Los aceites vegetales como combustibles en los motores Diesel - análisis de mezclas con alcohol y gasoil

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(1)MIM-2005-1-23. LOS ACEITES VEGETALES COMO COMBUSTIBLES EN LOS MOTORES DIESEL - ANALISIS DE MEZCLAS CON ALCOHOL Y GASOIL -. Autor: NESTOR SERGIO GUTIERREZ. Asesor: RAFAEL G. BELTRÁN P. M.Sc.. Proyecto de Grado Presentado a la Universidad de los Andes Como Requisito Parcial de Grado En el Programa de Maestría en Ingeniería Mecánica. Bogotá D.C., Colombia, 2005.

(2) MIM-2005-1-23. AVISO Yo, Néstor Sergio Gutiérrez, 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..

(3) MIM-2005-1-23. AGRADECIMIENTOS El autor del presente documento desea agradecer a las siguientes personas y entidades por brindar su colaboración en la realización de este proyecto: •. Rafael Beltrán MSc., Profesor Titular, Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad de los Andes. Asesor de Proyecto.. •. Néstor Yesid Rojas Ph.D., Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Química. Universidad de los Andes.. •. Tomás Uribe MSc., Profesor Instructor, Departamento de Ing. Mecánica y Coordinador del Laboratorio de Ing. Mecánica. Universidad de los Andes.. •. Personal del Laboratorio de Ing. Mecánica de la Universidad de los Andes.. •. Departamento de Química, Universidad de los Andes.. •. Helmer. Acevedo,. Profesor. Asistente,. Departamento. Mecánica, Universidad Nacional de Colombia.. de. Ingeniería.

(4) MIM-2005-1-23. TABLA DE CONTENIDO. INTRODUCCION 1. EL PROBLEMA DE INVESTIGACION…………………………………… 11 1.1. LA PROBLEMÁTICA AMBIENTAL………………..…………………. 11 1.2. LAS NUEVAS TECNOLOGIAS………………………....................... 12 1.3. LOS BIOCOMBUSTIBLES……………..……………………………... 14 1.3.1. Los Bioaceites…………………………………..……………….… 16 1.3.1.1. Modificaciones al motor…………..………………………….. 18 1.3.1.2. Transformaciones de los aceites…………………………….... 18 1.4. TEMA……..……….………………………………………………………. 19 1.5. OBJETIVOS………………………………………………………............19 1.5.1. Objetivos Específicos……………………………………………... 20 1.6. HIPOTESIS………………………………………………………….……. 21 2. MARCO REFERENCIAL…………………………..……………………… 22 2.1. EL PROCESO DE COMBUSTION EN LOS MOTORES DIESEL….. 22 2.1.1. La Autoinflamación del combustible……………………………… 24 2.1.2. La Pulverización del Combustible………………………………… 25 2.2. COMBUSTION DE BIOACEITES……………………………………… 26 2.2.1. Antecedentes…………………….………………………………..… 26 2.2.2. Propiedades de los combustibles vegetales…………….………. 27 2.2.2.1. Características tóxicas……………………….…………......... 29 2.2.2.2. El Módulo Volumétrico………………………………………. 30 2.3. ANALISIS DEL PROCESO DE COMBUSTION………..…………….. 33 2.4. CARACTERISTICAS DE VELOCIDAD DEL MOTOR…………….…. 36 2.5. PARAMETROS INDICADOS…………………………………………. 37. 2.6. PARAMETROS EFECTIVOS DEL MOTOR……………………….... 41.

(5) MIM-2005-1-23. 3. VERIFICACION EXPERIMENTAL………………………………………… 43 3.1. BANCO DE PRUEBAS………………………………………………….. 43 3.1.1. Motor…………………………………………………………………. 44 3.1.2. Sistema integrado de medición del Par y Velocidad de rotación..................................................................................... 45 3.1.2.1. Par Motor………………………...……………………………… 45 3.1.2.2. Velocidad de rotación......................................................... 49. 3.1.3. Medición del Consumo de Combustible y Aire………..………… 53 3.1.3.1. Consumo de Combustible……………………...……………. 53 3.1.3.2. Consumo de Aire……………………..……………………..… 54 3.1.4. Medición de emisiones de material particulado…..…………..… 56 3.1.5. Sistema de precalentamiento de combustible………………….. 59 3.2. DESCRIPCION DEL ENSAYO……………………………………..…. 60 4. RESULTADOS………………………………………………………….…….65 4.1. DISEÑO EXPERIMENTAL..................……………..……….………. 65 4.2. CARACTERÍSTICAS DE VELOCIDAD........................................... 68. 4.2.1. ACPM........................................................................................ 68 4.2.2. Mezcla 50 ................................................................................. 70 4.2.3. Mezcla 80.................................................................................. 71. 4.2.4. Curvas de Comparación........................................................... 72. 4.3. PARÁMETROS EFECTIVOS............................................................. 75 4.4. EMISIÓN DE PARTÍCULAS...............................................................76 4.5. CARACTERÍSTICAS DE MEZCLAS..................................................77 5. INTERPRETACION Y ANALISIS DE RESULTADOS…………………… 80 5.1. GENERALIDADES DE LAS CURVAS………………………………… 80 6. CONCLUSIONES…………………………………………………………..…88 7. REFERENCIAS………………………………………………………………..90.

(6) MIM-2005-1-23. LISTAS DE FIGURAS. Figura 1.. Diagrama indicado p = f ( ) y Ley de la inyección. = f ( ).. Adaptado de Jóvaj M.S. Motores de Automóvil……….............. 22. Figura 2.. Inflamación bietápica del aceite…………….……………………. 23. Figura 3.. Compresibilidad isotérmica del Combustible ………………….. 31. Figura 4.. Comportamiento de la presión de Inyección del combustible… 32. Figura 5.. Descripción del proceso de combustión – Inflamación atrasada…………………………………………………………….. Figura 6.. 34. Descripción del proceso de combustión – Inflamación adelantada………………………………………………………….. 35. Figura 7.. Características de velocidad del motor HATZ, proporcionadas por el fabricante…………………………………………………….... 36. Figura 8.. Ciclo termodinámico generalizado del motor Diesel………….. 38. Figura 9.. Banco de pruebas. Laboratorio de Ingeniería Mecánica…….. 43. Figura 10. Motor Diesel HATZ 1B30……………………………...………... 44. Figura 11. Dinamómetro hidráulico………………………………………….. 46. Figura 12. Sistema medidor de Torque…………………………..…………. 46. Figura 13. Calibración del resorte………………………………………….... 47. Figura 14. Calibración del sistema de medición de Torque…………….... 48. Figura 15. Circuito convertidor de frecuencia a voltaje LM 2907……...... 50. Figura 16. Tarjeta de adquisición de datos………………………………..... 51. Figura 17. Diagrama de bloques. Sistema Tarjeta de adquisición de datos 52 Figura 18. Medición consumo de combustible……………………………. 53. Figura 19. Medición consumo de aire…………………………………….... 55. Figura 20. Equipo de muestreo de PM10………………………………...…. 56. Figura 21. Balanza para pesaje de filtros y desecador……………....……. 57. Figura 22. Filtros PM10………………………………………………………... 58. Figura 23. Intercambiador de calor para precalentamiento de muestras..... 59.

