EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN MOTOR DIESEL …
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EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN MOTOR DIESEL OPERADO CON MEZCLAS DE DIESEL -BIODIESEL CRISTHIAN FABIAN RUIZ RAMOS UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA CURSO DE PREGRADO BOGOTÁ D.C. JUNIO DE 2005
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EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN MOTOR DIESEL
OPERADO CON MEZCLAS DE DIESEL -BIODIESEL
CRISTHIAN FABIAN RUIZ RAMOS
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
CURSO DE PREGRADO
BOGOTÁ D.C. JUNIO DE 2005
EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN MOTOR DIESEL
OPERADO CON MEZCLAS DE DIESEL -BIODIESEL
CRISTHIAN FABIAN RUIZ RAMOS
Proyecto de Grado Presentado a la Universidad de los Andes Como Requisito
Parcial de Grado En el Programa de Ingeniería Mecánica
Asesor
RAFAEL G. BELTRAN
M.Sc
Profesor – Titular
Departamento de Ingeniería Mecánica
Universidad de Los Andes
Co-asesor
NESTOR YESID ROJAS
Ph.D.
Profesor – Asistente
Departamento de Ingeniería Química
Universidad de los Andes
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
CURSO DE PREGRADO
BOGOTÁ D.C. JUNIO DE 2005
AVISO
Yo, Cristhian Fabián Ruiz Ramos, 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.
Bogotá, Junio 23 de 2005
Ingeniero
LUIS MARIO MATEUS SANDOVAL
Director Departamento de Ingeniería Mecánica
Universidad de los Andes
Apreciado Ing. Mateus
Someto a consideración de usted el proyecto de grado titulado: “EVALUACIÓN
DEL DESEMPEÑO DE UN MOTOR DIESEL OPERADO CON MEZCLAS DE
DIESEL -BIODIESEL.” como requisito parcial de grado en el programa de
Ingeniería Mecánica.
Agradezco su amable atención y me suscribo de Ud.
Atentamente,
Cristhian Fabián Ruiz Ramos
Candidato al Grado de Ingeniero Mecánico
Universidad de los Andes
Cod. 199812367
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus más sinceros agradecimientos a quienes contribuyeron con sus
aportes a la realización de este trabajo.
Rafael Beltrán MSc., Profesor Titular, Departamento de Ingeniería Mecánica.
Universidad de los Andes, quien me brindó la oportunidad de realizar esta
interesante investigación
Néstor Yesid Rojas Ph.D., Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Química.
Universidad de los Andes, quien con su amplio conocimiento en el tema me orientó
en cada instante para lograr los mejores resultados.
• Tomás Uribe MSc., Profesor Instructor, Departamento de Ing. Mecánica y
Coordinador del Laboratorio de Ing. Mecánica. Universidad de los Andes, de quien
recibí sus comentarios como Jurado.
• Ingeniero Néstor Sergio Gutiérrez, por sus enseñanzas y su constante apoyo durante
la ejecución de este proyecto.
• Personal del Laboratorio de Ing. Mecánica de la Universidad de los Andes.
• Helmer Acevedo, Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Mecánica,
Universidad Nacional de Colombia.
• Ligia Rodríguez, Profesora de la Facultad de Ingeniería de Alimentos de la
Universidad Jorge Tadeo Lozano, quien con su amplia experiencia en el proceso de
Transesterificación aportó valiosa información en cuanto a la producción del
Biodiesel.
• A mis compañeros de trabajo, de quienes recibí un constante apoyo y entendimiento
a lo largo de la ejecución de este proyecto.
A mis padres Mario Ruiz y Maria Ramos por su amor y entrega. A mi novia Ingrid Moreno por su comprensión y apoyo en los proyectos que he emprendido.
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN..................................................................................................................................1
1.1. OBJETIVOS.........................................................................................................................................2 1.1.1. Objetivo general.......................................................................................................................2 1.1.2. Objetivos específicos................................................................................................................2
2. MARCO TEORICO...............................................................................................................................4
2.1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL MOTOR DIESEL .................................................................................4 2.1.1. El Ciclo Diesel .........................................................................................................................5 2.1.2. El Motor Diesel........................................................................................................................9 2.1.3. Generalidades del Proceso de Combustión ...........................................................................11
2.2. ASPECTOS GENERALES DEL BIODIESEL ...........................................................................................14 2.2.1. Proceso de Transesterificación..............................................................................................14 2.2.2. Características Relevantes.....................................................................................................16
2.3. CONSIDERACIONES ECONÓMICAS....................................................................................................19
3. METODOLOGÍA ................................................................................................................................24
3.1. MOTOR DIESEL HATZ 1B30 ..........................................................................................................25 3.2. SISTEMA DE MEDICIÓN DE TORQUE Y VELOCIDAD DE ROTACIÓN ..................................................26
3.2.1. Freno Hidráulico ...................................................................................................................27 3.2.2. Sensor de Torque ...................................................................................................................28 3.2.3. Sensor de Velocidad de Rotación...........................................................................................30 3.2.4. Adquisición de Datos de Torque y Velocidad ........................................................................31
3.3. SISTEMA DE MEDICIÓN DEL CONSUMO DE AIRE..............................................................................32 3.4. SISTEMA DE MEDICIÓN DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE ...............................................................34 3.5. SISTEMA DE MEDICIÓN DE MATERIAL PARTICULADO .....................................................................35 3.6. PRUEBAS REALIZADAS EN EL BANCO. .............................................................................................36
3.6.1. Mezclas Evaluadas................................................................................................................37 3.6.2. Potencia Efectiva ...................................................................................................................40 3.6.3. Consumo Específico de Combustible .....................................................................................41 3.6.4. Pruebas de Emisiones de Material Particulado. ...................................................................43
4. RESULTADOS OBTENIDOS Y ANÁLISIS.....................................................................................45
4.1. RESULTADOS DE POTENCIA EFECTIVA PARA EL ACPM..................................................................45 4.2. RESULTADOS DE POTENCIA EFECTIVA PARA LA MEZCLA B20 .......................................................48 4.3. RESULTADOS DE POTENCIA EFECTIVA PARA LA MEZCLA B40 .......................................................49 4.4. CONSUMO DE AIRE. ........................................................................................................................51 4.5. CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE DEL MOTOR OPERANDO CON ACPM .............................52 4.6. COMPARACIONES DEL CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE DEL MOTOR OPERANDO CON MEZCLAS B20 Y B40..............................................................................................................................53 4.7. RESULTADOS MATERIAL PARTICULADO.........................................................................................55 4.8. VALIDACIÓN ESTADÍSTICA DE LOS DATOS OBTENIDOS ..................................................................56
5. DISCUSIÓN EN TORNO A LOS RESULTADOS OBTENIDOS ..................................................60
5.1. CONCLUSIONES................................................................................................................................64 5.2. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES..............................................................................................65
6. REFERENCIAS ...................................................................................................................................66
ANEXOS ...................................................................................................................................................68
ANEXO 1. CATALOGO DEL FABRICANTE “MOTORENFABRIK HATZ D-94099 RUHNTORF – GERMANY” .68 ANEXO 2. “PROCEDIMIENTO DE MUESTREO DE EMISIONES POR FILTRACIÓN”. ......................................72 ANEXO 3. DATOS DE LAS GRÁFICAS DE TORQUE Y POTENCIA PARA EL DIESEL PREMIUM 2 FILTRADO..75 ANEXO 4. DATOS DE LAS GRÁFICAS DE TORQUE Y POTENCIA PARA LA MEZCLA B20 ...........................76 ANEXO 5. DATOS DE LAS GRÁFICAS DE TORQUE Y POTENCIA PARA LA MEZCLA B40 ...........................77
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama P Vs. V Ciclo Diesel Teórico........................................................................ 5 Figura 2. Diagrama T Vs. S Ciclo Diesel Teórico ........................................................................ 7 Figura 3. Eficiencia térmica y presiones máximas del ciclo Otto ................................................. 9 Figura 4. El ciclo de Cuatro Carreras del motor Diesel. ............................................................. 10 Figura 5. Diagrama indicado del Motor Diesel en función del Número de Cetano del
Combustible........................................................................................................................ 12 Figura 6. Diagrama del Pistón de un Motor Diesel ..................................................................... 13 Figura 7. Reacción Química del proceso de Transesterificación ................................................ 15 Figura 8. Diagrama en Bloque del Proceso de Transesterificación............................................. 15 Figura 9. Producción y Demanda de Gasolina y ACPM............................................................. 22 Figura 10. Participación Porcentual de la Demanda de ACPM y Gasolina ................................ 23 Figura 11. Vista de la configuración anterior del Banco de Pruebas .......................................... 24 Figura 12. Configuración actual del Banco de Pruebas .............................................................. 25 Figura 13. Motor Diesel HATZ 1B30......................................................................................... 26 Figura 14. Válvulas Reguladoras del Freno Hidráulico .............................................................. 27 Figura 15. Montaje del Resorte Calibrado .................................................................................. 28 Figura 16. Curva de Calibración del Resorte .............................................................................. 29 Figura 17. Montaje del Potenciómetro Lineal............................................................................. 29 Figura 18. Calibración del potenciómetro................................................................................... 30 Figura 19. Vista del Circuito Implementado para la Adquisición de Datos................................ 32 Figura 20. Esquema del Termo - Anemómetro de Aletas ........................................................... 33 Figura 21. Montaje del sistema de Medición de Consumo de Aire ............................................ 33 Figura 22. Dispositivo para la Medición del Consumo de Combustibles ................................... 34 Figura 23. Sistema de Muestreo de Material Particulado. .......................................................... 35 Figura 24. Balanza de alta precisión y desecador adecuado para el muestreo de material
particulado .......................................................................................................................... 36 Figura 25. Fotografía del Diesel Premium No. 2 ........................................................................ 38 Figura 26. Fotografía del Biodiesel empleado en las Mezclas.................................................... 39 Figura 27. Fotografía de las Mezclas B20 y B40 evaluadas en el Motor Diesel HATZ 1B30 .. 40 Figura 28. Procedimiento y parámetros para las pruebas............................................................ 45 Figura 29. Gráficas de Potencia y Torque del Motor Especificadas por el Fabricante ............... 46 Figura 30. Valores experimentales del Torque Efectivo del Motor con ACPM ......................... 47 Figura 31. Valores Experimentales de la Potencia Efectiva del motor con ACPM .................... 47 Figura 32. Torque del Motor para la Mezcla B20....................................................................... 48 Figura 33. Potencia Efectiva del Motor para la Mezcla B20 ..................................................... 49 Figura 34. Torque del Motor para la Mezcla B40....................................................................... 50 Figura 35. Potencia Efectiva del Motor para la Mezcla B40 ...................................................... 50 Figura 36. Gráfica experimental de la Eficiencia Volumétrica para el motor HATZ 1B30 ...... 52 Figura 37. Consumo Específico de Combustible según el Fabricante ........................................ 52 Figura 38. Consumo Específico de Combustible con ACPM ..................................................... 53 Figura 39. Consumo Específico de Combustible con B20.......................................................... 54 Figura 40. Consumo específico de Combustibles con B40......................................................... 54 Figura 41. Intervalos de confianza para un nivel de significancia del 95% de los datos obtenidos
para el Torque..................................................................................................................... 57 Figura 42. Diferencia de varianza entre tipos de combustible y revoluciones del motor............ 58 Figura 46. Comportamiento de la Varianza para los datos Obtenidos ........................................ 58 Figura 44. Comparación de las Gráficas de Potencia Obtenidas Experimentalmente ................ 60 Figura 45. Comparación de las Gráficas de Consumo de Combustibles Obtenidas
Experimentalmente............................................................................................................. 61 Figura 46. Comparación de las gráficas de Torque Obtenidas Experimentalmente ................... 62
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Propiedades de algunas mezclas de Diesel – Biodiesel.................................... 17 Tabla 2. Valores Típicos de las Propiedades para el Diesel, Biodiesel de Aceite de
palma y el Aceite de Palma .................................................................................... 18 Tabla 3. Emisiones de Biodiesel respecto al Diesel convencional................................. 18 Tabla 4. Distribución del área sembrada de palma de aceite por zonas (En hectáreas) . 22 Tabla 5. Datos Técnicos del Motor Diesel HATZ 1B30................................................ 26 Tabla 6. Especificaciones de Escala del Termo - Anemómetro de Aletas ..................... 34 Tabla 7. Características del Diesel Premium No. 2 distribuido en Bogotá .................... 37 Tabla 8. Características del Alcohol Etílico Absoluto Marca Casa Científica. Referencia
A-02........................................................................................................................ 38 Tabla 9. Propiedades del Biodiesel probado en el Motor Diesel HATZ 1B30 ............. 39 Tabla 10. Parámetros Ambientales medidos. Prueba de Consumo Específico de
Combustible............................................................................................................ 43 Tabla 11. Parámetros Ambientales medidos. Pesaje Filtros sin usar - Prueba de
Emisiones Material Particulado.............................................................................. 44 Tabla 12. Parámetros Ambientales medidos. Pesaje Filtros usados - Prueba de
Emisiones Material Particulado.............................................................................. 44 Tabla 13. Variación Porcentual de la Concentración de Material Particulado para el
Diesel Corriente...................................................................................................... 55 Tabla 14. Variación Porcentual de la Concentración de Material Particulado para el
Diesel Premium 2 Filtrado...................................................................................... 56
LISTA DE SIMBOLOS
r ………………………………………………………………Relación de compresión
νC ………………………………………………Calor Específico a Volumen Constante
ρC ...……………………………………………Calor Específico a Volumen Constante
κ …………………………………………….Relación de calores específicos νC / ρC
η .………………………………………………………....................Eficiencia Térmica
Dieselη …………………………………...………………………..Eficiencia Ciclo Diesel
Ottoη ………..……………………………………………………......Eficiencia Ciclo Otto
Vη ………………………………………………………………...Eficiencia Volumétrica
eη ……………………………………………………………Eficiencia Térmica Efectiva
L……………………………………………………………….............Relación de carga
Q …………………………………………………………………………………...Calor
LQ ……..………………...Calor Cedido por el Sistema a la Fuente de Baja Temperatura
HQ ……………………………..… Calor Proveniente de la Fuente de Alta Temperatura
W …………………………………………………………………Trabajo neto realizado
hG ………………………………………………Gasto másico de Combustible por Hora
eW ………………………………………………………………………Potencia Efectiva
(max)e
o
W ……………………………………………………..…Potencia Efectiva Máxima
maxτ …………………………………………………………….….… Torque Máximo
eg ……………………………………………….....Consumo Específico de Combustible
P …………………………………………………………………………………..Presión
V ………………………………………………………………………………...Volumen
T……………………………………………………………………………..Temperatura
C………………………………………………Concentración por peso de PM10 (gr/m3)
W……………………………………………………………………Diferencia de pesos
F………………………………………………………………………..Flujo de muestreo
t……………………………………………………………………...Tiempo de muestreo
PCI ……………………………………………………………..Poder Calorífico Inferior
RPM……………………………………………………………Revoluciones por Minuto
CMM………………………………………………………...Metros Cúbicos por Minuto
P.M…………………………………………………………………..Material Particulado
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1. INTRODUCCIÓN El tema del medio ambiente, cada día es de mayor preocupación para el ser humano,
puesto que, debido al desarrollo de grandes concentraciones industriales y urbanas, así
como a la explotación de manera inadecuada de los recursos naturales, han traído como
consecuencia la saturación de la capacidad asimiladora y regeneradora de la naturaleza.
