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Combustibles alternativos en motores de Ingeniería Industrial n.° 32, enero-diciembre 2014, ISSN 1025-9929, pp. 199-
combustión interna
Juan Carlos Goñi Delión
Mario Rojas Delgado
Universidad de Lima. Lima, Perú
Recibido: 30 de abril de 2014 / Aprobado: 26 de junio de 2014
RESUMEN:
Este artículo explica el efecto de mezclas de combustible con-
vencional con mayor concentración de biocombustible en motores de com-bustión interna. Los parámetros de operación de un motor de combustióninterna fueron medidos mediante un freno de corrientes parásitas y equipoauxiliar. Se hicieron pruebas con mezclas de gasolina-alcohol carburanteen un motor de ciclo Otto y de petróleo diésel-biodiésel en un motor de cicloDiesel. Los resultados de la medición de
los parámetros fueron analizados
y se concluyó que un mayor contenido de biocombustible en las mezclasproduce leve efecto en los valores de los parámetros del motor. Palabras clave: petróleo diésel / gasolina / biocombustible / motor^ Alternative fuels in internal combustion engines ABSTRACT:
This paper explains the effect of blends of conventional fuel with
higher concentration of biofuel in internal combustion engines. The ope-rational parameters of an internal combustion engine were measured bymeans of a parasitic current brake and auxiliary equipment. Tests weremade with blends of gasoline-carburetting alcohol in an Otto cycle engine;and with blends of fuel oil-biodiesel, in a Diesel cycle engine. The resultsof the measurement of the parameters were analyzed, and the conclusionwas that a higher concentration of biofuel in blends produces slight effectin the engine parameter values. Key words: fuel oil / gasoline / biofuel / engine 1 Este artículo se basa en los resultados de la investigación “Combustibles alter-nativos en motores de combustión interna de cilindrada entre 1,200 y 2,000centímetros cúbicos”, que fue realizada durante el año 2012, mediante el patro-^ !"!#$%&'$(")!+#$%&$(",&)!-. !/"$0!&"*12 .$%&$'.$3"!,&4)!%.%$%&$5!6.7 *^ Correos electrónicos: jgoni@ulima.edu.pe, mrojas@ulima.edu.pe.
Ingeniería Industrial n.
o^ 32, 2014 Juan Carlos Goñi Delión, Mario Rojas Delgado 1. 200 INTRODUCCIÓN1.1 Biocombustibles Se denominan biocombustibles a los combustibles que se obtienen apartir de biomasa, mediante un proceso sostenible. Los llamados bio-combustibles de primera generación suponen la existencia de otro tipode biocombustibles, denominados biocombustibles de segunda genera-ción, actualmente en desarrollo.^ 8!$9!&"$"#$&:!)&$+".$%&2"! !/"$ '.4.$.'$4&);& #<$)&$&"!&"%&$=+&$ los biocombustibles de primera generación son aquellos que se pro-ducen a partir de materias primas convencionales, reducen emisio-nes de gases de efecto invernadero en relación con los combustiblesfósiles, tienen presencia en el mercado, son muy importantes para eldesarrollo de nuevas generaciones de biocombustibles y se producensosteniblemente.Para la obtención de biocombustibles se utilizan también insumosempleados para la alimentación humana, lo cual ha generado preocu-pación y críticas por parte de la población, debido a que esto puedegenerar el encarecimiento de los alimentos.El ingreso en el mercado de biocombustibles de primera generaciónmezclados con combustibles de origen fósil, a pesar de su mayor precio,ha motivado su comercialización, lo cual ha permitido lograr una me-nor contaminación atmosférica, la cual también depende de la materiaprima empleada para la fabricación del biocombustible y del tipo deproducto obtenido.Para la existencia de los biocombustibles de segunda generación hasido necesario que primero existan los biocombustibles de primera ge-neración; y se ha logrado ya la coexistencia de ambas generaciones. Unrequisito obligatorio para la producción de cualquier tipo y generaciónde biocombustible es que este se produzca de una manera sostenible.Entre los principales biocombustibles de primera generación que sepueden producir sosteniblemente están el biodiésel, el bioetanol y elbiogás.^ >"$'.$.9'.$?$)&$6+&)4.$+"$4&@&4&" !.'$%&$ '.)!2. !/"$&".!,.$A$ la evolución actual de los biocombustibles.
