MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

Tema A4a Termofluidos: (Biocombustibles motor diésel)

“Estudio experimental del desempeño de un motor diésel operando con mezclas de diésel biodiesel”

Alejandro Torres Aldacoa, Christian Dember Meza Lópeza, Raúl Lugo Leytea, Helen Denise Lugo

Méndezb

a Universidad Autónoma Metropolitana – Iztapalapa, Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica, Av. San Rafael Atlixco No. 186, Col.

Vicentina, 09340, Iztapalapa, CDMX, México.

b Universidad Autónoma Metropolitana – Cuajimalpa, Departamento de Proceso y Tecnología, 05348, Cuajimalpa, CDMX, México.

*Autor contacto.Dirección de correo electrónico: ata@xanum.uam.mx

RESUMEN

En este trabajo se analiza el desempeño de un motor diésel, utilizando como combustible mezclas diésel-biodiesel a partir de

aceite de coco (AC) y aceite residual de cocina (ARC). En este análisis se comparan los parámetros de desempeño del motor

utilizando ambas mezclas. Las mezclas que se utilizaron fueron B10 y B20. Los resultados muestran que las mezclas de

biodiesel de aceite residual de cocina tienen mejores parámetros de desempeño: mayor potencia con la mezcla B10 de 561

W, eficiencia del 17% a 1500 rpm con B10. El biodiesel de aceite de coco presenta una potencia de 390 W con la mezcla

B10.

Palabras Clave— Motor diésel; Biodiesel, Biodiesel de aceite de coco, Biodiesel de aceite residual de cocina.

ABSTRACT

In this paper, the performance of a diesel engine is analyzed, using diesel-biodiesel blends from coconut oil (AC) and residual

cooking oil (ARC) as fuel. In this analysis, the motor performance parameters are compared using both mixtures. The

mixtures that were used were B10 and B20. The results show that biodiesel blends of residual cooking oil have better

performance parameters: higher power with B10 mixture of 561 W, 17% efficiency at 1500 rpm with B10. The biodiesel of

coconut oil presents a power of 390 W with the B10 mixture.

Keywords— Diesel engine; Biodiesel; Coconut oil biodiesel; Waste cooking oil biodiesel.

Nomenclatura

Símbolo

Nombre Dimensiones

rc Relación de compresión (-)

rcorte Relación de corte de

admisión

(-)

Volumen específico (m3/kg)

T Temperatura (°C o K)

P Presión (bar o KPa)

cP Calor específico a

presión constante

(kJ/kg-K)

cV Calor específico a

volumen constante

(kJ/kg-K)

R Constante universal de

los gases

(bar m3/Kmol K)

Raire Constante del aire (kJ/kg K)

m Masa de aire (kg/kgmol)

wc Trabajo de compresión (kJ/kg)

por unidad de masa

wExp Trabajo de expansión

por unidad de masa

(kJ/kg)

wm Trabajo motor por

unidad de masa

(kJ/kg)

qA Calor suministrado por

unidad de masa

(kJ/kg)

qB Calor rechazado por

unidad de masa

(kJ/kg)

h Entalpía por unidad de

masa

(kJ/kg)

Entropía (kJ/kg K)

u Energía interna (kJ/kg).

W Potencia (kJ/s)

N Velocidad de giro Rpm

Letras Griegas

Densidad (kg/m3)

Índice adiabático. (-)

Eficiencia (-)

v

s

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1. Introducción

El petróleo sigue representando la mayor oferta de energía

primaria con 32.09%, seguido por el carbón 28.1% y gas

natural 21.69%. Representa más del 92% del consumo

energético del sector transporte, donde la demanda de este

recurso se ha acelerado debido al crecimiento poblacional, e

industrial. Los recursos limitados del petróleo y los

problemas ambientales asociados a su utilización han

motivado la búsqueda de combustibles alternativos y ha

renovado el enfoque en los aceites vegetales y las grasas

animales para producir biodiesel. En particular, la emisión

de contaminantes con biodiesel tiene el potencial de reducir

el nivel de contaminantes y el nivel de carcinógenos

potenciales o probables. Esto ha concientizado a los

gobiernos para imponer restricciones a las emisiones por la

quema de combustibles para reducir emisiones de CO2 [1].