Uno de los problemas más graves que afrontan las grandes ciudades hoy en día es la
contaminación atmosférica, debido a que ésta afecta directamente a la población y es
fácilmente perceptible en las personas, convirtiéndose en una de las principales causas
de enfermedades respiratorias, que a su vez “representan una de las más altas causas
de morbilidad y mortalidad en niños especialmente1”.
Bogotá en su calidad de una de las ciudades más grandes de América del sur y por ser la
capital de la Republica de Colombia afronta claramente estos problemas. En un estudio
reciente contratado por el DAMA, se concluye que “la primera prioridad para la
comunidad es la reducción de la contaminación del aire2”.
Los factores determinantes en la contaminación atmosférica de Bogotá son variados,
dentro de estos se encuentran; emisiones de la industria; la propia dispersión natural de
material particulado proveniente de suelos erosionados y emisiones de las fuentes
móviles (automotores), siendo esta última cada día más severa.
Se estima que en Bogotá el parque automotor está compuesto por 933.669 vehículos, de
los cuales el 14% corresponde al servicio público y el 86% restante a privados.
Adicionalmente, el 27% de los habitantes se transporta en vehiculo particular y el 73%
lo hace en transporte público3. Es importante mencionar que este crecimiento acelerado
del parque automotor sumado a la antigüedad de los vehículos, constituyen factores
sumamente importantes en los elevados índices de contaminación de la ciudad.
1 ROJAS, Néstor Y. Revisión de las Emisiones de material Particulado por la Combustión de Diesel y Biodiesel. Revista de Ingeniería. Universidad de los Andes. Noviembre de 2004. 2 “Jornada sin mi carro en Bogotá”. Red de Calidad del Aire. Alcaldía Mayor de Bogotá. DAMA. Tomado de: http://www.cepis.ops-oms.org/bvsci/E/experien/expcol.htm. Ultima visita Abril 2 de 2005 3 Calidad del Aire en Bogotá. Xiomara Sanclemente. Ministerio de Transporte de Colombia, Secretaria de Transito y Transporte de Bogotá. Tomado de http://www.cepis.ops-oms.org. Ultima visita Marzo 2 de 2005.
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Los procesos de combustión incompleta de combustibles fósiles traen consigo, altas
emisiones de monóxido de carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno e
hidrocarburos, se calcula que el 70% de los contaminantes atmosféricos (CO, HC y
Nox) provienen de los automotores.
En la actualidad, estos elevados índices de contaminación y las características de altura
propias de la ciudad (adversas a los procesos de combustión de los motores) han
propiciado un incipiente interés por el estudio de combustibles alternativos. De igual
manera algunos han estado encaminados a promover el uso energético de los recursos
renovables con los que cuenta el país.
En este sentido el presente trabajo busca recoger las ideas fundamentales en torno al
uso de mezclas de Biodiesel en los motores Diesel, de alguna manera, determinar la
aplicabilidad de este biocombustible en Bogotá en términos de rendimiento del motor y
emisiones de material particulado.
1.1. Objetivos
1.1.1. Objetivo general
Evaluar el desempeño de un motor diesel operado con mezclas de diesel - biodiesel en
diferentes concentraciones para las condiciones de Bogotá.
1.2.1. Objetivos específicos
• Estudiar y analizar las diferentes mezclas de Diesel – Biodiesel.
• Determinar las concentraciones de Biodiesel en las mezclas a evaluar.
• Diseñar la metodología experimental para llevar a cabo las pruebas de banco para
determinar el desempeño del motor HATZ-DIESEL D-94099 RUHSTORF.
• Implementar la metodología y realizar el montaje de los equipos de medición.
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Para lograr dar cumplimiento a los objetivos del proyecto, se desarrolló en la primera
etapa una revisión bibliográfica de las experiencias a nivel tanto nacional como
internacional en el tema de biocombustibles. Al final de ésta fue posible determinar
las mezclas a evaluar.
De igual manera fue contemplada una etapa experimental, en la que se diseñaron las
metodologías de pruebas de banco tanto para determinar el rendimiento del motor
como las emisiones del motor al operar con cada una de las mezclas. Por último
fueron evaluadas las mezclas determinadas en la última etapa y posteriormente
comparadas entre sí, para luego determinar cuál se ajusta de mejor manera a las
condiciones de operación de Bogotá.
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2. MARCO TEORICO
2.1. Fundamentos Teóricos del Motor Diesel
Un motor térmico es un dispositivo capaz de transformar calor (energía térmica) en
trabajo (energía mecánica) de modo continuo. Esto es posible gracias al enunciado de
Kelvin-Planck, el cual, establece que; “… es imposible construir un dispositivo que
funcione en un ciclo y no produzca ningún otro efecto que elevar un peso ó
intercambiar calor con un solo depósito4”. De igual manera, la eficiencia de un motor
térmico esta dada por la relación existente entre el trabajo realizado (W) y el calor
absorbido (Q), por esto, se puede apreciar que:
QW=η (1)
Es preciso señalar que existen factores que hacen irreversible5 un proceso, estos son;
fricción, expansión irrestricta, transferencia de calor a través de una diferencia de
temperatura finita y mezclas de dos sustancias diferentes. Dichos factores son los
causantes que la eficiencia térmica en las maquinas alcance valores inferiores al 100%.
Por tal motivo se han propuesto algunos ciclos teóricos que buscan hacer del motor un
motor térmico lo más eficiente posible, estos son: El ciclo de Carnot, el cual está
formado por dos procesos isotérmicas y dos adiabáticas; el ciclo de Ericsson, en donde
el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotermas y dos isobaras; el ciclo
de Stirling, en el cual se realizan dos transformaciones isotérmicas y dos
transformaciones a volumen constante; el ciclo de Bouasse donde el fluido evoluciona
realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones lineales y el ciclo
Diesel.
4 Van Wylen, Fundamentos de Termodinámica, Segunda edición, Editorial Limusa S.A, México 1999. 5 Un proceso reversible para un sistema se define como un proceso que una vez que se realiza se puede invertir sin dejar cambio en el sistema ó en el entorno.
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El presente capítulo, en su primera parte se concentrará en el estudio y análisis del ciclo
Diesel ó ciclo de encendido por compresión, en este sentido, se hará una familiarización
con el ciclo, determinando sus características y bondades, posteriormente, se tratarán
algunas de las características más importantes del motor Diesel, y, por último, el
capitulo abordará temas relevantes a la combustión y al combustible Diesel.
2.1.1. El Ciclo Diesel
El ciclo Diesel está compuesto por cuatro procesos internamente reversibles, de los
cuales dos (compresión y expansión) son procesos isentrópicos; así mismo, esta
presente un proceso a presión constante que corresponde al periodo de inyección y
combustión en la maquina real; por último, se lleva a cabo un proceso isocórico el cual
representa la salida de los gases de escape. En la figura 1 se presenta el diagrama P Vs.
V para este ciclo Diesel teórico.
Figura 1. Diagrama P Vs. V Ciclo Diesel Teórico
Tomado y adaptado de: http://www.mailxmail.com/curso/vida/motoresdecombustion/capitulo9.htm
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De la figura 1 es posible determinar lo siguiente:
• El segmento 2-3; representa el proceso a presión constante, en donde el calor es
transferido al fluido de trabajo.
• La línea 3-4; corresponde a la expansión isentrópica que sufre el gas. En la
maquina real, esta expansión se detiene cuando el pistón llega a un punto muerto
del extremo de la biela.
• La línea 4-1; indica el rechazo de calor a volumen constante para este ciclo.
• El segmento 1-2; Compresión isentrópica.
Bajo las condiciones descritas anteriormente, es posible realizar un análisis y de esta
manera determinar la eficiencia térmica para este ciclo. Aplicando la primera ley de la
termodinámica se obtiene de la ecuación (1) es posible determinar que:
H
L
H
LH
QQQ
QW −=−== 1η (2)
Donde HQ representa el calor proveniente de la fuente a alta temperatura, que también
es el calor absorbido por el sistema. LQ hace referencia al calor cedido por el sistema a
la fuente de baja temperatura. Ahora bien, de igual manera tomando la ecuación (2) y la
figura 1 se obtiene que:
)()(
123
14
TTCTTC
H
L
−−
=−=ρνη (3)
Es preciso introducir un nuevo términoκ , el cual indica la relación de calores
específicos νC / ρC , de este modo es posible expresar la ecuación (3) de la siguiente
manera.
−
−
−=−−−=
1
11
)()(1
1
2
32
1
41
23
14
TT
T
TT
T
TTTT
κη (4)
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Figura 2. Diagrama T Vs. S Ciclo Diesel Teórico
Tomado y adaptado de: OBERT Edward F. 1997. Pág. 203
De acuerdo a la figura 2, 1-4 = 2-3, por consiguiente, los cambios de entropía
estarían dados por:
Es acertado afirmar que para un proceso isentrópico como el de compresión ilustrado en
la figura 1, las relaciones de temperatura se pueden expresar en función del volumen de
la siguiente manera:
1
1
2
2
1
−
=
k
VV
TT
(6)
Se hace necesario introducir un nuevo concepto y es el de relación de compresión r, el
cual para el caso del ciclo ideal tiene el mismo valor que el de expansión y representa
sencillamente una relación de volúmenes. De este modo, puede expresarse la ecuación
(6) así:
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Luego, denominando la relación de carga L = T3 / T2 y despejando las ecuaciones (5) y
(7), para posteriormente sustituir en la ecuación (4), se obtiene finalmente que la
eficiencia térmica para el ciclo Diesel es:
Es preciso hacer referencia nuevamente al factor L, puesto que, éste provee información
acerca de la relación entre los volúmenes ocupados por el gas antes y después del
proceso de combustión, además es solo en este factor que difiere la eficiencia térmica
del ciclo Diesel con la eficiencia del ciclo de Otto, tal y como se presenta en la ecuación
(9).
Ahora bien, el término siempre será mayor que la unidad, por tal motivo, la
eficiencia del ciclo Diesel será menor que le del ciclo Otto para los mismos valores de
r. De otra parte, es posible apreciar que, el rendimiento del ciclo Diesel aumentará a
medida que el valor de la carga disminuya.
De esta última figura es preciso señalar que para el ciclo Otto valores de r mayores a
10, producen un incremento de presión casi proporcional al aumento de la relación de
compresión. Sin embargo, en este sentido radica la mayor diferencia entre el ciclo Otto
y el Diesel, puesto que, el primero lleva a cabo la fase de Combustión a presión
constante, lo que le imposibilita obtener valores de r altos, mientras que, en el caso del
ciclo Diesel estos valores se encuentran entre 15 y 20.
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Figura 3. Eficiencia térmica y presiones máximas del ciclo Otto
Tomado de: OBERT Edward F. 1997. Pág. 201
Lo anterior es realmente importante, debido a que el motor diesel real ó de encendido
por compresión (EC) emplea mayores relaciones de compresión que el encendido por
chispa (ECH). De otra parte, el menor consumo de combustible en los motores EC
frente a los ECH los hace más atractivos.
2.1.2. El Motor Diesel
Este motor fue diseñado por el ingeniero Alemán Rudolph Diesel, en éste, básicamente
la combustión se logra por simple compresión del aire en el interior del cilindro, de
modo que al inyectarse el combustible se garantice su autoinflamación. Desde sus
inicios las principales ventajas de este tipo de motor han sido el menor consumo de
combustible y su capacidad para operar con un combustible mucho más viscoso, denso
y por ende barato.