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Combustible
Seguridad energética
Servicio de motor
Petróleo 3$4'+"(,=K(L(
C"(E+-F($.&-#)(+"(3$4'+"(,=K(L(3+(!:(1)G&(0&,#+,$3&(3+()<!;-+=
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Metanol^
Q@,$)( .-&3!00$8,?( 0&&( '!1R.-&3!0#&=
Fuente: US-DOE-FDC Alternative Fuels Data Center, 2011.Elaboración propia. 1.3 Evolución de la generación de gases de efecto invernadero (GEI) 5#)$ -.)&)$ %&$ &@& *#$ !",&4".%&4#$ )&$ %&2"&"$
60&,#$,!)0$8,9 de la atmósfera, de origen natural y antropogénico, que absorben yemiten radiación en determinadas longitudes de ondas del espectro de $4.%!. !/"$!"@4.44#B.$&6!!%#$;#4$'.$)+;&42 !&$%&$'.$C!&44.<$'.$.6/)@&4.<$
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y las nubes.
Esta propiedad causa el efecto invernadero. El vapor de
agua (HO), el dióxido de carbono (CO^2
), el óxido nitroso (NO 2
), el meta- 2
no (CH) y el ozono (O^4
) son los principales gases de efecto invernadero 3
en la atmósfera terrestre.En la tabla 3 se observa la evolución creciente de emisión de gasesde efecto invernadero entre el 2005 y el 2008, luego desciende el 2009con el inicio del uso de gasohol, DB2 y DB5, y desde este año aumen-ta en proporción al crecimiento del parque automotor entre los años2010 y 2012.
;8-!/&$'()+)6"#+#)+)+<+&0-)$(8+2("+2-)+()+!)=+2>5*^ en el periodo 2005-2012 (kt CO
+?@A 2
BC-^2005
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Magnitud^
STU?VLW^ SXU?UXS
SXV?YLT^
SXZ?VZV^ SWV?UZT
SWZ?YZ[^
STS?YVU^ STT?[[V
Fuente: Minam, Sinia, 2013.Elaboración propia. 1.4 Objetivo y justificación El objetivo general del trabajo de investigación fue la evaluacióncomparativa del uso de mezclas de combustibles convencionales ycombustibles alternativos en motores de combustión interna, respectode sus parámetros de funcionamiento.^ D.4.$ *.'$ 2"$ )&$ ;4&;.4.4#"$ '.)$ 6&E '.)$ %&$ -.)#'!".F.' #G#'$ .49+
rante y de petróleo diésel n.
o^ 2-biodiésel, para realizar en un banco de
pruebas las mediciones de régimen, torque, potencia, consumo de com- 9+)!9'&$A$%&&46!". !/"$%&$'.$&2 !&" !.$%&'$6#*#47^ La evaluación ha considerado las funciones (relaciones): consumo- *#4=+&<$^
#")+6#F;#&" !.<$ &2 !&" !.F#4=+&<$ &2 !&" !.F;#*&" !.<$ &
!&" !.F #")+6#$A$&2 !&" !.F4H-!6&"7$8&$ #")!%&4.4#"$ #6#$'1"&.$9.)&$ los libros de Rojas et al. (2006) y Goñi (2009).La investigación se sustenta en el ensayo de
mezclas de combus-
tibles derivados del petróleo con una mayor cantidad de biocombusti-bles, para reducir la emisión de gases de efecto invernadero causantesdel cambio climático en el planeta (véase la tabla 3).
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2.^ MEDICIÓN EXPERIMENTAL DE LA POTENCIA DE UN MOTOR Y SUSPARÁMETROS
TÉCNICOS
DE^ FUNCIONAMIENTO,
MEDIANTE
EL
USO DE COMBUSTIBLES SELECCIONADOS a) Se planteó hacer la medición de datos experimentales en un ban-co de pruebas dinamométrico para motores de combustión interna !"#$%&'#&()*+#&,-.&
Figura 2
!"#$"%"&'!%()!*+",-&,.)&'!'/.%"&,.&.0'"1-&,.&%-/-$.'&,.&+-%23'/!40&!0/.$0" Fuente: GUNT (2007).Elaboración propia. b) Se planteó preparar las mezclas de combustibles que se van a en-sayar en el motor de ciclo Otto (Mezclas G95EZ) y para el motor deciclo diésel (mezclas DBX). A través del apoyo de Osinergmin, seestimaron los contenidos de alcohol carburante y biodiésel, respecti-vamente (véanse las tablas 4 y 5).