(7) MIM-2005-1-23. Figura 24. Temperatura de entrada de la mezcla en función del régimen de carga del motor..................................…………………………... 60. Figura 25. Pruebas de normalidad de Kolmogorov-Smimov........................ 66. Figura 26. Pruebas de varianza de Levene............................................... 67. Figura 27. Valores medios de torque en función de la velocidad del motor.. 68 Figura 28. Potencia efectiva ACPM…………………………………………….. 68 Figura 29. Par Motor ACPM…………………………………………………….. 69 Figura 30. Consumo Específico de combustible……………..……………….. 69 Figura 31. Potencia Efectiva Mezcla 50……………………………………….. 70. Figura 32. Par Motor Mezcla 50……………………………………..….…... 70. Figura 33. Consumo Específico de Combustible Mezcla 50……………... 71. Figura 34. Potencia Efectiva Mezcla 80……………………………….…….. 71. Figura 35. Par Motor Mezcla 80…………………………………..…………. 72. Figura 36. Consumo específico de combustible mezcla 80………..……... 72. Figura 37. Característica Externa de Velocidad – Comparación por Potencia Efectiva……………………………………..……….......… 73 Figura 38. Característica Externa de Velocidad – Comparación por Par Específico Efectivo…….………………………………………….. 73. Figura 39. Característica Externa de Velocidad – Comparación por Consumo Específico Efectivo………………………………......... 74 Figura 40. Consumo Específico – Variación con respecto al ACPM…….. 74. Figura 41. Parámetros Efectivos – Variación con respecto al ACPM……. 75. Figura 42. Emisiones de material particulado……………………………... 76. Figura 43. Emisiones de Material Particulado – Variaciones con respecto al ACPM……………………………………………………………….. 77. Figura 44. Viscosidad en función del contenido de aceite……………………. 78 Figura 45. Viscosidad en función del precalentamiento………………………. 78 Figura 46. Temperatura Límite de la Mezcla…………………………………… 79.

(8) MIM-2005-1-23. LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Propiedades de algunos aceites. Adaptada de Zhou (Zhou PL, 2000) y Gumpon (Gumpon Prateepchaikul, 2003).. 28 Tabla 2. Planeación del experimento................................................... 65. Tabla 3. Parámetros Efectivos – Regímenes seleccionados……….. 75. Tabla 4. Emisiones de material particulado………………….……….. 76. Tabla 5. Caracterización de mezclas. Laboratorio de Química Universidad de los Andes………………………………………. 77.

(9) MIM-2005-1-23. CONVENCIONES p ……………………………………………….……….……………………. Presión. ϕ ………………………………..…………………...... Angulo de giro del cigüeñal. τ i …………………………………………….. .Tiempo de retraso de la inflamación τ f ……………………………………………..………….. Tiempo de Retraso físico. τ q …………………………………………………..…. Tiempo de Retraso químico θ i ……………………………………………… Angulo de retraso de la inflamación θ1 …………………………………………………. Etapa de combustión acelerada θ2. ………………………………………………………..Etapa de combustión lenta. θ3. ………………………………………………………..Etapa de combustión lenta. σ i ………………………………………………Cantidad de combustible inyectado E. ……………………………………………………………….. Módulo volumétrico. ϑinj ……………………………………………………………Velocidad de inyección. Ω …………………………………………………………. .Función de pulverización. σ. …………………………………………………………..…Tensión superficial. ν. ……………………………………………………. …..Viscosidad cinemática. ρ. …………………………………………………………….…………Densidad. ρ w …………………………………………………………………Densidad del aire ω w ………………………………………………………………Turbulencia del aire M. ……………………………………………………………….………Par Motor. P. ……………………………………………………………………..…. Potencia. Gh. …………………………………………… Consumo horario de combustible. g. ……………………………………. …Consumo específico de combustible. η. ……………………………………………………………………… Eficiencia.

(10) MIM-2005-1-23. LOS ACEITES VEGETALES COMO COMBUSTIBLES EN LOS MOTORES DIESEL - ANALISIS DE MEZCLAS CON ALCOHOL Y GASOIL -. INTRODUCCIÓN. La conversión eficiente de energía primaria en energía eléctrica y en general en energía mecánica, continúa siendo gran problema para la ciencia y la ingeniería. Lo anterior se debe a que con excepción de la energía hidráulica las fuentes principales de energía fósil, solar, nuclear y geotérmica, se manifiestan en forma de energía térmica, energía que no tiene gran utilidad directa y que sólo parcialmente se puede convertir en mecánica para su utilización. Existen métodos para convertir energía química, nuclear y solar directamente en mecánica o eléctrica y en procesos tales como el magnetohidrodinámico o la celda de combustible los rendimientos teóricos son excelentes, sin embargo, la tecnología para lograrlos aún es materia de perfeccionamiento debido en especial a los altos costos. Es de conocimiento popular que la energía hidráulica y los combustibles fósiles, constituyen las principales fuentes de energía a nivel mundial, también de forma específica en Colombia, no obstante el estado severo y avanzado de la problemática ambiental, exige el estudio profundo y detenido de diversos aspectos, que podrían agruparse alrededor de elementos conocidos tales como:.

(11) MIM-2005-1-23. •. Las limitantes que nos aquejan tanto de recursos hídricos, como de hidrocarburos.. •. El grave impacto ecológico - ambiental y la contaminación de aire, agua y suelos, como consecuencia de la explotación, tanto de una fuente energética como de la otra.. •. Las características de ineficacia, rigidez y cobertura apenas parcial del sistema eléctrico nacional, como sistema de suministro de energía y como servicio público domiciliario.. •. Los altos costos de la energía, que disuaden su utilización para generar desarrollo industrial y que no permiten la satisfacción de sentidas necesidades de amplios sectores de la población rural y urbana.. De acuerdo con las posibilidades definidas por la realidad local y regional de comunidades específicas en cuestión, será posible abordar alternativas de sistemas y aplicaciones de fuentes energéticas tales como: Sistemas de micro centrales de origen hidráulico o térmico, Energía Solar, Energía Geotérmica, Energía Eólica, Biomasa, Biocombustibles. El desarrollo e implementación de sistemas de suministro de energía a partir de la producción y aprovechamiento de la biomasa, se posiciona como alternativa energética. de. gran. perspectiva,. en. consonancia. con. las. posibilidades. agroindustriales del país y con las políticas estatales que en este campo se vienen estableciendo y empiezan a llevarse a cabo..

(12) MIM-2005-1-23. 1. 1.1. EL PROBLEMA DE INVESTIGACION. LA PROBLEMÁTICA AMBIENTAL. La transformación y uso de la energía da lugar a problemas ambientales de muy diverso tipo relacionados con: •. Emisión de gases diversos y partículas en entornos urbanos.. •. Emisiones ácidas en grandes centros de combustión.. •. Transporte de petróleo, gas y demás hidrocarburos, que ocasiona accidentes, vertidos, contaminación marina y de los ríos.. •. Incremento en la concentración de CO2 y otros gases de invernadero.. •. Grandes presas hidráulicas, cuya construcción genera desplazamiento de poblaciones e incidencia en la biodiversidad.. Los combustibles fósiles son una forma de energía almacenada en la tierra a lo largo de millones de años. El carbón constituye el recurso más importante, pero su explotación no siempre es fácil y en ocasiones genera costos poco favorables. La utilización de combustibles fósiles da lugar a la emisión de diversos contaminantes: óxidos de azufre y nitrógeno, hidrocarburos de diversa composición, partículas, carbonilla, hollín, etc. Las emisiones de óxido y azufre en grandes instalaciones de combustión como centrales termoeléctricas, se difunden mediante altas chimeneas, siendo las causantes de las llamadas lluvias ácidas. La preocupación global se configura alrededor de la alta concentración de CO2 en la atmósfera dando lugar al efecto invernadero, con previsible calentamiento de la.