Por este motivo, sus aplicaciones han estado dirigidas a motores navales o estacionarios,
sin embargo, la posibilidad de adaptar su tamaño y peso, además de conseguir
regímenes de revoluciones más elevados han propiciado su incursión en mercados
como; maquinaria agrícola (tractores, cosechadoras), propulsión ferroviaria, transporte
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terrestre, grupos generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia),
Accionamiento industrial (bombas, compresores)
La figura 4 presenta los ciclos que lleva a cabo el motor Diesel:
Figura 4. El ciclo de Cuatro Carreras del motor Diesel.
Tomado y adaptado de: OBERT Edward F. 1997. Pág. 22
Es posible, entonces, apreciar que el motor Diesel posee una carrera de admisión en la
que se permite el ingreso de de aire que carga completamente el cilindro, posteriormente
en la carrera de compresión se eleva la temperatura del aire a causa de la alta relación de
compresión entre 15 y 20. El combustible es atomizado en la cámara de combustión
poco antes de llegar al punto muerto superior en la carrera de compresión.
Posteriormente los productos de la combustión se expanden produciendo potencia. Por
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último salen los productos de la combustión después de expandirse para concluir el
ciclo.
2.1.3. Generalidades del Proceso de Combustión
La combustión es un proceso físico-químico, en el que son oxidados algunos
constituyentes del combustible, este proceso está siempre acompañado por el
desprendimiento de una cantidad de calor
Básicamente para que se lleve a cabo la combustión, deben entrar en contacto el
combustible y el carburante a una temperatura suficientemente alta. Existen diversos
tipos de combustible, por ejemplo, dentro de los sólidos se encuentran el carbón, la
madera y la turba. El primero se emplea en las calderas para calentar agua que puede
vaporizarse y posteriormente mover máquinas a vapor o directamente para producir
calor utilizable en usos térmicos (calefacción). La turba y la madera se utilizan
principalmente para la calefacción doméstica e industrial.
En cuanto a los combustibles líquidos se encuentran la gasolina y los gasóleos6, y dentro
de los gaseosos están el gas natural ó los Gases Licuados de Petróleo (GLP). En los
motores se emplean comúnmente los líquidos, donde estos reaccionan con el oxígeno de
manera violenta, produciendo calor, llamas y gases.
Es preciso mencionar que la combustión en los motores ocurre en la fase gaseosa,
puesto que, esto permite que la oxidación se lleve a cabo a velocidades bastante altas.
Por tal motivo, es necesario que el combustible líquido pase a su fase de vapor y
posteriormente sea mezclado con el aire.
En los motores Diesel, la alimentación, es decir el fluido que entra al motor, lo
constituye solamente el aire, éste es calentado gracias a la compresión que sufre y
posteriormente es inyectado el combustible. Sin embargo, la inyección del combustible
a la cámara de combustión debe hacerse en forma de gotas muy finas, debido a que el
6 Producto líquido derivado del petróleo crudo por fraccionamiento y destilación.
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aire es altamente turbulento. En este sentido las propiedades del combustible que
afectan en mayor grado la inyección son la viscosidad y la tensión superficial.
Una vez inyectado el combustible, es necesario que éste se inflame con gran facilidad al
entrar en contacto con el aire. El parámetro que indica la inflamabilidad del combustible
es el número de Cetano, el cual se define como: “La facilidad de auto-ignición que
ofrece el combustible al incrementarse la presión7”. De acuerdo a esto, cuanto mayor
sea el número de Cetano, menor será el retardo de la inflación. Lo anterior puede verse
de manera gráfica en la figura 5, donde representa el ángulo de avance de la
inyección.
Figura 5. Diagrama indicado del Motor Diesel en función del Número de Cetano del Combustible.
Tomado y adaptado de: JOVÁJ M. 1982, Pág. 150
De acuerdo a la figura anterior se hace evidente que, el número de Cetano adelanta ó
retraza la inflamación logrando mayores valores de presión. Es importante hacer énfasis
en que la gráfica mostrada en la figura 5, representa los valores instantáneos al interior
del pistón. La figura 6 presenta un esquema del pistón de un motor Diesel, donde el
7 Rodríguez, Javier, Montaje de Banco de Pruebas y Evaluación de Mezclas EB-Diesel como Combustible para Motores de Ignición por Compresión., Universidad de los Andes, Bogotá 2004.
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13
ángulo de avance de la inyección, esta asociado al movimiento del pistón sobre el árbol
de levas.
Figura 6. Diagrama del Pistón de un Motor Diesel
Tomado de: OBERT Edward F. 1997. Pág. 27
Otra propiedad relevante de los combustibles es el poder calorífico, cuyo valor
representa la cantidad de calor que es entregado al entorno cuando una unidad de
combustible en condiciones de referencia se quema completamente, en estado de
régimen permanente, de tal manera que los productos salen también en condiciones de
referencia.
En principio, el poder calorífico de cualquier combustible es calculable a partir de las
entalpías de formación de sus componentes. No obstante, la mayoría de los
combustibles empleados en la industria son mezclas complejas de diversos compuestos,
alguno de los cuales pueden no aparecer en tablas. En tal caso el poder calorífico debe
medirse en forma experimental, siguiendo procedimientos cuidadosamente
normalizados.
Es común hablar de dos tipos de poder calorífico uno inferior y el otro superior, en el
primero, el agua presente en los productos se encuentra completamente en estado
gaseoso, sin haber entregado su calor latente. En el segundo, toda el agua se ha
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14
condensado, liberando calor al entorno. En este trabajo, el análisis se concentrara en el
Poder calorífico Inferior.
2.2. Aspectos Generales del Biodiesel
El Biodiesel es un derivado de los aceites vegetales, su obtención se lleva a cabo a
través de un proceso químico denominado transesterificación, donde se emplea algún
tipo de alcohol (metanol o etanol) con el fin de obtener cadenas de esteres grasos. Las
propiedades de estos esteres dependen básicamente de la materia prima utilizada, siendo
el metanol, el alcohol de mayor uso en la producción de Biodiesel (ésteres metílicos),
sin embargo, en la actualidad se considera el etanol en este tipo de procesos por las
ventajas que presenta en cuanto a su baja toxicidad en comparación con el metanol.
Dadas las propiedades del Biodiesel, en la actualidad varias naciones del mundo han
concentrado sus estudios en el empleo de éste como un combustible alterno para los
motores Diesel. Cabe recalcar el hecho que las cadenas de ésteres retienen moléculas
de oxígeno en su constitución, lo que le otorga a este tipo de combustible mejores
propiedades en la combustión, de igual manera, no contiene azufre en proporciones
significativas y el contenido de aromáticos es casi nulo, lo que le proporciona un menor
potencial contaminante en comparación con el ACPM, en cuanto a la emisión de óxidos
de azufre y nitrógeno.
2.2.1. Proceso de Transesterificación
Tal y como se menciono en el numeral anterior, este tipo de proceso combina un aceite
vegetal con un alcohol para producir esteres y como producto adicional glicerina. El
proceso que se lleva a cabo es el resultado de tres reacciones reversibles consecutivas8:
La primera consiste en una transesterificación parcial del triglicérido para formar el
diglicérido, la segunda es la transesterificación parcial del diglicérido a monoglicérido y 8 NARVÁEZ, Paulo. Producción de Biodiesel: Variables Asociadas al Proceso de Transformación, Bogotá 2004.
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15
por último, de monoglicérido para formar los esteres metílicos ó etílicos de ácidos
grasos.
La figura 7 presenta la reacción química ocurrida en este proceso, en principio, el
glicerol de los triglicéridos es sustituido con tres moléculas de mono-alcohol, el cual
puede ser metanol ó etanol, posteriormente por medio de unos catalizadores se forman
tres moléculas de metíl ó etílester del aceite vegetal (Biodiesel). En la figura 8 se
aprecia el diagrama de bloque para este proceso.
Figura 7. Reacción Química del proceso de Transesterificación
Tomado de: PRAMANIK. T. 2005. Pág. 49
Figura 8. Diagrama en Bloque del Proceso de Transesterificación
Tomado de: PRAMANIK. T. 2005. Pág. 50
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16
De acuerdo al tipo de catalizador, la reacción para el caso del metanol puede ser9:
Transesterificación con catálisis ácida, alcalina, enzimática ó en condiciones
supercríticas. Sin embargo, se prefiere la catálisis ácida, debido a que este proceso
provee una conversión mayor al 98% y un proceso de conversión directo sin la
necesidad de llevar acabo pasos intermedios10, el catalizador comúnmente empleado es
el hidróxido de sodio, puesto que se disuelve con gran facilidad en el metanol. De otra
parte, en el caso del etílester se emplea el hidróxido de potasio como catalizador, pues
presenta una alta solubilidad en el etanol.
2.2.2. Características Relevantes
El interés que toma la comunidad científica hacia los estudios tendientes a determinar la
aplicación energética de los ésteres metílicos y etílicos, se convierte en un potencial
importante que proyecta a estos nuevos tipos de combustibles como posibles sustitutos
del Diesel en un futuro.
El mayor atractivo que presenta el Biodiesel, es la gran similitud que tienen sus
propiedades con las del ACPM. En un estudio realizado en el 200211, fueron empleadas
dos mezclas de Diesel – Biodiesel, las propiedades de éstas se presentan en la Tabla 1.
Es posible apreciar que el poder calorífico para el Biodiesel de aceite de palma (POD)
disminuye en un 11.7% en comparación con el del Diesel 100% (OD). De igual manera,
es preciso mencionar que el cambio en las mezclas no es apreciable, puesto que, para el
combustible A (50 ppm de aditivo + 7.5% POD + 92.5 OD) el poder calorífico es de
45.99 MJ/kg y para el B (50 ppm de aditivo + 15% POD + 85% OD) es de 45.77 MJ/kg,
se aprecia solo una disminución del 0.5% para el de mayor concentración de Biodiesel
comparado con el de menor concentración.
9 NARVÁEZ, Paulo. Producción de Biodiesel: Variables Asociadas al Proceso de Transformación, Bogotá 2004. 10 PRAMANIK T & TRIPHATI Subhabrata. Hydrocarbon Processing, Hindustan Petroieum Corp., Ltd., New Delhi, India 2005. 11 KALAM, M. MASJUKI. H. Biodiesel from Palmoil – an Análisis of its Properties and Potencial. University of Malaya. Malaysia 2002
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17
De igual manera se puede observar que los valores para la viscosidad y densidad
especifica aumentan de acuerdo se incrementa la concentración de Biodiesel en la
mezcla.
Tabla 1. Propiedades de algunas mezclas de Diesel – Biodiesel
Tomado de: KALAM M. 2002
Es preciso recordar que en el numeral 2.1.3. se señaló que el valor de poder calorífico
base de análisis en el presente documento, correspondía al valor del poder calorífico
inferior, por esta razón en la tabla 1 se presentan las propiedades típicas para el Diesel
100%, el Biodiesel de Aceite de Palma y el Aceite de Palma. A lo largo del desarrollo
de este informe se tomaran como base, principalmente para el número de Cetano y el
poder Calorífico los valores consignados en esta tabla.
En conclusión se puede decir que en comparación con el Diesel: El poder calorífico del
Biodiesel se reduce en un porcentaje del 10% aproximadamente, debido principalmente
a la presencia de oxigeno al interior de la molécula; tanto al densidad como la
viscosidad incrementan su valor, lo cual afecta el proceso de pulverización del
combustible produciendo un ligero incremento en la formación de carbón en los
inyectores y en la cámara de combustión.
No obstante, la presencia de oxigeno en las moléculas del Biodiesel constituyen una
gran ventaja en términos ambientales, puesto que, disminuye la emisión de material
particulado y monóxido de carbono, sin embargo, se propician las emisiones de NOx
por aumento en la temperatura de la cámara de combustión (ver Tabla 3)
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18
Tabla 2. Valores Típicos de las Propiedades para el Diesel, Biodiesel de Aceite de palma y el Aceite de Palma
Tomado y adaptado de: Biodiesel Handing and Use Guidelines, 2004. Pág. 9
Tabla 3. Emisiones de Biodiesel respecto al Diesel convencional.
Tomado de: STRATTA J. 2000
Diesel
típico
Biodiesel
típico
Aceite de
palma
Poder calorífico ( MJ/kg) 44 40 39
Viscosidad cinemática (cSt)
40ºC 3 4 – 6 41
Densidad (3/ mkg ) 852 874 906
Gravedad específica ( lkg / ) 0.85 0.88 0.92
Calor específico ( )./ KkgkJ 1.7 2.47 2.43
Conductividad ( KmW ./ ) 0.11 0.17 0.15
Tensión superficial (2/ mmN ) 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 0.001
Oxígeno % 0 10.9
Carbón residual % 0.15 0.05 0.22
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19
Por estas razones, la Industria Americana de Fabricantes de Motores (EMA por sus
siglas en ingles) han adelantado estudios en este sentido, llegando a concluir que
empleando mezclas B100 (100% Biodiesel) se presenta una perdida de potencia del 7%
y que por garantía de los motores se recomiendan mezclas que no superen el 5% de
Biodiesel (ASTM – D6751-03). De igual manera la Asociación Europea de fabricantes
de Vehículos (ACEA) restringe el uso de Biodiesel solo en mezclas con Diesel en
concentraciones máximas del 5% y no debe ser mezclado con combustibles Diesel
donde el contenido de azufre sea menor a 30PPM (EN 14214)
En cuanto al ámbito nacional, existen ciertos incentivos hacia el cultivo de aceite de
Palma, materia prima en la producción de Biodiesel. Tal es el caso de la ley 939 de
2004, por medio de la cual se otorgan exenciones tributarias a los cultivos de Aceite de
Palma, Cacao y Caucho entre otros. De otra parte, se ha constituido la Mesa Nacional de
Biodiesel, iniciativa impulsada por el Ministerio del Medio Ambiente, donde se
adelanta un proyecto que busca realizar la Norma técnica con parámetros únicos para
Biocombustibles producidos en el país para motor Diesel.