Motor^
Pantalla Computadora
3-+,%.+/'4^ de gases
Freno^
5+*,!4'/!(0'-&4', Software^65788
Gases Aire 0'1*
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7.)"+!40&,.&%.8+)"'&9:;<=&.0'"1","' >-0/.0!,-&,.&")+-?-)&+"$23$"0/.&@")+-?-)&,.'0"/3$")!8",-A
B.8+)"&0-%!0")@9:;<=A
C)+-?-)&+"$23$"0/.&@D&E-)3%.0&1&%"'"&%.,!,-'AD&F-)G&H-%!0GIB.,!,-I
!J.$G^ D&F-)G&
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G95E^
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Elaboración propia.
Tabla 5 &7.)"+!40&,.&%.8+)"'&@
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>-0/.0!,-&,.&2!-,!M'.)&@.'/.$&%./N)!+-&,.&O+!,-&#$"'-IPCB<QAB.8+)"&0-%!0")@ KLA
K!-,!M'.)&@D&F-)3%.0&%.,!,-A
Registro 1^
Registro 2^
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* Fatty Acid Methyl Ester.Elaboración propia. c) Se planteó determinar régimen, torque, potencia, consumo de com- /$01/'%& 2& %(31%431#& 5#+#& '#$& 5+%/#$& 6%& '#& 7%83'#& 9:;<=& %4& %'& motor de ciclo Otto, marca Ford, de 1,400 centímetros cúbicos; ylas mezclas DBX en el motor de ciclo Diésel, marca Volkswagen, de1,800 centímetros cúbicos (véase la tabla 6).
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5"2)"&Y^ S$-/-+-)-&,.&/-%"&,.&,"/-'&.Z(.$!%.0/").'&.0&.)&2"0+-&,.&($3.2"'&@XWVXA
6'-/%0%'-!$(+1*%!-&+,!$ @5-$^3.&$.+-%.0,"2).&XW_&RW_&6W&HG%A ( & ( & ( ( ( ( ( ( &&&&B-/-$&&&&&&I&I&I&&&&&&&<0'"1-&HG[&\\&&&P.+?"]&\\& (
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b^ Pot^ JQWLe 5 JV91LK 5 JV91LB 5 JV91L R1%-L agua^3 a V^ (m aire R1%-L a^3 V^ (m c a m^ JQORSL de Gases^ !$0+"! 30!%&!^ de aireEntrada5!1"!4+&24+$(J_6LdeaguaSalida Entradade agua n^ J4"1L
Elaboración propia.
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3.^ RESULTADOS EXPERIMENTALES CORRELACIONADOS Y DISCUSIÓN3.1 Resultados y discusión de ensayos de mezclas G95Z en el motorde ciclo Otto En la tabla 8 se presentan los resultados y la discusión de las corre-laciones de los parámetros indicados según los datos experimentalesobtenidos para las mezclas G95Z, los cuales han sido obtenidos con elbanco de pruebas para el motor de ciclo Otto.
5"2)"&`
!'+3'!40&,.&$.'3)/",-'&("$"&%.8+)"'&9:;=&.0&%-/-$&,.&+!+)-&U//- Relación deparámetrosdel motor
Motor de ciclo Otto 9:;<YG`^
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6'-$21'A&'4U2!
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Elaboración propia.
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3.3 Comparación con trabajos similares En el ámbito nacional no se conocen referencias de pruebas con mez-clas de gasolina con bajo contenido de azufre y alcohol carburante nicon mezclas de petróleo diésel de bajo contenido de azufre y biodiésel, 6%/16>&#&?%&'#$&+%(4%+@#$&'>3#'%$&4>&'#$&5+>63%4.&A'&+%$5%30>B&3#/%& citar resultados de pruebas de campo hechas en Colombia, con motoresde ciclo Diésel, empleando mezclas de petróleo diésel y biodiésel enbuses y camiones.En Colombia se han desarro-llado pruebas en buses y camiones, em-pleando biodiésel de primera generación. En la tabla 10 se muestranalgunos resultados de estas pruebas, lo que refuerza la posibilidad dehacerla en el futuro con mayor contenido de biodiésel.