(13) MIM-2005-1-23. tierra y desplazamiento en la distribución de zonas secas y húmedas. El mayor porcentaje de los problemas ambientales está relacionado con un deficiente manejo de los recursos energéticos. Las emisiones de monóxido de carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, y en general contaminantes atmosféricas están asociados con la quema incompleta de combustibles fósiles como petróleo, carbón o gas natural. La generación hidroeléctrica ocasiona el traslado de poblaciones y la alteración de los patrones culturales de sociedades ancestrales, la destrucción de bosques húmedos tropicales, alteración de la topografía y aumento de los riesgos de deslizamiento y erosión, aguas abajo de la presa, sedimentación y eutrofización de cuerpos de agua. La transmisión y distribución de energía están asociadas a impactos como la interferencia electromagnética, la destrucción de ecosistemas y hábitat únicos y la alteración del paisaje.. 1.2. LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS. Nuevas tecnologías presenta el sector energético, consistentes en: •. Tecnología de generación, basada en sistemas más pequeños, modulares y limpios.. •. Generación centralizada y descentralizada.. •. Exigencias ambientales de regulación creciente.. •. Intensificación en el empleo de energías renovables.. •. Mayor eficiencia energética y calidad de servicio.. •. Diversificación de combustibles..

(14) MIM-2005-1-23. •. Restricción al montaje de nuevas y grandes plantas.. •. Creciente competencia entre empresas.. Las tecnologías en desarrollo se fundan en: •. Estandarización y automatización de los sistemas de regulación y control de las centrales.. •. Procesos de combustión de bajo impacto contaminante.. •. Sistemas inteligentes de control integral sistematizado de las emisiones.. •. Análisis y control del efecto invernadero.. •. Cogeneración.. •. Gasificación del carbón y combustión en lecho fluido.. •. Tecnologías electroquímicas de generación.. •. Superconductividad y Materiales avanzados. •. Sistemas de almacenamientos avanzados.. •. Utilización de fuentes de energía renovables.. •. Gestión especializada en la generación, en el transporte y en la distribución de energía.. En general, las tecnologías de combustión limpia incluyen: •. La combustión del carbón en lecho fluido.. •. Utilización con ciclos combinados de turbinas a gas y de vapor.. •. Gasificación del carbón, tanto en el ciclo como en su yacimiento.. •. Combustión con aditivos y absorbentes de azufre.. •. Pilas de combustible para gas o carbón gasificado..

(15) MIM-2005-1-23. 1.3. LOS BIOCOMBUSTIBLES. La gran versatilidad de la biomasa como recurso energético es evidente dada la variedad de materiales que pueden ser transformados en combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, utilizando procesos biológicos y termoquímicos de conversión. Sin embargo, en comparación con otras tecnologías renovables (geotérmica, eólica, solar...) la energía proveniente de la biomasa constituye un área más compleja debido al amplio alcance de ciclos potenciales de combustión y a los posibles impactos medioambientales subsiguientes. La caña de azúcar es un cultivo privilegiado como fuente de energía de la biomasa y su uso orientado prioritariamente a la producción de azúcar es, sin duda, extremadamente limitado. Un porcentaje importante en la demanda de energía en el país se abastece mediante la quema directa de biomasa, principalmente leña y el bagazo de la caña de azúcar. La quema de leña esta asociada con la producción de sustancias tóxicas y peligrosas. La combustión de bagazo de caña de azúcar también está asociada con la emisión de varios contaminantes atmosféricos. La modernización de la producción y uso de la bioenergía debe aportar beneficios económicos y sociales en áreas rurales y urbanas de regiones en vías de desarrollo. Colombia cuenta con un número cercano a las 200 plantas anaeróbicas de generación de metano, localizadas en diversas zonas del país, especialmente en el Valle del Cauca y en la Costa Atlántica.. Estadísticas para Colombia publicadas por FEDEPALMA, aseveran la existencia de alrededor de 184.000 hectáreas sembradas de palma de aceite, las cuales generan 528.000 toneladas de aceite de palma y 50.000 de aceite de palmiste. El gremio palmicultor ha proyectado en su visión 2020 contar para este año, con un.

(16) MIM-2005-1-23. área sembrada de 636.000 hectáreas correspondientes a 3.5 millones de toneladas de aceite de palma.. Estudios que se llevan a cabo desde la década anterior, muestran que los biocombustibles dan lugar a balances energéticos normalmente positivos, dependiendo de la manera en que estos productos son empleados y procesados. Sin embargo la revisión energética de la producción y uso de la biomasa debería continuar para facilitar mayores ahorros energéticos. La principal diferencia entre la energía proveniente de los combustibles fósiles y la que procede de los biocombustibles, es que la energía de estos últimos es neutral respecto al CO2; Además, las emisiones de dióxido de azufre (SO2) y monóxido de carbono tienden a ser menores en los biocombustibles respecto de los combustibles fósiles. No hay un biocombustible líquido claramente más ventajoso que otros y la elección entre ellos dependerá de las prioridades locales. No obstante, siempre resultará necesario realizar un análisis de los ciclos de vida de las diferentes opciones para concluir objetivamente que los biocombustibles obtenidos por los procesos biotecnológicos existentes son menos contaminantes que los combustibles extraídos del petróleo. La estructura de precios depende del costo de las materias primas implicadas, el precio de mercado de los subproductos y derivados producidos conjuntamente con el biocombustible, el costo de la energía, la tecnología utilizada en el proceso de transformación y el tamaño de la planta. Existen dos posibles alternativas: bioalcoholes y bioaceites. Colombia formaliza su ingreso a la era de los biocombustibles, con la expedición de la Ley 693 de 2001, programa nacional de alcohol, seguida por la Ley 939 de 2004 que estimula la producción y comercialización de biocombustibles de origen.

(17) MIM-2005-1-23. vegetal o animal para uso en motores Diesel, cuya reglamentación se encuentra en proceso. Aunque los costos de producción de los denominados, bioetanol y biodiesel son aún mayores que. los de producir gasolina y ACPM, constituyen alternativa. energética de gran actualidad y futuro, especialmente por el decrecimiento de los costos de las materias primas agrícolas y las mejoras en la tecnología procesadora, lo que en buena medida puede contribuir a un cambio del paradigma tecnológico actualmente en vigor. No obstante se hacen necesarios lo subsidios ó facilidades impositivas para estimular un uso más amplio.. 1.3.1 Los Bioaceites Siendo ya conocidas las bondades de los alcoholes como combustibles y por ende el programa de producción agrícola que se lleva a cabo para la obtención de alcohol, corresponde a este trabajo y constituye su tema específico, el profundizar en el estudio de la utilización de aceites vegetales como combustibles en los motores Diesel. La incursión inicial de bioaceites como carburantes en los motores Diesel, ha mostrado dificultades y por lo tanto la necesidad de su procesamiento previo a la utilización, como también la necesidad y expectativa de modificaciones importantes tanto en la estructura como en la organización del proceso en los motores. Es esta precisamente una de las acciones que acometerá el presente proyecto. La utilización de aceites vegetales debe estar supeditada a las siguientes condiciones:.

