servicio público de transporte terrestre automotor mixto y se adoptan otras disposiciones.”

8.3.2 Normatividad Técnica:

8.3.2.1 Como se puede apreciar en las Resoluciones 910 de 2008 y 2604 de 2009 se han establecido algunos requisitos técnicos para cierto tipo de pruebas que se realizan a ciertos grupos específicos de vehículos, como por ejemplo, prueba dinámica para transporte público [6], límites máximos permisibles para los resultados de la prueba dinámica en vehículos importados para modelos posteriores al año 2008 [2], sin embargo al encontrarse contenidos dentro de documentos de tipo legal, se han clasificado de esta manera.

8.3.2.2 NORMA TÉCNICA COLOMBIANA NTC 4231, emitida el 31 de octubre del 2012, por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación – ICONTEC. “PROCEDIMIENTOS

DE EVALUACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS DE FLUJO PARCIAL NECESARIOS PARA MEDIR LAS EMISIONES DE HUMO GENERADAS POR LAS FUENTES MÓVILES ACCIONADAS CON CICLO DIÉSEL. MÉTODO DE ACELERACIÓN LIBRE”.

(22)

9 RESULTADOS

Teniendo en cuenta la escasez de petróleo en el planeta, se han buscado métodos alternativos para la producción de combustibles que permitan obtener energía para el desarrollo de las actividades diarias de los seres humanos. Uno de estos combustibles alternativos es el biodiesel, ésteres de metilo (metil –ésteres) que ofrecen condiciones similares a las del diésel obtenido del petróleo pero con la ventaja de ser producidos a partir de compuestos orgánicos.

En la actualidad se emplean diferentes tipos de biodiesel dependiendo la fuente orgánica de la que se haya extraído el aceite para su elaboración, entre los más comunes se tiene el biodiesel obtenido a partir del aceite de palma, soja, jatropha curcas o piñón, Ceiba Pentranda, entre otros.

De igual manera se ha encontrado que ciertos tipos de alcoholes (metanol, etanol y butanol, por ejemplo) también pueden considerarse como fuente alternativa de combustible, sin embargo, debido a su naturaleza química (a temperaturas altas favorecen la corrosión de metales), requieren de condiciones especiales para su correcto aprovechamiento, es por esta razón que en las últimas décadas se han incluido pequeños porcentajes de estos compuestos con el fin de permitir un ahorro de combustibles fósiles, sin afectar las condiciones de operación de los motores que circulan actualmente.

Desde el enfoque de las fuentes móviles, esta premisa es objeto de debate hoy en día, debido a que experimentalmente se han encontrado deficiencias tanto desde el punto de vista de operación y rendimiento de los motores, como desde el punto de vista ambiental ya que la implementación de combustibles alternativos o mezclas de éstos con combustibles fósiles no necesariamente implican una mejora en las emisiones generadas por este tipo de fuentes. Así las cosas a continuación se presentan los resultados de la investigación documental realizada en estos dos aspectos (operación y rendimiento de los motores, y el comportamiento de las emisiones) con respecto a las fuentes móviles que operan con combustible diésel.

9.1 Operación y Rendimiento de Motores Diésel Empleando Biodiesel como Combustible

A continuación se presentan los resultados obtenidos durante la revisión bibliográfica en el aspecto de rendimiento de motores diésel empleando biodiesel como combustible.

(23)

9.1.1 Resultados de Investigaciones Realizadas en Periodos Anteriores al año 2002

Un acercamiento al comportamiento de los motores que emplean biodiesel como combustible se puede apreciar en la revisión realizada por los ingenieros John R. Agudelo S., Pedro Benjumea, Edwin Gómez Meneses y Juan Fernando Pérez Bayer, quienes realizaron una revisión bibliográfica de las investigaciones más destacadas, hasta ese momento, en lo referente al desempeño mecánico de los motores diésel utilizando como combustible biodiesel. [15]

En esta investigación se presentó la evaluación del desempeño de un motor estacionario trabajando con diferentes mezclas diésel – biodiesel. Las mezclas empleadas fueron biodiesel puro (100 %), mezcla 70-30 (70 % diésel y 30% biodiesel –B30-) y el diésel de Indonesia realizada por Gafar et al. [16] cuyos resultados fueron similares a otros investigadores del momento.