2.3. Consideraciones Económicas.
El propósito del presente acápite, es dar una mirada inicialmente a la producción actual
de la Gasolina y ACPM, donde los precios de éstos aumentan considerablemente, frente
a una menor reserva cada día de combustibles fósiles. De acuerdo a lo anterior, es
observar la viabilidad económica en Colombia del uso del Biodiesel, debido al aumento
considerable como se demuestra en el presente aparte de la producción de aceite de
palma. Se considera que es una oportunidad del momento para aprovechar estos
excedentes de producción en la fabricación de este combustible sustituto.
En los últimos años en los países industrializados se ha incrementado la utilización de
combustibles basados en aceites vegetales como fuente alterna de energía y se les ha
denominado BIOCOMBUSTIBLES.
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20
En Colombia los biocombustibles han surgido como alternativa para cubrir las
deficiencias del sector petrolero del país (ECOPETROL), que esta produciendo ACPM
(combustible diesel) utilizando su capacidad plena y las reservas probadas de los
hidrocarburos del país están disminuyendo; que de no ser atendidos en el futuro
inmediato llevaran al país, en pocos años, a importar el combustible para suplir las
necesidades básicas de consumo. Además de factores como el alto precio del petróleo y
el gas natural; adicionalmente la falta de hallazgos de nuevos yacimientos y la
prolongación de su explotación (20 años para una producción plena) han llevado a la
declinación de los actuales campos petrolíferos.
La ventaja para Colombia es que posee las condiciones y los recursos para producir
biocombustibles en el mediano plazo, ejemplo de ello es la disponibilidad de millones
de hectáreas en climas aptos para la cultivación de palma aceitera, además del
conocimiento y experiencia en esta agroindustria, que hacen, que la producción de esta
materia prima del Biodiesel (palma aceitera) sea competitiva mundialmente.
Con base en lo en lo anterior la posibilidad de utilizar el aceite de palma directamente
como combustible en motores diesel, o transformado en Biodiesel de palma surge como
una opción atractiva por lo siguiente:
Los combustibles derivados del aceite de palma pueden frenar el impacto
macroeconómico que conllevaría en el futuro las importaciones de combustible,
antes mencionadas.
La expansión de las plantaciones de palma de aceite que se requerirían para lograr
la sustitución de petrodiesel por Biodiesel generaría empleo permanente y bienestar
económico y social en las zonas afectadas por la violencia y el desempleo rural, al
ritmo de un empleo directo y 2-3 empleos indirectos por cada 10 hectáreas
sembradas.
• El mercado mundial de los combustibles opera de manera independiente del
mercado tradicional de las grasas y aceites, por lo cual es atractivo para el
palmicultor incursionar en el mundo de los combustibles para diversificar los
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21
riesgos ante las notables oscilaciones de los precios internacionales del aceite crudo
de palma.
Colombia goza de condiciones y recursos que hacen especialmente favorable la
perspectiva de explotación de biocombustibles en el futuro inmediato. Colombia es el
primer productor de palma de aceite en América Latina y el cuarto en el mundo.
La Tabla 4 refleja un crecimiento en áreas sembradas y en la producción por toneladas.
De este gráfico la zona norte corresponde al Magdalena, Norte del César, Atlántico y la
Guajira; la zona central a Santander, Norte de Santander, Sur del César y Bolívar; la
zona oriental al Meta, Cundinamarca, Casanare y Caquetá; por último la zona occidental
a Nariño.
Fedepalma (Federación Nacional de Cultivadores de Palma de Aceite) se ha
comprometido y ha demostrado avances importantes en la gestión ambiental, gremial y
empresarial, como una estrategia de competitividad en mercados nacionales e
internacionales, de tal manera que la gran mayoría de las empresas cuentan hoy con
Planes de Manejo Ambiental y adelantan acciones importantes en el marco de Convenio
de Producción mas Limpia, con el objeto de adelantar acciones concretas en la
adopción de métodos de producción y operación de las plantas de beneficio de fruto de
palma de aceite, que sean mas limpios, ambientalmente sanos, orientados a disminuir
niveles de contaminación y reducir riesgos relevantes para el medio ambiente y la
población, así como la protección y optimización del uso racional de los recursos
naturales, dentro de un marco de competitividad sectorial.
La figura 9 presenta la demanda interna de gasolina tanto extra como corriente y de
ACPM desde la década del 90, de acuerdo a ésta se puede apreciar que a partir de 1999
se presenta un incremento en la demanda, de acuerdo con ECOPETROL para el 2016 –
2017, el país empezará a consumir más combustible diesel que gasolina, esta tendencia
se corrobora con el gráfico presentado en el figura 10, donde se evidencia un aumento
constante en la demanda de ACPM desde 1993.
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Tabla 4. Distribución del área sembrada de palma de aceite por zonas (En hectáreas)
Tomado de: www.fedepalma.gov.co
Figura 9. Producción y Demanda de Gasolina y ACPM
Tomado de: RINCON Hernán. 2004
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Figura 10. Participación Porcentual de la Demanda de ACPM y Gasolina
Tomado de: RINCON Hernán. 2004
Una visión que se tiene es que los excedentes para exportaciones permitan sustituir las
cantidades y porcentajes de ACPM. En un nicho como Bogotá se pueden concentrar
esfuerzos para poder irrigarlo a otras regiones en la medida en que aumente el
suministro de aceite crudo de palma como combustible.
La incorporación de nuevos combustibles al sistema TRANSMILENIO supone la
superación de dificultades como la resistencia al cambio por parte de transportadores e
inversionistas, propietarios agremiaciones y todos lo que tuvieren un interés directo u
indirecto en mantener el uso, la producción o comercialización de combustible a
cambiar.
El protocolo de Kyoto contempla la introducción de biocombustibles en el sector
transporte y así disminuir las emisiones de los denominados gases de efecto
invernadero. En el ámbito internacional, este hecho puede jalonar varias iniciativas
tanto reproducción y comercialización, como en el campo de la investigación. El
fomento a la utilización de biocombustibles como complemento de combustibles fósiles
contribuye a la disminución de la contaminación global y local y a una reducción del
grado de dependencia del petróleo.
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24
3. METODOLOGÍA La implementación del Banco de pruebas inicio en el año 2004 con un proyecto de
grado cuyo objetivo era la Evaluación de Mezclas EB-Diesel como Combustible para
Motores de Ignición por Compresión12. La figura 11 Presenta la configuración empleada
para la realización del mencionado proyecto.
Figura 11. Vista de la configuración anterior del Banco de Pruebas
Tomado de: RODRÍGUEZ, Javier. 2004. Pág. 48
Sin embargo de acuerdo con el autor del mismo, esta configuración presentaba
problemas de vibración así como del sistema de transmisión de potencia freno – motor,
adicionalmente se hacía necesario contar con un dispositivo mucho más adecuado para
medir con precisión la carga impuesta por el motor.
Por tal motivo, gran parte del tiempo empleado en la realización de este proyecto de
grado estuvo encaminado a la adecuación del banco y al diseño de los sistemas de
medición. Es preciso señalar que para lograr un adecuado montaje y optimizar el tiempo
fue necesario trabajar en conjunto con el Ingeniero Néstor Gutiérrez, quien por la misma
12 Rodríguez, Javier, Montaje de Banco de Pruebas y Evaluación de Mezclas EB-Diesel como Combustible para Motores de Ignición por Compresión., Universidad de los Andes, Bogotá 2004.
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época adelantaba su proyecto de Maestría. En la figura 12 se presenta la configuración
actual del banco de pruebas.
Figura 12. Configuración actual del Banco de Pruebas
Es de vital importancia recalcar que este proyecto siempre estuvo encaminado en
evaluar la respuesta del motor al operar con mezclas de Biodiesel, para luego ser
comparadas entre sí. Por esto, los parámetros a tener en cuenta fueron: Torque,
velocidad, consumo de aire, consumo de combustible y emisiones de material
particulado. En este sentido se describen a continuación cada uno de los sistemas que
integra la nueva configuración del banco de pruebas.
3.1. Motor Diesel HATZ 1B30
El motor diesel empleado en las pruebas fue el HATZ 1B30, el cual se ilustra en la
figura 13, éste se caracteriza por ser un motor de larga duración, cuya utilidad se
concentra en equipos para uso comercial o industrial, tales como, impulsión de
generadores eléctricos, motobombas y cualquier otra aplicación estacionaria.
De igual manera, tal y como se presenta en la tabla 5, éste es un motor monocilíndrico
de cuatro tiempos, de aspiración natural, de inyección directa, refrigeración por aire.
Trabaja con una relación de compresión r = 22 y una cilindrada de 0.47 litros. De otra
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parte, Maneja un régimen de velocidad de hasta 3600 RPM y una potencia máxima de
5.5 kW ó 7.4 HP.
Figura 13. Motor Diesel HATZ 1B30
Tomado de: Catalogo del Fabricante13
Tabla 5. Datos Técnicos del Motor Diesel HATZ 1B30
Tomado de: Catalogo del Fabricante
3.2. Sistema de Medición de Torque y Velocidad de Rotación
Como se menciono al inicio del capitulo al medir la respuesta del motor en términos de
su potencia es necesario determinar tanto el Torque como la velocidad de rotación del
13 En Anexo 1. Catalogo del Fabricante “Motorenfabrik Hatz D-94099 Ruhntorf – Germany”
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mismo. Para esto, el banco de pruebas cuenta con un freno hidráulico, el cual se encarga
de crear un par resistente que es el que proporciona la carga al motor.
3.2.1. Freno Hidráulico
Los frenos hidráulicos son dispositivos adecuados para las mediciones de potencia en
los motores de combustión interna, para las pruebas llevadas a cabo, se utilizó un freno
hidráulico diseñado y construido en dos proyectos de grado anteriores, el cual es capaz
de disipar una potencia equivalente a 100 kW y consta de un impulsor hidráulico dentro
de un estator14.
En el freno dispuesto en el banco, las cavidades y álabes dispuestas al interior del freno
imparten al agua un movimiento turbulento que crea una resistencia al giro del rotor,
produciendo que este se embrague a la campana del estator y se disipe la potencia
entregada por el motor en forma de calor.
En este sistema, la regulación de la carga aplicada al motor se lleva a cabo controlando
la cantidad de agua al interior del freno. Por esto se han dispuesto dos válvulas
reguladoras, ubicadas una a la entrada del flujo y otra a la salida, tal y como se ilustra en
la figura 14.
Figura 14. Válvulas Reguladoras del Freno Hidráulico
14 Benavides, Marco. Construcción de un dinamómetro hidráulico para disipar 100 kw en un rango de velocidades de 600 a 6000 RPM / Marco Antonio Benavides Huertas. Universidad de los Andes. Bogotá, 1994.
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3.2.2. Sensor de Torque
El sistema de medición de Torque está conformado por un resorte previamente
calibrado, el cual está dispuesto de tal manera que su deformación indique la reacción
del freno hidráulico. En la figura 15 se aprecia la forma en que un extremo del resorte
esta fijo y el otro se desplaza conforme haya un desplazamiento angular del freno. Cabe
anotar que la acción del resorte siempre es tangente al radio externo y perpendicular al
eje del freno.
Figura 15. Montaje del Resorte Calibrado
Para obtener la constante del resorte k, fue necesario someterlo a una prueba de
esfuerzo deformación, en la que se registraron los datos de elongación a medida que
variaba la carga. En la figura 16 se presenta la curva resultante de esta prueba.
Una vez conocido el valor de la rigidez del resorte, era necesario poder determinar el
valor de la deformación en metros que causaba el movimiento del freno. Para esto, se
adecuo un potenciómetro lineal al borde de la estructura metálica, conectado por medio
de unos piñones a uno de los extremos del freno. De esta maneara, es posible determinar
el movimiento angular del potenciómetro para posteriormente transformarlo en
unidades de movimiento lineal (ver figura 17).
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Figura 16. Curva de Calibración del Resorte
Figura 17. Montaje del Potenciómetro Lineal
Al igual que para el caso del resorte, el potenciómetro debió ser calibrado, para esto, en
el laboratorio con ayuda de una fuente de potencia se llevaron a cabo pruebas en las que
se reportaron los valores de voltaje para cada movimiento del potenciómetro, de esta
manera fue posible construir la grafica de calibración mostrada en la figura 18.
Calibración Resorte
y = 893,48x + 15,682R2 = 0,9998
020406080
100120140160180
0 0,05 0,1 0,15 0,2
Deformación (m)
Fuer
za (N
)
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Ahora bien, comprobada la linealidad del potenciómetro, es posible decir que el
desplazamiento angular en radianes del freno está asociado a un valor de voltaje de la
siguiente manera:
)(0823.1 νθ =∆ (10)
Figura 18. Calibración del potenciómetro.
Por lo tanto, el desplazamiento lineal del resorte podría ser determinado así:
R×∆= θχ (11)
Donde R representa el radio externo del freno hidráulico, que para este caso es 0.14 m.