(18) MIM-2005-1-23. •. Mínimas modificaciones en el motor. •. La potencia producida no debe sufrir reducciones significativas.. •. La facilidad de las condiciones de empleo se debe conservar.. •. La sustitución no debe acarrear grandes inversiones.. •. El balance energético, determinado por la relación de energía obtenida del aceite, contra la energía invertida en su producción, debe ser positivo.. •. Los costos de producción del aceite deben garantizar precios competitivos, con relación al combustible que se quiere sustituir.. En general los aceites de origen vegetal y sus derivados, satisfacen de forma bastante aproximada las exigencias arriba citadas, en ocasiones hasta el punto de poderse utilizar algunos de ellos en forma directa o sometidos a transformaciones en procesos de fácil implementación. No obstante, ciertas diferencias con el combustible Diesel en cuanto a sus propiedades físicas y químicas, plantean serias dificultades, tanto de orden técnico, tecnológico y financiero para su utilización. Uno de los mayores inconvenientes se origina en la elevada viscosidad de los aceites vegetales, en especial el aceite de palma, el de mayor índice de viscosidad, situación que se hace crítica cuando se le quiere utilizar en los motores Diesel de mayor difusión como son los de inyección directa. Las acciones encaminadas a solucionar tales dificultades tradicionalmente se han agrupado alrededor de dos categorías. La primera de ellas sugiere modificaciones importantes tanto en la construcción básica del motor como en sus sistemas auxiliares; la segunda, agrupa cambios esenciales en los aceites, a través de procesos físicos y químicos, para lograr en sus propiedades la equivalencia deseada con los combustibles de origen mineral..

(19) MIM-2005-1-23. 1.3.1.1. Modificaciones al motor. Las modificaciones más importantes exigidas al motor se fundan en: •. La necesidad de lograr y mantener temperaturas de combustión más elevadas con el propósito de atenuar el efecto de la alta viscosidad del aceite en cuanto a sus limitaciones para producir una combustión completa.. •. La organización estratificada del proceso de combustión, ya por inyección discriminada a regiones de la cámara de combustión o utilizando precámaras donde se inicie y efectúe parte de la combustión con mezclas relativamente ricas, con lo que se lograría atenuar la formación de óxidos de nitrógeno.. •. Modificaciones en el sistema de bombeo de alta presión del combustible, complementadas con su precalentamiento para reducir la viscosidad y facilitar la inyección del aceite.. 1.3.1.2. Transformación de los aceites. La segunda categoría de acciones encaminadas a modificar las propiedades tanto físicas como químicas del aceite vegetal se fundan en su. transesterificación,. proceso de relativa facilidad de implementación y excelentes resultados, el cual sin embargo ha merecido reparos, debido a altos costos, tanto por el aporte de aditivos como por la inversión de energía para llevarlo a cabo. Utilizando alcoholes se transforma el aceite en ésteres etílicos o metílicos, como consecuencia del tipo de alcohol aportado, adicionalmente se requiere el aporte de catalizadores, los cuales pueden ser de origen acido o básico, obteniendo además subproductos a base de glicerina, los cuales requieren de procesamiento adicional, relativamente complejo para poder garantizar su utilidad..

(20) MIM-2005-1-23. Una vez obtenido el éster, ya sea de origen etílico o metílico, su desempeño en los motores, se acerca en algunas propiedades y supera en otras a los aceites derivados del petróleo. Los países europeos han acumulado gran experiencia tanto en la producción como en el procesamiento y utilización de aceites vegetales,. obtenidos. fundamentalmente de colza, maní, algodón, soya y girasol. Países como Estados Unidos también han avanzado en la producción y utilización de aceites obtenidos preferentemente de cereales. 1.4. TEMA. Las conclusiones acerca de acciones encaminadas para la utilización de bioaceites plantea la necesidad de examinar alternativas de solución, de mayor viabilidad económica que el proceso de transesterificación y de menor exigencia tecnológica en cuanto a modificaciones de los motores. Conservando el objetivo general de estudiar los aceites vegetales como combustibles en los motores Diesel, una vez examinada minuciosamente la información existente, experiencia acumulada y específicamente los resultados de investigaciones recientemente realizadas, el tema de investigación del presente trabajo se centra en la evaluación de mezclas de aceites vegetales con alcohol y combustible diesel de petróleo, examinando con ellas el desempeño de un pequeño motor diesel ligeramente modificado.. 1.5 OBJETIVOS •. Aportar a la solución de la problemática, determinando la viabilidad técnica de la utilización de aceites vegetales crudos (no modificados) como combustible en los motores Diesel, para la generación de energía en zonas apartadas del país..

(21) MIM-2005-1-23. •. Establecer las posibilidades energéticas y describir los riesgos ecológicoambientales de los biocarburantes, como alternativas de obtención de energía para satisfacción de necesidades básicas de sectores poblacionales tanto del Distrito Capital como del país.. •. Brindar una visión detallada de las posibilidades técnicas de utilización de aceites vegetales como combustible para los motores Diesel.. 1.5.1 Objetivos Específicos La fase experimental que se propone el presente trabajo, parte del presupuesto del conocimiento disponible resultado de estudios anteriores, de la posibilidad y necesidad de optimizar el tratamiento preliminar de los aceites y de la convicción proporcionada por modelos teóricos que predicen una mejor respuesta del motor. Entre la variedad de aceites vegetales existentes, se ha elegido el aceite de palma por ser el de producción mas difundida en el país y con mayores perspectivas de industrialización a gran escala también como recurso energético. Se han presupuestado por lo tanto las siguientes acciones específicas: •. Realizar análisis comparativo del proceso de combustión con ACPM y con mezclas de aceite de palma, alcohol y ACPM, precalentadas hasta 60 ºC. o Aceite de palma y ACPM hasta el 20% o Aceite de palma, ACPM hasta el 20% y alcohol hasta el 5% o. •. Aceite de palma y ACPM al 50%. Determinar las características de velocidad del motor, así como sus características de emisiones de material particulado..

(22) MIM-2005-1-23. 1.6 •. HIPOTESIS. La bioenergía puede ser una alternativa del futuro; la utilización de la energía del sol depositada en los cultivos es una vía tecnológica factible pero aún no competitiva. En Brasil el alcohol obtenido de la caña de azúcar ha sustituido parcialmente la gasolina, en Cuba ocurre algo parecido con el bagazo que se utiliza para generar energía eléctrica.. •. Los países del tercer mundo y específicamente Colombia posee zonas con alta radiación solar, propicias para los cultivos bioenergéticos. Por otro lado la masificación de este tipo de cultivos puede resultar una agresión a la biodiversidad, degradando la superficie agrícola.. •. La cuestión medioambiental no es la de mayor conciencia en el país, teniendo en cuenta que existen problemas prioritarios como desempleo, pobreza, desnutrición, etc. Las ciudades y áreas industriales y urbanas muestran contaminación. atmosférica. avanzada,. hecho. que. ya. genera. notable. preocupación. •. en cuanto a modificaciones constructivas sobre los motores. La innovación y desarrollo tecnológico pueden paliar los problemas medioambientales.. El. desarrollo de nuevos vectores energéticos renovables tendrá importancia mundial en las próximas décadas, siendo la energía solar y la bioenergía dos retos importantes a considerar. •. Es posible la utilización de aceites vegetales como carburantes en los motores Diesel,. sometidos. a procesos. menos. costosos. que. el. proceso. de. transesterificación y con menores exigencias tecnológicas, en cuanto a modificaciones constructivas en los motores..