De acuerdo con esta investigación, en la que los parámetros de desempeño evaluados fueron el torque, la potencia y el consumo específico de combustible, el torque decrece a medida que aumenta la cantidad de biodiesel en la mezcla, la potencia del motor decrece un 8% cuando se quema B100 y decrece 2% con B30, medida que aumenta la cantidad de biodiesel en la mezcla (aumenta 24% con B100 y 11% con B30). Sin embargo estas variaciones no necesariamente implican una afectación notable en el desempeño de los vehículos que operan con este tipo de biocombustibles.

En este mismo documento se presenta la investigación realizada por Pischinger et al. [17] quienes reportaron un mayor consumo de combustible al utilizar biodiesel de aceite de soya en ensayos estacionarios a plena carga, donde también se desarrolló una potencia y un torque ligeramente inferiores que con el diesel. Los resultados de Clark et al. [18] también mostraron una ligera reducción de la potencia (2,5%) al usar biodiesel de aceite de soya, igual torque que con el diesel, y un aumento del consumo de combustible, debido al menor poder calorífico del biodiesel. Concluye que el desempeño del motor es muy similar y no presenta problemas de encendido y disminuye el ruido característico del encendido del motor, esto último confirmado por Choo et al. [19], quienes mostraron en sus ensayos realizados en estado estacionario con biodiesel de aceite de palma que el desempeño de los motores es bueno, dado que encienden fácilmente y disminuye el ruido característico del encendido del motor, teniendo en cuenta que no hay que realizar ningún cambio en el motor para poder utilizar el biocombustible.

Siguiendo el estilo de presentación empleado anteriormente se presentan diversos estudios realizados hasta la fecha en la cual los resultados obtenidos implican disminución en la potencia de los motores al emplear biodiesel obtenido de diferentes tipos de aceites, de igual manera se presenta una disminución del torque y un aumento en el consumo de combustible, todo esto debido a la menor energía disponible en el biodiesel por unidad de volumen en comparación con el diésel proveniente del petróleo. Sin embargo, al igual que como se ha presentado en los casos anteriores, estas

(24)

afectaciones no se consideran significativas con respecto al comportamiento habitual de los motores empleando diésel como combustible.

Por otra parte, algunos investigadores encontraron que la potencia en lugar de disminuir sufría un ligero aumento, tal es el caso de Sapuan et al. [20], Masjuki et al. [21] y Agudelo et al. [22]. En cuanto al consumo específico de combustible, los mismos autores coinciden en que se incrementa en un 10% el del biodiesel debido a que su poder calorífico es menor comparado con el del diesel, 10% en volumen aproximadamente y otras investigaciones, además de coincidir con lo anterior, afirman que la combustión es mucho más completa, debido a la presencia de oxígeno «extra» que aporta la molécula de biodiesel.

En el documento se indica que se algunos autores hicieron el estudio del nivel de desgaste sufrido por el motor al emplear biodiesel como combustible, y la influencia de éste sobre el aceite lubricante encontrando niveles de desgaste normales o equivalentes al desgaste de un motor que opere con combustible diésel, bajo las mismas condiciones.

Por otra parte, se presentan resultados obtenidos por otros investigadores en los cuales se señala que al emplear biocombustibles, los productos de la combustión incompleta al entrar en contacto con el aceite lubricante, se diluyen en este disminuyendo su viscosidad hasta en un 5%, pero que dependiendo el tipo de diésel que se utilice en la mezcla, (específicamente para el caso del diésel bajo en azufre) esta situación puede ser positiva para la vida útil de los motores. Otros investigadores señalan que estos cambios en la viscosidad del aceite lubricante se presentan o no, dependiendo del tipo del sistema de inyección de combustible que tenga el motor, ya que si la inyección es directa la disminución en la viscosidad se presenta en mezclas B50 o superiores (mayor cantidad de biodiesel), pero si la inyección es de tipo indirecto la afectación en la viscosidad del aceite lubricante desaparece. Finalmente en el documento se presentan como desventajas del uso de biocombustibles, los daños que se presentan en otros componentes del motor, como son mangueras de conducción de combustible y sellos (la mayoría elaborados a partir de caucho), ataques a la pintura del motor, problemas de flujo a bajas temperaturas, tendencias a la formación de depósitos y obstrucciones tanto en el motor como en otros sistemas (inyectores, catalizadores, trampas de partículas y similares) debido a la presencia de impurezas como glicéridos, glicerol, ácidos grasos, entre otros. [23, 24, 25] 9.1.2 Resultados de Investigaciones en Periodos Comprendidos entre el 2003 y el 2010