Una vez hallado este valor, el Torque (τ ) está dado por:
(12)
3.2.3. Sensor de Velocidad de Rotación
Para lograr medir el número de revoluciones por minuto del motor, fue necesario
implementar un sistema, el cual principalmente está constituido por un disco con cuatro
ranuras que son atravesadas por una luz infrarroja, esta luz a su vez, esta enfocando un
fototransistor, poniéndolo en estado de corte o saturación según la posición del disco y
Calibración Potenciometro
y = 1,0823x - 9E-16R2 = 1
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00
Ángulo (rad)
Vol
taje
(V)
RXk ××=τ
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su polarización con el fin de generar una señal cuadrada con frecuencia proporcional a
la velocidad angular del eje del motor
La señal generada se acopla luego al convertidor de frecuencia – voltaje LM 2907, que
entrega un determinado nivel de voltaje para cierta frecuencia de la siguiente forma:
fCRVv ccf ⋅⋅⋅= (13)
Donde fv es el voltaje para la frecuencia de la señal f y ccV es el voltaje de
polarización, que para este caso es 10 V. Los valores de R y C permiten que el sistema
sea mucho más confiable minimizando el ruido y aumentando su precisión. Luego de
una serie de pruebas de calibración en un torno CNC se logró determinar los valores de;
Ω= KR 100 y FC µ01.0= .
3.2.4. Adquisición de Datos de Torque y Velocidad
Una vez descritos los sistemas de medición, surge la necesidad de recolectar de manera
digital los datos generados en cuanto a la velocidad de rotación del eje del motor y la
carga aplicada. En este sentido, se deben adecuar las señales análogas generadas por los
sensores mediante convertidores análogo – digitales.
En este caso, las señales son digitalizadas con el PIC 16F877 para luego ser transmitidas
por este, a una computadora mediante el protocolo de transmisión serial RS-232. La
ventaja de emplear este dispositivo es la gran versatilidad que posee para transmitir los
datos a la computadora, puesto que, posee módulos específicos de transmisión serial
como el UNIVERSAL SYNCHRONOUS ASYNCHRONOUS RECEIVER
TRANSMITTER (USART) y el modulo de conversión análogo digital.
La ventaja más importante que se logra al poder transmitir los datos a la computadora,
es que estos son almacenados empleando el programa de instrumentación virtual
LABVIEW de la National Instruments. Así mismo, este programa permite obtener una
gráfica en tiempo real del comportamiento de los datos que están siendo almacenados,
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es decir, es posible observar gráficamente el comportamiento del motor en cuanto a
Torque y velocidad segundo a segundo.
La figura 19 presenta un esquema del circuito empleado durante las pruebas.
Figura 19. Vista del Circuito Implementado para la Adquisición de Datos
Es posible observar en la parte superior de la figura el puerto de transmisión serial RS-
232, el cual fue configurado para obtener una frecuencia de muestreo de 400 datos por
segundo para cada una de las señales. El convertidor análogo digital, posee 10 bits de
resolución (1024 valores posibles) y ocho canales multiplexados, queriendo decir con
esto, que es posible tomar 8 señales diferentes cada 1 milisegundo y un rango de voltaje
de 0 a 5 voltios.
3.3. Sistema de Medición del Consumo de Aire.
El laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, cuenta con un
Termo - Anemómetro de Aletas / Registrador modelo 451126, el cual permite medir al
mismo tiempo la velocidad y temperatura del flujo de aire, así como el flujo por unidad
de área. De igual manera, permite por medio de una interfaz RS-232 transferir y
almacenar los datos en la computadora. En la figura 20 se muestran cada una de las
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partes que conforman este sistema donde: 1 representa la pantalla LCD, 2 el sensor de
veleta, 3 la tecla de encendido, 4 el conector RS-232 y 5 el teclado numérico y de
funciones.
Figura 20. Esquema del Termo - Anemómetro de Aletas
Tomado de: Manual de Instrucciones
Este dispositivo no fue conectado directamente al orificio de succión del motor, puesto
que, la frecuencia de oscilación del pistón hace del proceso de succión un proceso
alternante, el cual origina fluctuaciones en la medición. El Termo – Anemómetro fue
conectado a un recipiente amplio y rígido con un orificio en la parte superior. (Ver
figura 21).
Figura 21. Montaje del sistema de Medición de Consumo de Aire
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34
En la tabla 6 se presentan las especificaciones de escala del Termo – Anemómetro.
Tabla 6. Especificaciones de Escala del Termo - Anemómetro de Aletas
3.4. Sistema de Medición del Consumo de Combustible
Este tipo de experimentación busca principalmente determinar el rendimiento real o
efectivo del motor, es decir, determinar la proporción de energía consumida bajo forma
de combustible y que es transformada en trabajo útil.
El método aceptado e implementado en este trabajo fue el de pesar un tanque auxiliar,
adecuado con dos mangueras, una de ellas proveniente del retorno, es decir, los datos
registrados en la balanza digital corresponden a la diferencia entre la cantidad de
combustible de alimentación y al que proviene del retorno, esta diferencia es el
consumo horario de combustible para el régimen seleccionado. En la figura 22 se
presenta el montaje para el pesaje del combustible consumido, una de las características
de la balanza empleada es que registra una resolución de 0.001g.
Figura 22. Dispositivo para la Medición del Consumo de Combustibles
Medición Unidades Escala Resolución
Velocidad de aire Metros por segundo (m/s) 0.30 a 45.00 0.01
Temperatura Grados Centígrados (º C) 0.0 a 45.0 0.2
Flujo de Aire Metros cúbicos por minutos (CMM) 0 a 999900 0.001 a 100
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35
De esta figura, es preciso recalcar el hecho que la balanza debe estar ubicada sobre una
base firme aislada de los efectos de vibración del motor, ó de lo contrario, debido a la
sensibilidad de la misma se podrían alterar los valores medidos.
3.5. Sistema de Medición de Material Particulado
Dentro del estudio comparativo propuesto para la evaluación de mezclas Diesel –
Biodiesel, se contempló la medición de emisiones de material particulado para cada una
de las mezclas a un régimen de operación del motor especificado. Para la recolección de
las muestras, se empleó un equipo fabricado por el profesor Néstor Rojas del
departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los Andes.
Como se muestra en la figura 23 este equipo consta de:
• Sonda aplicada al múltiple de escape del motor.
• Bomba de succión de gases de escape.
• Sistema de porta filtros ó trampa de muestreo.
• Rotámetro, termostato y un timer.
Figura 23. Sistema de Muestreo de Material Particulado.
Los filtros empleados en cada una de las mezclas fueron los Whatman Glass Microfiber
Filtres 934-AH Cat. 1827047 de 47 mm de diámetro, con el fin de lograr una mayor
precisión y confiabilidad en las pruebas, fue preciso llevar a cabo un acondicionamiento
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36
previo de los filtros antes y después de ser utilizados15. Para esto se preparó un
desecador el cual mantuviera la humedad relativa constante de 30% y una temperatura
de 20 ºC, con una variación máxima de ±5% y 2 ºC respectivamente.
La cantidad de material particulado emitido en cada una de las pruebas con las mezclas
fue determinado por diferencia de pesos, para esto, como se presenta en la figura 24 se
empleo una balanza de alta precisión (± 0.0001g), cumpliendo la recomendaciones
exigidas en el protocolo.
Figura 24. Balanza de alta precisión y desecador adecuado para el muestreo de material particulado
3.6. Pruebas Realizadas en el Banco.
Las pruebas llevadas a cabo en el banco descrito a lo largo de este capitulo, buscaban
principalmente establecer los criterios necesarios para lograr determinar las posibles
ventajas y desventajas de las mezclas B20 y B40 analizadas. Por esta razón y dadas las
condiciones del mismo, el protocolo llevado a cabo fue diseñado principalmente para
establecer un marco comparativo, más no para determinar resultados individuales
absolutos.
15 Ver Anexo 2. “Procedimiento de Muestreo de Emisiones por Filtración”.
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37
3.6.1. Mezclas Evaluadas
El marco de referencia para las pruebas realizadas en el banco fue el combustible diesel
Premium No. 2 (Bajo azufre), del cual se tiene la información consignada en la tabla 7,
de igual manera es posible apreciar su aspecto físico en la figura 25.
Para la obtención del Biodiesel fue necesario adquirir el aceite de palma y el etanol
anhidro. En cuanto al Etanol Absoluto se recurrió a Casa Científica, quienes certificaron
las características expuestas en la tabla 8. Posterior a la obtención del Etanol, la
profesora Ligia Rodríguez del Departamento de Ingeniería de Alimentos, fue quien
llevo a cabo el proceso de Transesterificación en los laboratorios de la Universidad
Jorge Tadeo Lozano. El proceso llevado a cabo específicamente para la obtención del
Biodiesel no se describe en este documento por petición de la profesora Rodríguez,
puesto que, en el tiempo de realización del presente proyecto el proceso de
Transesterificación se encontraba en tramite para ser patentado.
Tabla 7. Características del Diesel Premium No. 2 distribuido en Bogotá
Tomado de: http://www.ecopetrol.com.co/especiales/catalogo/diesel_premium.htm
DIESEL PREMIUM No.2 (Bajo azufre) CLASE: COMBUSTIBLE AUTOMOTOR E INDISTRIAL GRADO: 2D REFERENCIA: ASTM D 975
PROPIEDAD METODO ESPECIFICACION ASTM
UNIDADES MIN MAX
AZUFRE TOTAL D 4294 [1] g/100g - 0.1 AROMATICOS D 5186 mL/100mL - 35 INDICE DE CETANO D 4737 [2] - 45 -
CORROSION AL COBRE, 3h a 50°C D 130 - - 2
COLOR ASTM D 1500 - - 2 MICRO-CARBON RESIDUAL (10% FONDOS) D 4530 [3] g/100g - 0.2
GRAVEDAD API D 4052 [4] °API Sin Reportar - VISCOSIDAD A 40°C D 445 mm2/s 1.9 4.1 DESTILACION D86 - - -
PUNTO INICIAL DE EBULLICIÓN - °C Sin Reportar -
TEMP. 90% VOLUMEN RECOBRADO - °C 282 338
PUNTO FINAL DE EBULLICIÓN - °C - 360
AGUA Y SEDIMENTO D 1795 mL/100mL - 0.05 PUNTO DE FLUIDEZ D 5949 [5] °C - 4 PUNTO DE INFLAMACION D 93 °C 52 - CENIZAS D 482 g/100g - 0.01
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38
Figura 25. Fotografía del Diesel Premium No. 2
Tabla 8. Características del Alcohol Etílico Absoluto Marca Casa Científica. Referencia A-02
Características
CH3CH2OH P.M. 46.07
Densidad 0.7853
Agua (Determinada por Kart
Fisher) 0.16%
Solubilidad en Agua Pasa la Prueba ACS
Residuo después de
Evaporización Acetona 0.0008%
Acetona 0.001%
Alcohol Isopropílico 0.003%
Alcoholes Superiores Pasa la Prueba ACS
Acidez (Como CH3COOH) 0.003%
Alcalinidad (Como NH3) 0.0003%
Metanol (CH3OH) 0.1%
Sustancias Oscurecidas por
el Ácido Sulfúrico Pasa la Prueba ACS
Sustancias que Reducen el
Permangananto Pasa la Prueba ACS
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39
Este mismo tipo de Biocombustible ha sido empleado por el profesor Helmer Acevedo
de la Universidad Nacional de Colombia, quien proporciono los siguientes datos:
Tabla 9. Propiedades del Biodiesel probado en el Motor Diesel HATZ 1B30
Cortesía del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Colombia.
En la figura 26 se muestra una fotografía que corresponde a la mezcla B100, es decir
100% de Biodiesel en su composición. Como se aprecia, este biocombustible es
bastante estable a las temperaturas de Bogotá, en ningún momento presentó fenómeno
alguno de disociación. De acuerdo a la tabla 9, el valor del punto de nube es de 7ºC,
esto indica que difícilmente para las condiciones ambientales propias de la ciudad se
presenten algún tipo de sólidos en suspensión.
Figura 26. Fotografía del Biodiesel empleado en las Mezclas
Propiedad Valor
Viscosidad Cinemática (cSt) 40ºC 3.8
Gravedad específica ( lkg / ) 0.844
Densidad (3/ mkg ) 844
Could Point ºC 7
Flash point ºC 170
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40
Las mezclas preparadas y evaluadas en el banco corresponden a B20 y B40 (figura 27 a.
y 27 b. respectivamente), indicando la primera una concentración del 20% de Biodiesel
y la segunda 40%.
Figura 27. Fotografía de las Mezclas B20 y B40 evaluadas en el Motor Diesel HATZ 1B30
3.6.2. Potencia Efectiva
De acuerdo a la Norma Técnica Colombiana NTC 1930 las mediciones “deben tomar
un número suficiente de velocidades del motor, para definir completamente la curva de
potencia entre las velocidades de motor más alta y más baja que recomiende el
fabricante. Esta gama de velocidades debe incluir la velocidad a la cual el motor
produce su máxima potencia”16
Como se mencionó en el numeral 3.2.4. con el dispositivo de adquisición de datos es
posible registrar señales de velocidad de rotación y Torque con una rata de 400 datos
por segundo, lo cual permite tener una mayor precisión y confiabilidad en las pruebas.
No obstante, es preciso señalar que existe un error producto de la subjetividad del
operador.
16 Norma Técnica Colombiana NTC 1930, Vehículos Automotores. Motores de Combustión Interna, Potencia Neta.
Figura 27 b. Fotografía de la Mezcla B40 evaluada en el Motor Diesel HATZ 1B30
Figura 27 a. Fotografía de la Mezcla B40 evaluada en el Motor Diesel HATZ 1B30
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41
A continuación se presenta una breve descripción del protocolo seguido para esta
prueba: Una vez encendido el motor se regula la mínima velocidad a 900 RPM, en este
régimen y sin ninguna carga se opera el motor por aproximadamente 2 minutos, luego,
se lleva a la posición de máxima alimentación del acelerador (3600 RPM aprox.),
inmediatamente después, es cargado de manera progresiva el dinamómetro, actuando
sobre la válvula que permite la entrada de agua al freno. Al alcanzar el máximo Torque,
se cierra la válvula de entrada y de manera progresiva se actúa sobre la válvula de
salida, de esta manera, se permite la salida paulatina del agua al interior del freno,
logrando llegar nuevamente a la velocidad inicial del motor (3600 RPM aprox.)