(23) MIM-2005-1-23. 2 MARCO REFERENCIAL. 2.1. EL PROCESO DE COMBUSTION EN LOS MOTORES DIESEL. El motor diesel funda su estructura y funcionamiento en la existencia y utilización de combustibles con alto grado inflamabilidad caracterizado por su número de cetano. En efecto la organización del proceso de combustión se facilita con la formación de mezclas aire-combustible apenas heterogéneas, en las que se aprovecha el poder de inflamación del combustible, para iniciar el proceso exotérmico de oxidación y desintegración molecular del hidrocarburo, una vez inyectado finamente pulverizado se pone en contacto con el aire caliente comprimido con anterioridad.. Figura 1. Diagrama indicado p = f (ϕ ) y Ley de la inyección Adaptado de Jóvaj M.S. Motores de Automóvil. σ = f (ϕ ).

(24) MIM-2005-1-23. El diagrama indicado ilustrado en la figura 1, ( p = f (V ) ), o, p = f (ϕ ) constituye modelo gráfico por etapas, de utilidad en la representación y análisis de cómo transcurre el proceso de combustión en los motores Diesel. θ i : Período de inducción del proceso. La ignición del combustible inyectado,. requiere de un proceso y por lo tanto de un tiempo usualmente denominado retraso de la inflamación ( τ i ), al cual contribuyen dos componentes, como se muestra en la figura 2.. Figura 2. Inflamación bietápica del aceite. τi =τ. τf. f. +τq. : Tiempo necesario para desintegrar el dardo inyectado, vaporizar las gotas de. combustible y mezclarlas con el aire. En general depende de la calidad de pulverización..

(25) MIM-2005-1-23. τq. : Depende de la velocidad de las primeras reacciones y por lo tanto de las. propiedades químicas del combustible, plasmadas en la oxidación y formación de productos intermedios, extendiéndose hasta que el calor desprendido alcanza niveles requeridos para mantener las reacciones en cadena. A continuación. en el proceso se puede distinguir una etapa de combustión. acelerada ( θ1 ), caracterizada por la velocidad de crecimiento de la presión ( dp/ dϕ ), que determina la oportunidad y los valores de las máximas presiones de combustión, como resultado de la combustión también del combustible posteriormente y paulatinamente inyectado. El combustible que continua siendo inyectado arde sin cambios bruscos de presión en la etapa ( θ2 ) y residualmente en la etapa ( θ3 ).. 2.1.1 La autoinflamación del combustible La autoinflamación resulta crucial en el análisis del desempeño de combustibles, ya que además de ser el inicio de la combustión, también determina como transcurre y por lo tanto los resultados del proceso de combustión alcanzados. Como lo ilustra la gráfica (ley de la inyección), la cantidad de combustible inicialmente inflamada ( σ i ), determina la rigidez del proceso ( dp/ dϕ ) y por lo tanto las presiones máximas de combustión. La variación del tiempo de retardo de la inflamación, alteraría la cantidad de combustible inicialmente inflamada, causando desestabilización del proceso, consistente en valores extremos de la presión máxima, usualmente inoportunos (retrasados o adelantados)..

(26) MIM-2005-1-23. 2.1.2 La pulverización del combustible La calidad de pulverización, manifiesta en la homogeneidad y finura de la pulverización, se puede evaluar por la función:. Ω=. mi = m. Vi = f (υ inj , σ , µ , ρ , ρ w , ω w ) V. mi , Vi : Masa, volumen de la gota promedio m,V : Masa, volumen total de las gotas.. ϑinj : Velocidad de inyección que a su vez es función de la presión de inyección y de la relación l/d del orificio del inyector.. σ ,ν , ρ : En orden de jerarquía la tensión superficial, viscosidad y densidad del combustible.. ρ w , ω w : Densidad y turbulencia del aire. La variación de los parámetros del combustible σ ,ν , ρ , ya sea por aditivos, por cambios en la presión de inyección, en la temperatura, o por la utilización de un combustible diferente, altera la calidad de pulverización, lo que sumado a las propiedades químicas del combustible acorta o dilata el período de retardo de la inflamación, alterando como consecuencia el proceso de combustión; es aquí donde se debe interactuar ya con las propiedades del combustible, ya con la sincronización del motor y con su sistema de alimentación y control, para mantener en condiciones óptimas el proceso de combustión..

(27) MIM-2005-1-23. 2.2 COMBUSTIÓN DE BIOACEITES 2.2.1 Antecedentes El Parlamento Europeo en declaración de marzo 8 de 2003, incluye el aceite vegetal puro en la categoría de biocombustible como “… aceite producido de plantas aceiteras mediante prensado, extracción o procedimientos comparables, crudo o refinado pero químicamente inmodificado, cuando sea compatible con el tipo de motores utilizados y con las correspondientes exigencias sobre emisiones”. Los países Europeos no producen palma aceitera, no obstante el aceite de palma por sus propiedades y significativa producción en Tailandia y demás países del tercer mundo, le han hecho merecedor del reconocimiento como biocombustible para ser usado en motores de combustión, tanto en forma de etil o metil ester, como en su estado de aceite vegetal no modificado. Son numerosas las investigaciones que desde la década de los 80, han indagado por la factibilidad técnica, económica, medioambiental y financiera de la utilización de aceites vegetales como combustibles en los motores diesel. Goering y otros (1981), Bacon y otros (1981), Reid y otros (1982) y Pryde (1982), exploran las propiedades de varios aceites vegetales, conceptuando positivamente su desempeño, observando sin embargo dificultades en su utilización como consecuencia de su alta viscosidad, particularidades en su composición, tendencia a formar depósitos de carbón y otros relacionados con pruebas de larga duración. Bruwer y otros (1980), Tahir y otros (1982), Bettis u otros (1982), Engler y otros (1983), Pryor y otros (1983), examinaron el desempeño de aceites de girasol entre otros, con conclusiones similares al del primer grupo..