De acuerdo con los resultados obtenidos por Agudelo et al [26] efectuados en el año 2005, para un motor diésel de 2.5 litros de cilindrada, turbo alimentado, con inyección directa de combustible montado en un banco de ensayos y empleando diferentes mezclas de combustible biodiesel – diésel del 5%, 10% y 20% en volumen (producido a partir de palma de aceite), se obtuvo lo siguiente:

(25)

El consumo de combustible aumenta en proporción a la cantidad de biodiesel empleada en la mezcla de combustible. Sin embargo los cambios observados no superan el 2% en ninguno de los casos, razón por la cual estos cambios no se consideran significativos.

El montaje experimental empleado fue el siguiente:

Figura 1. Montaje Experimental Empleado por Agudelo et al.

Fuente: Agudelo et al [26] 2005.

Y los resultados obtenidos se pueden observar en la siguiente figura.

Figura 2. Consumo de Combustible en Función del Grado de Carga

(26)

Como se mencionó anteriormente los resultados obtenidos en cuanto al consumo de combustible no son significativos desde el punto de vista del desempeño del motor. De manera similar sucedió para el rendimiento efectivo del motor, como se muestra a continuación, en los cuales a pesar de aumentar el consumo de combustible el rendimiento efectivo del motor empleando biodiesel fue similar al rendimiento del motor empleando diésel convencional:

Figura 3. Rendimiento Efectivo

Fuente: Agudelo et al [26] 2005.

En el año 2007, Magín Lapuerta Et. Al. [8] en la Universidad de Castilla – La Mancha (España) realizaron un estudio en el cual presenta la información recopilada de diferentes autores destacando la diversidad de resultados obtenidos con respecto al efecto del uso de biocombustibles en motores diésel. A continuación se presenta un resumen de los resultados de las 158 investigaciones revisadas:

(27)

Tabla 1. Literatura (en porcentaje de publicaciones) reportando disminuciones, similitudes, o incrementos en el desempeño de los motores y sus emisiones empleando diésel y biodiesel como

combustibles.

Incrementos Igual2 Disminución Sinergia

Potencia Efectiva (Carga

máxima) - 2 96 2 Consumo de combustible en frenado específico (bsfc) 98 2 - - Eficiencia Térmica 8 80 4 8 Emisiones de NOx 85 10 5 - Emisiones de MP 3 2 95 - Emisiones THC (Hidrocarburos totales) 1 3 95 1 Emisiones de CO 2 7 90 1

Fuente: Magín Lapuerta Et. Al. [8] 2007

Específicamente, en la investigación se habla del efecto de los biocombustibles en la Brake effective

power o potencia efectiva de frenado que es otra forma de determinar el torque efectivo generado por

el motor, cuando se conocen la potencia de frenado y las revoluciones por minuto (RPM), cuya disminución se ve asociada al aumento del volumen de biodiesel empleado, pero como se ha presentado anteriormente esto es de esperarse debido al descenso en el poder calorífico del biocombustible empleado.

En esta revisión se afirma que la diversidad de resultados, se debe a la gran variedad de posibilidades experimentales, siendo todas ellas posibles en una situación real, aspectos como el tipo de ingreso del aire a la cámara de combustión (aspiración natural, motor turboalimentado, turbo cargado, etc.), el sistema de inyección de combustible, en la cual resalta la forma en la que se atomiza el combustible dentro de la cámara, indicando que las dificultades que se presentan durante este proceso debido a los problemas de atomización del biodiesel influyen en la pérdida de potencia del motor.

De manera similar a lo ocurrido en la revisión realizada por Agudelo et. Al., en el año 2002 [15], la investigación de Magín Lapuerta et. Al. [8] concluye con respecto a la potencia efectiva de frenado lo siguiente:

 El biodiesel no genera pérdidas de potencia efectiva a menos que el motor se le exija la potencia máxima.

