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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: [email protected]
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
ISSN 2448-5551 TF 214 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
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.
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