Análisis del desempeño de la potencia y el torque de un motor diésel operando con mezclas de biodiésel de palma

Introducción

Hoy en día, la cultura hacia el desarrollo sustentable se basa en cómo reducir los niveles de emisiones en los subproductos de los combustibles de origen fósil. La principal opción es utilizar fuentes de energía renovables. En este contexto, el biodiésel se muestra como una de las opciones menos dañinas para el medio ambiente de los motores diésel, abriendo el camino a nivel mundial para la construcción de vehículos más ecológicos. Entre las ventajas del biodiésel predominan origen renovable, biodegradabilidad, reducción de emisiones. Además, mejora las características lubricantes y tiene un punto de inflamación por encima al del diésel ^[1]. Para este combustible más verde, se ha exigido su uso en muchos países en un rango de mezcla de hasta el 20% con diésel, ello con el fin de contrarrestar la contaminación ^[2].

El biodiésel es un combustible líquido, no contaminante ni tóxico y biodegradable, este se produce principalmente a partir de diferentes tipos de aceites vegetales y de grasa animales^[3]. Es necesario contar con catalizadores para que ocurra la reacción que produce el biodiésel. Estos catalizadores pueden ser ácidos, básicos o enzimáticos, siendo los catalizadores básicos los que se utilizan a nivel industrial en la transesterificación. El NaOH y KOH son los más usados^[4^].

El biodiésel es considerado como un combustible renovable, trae beneficios para el medio ambiente y puede ser usado en los motores convencionales. Otra de las ventajas del biodiésel es que es biodegradable y emite menos gases de invernadero a la atmósfera, lo cual reducirá la producción de tanto CO2 y disminuye su impacto en la capa de ozono; sin embargo, existe una degradación de la tierra donde son cultivadas las plantas destinadas al biocombustible^[5^]. El biodiésel no posee azufre y aromáticos. Tiene un alto número de cetano, contenido medio de oxígeno y mayor punto de ignición; reduce las emisiones de material particulado, no es tóxico, aunque puede causar altas emisiones de óxido de nitrógeno^[6], ^[7]. Es obtenido a partir de fuentes renovables^[8].

Los motores diésel, al trabajar con biodiésel, experimentan una pérdida de potencia debido, principalmente, al menor poder calorífico, aunque esto se ve compensado con el hecho de ser un recurso renovable y amigo del medio ambiente. Las principales variaciones que ocurren son en los parámetros técnicos y medio ambientales del motor de combustión interna^[9], ^{[ ₁₀ ]}.

En este trabajo se muestra el comportamiento de un biocombustible fabricado con materias primas de la región del Catatumbo, Norte de Santander, Colombia, mezclado con diésel comercial y probado en un banco de pruebas de motores de combustión interna, monitoreando las variables características como torque, potencia y consumo específico de combustible. Con lo anterior, se determinó el desempeño del motor. Este tipo de investigación aporta más información para diversificar más la malla energética de la región y el país, incentivando a futuras investigaciones en el campo de estos dispositivos cuando funcionan con biocombustibles, los cuales, a futuro, son la principal fuente de cambio para aportar a contrarrestar el calentamiento global.

Materiales y métodos

Este trabajo se realizó en dos fases, la primera fase se enfoca en la estandarización del proceso de producción del biodiésel a base de aceite de palma africana por medio de la radiación por microondas; además de esto, se realizaron las respectivas caracterizaciones antes y después de la reacción de transesterificación para verificar que se cumplan las respectivas normas del estándar del biodiésel.

La segunda fase es el estudio del desempeño mecánico del motor de encendido por compresión, instalado en el banco de pruebas, dentro de los laboratorios del grupo de investigación GIDPI. En este se analizaron las respectivas mezclas del diésel comercial con el biodiésel de palma. Las mezclas a estudiar fueron las referenciadas a continuación: B2, B5, B10, B20, B50 y B100.

Fabricación de biodiésel

La radiación con microondas se ha utilizado para una variedad de aplicaciones, incluyendo la reacción de síntesis orgánicas. Las reacciones químicas se aceleran debido a la absorción selectiva de energía de microondas por moléculas polares. Debido a que la mezcla de aceite vegetal, metanol Figura 1. Prototipo de hidrodestilación de biodiésel por radiación desarrollado. e hidróxido de potasio contiene ambos componentes polares e iónicos, el calentamiento es rápido^{[ ₁₁ ]}.

Figura 1: Prototipo de hidrodestilación de biodiésel por radiación desarrollado.