Se busca generar un combustible que tenga características

deseables de los fósiles como la gran densidad energética,

facilidad de manejo, disponibilidad, estabilidad, y menor

impacto al medio ambiente, etc. Otra característica

primordial es tener compatibilidad con la tecnología

existente, para poder utilizar los combustibles actuales y

aprovechar la infraestructura existente. Los motores diésel

actualmente son más eficientes que los motores de gasolina,

pero su utilización tiende a ser restringida por las emisiones

que producen ya que tiene componentes cancerígenos, con

la implementación del uso de biocombustibles la limitante

en la utilización de los motores diésel puede quedar resuelta,

considerando los desarrollos actuales que han logrado en los

motores diésel como son: incremento de potencia por el uso

de turbo-cargadores y súper-cargadores que incrementan la

potencia de salida, el rediseño de las cámaras de combustión,

pistones y válvulas que incrementan la eficiencia de

combustión, produciendo un incremento en la potencia de

salida; el uso de enfriadores de aire que mejoran de 3 a 5%

el rendimiento de combustible y reduce las emisiones de

gases; el uso de trampas para material partículado han

reducido la concentración de sólidos en los gases de escape.

El biodiesel es una alternativa, que puede sustituir al diésel

del petróleo debido a que sus propiedades fisicoquímicas

son similares a las del diesel de petróleo . Éste se produce a

partir de una amplia variedad de aceites vegetales o grasas

animales. Sin embargo, al usarse de manera directa aún

provoca problemas a los motores diésel en el bombeo de

combustible, engomado, atomización, ensuciamiento de

inyectores, depósitos de carbón, etc. [2]. Estos fenómenos

son debido a una alta viscosidad o densidad, por lo anterior,

se recomienda emplear mezclas diésel-biodiesel con el fin

de reducir problemas mencionados [3] y tener mejor

desempeño del motor. Se reporta en la literatura que, la

potencia de estos motores al quemar mezclas diésel-

biodiesel, son menores que la potencia obtenida empleando

solo diésel [4], a mayor porcentaje de biodiesel en la

mezcla, la potencia tiende a disminuir y por el contrario el

torque se incrementa [5]. Las propiedades de la mezcla

biodiesel-diésel como densidad, viscosidad y poder

calorífico tienen una fuerte influencia en el desempeño del

motor, el poder calorífico es particularmente importante,

debido a que representa la cantidad de energía disponible en

el combustible[6], cuanto mayor sea su valor, mayor será el

rendimiento del motor [7].

2. Desarrollo

Para la síntesis del biodiesel se utilizó aceite de coco y

aceite residual, se catalizarón utilizando hidróxido de sodio,

para la transesterificación, se usó metanol con una relación

molar de 6 a 1 . La producción de éstos se realizó en un

reactor por lotes a 60 ºC durante dos horas, empleando un

condensador de vapores.

2.1 Mezclas diésel-biodiesel

Se prepararón mezclas diésel-biodiesel: B10 (90% diésel

PEMEX- 10% biodiesel) y B20 (80% diésel PEMEX-20%

biodiesel), a parir de aceite de coco y aceite residual de

cocina. De acuerdo a la literatura, la mezcla más rica en

biodiesel que se alimenta a los motores es la B20 para

disminuir el riesgo de daños al motor. Se caracterizaron las

mezclas y el biodiesel puro (B100) de acuerdo a las normas

oficiales mexicanas, en la tabla 1 se presentan los

parámetros que se caracterizarón y los valores obtenidos,

éstos se encuentran de acuerdo a lo establecido por la norma

a excepción del índice de yodo del biodiesel de aceite

residual que sobrepasó el valor máximo establecido por la

norma en 20 unidades.