2 Muchas referencias incluídas en esta categoría han reportado incrementos o disminuciones en el desempeño de los motores dependiendo de las condiciones de carga, tipo de motor, temperatura de operación, entre otras características del motor.

(28)

 En la mayoría de la literatura publicada en la que se reportan descensos en la potencia, el decrecimiento es menor que la reducción en el poder calorífico por unidad de volumen, debido al uso del biodiesel en comparación con el diésel convencional. Por otra parte, la disminución en las fugas de combustible en los sistemas de inyección y la mayor lubricidad del biodiesel se señalan como factores que contribuyen a la recuperación de la potencia perdida.

En el documento también se relacionan los cambios en el consumo de combustible de frenado específico (Brake Specific fuerl consumption - bsfc) que es la relación entre la masa consumida de combustible y la potencia efectiva de frenado y que para un combustible dado es inversamente proporcional a la eficiencia térmica.

Teóricamente si se fija la eficiencia térmica el consumo específico de combustible para un motor, bajo el mismo tipo de operación, empleando biodiesel debería incrementarse alrededor de un 14 % correspondiendo al incremento en el poder calorífico en una base másica. En otras palabras la pérdida de poder calorífico del biodiesel debe ser compensado con un mayor consumo de combustible. De acuerdo con la investigación realizada por Graboski et. Al. Para la cual se empleó biodiesel de aceite de soya en 20 %, 35% 65% y 100% se encontró un comportamiento que apenas difiere de lo esperado en 0.8 %. Al igual que situaciones anteriores estos resultados son similares a los de otros investigadores y por lo tanto se puede concluir que en resumen:

 Con respecto al consume de combustible diésel, la mayoría de los autores han encontrado que el consumo de biodiesel aumenta en proporción al contenido de biodiesel en la mezcla y a la pérdida de poder calorífico (alrededor del 14% en base másica para la mayoría de biodiesel puros) y aquellos casos en los que se han encontrado tendencias diferentes, se puede suponer que hay falencias en la calidad del biodiesel o en la exactitud de las mediciones.

Finalmente en lo referente a desempeño de los motores, en la investigación realizada por Magín Lapuerta Et. Al. [8] se hace un análisis con respecto a la eficiencia térmica de los motores, entendida como la relación entre la potencia de salida y energía que ingresa a través de la inyección de combustible, de donde esta última es el producto de flujo másico de combustible que ingresa y el poder calorífico mínimo. Teniendo en cuenta que con frecuencia el inverso de la eficiencia térmica es referido como el consumo de la energía de frenado específico, experimentalmente lo que se obtiene es la eficiencia de frenado específico, parámetro que permite comparar de una manera más apropiada el desempeño de diferentes combustibles además de su poder calorífico.

Con base en lo mencionado en el aspecto relacionado al consumo de combustible, se puede observar que muchos investigadores no encontraron diferencias significativas en la eficiencia térmica cuando

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se emplea biodiesel como combustible. A continuación se presentan otros resultados encontrados en la revisión realizada por Magín Lapuerta et. Al.

Tsolakis [28], Senatore et al. [29], Shaheed and Swain [30], Graboski et al. [31], entre otros, no encontraron variaciones en la eficiencia térmica al emplear diferentes tipos de biodiesel. Además de lo anterior, Graboski et al. [32] evaluaron una gran cantidad de metil-ésteres de diferentes fuentes, mezclas e incluso esteres puros y de los resultados encontrados se puede resaltar que ni el origen del aceite, ni la longitud de la cadena de carbono, ni el número de dobles enlaces (grado de insaturación) generan cambios significativos en la eficiencia térmica de los motores.

Otros investigadores manifestaron encontrar mejoras en la eficiencia térmica de los motores (operando con cargas bajas) al realizar pruebas con biodiesel proveniente del aceite de polanga (Calophyllum inophyllum), sin embargo Magín Lapuerta et. Al., los desestiman argumentando una alta dispersión en los datos obtenidos, baja calidad en la instrumentación empleada o procedimientos y metodologías de ensayo poco adecuados. Bajo el mismo concepto consideran que otros resultados en los cuales se reportan disminuciones en el eficiencia térmica de los motores cuando se emplea biodiesel proveniente de aceite de palma, en mezclas de B20% y biodiesel puro.