(28) MIM-2005-1-23. Los resultados preliminares de estos estudios llevaron a otros autores a examinar el desempeño de aceites vegetales mezclados con combustible diesel. Pestes & Stanislao (1984), Ryan y otros ((1984), German y otros (1985), Suporne (1987), Nag y otros ( 1995), Sapaun y otros ( 1996), Mc Donnell (2000), Chiyuki (1998), Kevin y otros (1999), Gumpor Prateepchaikul (2003), de los cuales se resumen las siguientes conclusiones:. •. Decrecimiento en la potencia nominal debida al menor poder calorífico del aceite.. •. Mejor rendimiento térmico.. •. Consumo de combustible ligeramente mayor.. •. Depósitos de carbón en la cámara de combustión, anillos, válvulas, inyectores.. •. Contaminación del aceite lubricante.. •. Mayores temperaturas de escape.. •. Menores emisores de hidrocarburos y monóxido de carbono.. •. Los motores de inyección indirecta, con precámaras de combustión, tienen mejor desempeño que los motores de inyección directa.. 2.2.2 Propiedades de los combustibles vegetales Las propiedades de los aceites vegetales consignadas en la tabla 1, explican su comportamiento comparativo con el combustible diesel convencional, siendo útiles para predecir su desempeño en determinado motor. De acuerdo con lo descrito en el análisis del proceso de combustión, el proceso fundamental consiste en la formación del dardo de combustible, cuya atomización, rompimiento y distribución de gotas en el mismo, es gobernada por ondas superficiales, que dependen en su estabilidad de la tensión superficial del combustible; en menor grado influyen la viscosidad y densidad..

(29) MIM-2005-1-23. A continuación la vaporización del combustible pulverizado queda determinada por el calor específico, la conductividad térmica, así como por la presión de vapor y entalpía de vaporización. Diesel. Biodiesel. Aceite. Típico. típico. palma. 44. 40. 39. Viscosidad cinemática (cSt) 40ºC. 3. 4-6. 41. Densidad ( kg / m 3 ). 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. Tensión superficial ( mN / m 2 ). 23. 25. 28. Número de cetano (NC). 40-55. 48-65. 50. Boiling point (ºC). 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. Oxígeno %. 0. 10.9. Carbón residual %. 0.15. 0.05. Poder calorífico ( MJ/kg). 0.001. 0.22. Tabla 1. Propiedades de algunos aceites Adaptada de Zhou (Zhou P L, 2000) y Gumpon (Gumpon Prateepchaikul, 2003). de.

(30) MIM-2005-1-23. De otro lado, la baja volatilidad del combustible vegetal confiere mayor significado a su temperatura crítica y de saturación. Al respecto valiosas observaciones se consignan en Peterson C.L. (1991), los cuales se pueden resumir en:. •. El tamaño medio de las gotas de aceite vegetal es mayor debido a su mayor tensión superficial, lo que se traduce en capacidad calorífica mayor que con combustible convencional.. •. Los aceites vegetales deben lograr mayores temperaturas para vaporizarse, en general requieren mayor cantidad de calor para alcanzar su temperatura crítica cercana a los 500oC, en contraposición con los 385 oC del gasóleo.. •. Otra conclusión importante de este trabajo es que las dificultades en el uso de aceites vegetales no modificados, se minimizan en los motores de inyección indirecta, principalmente por la utilización de inyectores de espiga y cámaras de precombustión.. 2.2.2.1. Características tóxicas. En cuanto a las características tóxicas de los aceites vegetales Zhou P.L. y otros (2003), permite concluir la reducción de monóxido y dióxido de carbono. La formación de humos y material particulado igualmente decrecen en forma significativa. La emisión de óxidos de azufre es prácticamente nula. No obstante Lue Y.F. (2001), en coincidencia con otros autores, argumenta ligero crecimiento en la emisión de óxidos de nitrógeno, incremento que según Von Wedel (1999) se puede reducir actuando sobre el avance de la inyección. Ciertamente la variación del ángulo de avance de la inyección ( ϕ i ), altera la plenitud de la combustión y por lo tanto las características tóxicas de la misma..

(31) MIM-2005-1-23. Siendo la generación de carbonilla el problema tóxico por excelencia del motor Diesel, de igual manera conocida la tendencia de los aceites vegetales a producir residuos carbonosos y material particulado, es propósito específico de este estudio, determinar las características de emisión de partículas del motor trabajando con las mezclas propuestas. A manera de predicción del comportamiento del motor y como orientación de la verificación experimental, se adoptan las conclusiones de K Yamane, A Ueta y Y Shimamoto (2001), quienes indagando por la influencia de las propiedades del biodiesel en la inyección y emisión de gases, enuncian que la concentración y tamaño de partículas es mayor para el gasoil, situación que se incrementa a medida que aumenta la velocidad y carga del motor. 2.2.2.2. El Módulo Volumétrico. El módulo volumétrico constituye propiedad de gran influencia tanto en el inicio de la inyección del combustible como en la pulverización y atomización del dardo.. E=ρ. ∂p ∂p = −V ∂ρ ∂V. La variación de esta propiedad del combustible también ha sido examinada en K Yamane, A Ueta y Y Shimamoto (2001), por el método de simulación a partir de la ecuación de la continuidad para el flujo compresible; El comportamiento encontrado e ilustrado en la figura 3, coincide con la experimentación realizada por Rodríguez-Anton L.M. y otros (2000). La figura 3 ilustra el efecto de la compresibilidad isotérmica y viscosidad del combustible en su proceso de inyección. Las pendientes reflejan la divergencia entre la variación del módulo volumétrico del gasoil y del biodiesel de colza en función de la presión y de la temperatura..

(32) MIM-2005-1-23. Figura 3. Compresibilidad isotérmica del Combustible Fuente: K Yamane (K Yamane, A Ueta y Y Shimamoto 2001). La semejanza en propiedades físicas del biodiesel con los aceites no modificados, permite suponer que la tendencia mostrada por el biodiesel de colza se mantenga para el aceite de palma; En efecto tal tendencia debería ser aun mas acentuada dadas las mayores diferencias físicas entre el gasoil y el aceite de palma. La anterior hipótesis posibilita predecir el comportamiento del aceite no modificado en el proceso de combustión de un motor reglado para trabajar con gasoil, situación que orienta y simplifica la etapa de verificación experimental del presente trabajo..

(33) MIM-2005-1-23. En un amplio rango de valores de presión de inyección y a temperaturas menores de 60 ºC, el módulo volumétrico del aceite no modificado, es mayor que el del gasoil, razón por la cual al ser sometido a compresión por el mismo sistema de inyección, su presión crecerá mas rápidamente, alcanzando por lo tanto y adelantando el proceso de inyección.. PRESIÓN DE INYECCIÓN 120. PRESIÓN MPa. 100. 80 BIODIESEL GAS-OIL. 60. 40. 20. 0 0. 0.4. 0.8. 1.2. 1.6. 2.0. 2.4. 2.8. 3.2. 3.6. 4. TIEMPO ms Figura 4. Comportamiento de la presión de Inyección del combustible Adaptada de: K Yamane (K Yamane, A Ueta y Y Shimamoto 2001). En general, a mayor módulo volumétrico y a menores temperaturas, en el combustible sometido a compresión, crece mas rápidamente la presión, anticipando el proceso de inyección y acortando su duración, lo que en.