Para la pruebas realizadas con las mezclas de Biodiesel, fue necesario emplear un
tanque de combustible adicional (Ver figura 22). Para la adecuación del mismo fue
necesario: Desconectar la manguera de retorno que va al tanque principal y conectarla
en la parte superior del nuevo tanque donde se dispone a verter la mezcla, desconectar la
manguera de admisión ubicada antes del filtro de aire, y conectarla a la parte inferior del
nuevo recipiente.
3.6.3. Consumo Específico de Combustible
Es preciso señalar que los datos aquí medidos corresponden al gasto másico de
combustible por hora ( hG ), si se toma (m) como el resultado obtenido de la prueba en
Kg y (t) el tiempo de duración de la prueba en min. Entonces ( hG ) es igual a:
tm
Gh
⋅= 60 (14)
Ahora bien, para calcular el consumo específico de combustible es necesario dividir la
ecuación (14) sobre la potencia efectiva:
⋅⋅ =⋅
⋅=e
h
e
e
W
G
tW
mg
60 (15)
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42
Una vez definida la ecuación (15), es importante mencionar que el consumo específico
de combustible es un parámetro comparativo que representa la cantidad de combustible
requerida por el motor para producir la unidad de potencia en una hora, de igual manera,
podría interpretarse como un parámetro que muestra con cuánta eficiencia convierte el
motor el combustible en trabajo. Si se conoce el poder calorífico )(PCI del combustible
es posible determinar la eficiencia térmica de la siguiente manera:
ehe gPCIGPCI
W)(
1)(
=⋅
=⋅
η (16)
Las pruebas realizadas para determinar el consumo específico de combustible para cada
una de las mezclas siguieron el procedimiento descrito a continuación:
Una vez encendido el motor se regula la mínima velocidad a 900 RPM, en este régimen
y sin ninguna carga se opera el motor por aproximadamente 2 minutos, luego, se carga
de manera progresiva el dinamómetro, actuando sobre la válvula que permite la entrada
de agua al freno, se debe verificar que la válvula de salida este abierta para lograr un
flujo de agua constante al interior del dinamómetro. Con ayuda del tacómetro
determinar un nivel de velocidad para el motor, ya identificado, verificar que el valor de
Torque que se visualiza en la pantalla corresponde al máximo para las RPM
especificadas. Cuando se tenga control y seguridad sobre los valores reportados, tomar
datos por intervalos de diez segundos durante cuatro minutos. Se debe tener presente
que los valores de Torque y RPM deben ser los mismos para cada una de las mezclas,
puesto que, se trata de una prueba comparativa.
Para los resultados que se presentan en el capitulo 4 fueron contempladas condiciones
del ambiente como temperatura y humedad relativa. En la tabla 10 se presenta el valor
promedio de éstas para la fecha de las pruebas, de igual manera se reporta el valor de la
presión atmosférica para Bogotá17.
17 Tomado de: SERRANO Rico, Influencia de la Condiciones de Carga de un Motor Diesel en la Generación y morfología de la Partículas de las Emisiones. Universidad de los Andes, Bogotá 2001.
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43
Parámetro Valor
Presión Atmosférica (kPa) 74.8
Temperatura Ambiente ºC 19.2
Humedad Relativa % 49.6
Tabla 10. Parámetros Ambientales medidos. Prueba de Consumo Específico de Combustible
Por último cabe anotar que para los tres combustibles (ACPM, B20 y B40), las pruebas
se llevaron a cabo hacia el medio día.
3.6.4. Pruebas de Emisiones de Material Particulado.
Las mediciones obtenidas con la ayuda del filtro de muestreo de PM10 y la balanza
electrónica permiten obtener la cantidad másica de PM10 emitido en un tiempo
determinado, con un flujo de muestreo también establecido. Luego, la concentración de
PM10 emitida por el motor operando con el combustible bajo análisis puede ser
calculada a partir de dichos datos.
Se tiene entonces inicialmente que a partir del flujo de muestreo y los valores de peso y
tiempo obtenidos de la prueba, se puede establecer la concentración de PM10 como:
tFW
C*
∆= (17)
Donde:
C = Concentración por peso de PM10 (gr/m3)
W= Diferencia de pesos (gr)
F = Flujo de muestreo (m3/s)
t = tiempo de muestreo (s)
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44
Se realizan las pruebas para la obtención de los resultados de material particulado de
manera comparativa, es decir, se llevan a cabo pruebas con ACPM y estas se replican
bajo las mismas condiciones, empleando las mezclas seleccionadas.
Para cada una de las pruebas el valor de flujo leído en el flujometro fue de 5L/min, lo
que equivale a 8.33E-5 m3/s. Los filtros empleados durante las pruebas fueron
previamente puestos en el desacador por un lapso de 24 horas. En cada uno de los casos
el motor opero bajo las siguientes condiciones de carga:
Torque: 14 N.m
Velocidad: 3000 RPM
El tiempo de muestreo para cada una de las muestras fue de 4 minutos, para cada una de
las pruebas los filtros fueron dejados en el desecador y pesados en horas de la mañana,
presentándose en promedio los siguientes valores para las condiciones del ambiente.
Parámetro Valor
Presión Atmosférica (kPa) 74.8
Temperatura Ambiente ºC 18.3
Humedad Relativa % 65.4
Tabla 11. Parámetros Ambientales medidos. Pesaje Filtros sin usar - Prueba de Emisiones Material Particulado
Posteriormente, de acuerdo al protocolo (ver anexo 2), los filtros eran puestos en desecador presentado en la figura 24, el pesaje de los filtros para su comparación con la lectura obtenida del filtro sin uso se realizó hacia el medio día, registrando los siguientes valores para las condiciones del laboratorio (Tabla 12).
Parámetro Valor
Presión Atmosférica (kPa) 74.8
Temperatura Ambiente ºC 20.8
Humedad Relativa % 53.6
Tabla 12. Parámetros Ambientales medidos. Pesaje Filtros usados - Prueba de Emisiones Material Particulado
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4. RESULTADOS OBTENIDOS Y ANÁLISIS
En la figura 28 se presenta el procedimiento y los parámetros contemplados en cada
una de las pruebas, de igual manera, los cálculos realizados y que posteriormente fueron
comparados entre cada una de las mezclas y de esta forma determinar con cuál de éstas
se logra un mejor desempeño en el motor.
Figura 28. Procedimiento y parámetros para las pruebas
De otra parte, en este capitulo se presentan las curvas de potencia, Torque y consumo
específico de combustible, es preciso señalar que las obtenidas para el ACPM
constituyen además del reflejo del comportamiento actual del motor, la base para el
análisis comparativo de las mezclas.
4.1. Resultados de Potencia Efectiva para el ACPM
El primer parámetro a analizar es el Torque del motor, el cual indica el momento de
torsión ó la capacidad que tiene para realizar trabajo. De acuerdo con la figura 29, el
fabricante específica un Torque máximo ( maxτ ) de 18.0 N.m a una velocidad de 2000
CALCULOS
Potencia efectiva Consumo específico de combustible Consumo de aire Concentración del material particulado
MARCO COMPARATIVO
ACPM Mezcla B20 Mezcla B40
CONDICIONES DE MEDICIÓN
Parámetros ambientales (Presión, temperatura, humedad relativa). Parámetros de operación (Velocidad, torque, temperatura de gases, consumo horario de combustible, consumo de aire).
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46
rpm. De igual manera a 3600 RPM se alcanza el valor de potencia efectiva máxima
( (max)e
o
W ) 5.5 kW.
Figura 29. Gráficas de Potencia y Torque del Motor Especificadas por el Fabricante
Tomado de: Catalogo del Fabricante.
Los ensayos realizados por el fabricante son los contemplados en la norma DIN ISO
3046, en donde se especifican como condiciones atmosféricas de referencia; 100 m de
altura; temperatura de 25 ºC y humedad relativa del 30%.
En la figura 30 se puede apreciar la gráfica de Torque Vs Velocidad conseguida con los
datos obtenidos en el banco, de ésta, se aprecia que para una velocidad de 2150 RPM el
valor del Torque se hace máximo, entonces maxτ = 16.5 N.m. Se puede determinar
que, con respecto a las especificaciones del fabricante existe una disminución en el
valor del Torque de 8.3%.
En el caso de la potencia, se presenta una disminución del 20%, no obstante tanto para
el Torque como para la potencia la tendencia ó respuesta del motor se ajusta a la forma
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47
típica reportada en la figura 29, es decir que las diferencias porcentuales en los valores
de estos parámetros se deben principalmente a las condiciones atmosféricas (altura de
Bogotá)
Figura 30. Valores experimentales del Torque Efectivo del Motor con ACPM
Figura 31. Valores Experimentales de la Potencia Efectiva del motor con ACPM
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48
Dado que las pruebas con las mezclas fueron realizadas en el mismo banco y bajo las
mismas condiciones del ambiente en las que se determinaron los valores de las gráficas
presentadas en las figuras 30 y 31, además que la tendencia se ajusta a la mostrada en el
catalogo, los valores obtenidos para el ACPM en el laboratorio serán el referente de
comparación de los datos conseguidos con los combustibles B20 y B40. Sin embargo,
en el numeral 4.8 se profundizará en una validación estadística de estos datos.
4.2. Resultados de Potencia Efectiva para la Mezcla B20
En el caso de la mezcla B20 se aprecia que el valor máximo del Torque (15.4 N.m) se
encuentra a 1980 RPM (Figura 32), al comparar este valor con el obtenido para el
ACPM, se presenta una disminución del 6.7%. Es preciso señalar también que, este
valor máximo se alcanza en un régimen de marcha menor que el reportado para el
ACPM.
En cuanto a la potencia máxima, se encuentra que el máximo valor es de 4120 W a una
velocidad de 3150 RPM (figura 32). En este caso diminuyó en un 6.4% con respecto al
encontrado para el ACPM. Cabe recalcar que al igual que el Torque este máximo se
ubica en un valor de velocidad menor. En este tema se profundizará en la discusión
planteada en el siguiente capitulo.
Figura 32. Torque del Motor para la Mezcla B20
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49
Figura 33. Potencia Efectiva del Motor para la Mezcla B20
4.3. Resultados de Potencia Efectiva para la Mezcla B40
En la mezcla B40 la concentración de Biodiesel es mayor, por tal motivo se esperaría
que tanto la potencia como el Torque disminuyesen en un mayor porcentaje que la
mezcla B20, esto, debido a la diferencia en el poder calorífico expresada en un menor
valor para el Biodiesel.
En efecto, el valor de Torque máximo ( maxτ = 15.1 N.m) del B40 al ser comparado
con el del ACPM disminuye en un 8.5%, sin embargo, éste es ligeramente diferente al
reportado con la mezcla B20 (2.0%), de igual manera, la velocidad de rotación a la que
se alcanza, de acuerdo con la figura 34, es muy similar a la anterior (1970 RPM).
De otra parte, la Potencia máxima para este combustible ( (max)e
o
W ) alcanza el valor de
4050 W a 3100 RPM, si este se compara con la otra mezcla de Biodiesel se aprecia una
disminución de 1.8%, muy similar al del Torque. Ahora si se toma como referencia el
valor del ACPM, el del B40 decrece en un 8.0%.
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50
Figura 34. Torque del Motor para la Mezcla B40
Figura 35. Potencia Efectiva del Motor para la Mezcla B40
De las figuras 34 y 35 se puede observar que a los máximos de esta mezcla le
corresponde un valor de velocidad menor que el del B20 y B40, es decir que conforme
aumenta la cantidad de Biodiesel en la mezcla la gráfica se desplaza hacia la izquierda.
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51
4.4. Consumo de Aire.
Con los resultados obtenidos en esta prueba es posible determinar la eficiencia
volumétrica del motor de la siguiente manera:
t
av m
m=η (18)
Donde am representa el peso real de aire inducido en la carrera de admisión
(Kg/h*número de carreras de admisión) y tm indica el peso teórico de aire para llenar el
volumen de desplazamiento bajo condiciones atmosféricas.
La figura 36 ilustra el comportamiento de vη en función de la velocidad de rotación del
motor en RPM. Es preciso señalar que el motor Diesel induce una cantidad constante de
aire en la carrera de admisión, es decir, el llenado de aire del cilindro depende de las
características del motor (Cilindrada) más no del tipo de combustible empleado, por
esto la figura mencionada, ilustra el comportamiento en este sentido para los demás
combustibles.
Por lo anterior, el hecho que la eficiencia volumétrica disminuya se debe, entonces,
principalmente a que a medida que se incrementa tanto la carga como la velocidad, la
cantidad de combustible inyectado es mayor, y, como en este tipo de motores la
cantidad de aire en la cámara es la misma, entonces, gran parte del combustible no es
oxidado. Lo anterior sumado a las elevadas relaciones de compresión de este tipo de
motor, dificulta que el combustible encuentre aire a altas revoluciones, por lo tanto la
figura 36 presenta esa tendencia decreciente.
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52
Figura 36. Gráfica experimental de la Eficiencia Volumétrica para el motor HATZ 1B30
4.5. Consumo Específico de Combustible del Motor Operando con ACPM
De acuerdo con el fabricante el mínimo consumo de combustible es de 260 gr/kWh y se
alcanza a 2350 RPM, (Figura 37). Con respecto a este valor, de la figura 38 se puede
decir que el consumo en el banco aumento en un 11%, esto debido a las condiciones
atmosféricas propias de Bogotá. Para la prueba en banco con el ACPM, el menor
consumo (267 gr/kWh ) se logra igual a 2350 RPM.