A manera de resumen para este apartado los autores presentan lo siguiente:

 Como se puede apreciar en la tabla 1, la mayoría de los autores encontraron eficiencias térmicas similares al emplear mezclas de biodiesel en comparación con el uso de diésel convencional.  El incremento en el consumo de combustible mencionado anteriormente, no se debe a pérdidas

en eficiencia de los motores que operan con biodiesel sino al menor poder calorífico del combustible.

 Una minoría de estudios encontraron ligeras mejoras e incluso efectos sinérgicos en la eficiencia de los motores empleando biodiesel los cuales pueden estar relacionados a la reducción en las pérdidas de fricción debido al incremento en la lubricidad del combustible.

En el año 2008 el doctor Magín Lapuerta Amigo, dirigió una tesis doctoral cuyo tema principal fue el “Estudio bibliográfico y experimental de las emisiones y prestaciones de un motor trabajando con

biodiesel” en la Universidad de Castilla La Mancha. [33], investigación que de manera similar a sus

trabajos anteriores se encuentra enfocado a la potencia, rendimiento efectivo y consumo específico de combustible.

(30)

Dado que la revisión bibliográfica realizada para esta investigación es prácticamente idéntica a la presentada en Magín Lapuerta et. Al, [8], a continuación se presentan únicamente las conclusiones de este documento:

Los resultados que se presentan en esta investigación en cuanto a la revisión bibliográfica asociada a los efectos del uso de biodiesel con respecto a la potencia de los motores, son:

“Siempre que no se solicite potencia máxima al motor, con diésel y biodiesel se pueden obtener

los mismos valores con sólo aumentar el consumo de combustible lo necesario para compensar el menor poder calorífico del biodiesel”.

“En condiciones de plena carga, la mayoría de trabajos consultados (figura 4) encuentran una

disminución de potencia al emplear biodiesel. Esta disminución es menor que la que cabría esperar según el menor poder calorífico del biodiesel en unidades volumétricas.”

Figura 4. Estimación porcentual del número de autores que encuentran disminuciones de la potencia a plena carga con biodiesel.

Fuente: Rodríguez Fernández José. [33] 2008

Los resultados obtenidos en lo referente a la revisión bibliográfica realizada con respecto al consumo de combustible al emplear biodiesel fueron:

“La inmensa mayoría de autores (Figura 5) encuentran un incremento del consumo específico del

combustible cuando el motor es alimentado con biodiesel, siendo este incremento lineal con el porcentaje de biodiesel en la mezcla combustible. En la mayoría de los casos, este incremento de

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consumo específico de combustible en unidades másicas es aproximadamente 14 % y del 9% en unidades volumétricas, que coincide en ambos casos con el menor poder calorífico del biodiesel”.

Figura 5. Estimación porcentual del número de autores que encuentran incrementos de consumo específico con biodiesel.

Fuente: Rodríguez Fernández José. [33] 2008

“Puesto que la medida de consumo específico de combustible es relativamente fácil de realizar, y la precisión de los equipos disponibles en el mercado es muy alta, cabe sospechar que los trabajos en los que no se detecta tal incremento de consumo (o pérdida de potencia) adolecen de baja calidad en la instrumentación utilizada o de procedimientos y metodologías de ensayo poco adecuados.”

Finalmente los resultados obtenidos con relación al rendimiento efectivo de los motores al emplear biodiesel fueron los siguientes:

“La mayoría de los trabajos (Figura 6) encuentran que el rendimiento efectivo del motor funcionando con diesel, biodiesel o sus mezclas es el mismo. El motor es, por tanto, igualmente capaz de funcionar con diesel y biodiesel, y el incremento de consumo específico de combustible con biodiesel se debe exclusivamente al menor poder calorífico de éste y en ningún caso a un peor rendimiento en el motor.”

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Figura 6. Estimación porcentual del número de autores que encuentran el mismo rendimiento efectivo del motor alimentado con diésel o biodiesel.