Tabla 1 – Propiedades físicas y químicas del Aceite de Coco y Aceite

Residual de Cocina, así como del biodiesel producido a partir de éstas.

Propiedades ARC AC Biodiesel

AC

Biodiesel

ARC

Densidad g/cm3 0.94 0.917 0.86 0.82

Viscosidad

mm2/s

61.587 3.9251

Índice Ácides mgKOH/g.

0.81 0.398 0.398 0.65

Índice

saponificación .mg de KOH/gr

261.6

3

222.29 187.23 160.33

P. nube ºC -

11.63

----- 5.7 -11.06

Índice Y. g

yodo/g

135.0

4

7.1431 42.107 107.08

I. refracción ----- 1.456 1.432 ----

2.2 Medición del poder calorífico

Se obtuvo el poder calorífico experimentalmente para las

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diferentes mezclas diésel-biodiesel, y diésel puro en un

calorímetro IKA 200c. Se utilizó 0.5g de muestra, se

hicieron cinco repeticiones, después se determinó un valor

promedio.

Figura 1.- Bomba calorimétrica IKA 2000c.

3. Pruebas de desempeño de las mezclas diésel-biodiesel en

el motor

Las pruebas se realizaron en un motor diésel Merlín 2

acoplado a un dinamómetro como se muestra en la Figura 2.

El motor es mono cilíndrico de cuatro tiempos, con

enfriamiento por aire y velocidad máxima de giro de 2400

rpm cuya potencia de salida es de 1.5 kW. El motor tiene

una relación de compresión de 19 y el volumen de

desplazamiento del cilindro es de 0.28 L. El intervalo de

temperaturas de operación es de 5 °C a 40 °C. Se cargó el

depósito del motor con un litro de mezcla para cada prueba.

Se midió la temperatura de entrada al motor (T1), la

temperatura de salida de los gases dec escape (T4), el torque,

la velocidad de giro del motor y el flujo de combustible. En

la tabla 1 se presentan las propiedades de las mezclas

empleadas en las pruebas de desempeño del motor, para

determinar los estados termodinámicos, en la tabla 2 se

presentan las expresiones para determinar los parámetros de

desempeño del motor.

Figura 2. Motor diésel experimental “Merlín 02”

Tabla 2. Relaciones para determinar los estados termodinámicos

Edo T P V

1 T1 P1

aireR T

P

1

1

2 cT r 1

1 cP r1

c

v

r

1

3 corte cT r r 1

1 P P3 2 corter v2

4 corteT r1 corteP r1 v v4 1

Las relaciones de compresión y corte del motor utilizado son

19 y 2 respectivamente.

Los parámetros considerados en las pruebas para evaluar el

desempeño del motor fueron: potencia, eficiencia térmica,

torque y flujo de combustible, las ecuaciónes 1.1 y 1.2

determinan el calor suministrado y el calor rechazado en el

motor en las respectivas etapas del ciclo.

sum Pq c T T 3 2 (1.1)

rech Vq c T T 4 1 (1.2)

4. Resultados y Conclusiones

4.1 Poder calorífico (PC)

La figura 3; muestra que el biodiesel puro a partir de aceite

de coco (AC) y aceite residual de cocina (ARC) tienen un

poder calorífico menor en 15.87% y 10.7%,

respectivamente, respecto al diésel PEMEX con

43,856kJ/kg. El poder calorífico de las mezclas se

incrementó proporcionalmente con la concentración de

biodiesel el intervalo de 5 a 10%, esto puede ser debido a la

contribución de oxígeno presente en el biodiesel producto de

la reacción de transesterificación para producir el biodiesel,

este efecto no se observa para concentraciones mayores de

10% de biodiésel. Sin embargo, las mezclas de biodiesel de

aceite residual presentan mayor PC que las mezclas de aceite

de coco, debido a que el aceite de coco tiene una proporción

mayor de ácidos grasos con cadenas más cortas de carbonos,

esto provoca la disminución del poder calorífico. Las

mezclas B10 y B5 de ARC tienen los máximos poderes

caloríficos de 45,659 kJ/kg y 44,421kJ/kg y las mezclas B5

y B10 de AC 44547kJ/kg y 44521kJ/kg, respectivamente.