Tabla 10 7.'3%.0&,.&)"'&($3.2"'&$.")!8","'&+-0&%.8+)"'&
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Características
B.8+)"'&($-2","'
Conclusión
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02,+/'$( /!,( '"!4+/'4( =C<<(/!,($%$&!1+(54+-$1%,!-%'(!-(G'O'&g
G=E(^ GC8E(GF8E^ GD8E^
>$&!( 0'12$&%,!( !0',#O%0'( $!("2!/!(%-0'4"'4+4(+(T!S[02,'$(+(G=8/%N$!,(!-(1!.0,+$(/!(=YE(C8YE(F8YE(D8Y()(S+$&+(=8YE($%-("4'
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G=()(^ GC^
52T'( 2-( *2!-( /!$!1"!f'( 0'
Fuente: Ecopetrol-Cenipalma-Fedepalm (2012).
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o^ 32, 2014 Juan Carlos Goñi Delión, Mario Rojas Delgado 3.4 Observaciones a) Comparativa de propiedades de los componentes de las mezclas de 212
combustibles ensayadas. Al observar las cifras de la tabla 11 de pro-piedades de los componentes de las mezclas, se puede aseverar losiguiente: C& <'&5>6%+&3#'>+@(3>&14D%+1>+& EFG-&6%&*4#&7%83'#&61"$%'H/1>61"$%'&^ y la de una mezcla gasolina-bioetanol desnaturalizado tiende adisminuir, según el porcentaje del respectivo biocombustible.–^ La densidad de una mezcla diésel-biodiésel y de una mezclagasolina-etanol tiende a elevarse, según el porcentaje del respec-tivo biocombustible.
Tabla 11 C)#30"'&($-(!.,",.'&,.&)-'&+-%(-0.0/.'&,.&)"'&%.8+)"'
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Fuente: US-DOE-FDC Alternative Fuels Data Center (2011).Elaboración propia.^ –^ La densidad energética volumétrica inferior (DEVI) de una mez-cla diésel-biodiésel y de una mezcla gasolina-bioetanol desnatu-ralizado tiende a disminuir, según el porcentaje del respectivobiocombustible.–^ El número de cetano de una mezcla diesel-biodiesel y el númerode octano de una mezcla gasolina-etanol tienden a aumentar,según el porcentaje del respectivo biocombustible.b) El primer trabajo de investigación de mezclas combustibles fósiles-biocombustibles, desarrollado en el Banco de Motores del Laborato-
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El régimen de trabajo de los motores de ciclo Diesel para la industriaautomotriz puede considerarse en alrededor de 1,500 rpm, con un girode 600 rpm inicial y un máximo promedio de 3,600 rpm.Los vehículos con motor de ciclo Diesel y tamaño de motor 1,800centímetros cúbicos, desarrollan 1,500 rpm y una carga de 40 Nm enservicio normal, lo cual representa el 35 % de su carga máxima a di-chas revoluciones. ;&$ "0%!"#%!&$ 1"$ +)4$ ) )'"4$ &$ <&4)+!#&$ =$ <&4).)+$ 93"1"$ ++"<&'$ a 32 %, lo que representa una elevada energía, pérdida de calor odesaprovechamiento elevado de la energía entregada por el combustible. >4 &$ "#1"#%!&$"#$+&$"0%!"#%!&$4"$&# 3/)$"#$+&4$1!6"'"# "4$":%+&4$1"$ combustible y biocombustible ensayados. ?&'&$+&4$":%+&4$1"$1!@4"+A2!)1!@4"+$+&$"0%!"#%!&$++"<7$&$BC$D8$E3"$"4$ un valor bajo de aprovechamiento de energía, sin embargo, es superiora los motores de ciclo Otto. Se concluye que los motores de encendido 9)'$ %)9'"4!7#$ 4)#$ (4$ "0%!"# "4$ E3"$ +)4$ ) )'"4$ 1"$ "#%"#1!1)$ 9)'$ chispa. ;&$"0%!"#%!&$1"$+)4$) )'"4$1"$%)234 !7#$!# "'#&$#)$"4$%)#4 &# "8$ y aumenta con el incremento de la carga o torque, hasta llegar a un /&+)'$(F!)$=$+3"<)$+&$ "#1"#%!&$&$1"4%"#1"'$4!<#!0%& !/&"# ", Se observa que el incremento del consumo de combustible es mayoren los motores de ciclo Otto que en los motores de ciclo Diésel ante elaumento de carga o par motor, y conservando las rpm constantes. El %)"0%!"# "$1"$"F%"4)$1"$&!'"$)$/&+)'$+&21&$"#$+)4$) )'"4$1"$%!%+)$G
es menor que la unidad, lo que hace una mezcla rica en la combustióny un mayor consumo.Las emisiones contaminantes en los motores de ciclo Otto que fun-cionan con mezcla de alcohol carburante son menores que con gasolinapura. La molécula de los alcoholes contiene oxígeno y esto favorece laproducción de vapor de agua en los gases de escape.Como la relación estequiométrica de combustión del alcohol carbu-rante es menor (9.4 kg aire/kg de alcohol), la mezcla G95EZ requeriráde menor cantidad de aire para su combustión completa. El combusti-ble fósil tiene una relación estequiométrica de 14.7 kg aire/kg de com-bustible; es decir, para igual consumo de combustible, el alcohol carbu-rante requiere un volumen de cilindrada menor en el motor.