Gracias a los conocimientos en el campo de la hidrodestilación asistida por hornos microondas por parte de los investigadores de los grupos de investigación vinculados, se diseñó y fabricó el prototipo para la producción de biodiésel. Las características de este prototipo constan de un control de potencia de un horno microondas convencional, un reactor para las reacciones de transesterificación, el sistema de agitación y un sistema de refrigeración, el cual es de vital importancia para la obtención de un máximo rendimiento. Uno de los principales retos fue el control de las variables dentro del proceso, como la temperatura, presión, velocidad de agitación y suministro de potencia eléctrica al horno; para ello fue necesario realizar sus respectivos diseños y simulaciones estructurales, térmicas y de vibraciones, con el propósito de obtener un correcto balanceo del sistema en general. En la Figura 1 se aprecia el prototipo de hidrodestilación asistida por radiación.

La descripción de todo el proceso y los resultados de esta metodología de producción de biodiésel se presenta- rán en un trabajo que está en desarrollo denominado “Análisis de los parámetros físico-químicos de Biodiesel de Palma (Elaeis guineensis) obtenido de la hidrodestilación asistida por microondas”. Es importante resaltar que el biocombustible se caracterizó bajo las normas nacionales (ICONTEC) e internacionales (ASTM 6751, EN 14214, DIN). Los principales resultados de la caracterización están presentes en la sección de resultados.

Banco de pruebas

El desarrollo del banco de prueba de diagnóstico para motores de combustión interna ha sido fundamental en la investigación en esta área, ello debido a que los motores son sometidos a mediciones de pruebas de durabilidad y carga que se repiten hasta alcanzar su óptimo desempeño y los resultados previstos por el fabricante^{[ ₁₂ ]}. Las caracterizaciones se realizaron en un banco de pruebas de motores de combustión interna tipo monocilíndrico diésel, que cuenta con un dinamómetro electrónico en el cual se realizaron los respectivos análisis de eficiencia energética.

A continuación, se presentan las características del motor que se utilizó para realizar las respectivas evaluaciones y análisis en pruebas estandarizadas, cumpliendo con las normas estipuladas para ensayos de combustión interna, ello se ve en la Tabla I.

Tabla I: Especificaciones técnicas del motor.

En la tabla II se muestran las características de la instrumentación utilizada. Este equipo fue meticulosamente calibrado bajo las normas establecidas para dichas pruebas. También, en la Figura 2, se aprecia el conjunto del banco utilizado en este trabajo, resaltando que es un banco con los estándares exigidos por la norma SAE-J1349.

Tabla II: Instrumentación del banco de pruebas.

Figura 2: Banco de pruebas usado para el análisis de este trabajo.

Resultados

En la Tabla III se presentan los resultados de la caracterización del biodiesel, donde se obtienen los rangos y los valores calculados de los diversos parámetros comprometidos en este estudio a través de las respectivas normas que lo soportan. Así, como se indicó en la sección 2.1., para este trabajo de investigación se desarrolló un biocombustible que cumplió con los estándares presentes en las normas nacionales e internacionales en cuanto a fabricación y uso.

Tabla III: Caracterización fisicoquímica del biodiesel de palma fabricado para esta investigación

Continuando, se presentan los resultados obtenidos en la Tablas IV-Tabla XI, donde se representan los comportamientos de los combustibles patrones y de las respetivas mezclas estipuladas con biodiésel. La información adquirida fue seleccionada bajo los criterios más relevantes para este estudio con respecto al freno, porcentaje de carga y velocidad de giro, torque, temperatura de los gases de salida del motor T1, la temperatura del combustible a la entrada del motor T2, la temperatura del medio donde se realizan las pruebas T3, el consumo de combustible y la potencia generada. Estos resultados fueron a condiciones de aceleración constante y aplicando carga en intervalos de 25% hasta un valor de 100 %.

Tabla IV: Resultados del comportamiento del motor con el diésel colombiano.

Tabla V: Resultados del comportamiento del motor con el diésel venezolano

Tabla VI: Resultados del comportamiento del motor con la mezcla B2.

Tabla VII: Resultados del comportamiento del motor con la mezcla B5.

Tabla VIII: Resultados del comportamiento del motor con la mezcla B10.

Tabla IX: Resultados del comportamiento del motor con la mezcla B20.

Tabla X: Resultados del comportamiento del motor con la mezcla B50.

Tabla XI: Resultados del comportamiento del motor con la mezcla B100.