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Figura 3. Poder calorífico inferior del biodiesel puro a partir de

AC y ARC y las diferentes mezclas.

4.2 Potencia La figura 4 muestra que la potencia generada por el motor

que se obtuvo con las mezclas B10 y B20 de biodiesel de

aceite residual de cocina y aceite de coco, en función de la

velocidad de giro, con el incremento en la velocidad de giro

de 1200 a 1600 rpm la potencia se incrementó para todas las

mezclas. La mezcla B10 de aceite residual incrementó 14%

la potencia a 1500 rpm y la mezcla B20 de aceite residual

incrementó 25% la potencia a la misma velocidad de giro.

Las mezclas de biodiesel de aceite de coco B10 generó

245W de 1200 a 1400 rpm, de 1400 a 1600 rpm disminuyó

la potencia en 25% la mezcla B20 genero 200 a 1200 a 1400

rpm, a medida que se aumento la velocidad de giro decayó

la potencia en 90% a 1600 rpm.

Figura 4. Potencia del motor, usando como combustible mezclas

diésel-biodiesel.

4.3 Eficiencia térmica

La figura 5 muestra la evolución de la eficiencia térmica del

ciclo con respecto a la velocidad de giro. La mayor

eficiencia térmica obtenida fue de 17.57%, con la mezcla

B10 de biodiesel de aceite residual de cocina a 1600 rpm; y

con B20 de biodiesel de aceite de coco a 1400 rpm se obtuvó

15.13%. Sin embargo, sigue siendo menor a la B10 de

biodiesel de aceite residual de cocina. Se observa que a

medida que aumenta la velocidad de giro, la eficiencia

térmica se incrementa para las mezclas con biodiesel de

aceite residual de cocina, las mezclas de biodiesel de aceite

de coco tienen un comportamiento similar hasta la velocidad

de giro de 1400 rpm, en este punto y empieza a decrecer.

Figura 5. Eficiencia térmica del ciclo diésel, usando mezclas diésel-

biodiesel a partir de AC y ARC

Figura 6 Comportamiento ideal del trabajo y la eficiencia térmica en

función de la relación de corte.

La figura 6 presenta la evolución del trabajo y eficiencia

térmica ideal del ciclo diésel para una relación de corte de 2

se tiene una eficiencia térmica ideal de 63%, cuando una

eficiencia térmica real se encuentra entre el 30 al 45%, el

motor de prueba utilizado presenta un eficiencia térmica

máxima del 20% en el mejor de los casos estudiados, pero

se debe considerar, que es un motor, sin los avances

tecnológicos actuales implementados a los motores para

mejorar la eficiencia térmica.

4.4 Torque

La figura 7 muestra que el mayor torque obtenido por el

motor fue utilizando la mezcla B10 de biodiesel de aceite

residual, seguido de la mezcla B20, con 3.9Nm y 3.3Nm,

respectivamente a 1200 rpm. Las mezclas de biodiesel a

partir de aceite de coco el torque obtenido fue de 1.9 Nm

0

5

10

15

20

1200 1300 1400 1500 1600 1700η

(-)

N (rpm)

10 ARC

20 ARC

10 AC

20 AC

Diésel

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para la B10 y 1.4 Nm para mezcla B20 a 1200rpm. Sin

embargo, se muestra que el torque del motor para las

mezclas de biodiesel de ARC estan por arriba de las de AC,

para las mezclas de biodiesel de aceite de coco el torque del

motor empieza a decrecer a partir de las 1400 rpm a medida

que la velocidad de giro aumenta.

Figura 7. Torque del motor a diferente velocidad de giro y

utilizando mezclas diésel-biodiesel a partir de AC y ARC.