Fuente: Rodríguez Fernández José. [33] 2008

“Algunos trabajos encuentran mejoras del rendimiento con biodiesel, e incluso sinergias positivas con bajos porcentajes de mezcla. Aunque ocasionalmente se citan las menores pérdidas mecánicas debido a su mayor lubricidad, probablemente el avance de la combustión con biodiesel sea responsable de estos incrementos, que en todo caso son muy pequeños.

Adicionalmente, en esta investigación se presenta un diagnóstico del proceso de combustión en los motores al emplear biodiesel, en los cuales se resalta que a nivel general el proceso de combustión no se ve afectado por el cambio en el combustible alimentado, únicamente se presentan diferencias en el ángulo de inicio de la combustión y en la presión máxima, lo cual coincide con la revisión bibliográfica realizada y cuya explicación se basa en el mayor número de cetano y otras propiedades físicas del biodiesel.[33]

En el año 2010 Jinlin Xue et. Al. [34] realizaron una revisión con base en las investigaciones que se tenían desde el año 2000, incluyendo los documentos técnicos propuestos por la Society of Automotive

Engineers – SAE, indicando claramente que las empresas desarrolladoras y ensambladoras de

vehículos deben realizar investigaciones enfocadas en la optimización y ajustes a los motores y sistemas relevantes con base en las nuevas normas gubernamentales orientadas al uso de biodiesel en el marco de los costos ambientales de su implementación. En lo referente al desempeño del motor, Jinlin Xue et. Al., han dirigido su investigación hacia el comportamiento de la potencia del motor, economía y durabilidad, como se presenta a continuación.

(33)

En lo relacionado a los efectos del uso de biodiesel con respecto a la potencia del motor, los resultados son similares a los presentados anteriormente, indicando que analizando tanto la potencia del motor como el torque del mismo, se observa una disminución al emplear biodiesel o mezclas de biodiesel-diesel como combustible debido al menor poder calorífico de la mezcla con respecto al diésel convencional. Sin embargo a diferencia los casos anteriores, se reporta una mayor fluctuación en los resultados, siendo este fenómeno positivo, ya que se indican descensos en la potencia del motor pero con valores relativamente bajos (entre 4.3 % y 4.5%), aduciendo recuperación de potencia [35, 36,37], De manera similar también se hace referencia a otros estudios en los cuales al emplear biodiesel proveniente de aceite de semillas de algodón tanto la potencia como el torque apenas tuvieron disminuciones entre el 3% y el 6% , y que la variación en el poder calorífico del biodiesel con respecto al diésel convencional fue de menos del 5 %, incluso argumentando que esta variación se encuentra más asociada a las dificultades de la atomización del biodiesel dentro de la cámara de combustión y no a las características del combustible empleado [38].

Cabe resaltar que en esta investigación algunos autores reportan que las diferencias máximas y mínimas tanto en la potencia como en el torque entregado por el motor a carga máxima empleando diésel de petróleo y ocho (8) tipos de VOME (Vegetable Oil Metil Esther) o metil ésteres provenientes de aceites vegetales fueron de apenas 1.49% - 0.64% y 1.39%-1.25% respectivamente debido a una mayor viscosidad, BSFC (Brake specific fuel consumption) mayor nivel de contenido de oxígeno y mayor tasa de combustión presente en el biodiesel [39].

En este artículo también se hace mención del uso de aditivos y su efecto en el desempeño de los motores al emplear biodiesel como combustible, sin embargo, de acuerdo con los resultados expresados para una mezcla B60 no se tuvieron efectos significativos, y para una mezcla B20 se encontró un incremento en la eficiencia de conversión de combustible al emplear como aditivo NPAA (ácido 4-nonil fenoxiacético), mejorando así la ignición y combustión.

A manera de resumen para este apartado Jinlin Xue et. Al., afirman que:

 El uso de biodiesel genera una reducción en la potencia del motor, la cual puede ser aceptada debido a que no es percetible por los conductores cuando se opera con cargas parciales medianas o bajas.

 La razón principal para la pérdida de potencia está basada en la reducción del poder calorífico del biodiesel en comparación con el diésel convencional. La alta viscosidad y lubricidad del biodiesel también tienen efecto en la potencia del motor, sin embargo no se ha llegado a una conclusión definitiva. Al parecer la procedencia del biodiesel no es un factor que afecte la potencia del motor o su desempeño en general.

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