(34) MIM-2005-1-23. consecuencia adelantaría la inflamación y por lo tanto el proceso de combustión para el mismo combustible. El comportamiento descrito se ilustra en la figura 4, circunstancia que encauza a examinar la interacción entre el ángulo de avance de la inyección ( ϕ i ), la temperatura y densidad del combustible, el poder de penetración del dardo y los posibles niveles de mezcla, antes y durante la experimentación. 2.3. ANALISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN. Para efectos de encauzar el proceso de experimentación, se utiliza a continuación el modelo gráfico p = f (ϕ ) y σ = f (ϕ ) antes descrito, buscando a manera de predicción, describir el comportamiento de las mezclas objeto de estudio. Teniendo en cuenta que se quiere examinar el comportamiento de otras mezclas combustibles, se parte de un motor debidamente reglado para trabajar con combustible convencional y entre los diversos factores que inciden notablemente en el proceso de combustión, se analizará el efecto solo de aquellos que se pueden variar a voluntad y de aquellos que reflejan el cambio de propiedades de la mezcla. Lo anterior orienta a investigar la interacción entre el ángulo de avance de la inyección ( ϕi ), la temperatura y densidad del combustible, el poder de penetración del dardo y las alteraciones químicas como el poder calorífico y número de Cetano como resultado de los posibles niveles de mezcla. Ante la diversidad de factores y efectos sobre el proceso, el modelo gráfico permite agruparlos en dos; de un lado, aquellos que tienden a dilatar la inflamación y de otro lado, aquellos que la aceleran..

(35) MIM-2005-1-23. La figura 5, ilustra el efecto de factores como el aumento de la temperatura del aceite o la disminución de su número de Cetano debido al porcentaje de alcohol en la mezcla. Se muestra aquí como al dilatarse la etapa de inflamación (aumento de θ i ), la cantidad de combustible acumulado e inicialmente inflamado ( σ i ) aumenta, hecho que se transfiere en un proceso de combustión más rígido, es decir de mayor rapidez de crecimiento de la presión ( dp/ dϕ ), lográndose presiones de combustión muy altas y anticipadas (muy cerca del punto superior), hecho que exige críticamente el mecanismo sin que se obtenga mayor potencia.. P. INYECCION. STANDARD MEZCLA 1. θι. ϕ. θ1 θ1. θi. ϕι. σ. σi. ϕ. σι ϕι. Figura 5. Descripción del proceso de combustión - Inflamación atrasada.

(36) MIM-2005-1-23. La figura 6, al contrario, ilustra el efecto de factores como el aumento del módulo volumétrico del aceite o mejor grado de pulverización del mismo, lo que adelanta la etapa de inflamación ( θ i ), por lo que la cantidad de combustible inicialmente inflamada( σ i ) es menor, causando un proceso lento de crecimiento de la presión, usualmente traducido en bajas y muy tardías presiones, hecho reflejado en funcionamiento anómalo del motor con su consecuente pérdida de potencia.. Figura 6. Descripción del proceso de combustión - inflamación adelantada.

(37) MIM-2005-1-23. El efecto integral de las variables en cuestión se verá reflejado en el desempeño del motor, tanto en sus condiciones de arranque como en sus características de torque, potencia, rendimiento y consumo de combustible.. 2.4. CARACTERÍSTICAS DE VELOCIDAD DEL MOTOR. La respuesta del motor y por lo tanto los resultados de la verificación experimental se integran y materializan con la obtención de sus características de velocidad.. figura 7. Característica de velocidad. Figura 7. Características de velocidad del motor HATZ, proporcionadas por el fabricante..

(38) MIM-2005-1-23. Las características de velocidad muestran el desempeño del motor en función de su frecuencia de rotación; se obtienen midiendo los valores de los parámetros efectivos como el par motor, la potencia, el rendimiento y el consumo específico de combustible, logrados para varias velocidades de marcha correspondientes a una posición determinada del órgano de aceleración (características parciales de velocidad), o correspondientes a la posición de máxima alimentación, para la cual alcanzan sus valores máximos, denominándose características externas de velocidad.. 2.5. PARÁMETROS INDICADOS. El análisis teórico y por lo tanto la orientación de la fase experimental, a partir de la predicción del efecto del aceite vegetal sobre el motor, se ha realizado atendiendo a parámetros instantáneos como la presión, inicialmente en el inyector y posteriormente en el cilindro durante los procesos de pulverización, inflamación y combustión. No obstante, el procedimiento de verificación experimental de este trabajo se centra en el examen de las curvas características del motor, obtenidas de la medición de parámetros efectivos (obtenidos en el volante), tales como el torque, la potencia y el consumo, en función de la carga aplicada y/o en función de su velocidad. Por lo anterior se hace necesario identificar la relación existente entre el desempeño instantáneo del motor y su respuesta integral en el tiempo, relación que es justamente la existente entre el comportamiento de la presión en el cilindro y las curvas características del motor..

(39) MIM-2005-1-23. El enlace en cuestión se puede establecer por medio de los parámetros indicados (obtenidos en el cilindro), los cuales a su vez guardan relación directa de un lado con la presión en el cilindro y de otro con los valores de salida a través del mecanismo biela-manivela.. Figura 8. Ciclo termodinámico generalizado del motor Diesel. La medición de los parámetros indicados del motor presenta dificultades notables, puesto que implica la obtención del ciclo de trabajo directamente del motor. Por lo.

(40) MIM-2005-1-23. anterior usualmente se determinan calculando el ciclo termodinámico al cual mejor se aproxima el ciclo real del motor, tal como se describe a continuación.. W = pdV = p med dV = p med Vh ; donde p med : Presión media indicada. Vh : cilindrada , Vc El trabajo por cilindro se puede evaluar, calculando cada proceso del ciclo:. W = pdV = W1− 2 + W2−3 + W3− 4 p2V2 − p1V1 p2V2 dV 1 = = − 1 k1 k1 −1 k1 −1 ε k1−1 1 ( p1V1 )V. 2. 2. W1−2 = pdV= 1. W2−3 =. 3. pdV = p 3V 2. 2. 4. W3−4 = pdV = 3. V3 − 1 = λ p 2V 2 (ρ − 1) V2. dV p V − p V λp ρV 1 = 4 4 3 3 = 2 2 1− k2 −1 k2 ( p3V3 )V k2 −1 k2 −1 δ 3 4. W = pdV= p2V2 λ(ρ −1) +. λρ k2 −1. 1−. 1. δk −1 2. −. 1 1 1− k1−1 k1 −1 ε.

(41) MIM-2005-1-23. W paεk1 λρ 1 1 1 pmed = = λ(ρ −1) + 1− k2 −1 − 1− k1−1 Vh ε −1 k2 −1 δ k1 −1 ε Donde: p a = p1 : Presión de compresión. ε=. V1 : Relación de compresión V2. λ=. p3 : Grado de elevación de la presión durante el proceso de combustión p2. ρ=. V3 : Expansión preliminar V2. δ=. V1 : Expansión residual V3. k1 : Coeficiente isentrópico de compresión k 2 : Coeficiente isentrópico de expansión. La potencia indicada del motor es: º. W = p med V h ( 2τn ) Donde:. τ : Número de tiempos del motor, n : r.p.m., 2n. τ. : Ciclos de trabajo por Segundo.

(42) MIM-2005-1-23. 2.6. PARÁMETROS EFECTIVOS DEL MOTOR. Parte importante de la potencia indicada, lograda en el cilindro, es requerida para mover todos y cada uno de los mecanismos y sistemas fundamentales y auxiliares del motor. Lo anterior constituye característica propia y posible de medir de cada motor y califica la eficiencia mecánica del motor, evaluada por el parámetro Rendimiento Mecánico, definido como: o. ηm =. We o. =. Wi. Potencia efectiva al freno Potencia indicada. El rendimiento mecánico de la misma forma relaciona otros parámetros efectivos e indicados entre sí, brindando la posibilidad de obtener unos a partir de otros, ya sea con fines de determinación de sus valores o con fines de verificación experimental de los mismos. El par proporcionado por el motor ( M ) para cada velocidad ( ω ), se determinará proporcional al desplazamiento angular del eje del dinamómetro, para el cual se equilibra el efecto de una carga externa debidamente calibrada. Los valores de potencia efectiva se determinan a partir del torque medido para cada velocidad:. º. W = M ⋅ω El consumo horario de combustible ( Gh ) se determina por la diferencia de masas entre la cantidad que ingresa a la bomba de inyección y la cantidad retornada al tanque..