Figura 37. Consumo Específico de Combustible según el Fabricante
Eficiencia Volumétrica
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
800 1300 1800 2300 2800 3300
n (RPM)
Efic
ienc
ia
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Figura 38. Consumo Específico de Combustible con ACPM
4.6. Comparaciones del Consumo Específico de Combustible del
Motor Operando con Mezclas B20 y B40.
Como se menciono en el capitulo 2, el proceso por el cual se lleva a cabo la producción
de Biodiesel ocasiona que en la cadena de esteres se retengan moléculas de oxigeno, lo
cual le otorga mejores propiedades de combustión. Por esta razón, se esperaría que para
las mezclas empleadas el consumo mínimo eg disminuyera conforme se adiciona
mayor cantidad de Biodiesel en la mezcla.
Este hecho se corrobora en las figuras 39 y 40, en donde para la mezcla B20 y B40 el
consumo mínimo es de 260 gr/kWh y 254 gr/kWh respectivamente. Ahora si estos
valores se comparan con los obtenidos para el ACPM, se encuentra que para el caso del
B20 este consumo disminuye en un 2.6% y para el B40 en un 4.8%, al centrarse
únicamente en las dos mezclas, se encuentra que el consumo del B40 decrece en un
2.3%.
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Figura 39. Consumo Específico de Combustible con B20
Figura 40. Consumo específico de Combustibles con B40
De acuerdo a la tendencia de las gráficas, es posible apreciar nuevamente, que el motor
presenta un mejor rendimiento a bajas velocidades, puesto que, se observa un disparo
en el consumo de combustible conforme se incrementan las revoluciones Es lógico
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55
pensar que a mayores revoluciones la potencia correspondiente a la fricción aumenta
casi con el cuadrado de la velocidad (tendencia cuadrática de la gráfica) y por ende el
par de la fricción aumenta, como consecuencia gran parte del trabajo obtenido del
proceso de combustión se utiliza para vencer la fricción entre los mecanismos del moto
4.7. Resultados Material Particulado
Fue posible realizar, pruebas de emisiones de PM 10 tanto para el Diesel Premium 2
filtrado como sin filtrar, la tabla 13 presenta los valores obtenidos para la prueba
realizada con el Diesel corriente (Sin filtrar). Cabe anotar que los valores mostrados en
esta tabla son el producto de las pruebas para cada combustible realizadas en diferentes
días.
Tabla 13. Variación Porcentual de la Concentración de Material Particulado para el Diesel Corriente.
Es posible determinar que con respecto al Diesel Corriente, las emisiones de material
particulado para las mezclas, disminuyen en 11.6% para el B20 y 12.4% para el B40.
No obstante, es importante recalcar la variación que existe entre la concentración de
material particulado para el Diesel Filtrado y el Diesel corriente, puesto que, las
propiedades físicas para estos dos últimos combustibles se mantienen constante,
existiendo solo una variación en el contenido de azufre, hecho por el cual el valor de las
emisiones es menor, reportándose una disminución del 22.4% con respecto al Diesel
corriente.
Debido a que los valores registrados en la tabla 13, corresponden a las mezclas hechas a
partir del Diesel corriente, fue necesario realizar pruebas adicionales para corroborar la
Mezcla evaluada
Diferencia en peso
(gr)
Concentración (gr/m^3)
Variación Porcentual
B20 0,0010 0,0513 -11,6% B40 0,0012 0,0508 -12,4%
ACPM Filtrado 0,0009 0,0450 -22,4%
ACPM Sin Filtrar 0,0012 0,0580 0,0%
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tendencia plasmada en las primeras pruebas. La tabla 14, presenta el resumen de los
valores obtenidos en el conjunto de las pruebas.
Tabla 14. Variación Porcentual de la Concentración de Material Particulado para el Diesel Premium 2 Filtrado
En efecto, las emisiones de material particulado tienden a disminuir, esto, debido al
mayor contenido de oxigeno en las moléculas del Biodiesel que redunda en una mejor
combustión. Se aprecia de igual manera que a mayor contenido de Biodiesel en la
mezcla mayor es la disminución porcentual de la concentración de material particulado.
4.8. Validación Estadística de los Datos Obtenidos
Para el análisis estadístico de los datos se utilizó el paquete Minitab versión 14. En este
análisis, la experimentación se baso en el diseño factorial caracterizando como variables
la mezcla de combustible y las revoluciones del motor.
La mezcla de combustible es una variable de efecto fijo en el diseño experimental, y la
velocidad de efecto variable. En este diseño experimental se analizó como variable de
respuesta el Torque obtenido del motor.
A continuación se presenta la grafica 41 en la que se muestran los intervalos de
confianza para un nivel de significancia del 95% de los datos obtenidos para el Torque.
En éstas se tiene como variable independiente las revoluciones del motor y como
variable respuesta la media del Torque obtenido. En ésta es posible apreciar el
comportamiento del motor correspondiente a los tres tipos de mezclas utilizadas.
Mezcla evaluada
Diferencia en peso
(gr)
Concentración (gr/m^3)
Variación Porcentual
B20 0,0010 0,0428 -7,9% B40 0,0012 0,0413 -11,2%
ACPM 0,0009 0,0465 0,0%
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Figura 41. Intervalos de confianza para un nivel de significancia del 95% de los datos obtenidos para el Torque
Para realizar un análisis de varianza ANOVA es necesario evaluar los supuestos
necesarios que tiene dicho modelo con el fin de obtener un buen análisis y conclusiones
de dicha herramienta. Por tal motivo, se procede a evaluar la normalidad de los
residuales de los datos, así como las varianzas, para lograr determinar si éstas tienen
diferencias significativas para cada mezcla y revoluciones utilizadas en la
experimentación.
A continuación se exponen las pruebas de normalidad de Kolmogorov-Smirnov y la
prueba de Levene para la diferencia de varianza entre tipos de combustible y
revoluciones del motor.
Como se puede observar en la figura 42, la prueba de normalidad de los residuales para
los datos de Torque obtenidos para todo el conjunto mezclas de combustibles y
revoluciones del motor, no tiene un comportamiento normal debido al valor de 0.010 de
p-value rechazando la hipótesis nula para un nivel de significancia del 95%.
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Figura 42. Diferencia de varianza entre tipos de combustible y revoluciones del motor.
De igual manera de acuerdo a la figura 46, el resultado del p-value obtenido de la
prueba de Levene, indica que los datos para las diferentes mezclas y revoluciones del
motor, no tienen una varianza con un comportamiento estadísticamente constante ya que
el valor de 0 del p-value rechaza la hipótesis nula a un nivel de significancia del 95%.
Figura 43. Comportamiento de la Varianza para los datos Obtenidos
! "#$%#
&'$ ($
($ %$%)
!'$ ($
($ %$%)
!"
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Realizadas estas pruebas podemos concluir que analizar dichos datos en un modelo
factorial como ANOVA resulta inoficioso, puesto que, sus supuestos no se cumplen y
otorgaría un análisis erróneo de los datos. No obstante fue posible determinar que con
un 95% de confianza, los datos para el Torque presentan la tendencia presentada a lo
largo de este documento.
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5. DISCUSIÓN EN TORNO A LOS RESULTADOS OBTENIDOS
En la figura 44, es posible apreciar las gráficas de potencia para las tres mezclas, en
ésta, es mucho más claro el hecho que los máximos de potencia decrecen a medida que
aumenta la concentración de Biodiesel en la mezclas. Esta variación se debe
principalmente a la diferencia en el valor del poder calorífico entre el Biodiesel y el
ACPM, siendo el primero, de acuerdo a la tabla 2, 0.9 veces menor.
De acuerdo a esto, la disminución en la potencia debería estar por el orden del 10%, en
el caso analizado, el motor operó con Biodiesel tan solo en unas concentraciones más no
al 100%, por esto el valor de la potencia disminuye pero no llega al 10%.
Figura 44. Comparación de las Gráficas de Potencia Obtenidas Experimentalmente
A lo largo del capitulo 4 se evidencio un mejor desempeño del motor en rangos de
velocidades menores, es decir, para las mezclas los máximos de potencia se consiguen a
menores velocidades de rotación. Ahora bien, revisando nuevamente la figura 5, se
puede decir que; al presentarse un aumento de velocidad el ángulo de avance de la
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inyección debería ser mayor para contrarrestar el retardo potencial de la combustión y
por lo tanto la disminución de sus máximos de presión. El regulador tiene como función
variar el instante de inicio de la inyección en función de la velocidad del motor, sin
embargo, éste está diseñado para trabajar bajo las propiedades del ACPM y no corrige
el avance de la inyección al ritmo necesario para las mezclas de Biodiesel, por tal razón,
el proceso a mayores velocidades desmejora, mostrando como resultado menores
potencias y mayores consumo (a mayores velocidades), ver figura 45.
Figura 45. Comparación de las Gráficas de Consumo de Combustibles Obtenidas Experimentalmente
A medida que aumenta la velocidad, la cantidad de combustible que se acumula es
mayor generando valores de presión mayores, si esta circunstancia se extrema los
volúmenes de la cámara serán mayores y por lo tanto las presiones al interior del pistón
(figura 4) disminuyen lográndose menor potencia.
Por lo anterior se concluye que a mayores velocidades el proceso de combustión
empeora, las presiones y temperaturas logradas son menores por lo tanto las potencias
obtenidas de igual manera decrecen, generando que el comportamiento del motor
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empeore a mayores velocidades con respecto al ACPM, esto quiere decir que sus
valores máximos de Torque (figura 46) van a ser menores y se lograrán a menores
velocidades por eso el desplazamiento en la gráfica.
Figura 46. Comparación de las gráficas de Torque Obtenidas Experimentalmente
Otro aspecto relevante que influye en el retraso de la inflamación es el calor especifico
del combustible, de acuerdo a la tabla 2, el valor del Biodiesel es mayor que el del
ACPM, dado que en el proceso de vaporización se incide la cantidad de calor necesaria
para vaporizar el combustible, al tener un mayor valor para el Calor especifico es
necesario contar con un mayor tiempo para la inflamación. De otra parte, la viscosidad
del combustible incide en la pulverización del mismo, al tener un mayor valor, se
presenta mayor dificultad de romper y generar las gotas, por lo tanto la pulverización se
hace más lenta y sumado a un tiempo mayor de vaporización se genera un retraso en la
inflamación.
Ahora bien, tomando los valores obtenidos de las pruebas de consumo de combustible y
las propiedades especificadas para el PCI en la tabla 2, es posible apreciar que, de
acuerdo a la ecuación (16) la eficiencia térmica del motor a bajas revoluciones aumenta
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conforme se incrementa la concentración de Biodiesel en la mezcla. Tomando para el
ACPM; eg = 267 gr/kWh, para el B20; eg = 260 gr/kWh, y para el B40; eg = 254
gr/kWh, es posible concluir que en comparación con la eficiencia para el ACPM, ésta se
incrementa de acuerdo a la mezcla, llegando al 13.0% par el B20 y al 15.6% para el
B40. Lo anterior demuestra que el proceso de combustión mejora al emplear las
mezclas de Biodiesel, esto, debido a su mayor contenido de oxigeno.
Otro aspecto relevante que vale la pena anotar, es la evidente disminución de emisiones
de material particulado que se presenta al incrementar el contenido de Biodiesel en la
mezcla; evidenciando la mezcla B20 una disminución del 10% con respecto al ACPM y
el B40 del 12%. Nuevamente es necesario mencionar la ventaja que presenta este
biocombustible en cuanto al contenido de oxigeno en sus moléculas, puesto que, debido
a esto, se mejora el proceso de combustión mitigando la tendencia de éste a la
generación de carbonilla.
Es así como se presentan una serie de ventajas técnicas que posibilitan el uso de este
combustible en los motores Diesel, con una ligera variación en el regulador para lograr
optimizar su funcionamiento. Sin embargo, no se puede ser ajeno a la viabilidad
económica que trae consigo la producción de este combustible a nivel macro.
Es bien sabido que la situación del país entorno a la producción del combustible Diesel
no es satisfactoria, puesto que, las reservas probadas de hidrocarburos están
disminuyendo. Por el contrario, la producción de aceites vegetales como el Aceite de
Palma está alcanzando niveles relativamente altos, que despiertan el interés de
investigadores a incursionar en su uso ó el de sus derivados en los motores Diesel.
El Biodiesel, ofrece una ventaja bastante importante sobre el Aceite de Palma crudo, a
la hora de pensar en su implementación en los motores Diesel, y, es su fácil adaptación
a las tecnologías actuales, es decir, para las condiciones de Bogotá, el implementar el
Aceite de Palma crudo acarrearía la adecuación de sistemas adicionales a los motores
existentes, mientras que, en el caso del Biodiesel su implementación se haría de manera
más sencilla sin necesidad de ninguna modificación severa en el motor.
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No obstante, en la actualidad no existe una Planta adecuada de tal manera que permita la
producción de Biodiesel a gran escala, lo que conlleva a costos extremadamente altos en
comparación con los combustibles fósiles, dificultando su fácil adaptación al mercado
de los combustibles, relegando su función a una de carácter netamente experimental.
5.1. Conclusiones
El trabajo realizado durante el desarrollo de este proyecto de grado logró la
implementación de una instalación confiable y estable, para llevar a cabo ensayo en
motores.
En general el comportamiento del proceso de combustión, reflejado en el
desempeño del motor, fue estable, tanto para el ACPM como para las mezclas B20
y B40, siendo mejor en los dos últimos con incrementos en la eficiencia del 13% y
15% respectivamente.