Análisis de resultados

En la Tabla XII se presenta un análisis estadístico de comparación de media, donde se observan las diferencias significativas entre los resultados calculados de las diferentes repeticiones. Para la variable de potencia, tiende a ser mayor cuando el porcentaje de mezcla de biodiesel es más pequeño, tal como lo indica^{[ ₁₄ ]}, esto debido al bajo poder calorífico del biocombustible en comparación con el de origen fósil. Con el torque, los resultados son similares a los de la potencia, a mayor mezcla de biodiesel, mayor será la pérdida del mismo. La mejor relación de mezcla que indicó esta comparativa fue la B20, debido a que se busca un punto donde el porcentaje de biocombustible sea mayor, pero sin ver afectadas las variables que abarcan la tendencia del rendimiento en el motor de combustión interna, con las variables de consumo y consumo específico, donde existe un cambio significativo después de la mezcla B20, en este punto el aumento del gasto es mayor. Esto se debe a las propiedades del mismo biocombustible, tal como lo indica ^{[ ₁₄ ]} y, en términos energéticos, deja de ser viable un combustible con un consumo alto. Por lo anterior, es de gran interés e importancia este tipo de investigaciones, las cuales se enfocan en encontrar puntos medios entre las mezclas de biocombustible y los orígenes fósiles. A continuación, la Tabla XII presenta el análisis estadístico de comparación media en referencia a sus respectivas muestras, dando como variables representativasla potencia, el torque y su análisis de gasto descrito en su consumo y consumo específico.

Tabla XII: Análisis estadístico de comparación de Media.

El comportamiento de la potencia en función de la rotación puede ser apreciado en la Figura 3, para los combustibles patrón, diésel colombiano, diésel venezolano y mezclas con biodiésel.

Al hacer un análisis comparativo de las diferentes curvas presentes en la Figura 3, en la que se relaciona la potencia en función de la rotación del motor para las diferentes mezclas, se observa que las mezclas que obtuvieron el mejor comportamiento en lo equivalente al mayor aporte de la potencia son la B2 y B5. Estos valores son corroborados según la investigación^{[ ₁₃ ]}; en este estudio referenciado, se presenta una metodología que se basa en encontrar la mejor proporción biodiéseldiésel y, de ahí, se selecciona como mezcla la B20 por ser la mezcla que menos pérdida de potencia presentó con respecto a su proporción en comparación con las mezclas B50 y B100, que a diferentes velocidades y porcentajes de carga se presentan mayores pérdidas. Esto es un indicador muy importante para el estudio de las proporciones ideales y de la búsqueda del punto medio de mezcla, para un máximo aprovechamiento del combustible y mejores prestaciones en su eficiencia.

Figura 3: Curvas de potencia con respecto a la velocidad de mezclas con biodiésel, combustibles patrón diésel colombiano y venezolano.

En la Figura 4, se presenta la tendencia de la potencia respecto a las revoluciones del motor a prueba, operando con las diferentes mezclas en estudio.

Figura 4: Curvas de torque con respecto a la velocidad de mezclas con biodiesel, combustibles patrón diésel colombiano y venezolano.

En el análisis comparativo de la Figura 4, para las curvas del torque se mantiene la tendencia que se observó en la potencia de las mezclas B2 y B5 que tienen mayor alcance. Se determina que a mayor mezcla de biodiésel, mayor será la pérdida de torque, tal como lo indica^{[ ₁₄ ]}, con este resultado la curva de mayor estabilidad con respecto a la relación diésel-biodiésel fue la mezcla B20. Las mezclas con el torque más bajo fueron las B50 y B100. En el análisis comparativo de los combustibles patrón se observa un ligero aumento del diésel venezolano con respecto al colombiano. Siempre es mejor para la reducción de las emisiones un porcentaje alto de biodiésel en la mezcla^{[ ₁₀ ]}, pero en términos de rendimiento se verán afectadas las variables del motor, como torque y potencia, causando un aumento de consumo específico de combustible^[9^], ^{[ ₁₃ ]}, ^{[ ₁₄ ]}. De ahí, nace la importancia de realizar este tipo de investigaciones que presenten resultados óptimos con la utilización de una mayor mezcla de biodiesel en los combustibles distribuidos por el territorio nacional en los motores de combustión interna.

Conclusiones

Con la metodología aplicada para las pruebas, se determinó que para la mezcla B20 los valores de la potencia fueron los más estables en términos de rendimiento térmico, ello en razón de que a menor porcentaje de mezclas se obtuvo mayor potencia, pero entre más grande sea el porcentaje de mezcla con biodiésel, más aportará a la reducción de la contaminación.

En el contexto del comparativo de los combustibles patrones, el diésel colombiano y el diésel venezolano sometidos bajo las mismas condiciones de operación, se encontró que el combustible tipo diésel venezolano presenta mejores características de rendimiento en cuanto a su potencia, torque y estabilidad térmica. Siendo validado por el número de repeticiones y condiciones de pruebas estipulado dentro de la norma SAE J1349.

Con respecto al consumo específico del combustible obtenido, se observa el aumento con mayor porcentaje de mezcla de biodiésel, esto directamente proporcional a la pérdida de potencia. Para el uso prolongado del biocombustible se recomienda un porcentaje intermedio que aporte al medio ambiente, pero sin disminuir el rendimiento, esto se presenta debido a las características de bajo poder calorífico que posee el biodiésel en comparación con el combustible de origen mineral.