(43) MIM-2005-1-23. El consumo específico de combustible:. ge =. Gh º. W. De igual forma el rendimiento efectivo se puede determinar conociendo el poder calorífico inferior del aceite ( PCI ): º. W ηe = ( PCI ) G h. El consumo de aire se determina proporcional a la caída de presión en placa de orificio, diseñada y calibrada para tal fin..

(44) MIM-2005-1-23. 3.. 3.1. VERIFICACIÓN EXPERIMENTAL. BANCO DE PRUEBAS. Para llevar a cabo el proceso de ensayo, se ha adecuado el banco de pruebas, ilustrado en la figura 9, integrado por los siguientes sistemas:. Figura 9. Banco de pruebas, Laboratorio de Ingeniería Mecánica. •. Motor Diesel HATZ 1B30, monocilíndrico, de inyección directa, atmosférico, de 4 tiempos y refrigerado por aire (1).. •. Sistema integrado de medición del par motor y velocidad de rotación, compuesto por freno hidráulico (2) para aplicación de carga al motor, sensor lineal (11) de desplazamiento de muelle (4) proporcional al par resistente, tacómetro digital consistente en convertidor frecuencia-voltaje (5) de señal de.

(45) MIM-2005-1-23. pulsos generados por sensor de infrarrojos (3), sistema de acondicionamiento de señales y de adquisición de datos (5) utilizando el programa LabVIEW (6). •. Sistema de medición de flujos de aire (8) y combustible (7). •. Sistema intercambiador de calor (12) operado con gases de combustión, para el precalentamiento controlado de mezclas.. •. Sistema de monitoreo y control de temperaturas (10).. •. Sistema de muestreo de emisiones de material particulado (9), proporcionado por el Departamento de Ingeniería Química.. 3.1.1 Motor Motor Diesel HATZ 1B30, ilustrado en la figura 10, catálogo técnico en el anexo 1 •. Monocilíndrico. •. Cuatro tiempos. •. Aspiración natural. •. Inyección directa. •. Refrigeración por aire. •. Relación. de. compresión 1:22 •. Cilindrada Litros. Figura 10. Motor Diesel HATZ 1B30 Fuente: Catálogo del fabricante. O,347.

(46) MIM-2005-1-23. 3.1.2 Sistema integrado de medición del Par y Velocidad de rotación 3.1.2.1. Par Motor. El motor de combustión interna en general y el motor Diesel en particular, funcionan en condiciones de régimen estacionario, por lo que deben responder a las variaciones externas de carga, generando en cada instante un par torsor igual al par resistente.. M motor = M resist La condición anterior conduce a la posibilidad de determinar el Par Motor a partir de las características de carga que debe satisfacer, lo que conduce a medir el par de resistencia al giro presentado por el dinamómetro hidráulico, utilizado en la instalación para simular el entorno real de funcionamiento del motor. El dinamómetro consiste en freno hidráulico diseñado y construido en dos proyectos de grado anteriores, Benavides,1994 & Umaña, 2001. Consiste de un impulsor hidráulico dentro de un estator y funciona de manera inversa a una bomba rotodinámica; El flujo de agua sumado a un diferencial de presiones (entrada y salida del flujo) crea resistencia sobre el rotor haciendo que este se embrague a la campana del freno ó estator y disipe la potencia que le es entregada por el motor. El sistema de alimentación hidráulico mostrado en la figura 11, se conecta a la línea de agua, por medio de válvulas reguladoras se controla el flujo de entrada y salida y adicionalmente cuenta con válvula de alivio que permite descargar completamente el freno una vez se requiere reiniciar la prueba..

(47) MIM-2005-1-23. Figura 11. Dinamómetro hidráulico. Figura 12. Sistema medidor de Torque.

(48) MIM-2005-1-23. Utilizando un resorte calibrado para contrarrestar la reacción del freno hidráulico, se puede medir el torque como función de las propiedades de deformación del resorte, para lo cual ha sido acondicionado ejerciendo su acción siempre tangente al disco externo de radio R y perpendicular al eje del dinamómetro.. Mmotor = Mresist = M = k∆lR = k(∆θ)R2 La rigidez del resorte expresada por su módulo ( k = 892.52 N/m), ha sido determinada obteniendo su curva esfuerzo-deformación mostrada en la figura 13.. CALIBRACIÓN DE MUELLE. FUERZA (N). 160 140 120 100. F = 892.52 L. 80. R 2 = 0.9979. 60 40 20 0 0. 0.05. 0.1. DEFORMACIÓN (m). Figura 13. Calibración del resorte. 0.15. 0.2.

(49) MIM-2005-1-23. El desplazamiento angular del dinamómetro ∆θ , ajustado a la deformación del resorte ∆l , se mide proporcional a la señal de voltaje v ocasionada por un potenciómetro lineal, instalado para tal fin sobre el eje. Habiendo corroborado la linealidad del potenciómetro, conectado a una señal de 5 Voltios para un máximo giro de 250 grados, su característica v = f (∆θ ) es:. vθ = sθ (∆θ ), donde sθ =. 180 5 ⋅ = 1.146 π 250. V / Rad. SISTEMA DE MEDICIÓN DE TORQUE 25. M = 15.393V R2 = 0.9979. TORQUE (N.M). 20 15 10 5 0 0. 0.2. 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1 SEÑAL DEL POTENCIOMETRO (V). Figura 14. Calibración del sistema de medición de Torque. 1.6.

(50) MIM-2005-1-23. Por lo tanto el Par podría ser determinado como:. kR 2 M = k ⋅ ∆l ⋅ R = k ⋅ ∆θ ⋅ R = ⋅ vθ = 15 . 265 ⋅ vθ sθ 2. No obstante, como se muestra en la figura 14, la curva de calibración del sistema en su conjunto arroja un resultado ligeramente mayor, situación que se explica por la inercia causada al sistema por el freno hidráulico. Siendo esta la condición de trabajo del sistema se adopta:. M = 15 . 393 ⋅ v θ 3.1.2.1. Velocidad de Rotación. Para medir el número de revoluciones por minuto n , se ha configurado un sistema convertidor frecuencia-voltaje, del cual se obtiene una señal de voltaje entre 0 y 5 Voltios, proporcional a la cantidad de pulsos emitidos por un sensor infrarrojo en su interacción con disco ranurado que rota con el eje del motor. De la característica del convertidor LM 2907 proporcionada por el fabricante, mostrado en la figura ¿?, se obtiene:. v f = s f ( f ), donde s f = V pol ⋅ R ⋅ C ⋅ f V / Hz Para valores nominales de polarización. V pol = 10 V ; R = 100 K Ω ; C = 0.01 µF Se obtiene s f = 0.01 V / Hz.