4.5 Flujo de combustible Como se muestra en la figura 8, el flujo de combustible

gastado decrece conforme se aumenta la velocidad de giro

del motor, donde las mezcla B10 a partir de AC y la B20 a

partir de ARC presentan los flujos máximos de 0.32 kg comb/h

a 1200 rpm. Por otro lado, los flujos más bajos que se

tuvieron con la mezcla B20 a partir de AC.

Figura 8. Flujo de combustible a diferente velocidad de giro,

utilizando mezclas diésel-biodiesel a partir de AC y ARC.

4.6 Conclusiones

El biodiesel producido de aceite residual de cocina presentó

mayor poder calorífico que el aceite de coco. El aceite

residual tiene mayor porcentaje de ácido palmítico

(C16H32O2) y el biodiesel de aceite de coco tiene mayor

cantidad de ácido láurico (C12H24O2), el primero presenta

mayor número de carbonos que el aceite de coco. La mezcla

B10 de biodiesel de aceite residual tiene un poder calorífico

4% mayor al diésel y la mezcla B10 de biodiesel de aceite

de coco su poder calorífico 1.57% mayor al poder calorífico

del diésel. El biodiesel de coco presenta desventajas en la

combustión respecto al biodiesel de aceite residual de cocina

debido a su mayor densidad y viscosidad, debido a que

dificulta la inyección de combustible. La potencia máxima

de las mezclas estudiadas fue baja comparada con la

reportada para el diésel convencional. La eficiencia térmica

de las mezclas diésel-biodiesel a partir de ARC son mayores

comparadas con las del AC. La eficiencia de la mezcla B20

a partir de aceite de coco a 1400 rpm es 13.8% menor que la

B10 a partir de aceite residual a 1500 rpm. Los torques más

altos se presentaron para las mezclas del aceite residual.

REFERENCIAS

[1] A. Vlysidis, M. Binns, “A techno-economic analysis of

biodiesel biorefineries: Assessment of integrated designs for

the co- production of fuels and chemicals”, Energy, Vol. 36,

p. 4671-4683, 2011. [2] Jayed, M. H., Prospects of dedicated biodiesel engine

vehicles in Malaysia and Indonesia, Renewable and

Sustainable Energy Reviews, Vol. 15, pp 220-235, 2011. [3] A. E. Blangino, “Modelado y Correlación de

propiedades en Biodiesel”, Anales AFA, Vol. 16, pp 93-97,

2004.

[4] S. Murugan, Validation of some engine combustion and

emission parameters of a bioethanol fueled DI diesel engine

using theoretical modelling, Alexandria Engineering

Journal, Vo. 54, pp 993-1002, 1964.

[5] Wan, W. N., Mamat, R. y Masjuki, Effects of biodiesel

from different feedstocks on engine performance and

emissions: A review, Renewable and Sustainable Energy

Reviews, Vol.51, pp 585-602, 2015.

[6] Martins, G. I., Secco, D. y Rosa, Physical and chemical

properties of fish oil biodiesel produced in Brazil,

Renewable and sustainable energy reviews, Vol.42, pp 154-

157, 2015.

[7] Alptekin, E, Canakci, M, Determination of the density

and the viscosities of biodiesel-diesel fuel blend, Renewable

energy, Vol.33, pp 2623-2630, 2008. [8] Buyukkaya, E. (2010). Effects of biodiesel on a DI diesel engine performance, emission and combustion characteristics. Fuel, 89(10), 3099-3105. [9] Naik, N. S., & Balakrishna, B. (2018). A comparative study of B10 biodiesel blends and its performance and combustion characteristics. International Journal of Ambient Energy, 39(3), 257-263. [10] Barabas, I., Todoruţ, A., & Băldean, D. (2010). Performance and emission characteristics of an CI engine fueled with diesel–biodiesel–bioethanol blends. Fuel, 89(12), 3827-3832.

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