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El alcohol carburante tiene un número de octano más elevado quelas gasolinas, lo que incrementa su poder antidetonante. Este factorpermite mejorar y elevar la relación de compresión de un motor que &3"# &#$43$9) "#%!&$=$"0%!"#%!&$4!<#!0%& !/&"# ",>+$ 9)1"'$ %&+)'50%)$ 1"+$ &+%).)+$ %&'23'&# "$ "4$ *"#)'$ E3"$ "+$ 1"$ +&4$<&4)+!#&48$ +)$ E3"$ '"9'"4"# &$ 3#&$ *"#)'$ 9) "#%!&$ "6"% !/&$ 0#&+,$ >4 "$ parámetro puede ser compensado con el incremento en la inyección decombustible al motor, que requiere de menor aire estequiométrico, o sepuede incrementar la relación de compresión del motor para mejorar 43$"0%!"#%!&, Los diferentes números de octano de las mezclas con alcohol car-burante no representan una limitación técnica en los motores, pues eladelanto de chispa según el número de octano puede ser regulado conla unidad de control del motor.Se están realizando proyecciones para experimentar con un por-centaje de hidrógeno/oxígeno a inyectar en la mezcla aire-gasolina. Lageneración de hidrógeno se da con una celda electrolítica, que recibecarga eléctrica por medio del alternador del motor.Finalmente, se concluye que al incrementar en las mezclas actualesG95E7.8 y DB5 el contenido de biocombustible a 10 y 12 % en volumen,las nuevas mezclas ensayadas presentaron solo un leve efecto en losvalores de los parámetros del motor. 5. CONCLUSIONES RESPECTO AL EXAMEN GRÁFICO DE FUNCIONESDE TENDENCIA DE LOS RESULTADOS DE LAS MEZCLAS G95E12 YDB12 PROBADAS EN EL LABORATORIO En este inciso, se muestran como ejemplo de todos los ensayos, losresultados de las pruebas realizadas con las mezclas de biocombusti-bles gasolina-alcohol carburante (G95E12) y petróleo diésel-biodiésel(DB12). El banco de pruebas para motores de combustión interna conun freno de corrientes parásitas acoplado tiene la opción de montar unmotor de ciclo Diésel o uno de ciclo Otto, según sea el caso.Cada prueba ha comprendido aproximadamente 16 registros o más,para obtener la correlación de cuatro puntos promedios para la varia-ble independiente. En algunos casos fueron cinco puntos.
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La segunda curva muestra el consumo de combustible en kg/h enfunción de la potencia efectiva entregada por el eje cigüeñal, en kW. Latendencia del consumo de combustible es de un incremento levementeparabólico.
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Elaboración propia.
n = 2050 rpm 20(3,4,56789,:;<0(3,4,=!!,(30>,4,8?,@
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;&$ "'%"'&$%3'/&$3"4 '&$+&$"0%!"#%!&$"6"% !/&$1"+$) )'$"#$63#%!7#$1"+$ )'E3"8$ %)#$ 3#&$ "#1"#%!&$ 9)+!#7*!%&$ .&%!&$ "+$ BI$ D$ 1"$ "0%!"#%!&$%)#4 &# ",$ J3)$ +&$ %&'<&$ "4$ %"')8$ +&$ "0%!"#%!&$ "4$ %"')8$ 93"4$ #)$ 4"$ transmite potencia ni torque; pero el motor consume combustible parasu funcionamiento.
Figura 5 8=3!.3!%&-.$+#+&/)$0#.&567&89:*
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