En cuanto a los valores máximos de Torque y potencia, se evidenció lo encontrado
en estudios previos, en relación a que se presenta una disminución de estos valores
al emplear Biocombustibles, este caso Biodiesel. No obstante, para las pruebas
realizadas se obtienen respuestas positivas en lo que respecta al consumo específico
de combustible e igualmente a las emisiones de material particulado.
Una de las principales ventajas al implementar este tipo de combustible es
ambiental, puesto que, el problema de contaminación atmosférica cada día agobia
con mayor intensidad a las ciudades. En este sentido, se logró determinar una
disminución del 11% para la mezcla B40 y de un 8% para la de B20 en comparación
con el ACPM, lo que otorga un atractivo adicional a las mezclas con mayor
contenido de Biodiesel.
El Biodiesel representa una excelente alternativa, desde el punto de vista
tecnológico y ambiental, no obstante su implementación masiva aún depende de
lograr métodos de producción menos costosos.
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5.2. Sugerencias y Recomendaciones
El objetivo del presente trabajo era probar el desempeño a nivel local de las mezclas
de Biodiesel y de esta manera establecer la viabilidad y dar una primera
aproximación a las ventajas ó desventajas de estos en términos del comportamiento
del motor. Sin embargo, es necesario revisar más a fondo las variables que influyen
en el proceso de Transesterificación, pues es cierto que existe un potencial en cuanto
a la producción de aceite de Palma en el país, pero se desconocen los efectos de
implementar este proceso en una escala macro.
Los resultados arrojaron una disminución en las emisiones de material particulado,
sin embargo se hace imperativo realizar un estudio tendiente a identificar el tipo de
emisiones propias del motor Diesel al operar con mezclas de Diesel – Biodiesel,
puesto que, de acuerdo a la bibliografía consultada, al haber un incremento en el
contenido de oxigeno del combustible, la temperatura en la cámara se hace mayor
propiciando la formación de Nox, Condición que debe ser comprobada bajo las
características atmosféricas de Bogotá.
El estudio aquí realizado se concentró en observar, determinar y analizar los
parámetros efectivos del motor y de esta manera lograr reflejar para cada una de las
mezclas el comportamiento del proceso de combustión. No obstante, es necesario
indagar a fondo las desventajas que presenta el Biodiesel, en cuanto al
envejecimiento y la baja calidad de la materia prima y del proceso de obtención,
puesto que, investigaciones previas han logrado determinar que estos factores
promueven la formación de ácido acético y fórmico, que atacan los componentes del
sistema de inyección, por esta razón y por cuestiones de garantía, los fabricantes de
automóviles tanto Europeos como americanos solo recomiendan el 5% de contenido
de Biodiesel en las Mezclas.
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6. REFERENCIAS Benavides, Marco. A. Construcción de un dinamómetro hidráulico para disipar 100
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properties of biodiesel fuels on injection, combustion and exhaust emission characteristics in a direct injection compression ignition engine. 2002
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ANEXOS
Anexo 1. Catalogo del Fabricante “Motorenfabrik Hatz D-94099 Ruhntorf – Germany”
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Anexo 2. “Procedimiento de Muestreo de Emisiones por Filtración”.
1. ALMACENAMIENTO Y MANIPULACIÓN DE LOS FILTROS
Los filtros a ser utilizados son WHATMAN GF/A QM-A Quartz filters A-29706-12 47 mm (Recomendado), WHATMAN Glass Microfibre Filters, 934-AH. Cat. 1827047 47mm (Opcional), o equivalentes. Los filtros deben ser almacenados en su caja original, en un lugar fresco y seco. Cualquier manipulación de los filtros debe ser llevada a cabo con pinzas metálicas o plásticas, preferiblemente sin ranuras y sin puntas que puedan perforar los filtros. Por ningún motivo los filtros deben ser tocados directamente con los dedos.
Para los filtros con muestras que tienen como objetivo análisis químico, los filtros deben ser almacenados a 4°C o menos después de su pesaje.
2. MARCA DE LOS FILTROS
Antes de acondicionar los filtros, debe decidirse el código de identificación para marcar los filtros, de acuerdo con el diseño de experimentos definido.
La marca de los filtros puede llevarse a cabo de dos maneras:
a. Directa. Por el lado menos rugoso del filtro, marque el filtro con su código de identificación, usando un lápiz negro blando, cuya punta no debe estar afilada, para evitar perforar el filtro.
b. Indirecta. Asigne y guarde cada filtro de muestreo en una caja Petri de vidrio (recomendado) o plástico (opcional). Marque la caja con el código de identificación del filtro, sea con marcador o sticker.
Incluya dentro del diseño experimental un filtro blanco por cada jornada o grupo de muestreo.
3. ACONDICIONAMIENTO DE LOS FILTROS
Prepare un desecador para el almacenamiento de los filtros, usando una solución o sílica gel que garantice una humedad constante de 30-40%, con una variación máxima de ±5%. Almacene los filtros en el desecador, sea en un soporte que los mantenga separados uno de otro sin dar lugar a confusión en su identificación, o en sus cajas Petri semiabiertas, durante un periodo de 24 a 48 horas antes de su pesaje. Conserve el desecador en un cuarto a temperatura constante de 20 ± 2°C. La humedad NO debería ser menor al 30%.
Siga el procedimiento anterior tanto antes como después del muestreo de material particulado. Registre la temperatura y humedad del cuarto de acondicionamiento y/o del desecador en el cuaderno de laboratorio.
4. PESAJE DE LOS FILTROS
Después de acondicionar los filtros en el desecador, péselos en una balanza de alta precisión (± 0.0001g o ± 0.00001g) hasta peso constante, preferiblemente sin que demore más de 2 minutos en la estabilización. Registre el peso de cada filtro frente a
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su respectiva identificación en el cuaderno de laboratorio. La balanza debe estar nivelada, en una superficie limpia y libre de vibración, fuera del efecto de corrientes de aire y conectada a tierra para minimizar la estática. Debe permanecer siempre encendida. El desecador y la balanza deben permanecer en la misma habitación durante el acondicionamiento y el pesaje. El pesaje debe ser llevado a cabo en la misma balanza antes y después del muestreo, preferiblemente por el mismo analista.
Entre el pesaje y el muestreo, y entre el muestreo y el segundo pesaje, no deben pasar más de 10 días. Registre temperatura y humedad del momento de pesaje en el cuaderno de laboratorio.
5. MUESTREO DE MATERIAL PARTICULADO
Se usará el equipo de muestreo de material particulado de la Universidad de Los Andes.
a) Encendido y purga: Coloque un filtro de purga (no pesado) en el portafiltros. Encienda el equipo sin conectarlo al sistema de escape del vehículo y permita que se caliente durante unos diez minutos. Esto permitirá también filtrar cualquier material particulado resuspendido de la sonda de muestreo. Confirme, con un cronómetro, la duración del muestreo preprogramada y registre este dato. Si la duración preprogramada no está de acuerdo con sus objetivos, reprograme el timer y compruebe de nuevo. Al final, retire el filtro de purga.
b) Muestreo: Conecte la sonda de muestreo, manteniendo la bomba apagada. Retire el filtro de muestreo del desecador y colóquelo en el portafiltros utilizando pinzas y con el cuidado necesario para evitar cualquier daño del filtro. Asegure los o-rings y cierre bien el portafiltros. Asegure la condición de operación deseada en el motor u horno y active la bomba de vacío y el timer. Verifique que el flujo de gas leído en el flujómetro sea de 5 L/min y que no tenga variaciones apreciables, y registre la verificación frente a la identificación del filtro. Cuando el timer apague la bomba automáticamente, abra el portafiltros y retire el filtro, devolviéndolo al soporte o caja Petri correspondiente en el desecador. Si desea, verifique el tiempo de muestreo con un cronómetro. Registre la condición de operación del motor u horno frente a la identificación del filtro en el cuaderno de laboratorio.
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6. DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE MATERIAL
PARTICULADO EN LA EMISIÓN
Una vez se tengan los datos de pesaje de los filtros antes y después del muestreo, determine el peso del material particulado por diferencia de los pesos y registre frente a la identificación del filtro correspondiente. Calcule el volumen de gas filtrado multiplicando el flujo leído en el flujómetro por el tiempo de muestreo y registre el resultado. Para reportar los resultados en condiciones estándar, corrija el volumen por presión y temperatura. Determine la concentración de material particulado dividiendo la diferencia de peso del filtro, convertido a microgramos (µg) entre el volumen de gas filtrado, y registre.
Referencias relacionadas FILTER CONDITIONING AND WEIGHING FACILITIES AND PROCEDURES FOR PM REFERENCE AND CLASS I EQUIVALENT METHODS 2.5. http://www.epa.gov/ttn/amtic/files/ambient/pm25/qa/balance.pdf
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Anexo 3. Datos de las Gráficas de Torque y Potencia para el Diesel
Premium 2 Filtrado.
VELOCIDAD (RPM)
TORQUE (N*m)
POTENCIA (W)
1519 15 2385 1550 15 2450 1581 15 2515 1612 15 2598 1643 15 2631 1674 15 2715 1705 15 2765 1736 16 2833 1767 16 2884 1798 16 2953 1829 16 3022 1860 16 3074 1891 16 3125 1922 16 3196 1953 16 3247 1984 16 3299 2015 16 3371 2046 16 3422 2077 16 3473 2108 16 3525 2139 16 3577 2170 16 3629 2201 16 3682 2232 16 3734 2263 16 3763 2294 16 3814 2325 16 3842 2356 16 3893 2387 16 3920 2418 16 3946 2449 15 3971 2480 15 3996 2511 15 4020 2542 15 4038 2573 15 4066 2604 15 4097 2635 15 4122 2666 15 4166 2697 15 4214 2728 15 4219 2759 15 4270 2790 15 4308 2821 15 4317 2852 15 4350 2883 14 4354
VELOCIDAD
(RPM) TORQUE
(N*m) POTENCIA
(W) 2914 14 4349 2945 14 4369 2976 14 4375 3007 14 4407 3038 14 4423 3069 14 4438 3100 14 4437 3131 14 4447 3162 13 4399 3193 13 4453 3224 13 4418 3255 13 4457 3286 13 4467 3317 13 4385 3348 12 4379 3379 12 4360 3410 12 4364 3441 12 4376 3472 12 4336 3503 12 4330 3534 12 4295 3565 11 4284 3596 11 4244
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Anexo 4. Datos de las Gráficas de Torque y Potencia para la Mezcla
B20
VELOCIDAD
(RPM) TORQUE
(N*m) POTENCIA
(W) 1641 15 2592 1671 15 2654 1701 15 2703 1732 15 2766 1762 15 2818 1792 15 2871 1823 15 2919 1853 15 2977 1884 15 3015 1914 15 3079 1944 15 3126 1975 15 3178 2005 15 3225 2035 15 3272 2066 15 3316 2096 15 3350 2127 15 3388 2157 15 3428 2187 15 3472 2218 15 3509 2248 15 3556 2279 15 3600 2309 15 3634 2339 15 3672 2370 15 3703 2400 15 3735 2430 15 3765 2461 15 3785 2491 15 3823 2522 15 3857 2552 14 3875 2582 14 3895 2613 14 3884 2643 14 3909 2673 14 3933 2704 14 3950 2734 14 3975 2765 14 3983 2795 14 4006 2825 14 4027 2856 13 4037 2886 13 4063 2916 13 4082 2947 13 4090 2977 13 4096
VELOCIDAD
(RPM) TORQUE
(N*m) POTENCIA
(W) 3008 13 4102 3038 13 4118 3068 13 4103 3099 13 4116 3129 13 4119 3160 12 4125 3190 12 4100 3220 12 4121 3251 12 4101 3281 12 4097 3311 12 4108 3342 12 4062 3372 12 4064 3403 11 4015 3433 11 3997 3463 11 3980 3494 11 3937 3524 11 3930 3554 10 3846 3585 10 3813 3615 10 3796
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Anexo 5. Datos de las Gráficas de Torque y Potencia para la Mezcla
B40
VELOCIDAD (RPM)
TORQUE (N*m)
POTENCIA (W)
1494 14 2196 1524 14 2245 1554 14 2306 1584 14 2348 1614 14 2419 1644 14 2468 1674 14 2534 1703 14 2588 1733 15 2642 1763 15 2706 1793 15 2754 1823 15 2810 1853 15 2871 1883 15 2939 1913 15 2973 1942 15 3029 1972 15 3092 2002 15 3124 2032 15 3176 2062 15 3214 2092 15 3267 2122 15 3286 2152 15 3354 2182 15 3405 2211 15 3425 2241 15 3496 2271 15 3486 2301 15 3525 2331 15 3567 2361 15 3599 2391 14 3593 2421 14 3633 2450 14 3665 2480 14 3689 2510 14 3727 2540 14 3767 2570 14 3793 2600 14 3830 2630 14 3853 2660 14 3869 2690 14 3894 2719 14 3914 2749 14 3928 2779 14 3952 2809 13 3971
VELOCIDAD
(RPM) TORQUE
(N*m) POTENCIA
(W) 2839 13 3993 2898 13 4050 2899 13 4032 2929 13 4036 2959 13 4055 2988 13 4064 3018 13 4036 3048 13 4065 3078 13 4072 3108 13 4079 3138 12 4063 3168 12 4062 3198 12 4050 3227 12 4054 3257 12 4016 3287 12 3976 3317 11 3989 3317 11 3949 3347 11 3963 3377 11 3938 3407 11 3884 3437 11 3805
