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INTRODUCCIÓN
Entre los factores que influyen en el comportamiento del motor por la combustión (usando biodiésel) se encuentra el tiempo de inyección, la materia prima del biodiésel, tipo de motor y condiciones de operación [1], las propiedades de la alta viscosidad del biodiésel generan reducción de potencia, independientemente del tipo de materia prima utilizada [2]. De acuerdo con Hansen et al. [3], un valor calorífico más bajo no es el único factor que puede reducir la potencia y el par del motor, también hay otros factores, como la densidad y la viscosidad, por lo que una atomización más baja, generada por una mayor viscosidad, puede reducir la capacidad de combustión y reducir su potencia [4]. Además, una mayor lubricación del biodiésel reducirá la pérdida por fricción y, en consecuencia, se mejora la potencia, junto con el par del motor [5]. La reducción de hollín y óxidos de nitrógeno (NOx) se puede lograr a través de algunas técnicas, tales como: quemadura pobre, la recirculación de los gases de escape, el retardo del tiempo de ignición, inyección dividida (inyecciones múltiples), adición de metanol y procesamiento catalítico [6]. La metodología empleada es de revisión bibliográfica, la cual tiene como objetivo analizar la posibilidad de que el biodiésel sea realmente un combustible adecuado en la combustión y rendimiento en el motor diésel, conociendo sus ventajas y desventajas.
RELACIÓN DEL PORCENTAJE DE DOSIS DEL BIOCOMBUSTIBLE
Una mezcla de hasta el 20 % de biodiésel con diésel funciona bien sin ninguna modificación en el motor [7]. En la tabla 1 se puede observar la relación del porcentaje de dosis del biodiésel en distintas pruebas.
CONDICIONES DE CARGA APLICANDO BIODIÉSEL
En condiciones de carga (cantidad de mezcla en la cámara antes de su combustión) parcial, el CO aumenta; sin embargo, a mayor carga; la concentración de NOx es menor en comparación con el funcionamiento normal de un motor diésel [18]. La emisión de HC del biodiésel puro se reduce comparándolo al biodiésel en baja carga, por el contrario, la emisión de HC de biodiésel puro es más que la del combustible biodié-sel a media y alta carga; algunos factores que influyen en las condiciones de carga son la atomización, la mezcla de aire, el combustible y la adecuada ignición [19]. El porqué es importante la concentración del oxígeno en la mezcla, lo explican Roy et al. [20], quienes indican que el factor clave para reducir las emisiones de CO del biodiésel está asociado con la presencia del contenido del oxígeno en las mezclas para una combustión completa [21]. Sin embargo, Cacua et al. [22] pudieron demostrar que el aumento del oxígeno puede ayudar a mejorar la estabilidad para la combustión, acortando el periodo de encendido y mejorando la velocidad de combustión. Por otro lado, Miyamoto et al. [23] señalaron que la reducción de las emisiones de escape y la eficiencia térmica dependían totalmente del contenido de oxígeno del biodiésel, independientemente de las relaciones de mezcla o el tipo de oxigenado.
Funcionamiento del motor en cargas bajas con biodiésel
En cargas más bajas, el combustible dual sufre una baja eficiencia térmica y mayores porcentajes de combustibles sin quemar [18]; bajo condiciones de carga baja, el rendimiento del motor de combustible dual se deteriora en comparación con la operación del diésel normal; bajo estas condiciones, la mezcla se convierte demasiado magra, por lo que se quema muy lentamente, y esto resulta en una menor eficiencia térmica [24]. Corsini et al. [25] al estudiar el comportamiento del diésel multi-jet utilizando aceites vegetales (aceites de colza), concluyeron que en menores cargas se genera una pérdida de potencia, debido a su mayor densidad y viscosidad del aceite vegetal y con el tiempo puede incrementar las emisiones de HC.
Funcionamiento del motor en cargas altas con biodiésel
El biodiésel aplicado en modo de combustible dual mejora la calidad de la combustión, particularmente en altas cargas del motor [26] (tabla 2); en el caso del aceite de residuo de plástico sufre un drástico aumento de la emisión de CO a cargas más altas, el cual se debe a un mayor consumo de combustible (combustión incompleta) y a la reducción de la temperatura en el cilindro [27]; en la tabla 3 se puede observar el comportamiento del motor con el aceite de residuo plástico. Se han investigado y propuesto soluciones para mejorar la carga parcial en el combustible parcial, como la aceleración de la carga de aire de admisión [28], el aumento de la presión de aire de admisión [29], la temperatura [30], la cantidad controlada y el tiempo de inyección del piloto [31], [32] o flujo y temperatura controlada de EGR (figura 1) [33], [34].
TABLA 3 RENDIMIENTO DEL MOTOR APLICANDO ACEITE DE PLÁSTICO RESIDUAL (WPO) COMPARÁNDOLO CON DIÉSEL CONVENCIONAL
| Tipo de rendimiento | Condiciones de operación | Referencia |
|---|---|---|
| El BSFC fue menor y el BTE aumento | Motor diésel, 4 tiempos, inyección directa y velocidad constante de 15oo rpm | [39] |
| Tuvo menor BTE en condiciones de carga | Motor diésel, 4 tiempos, inyección directa, cilindro de doble enfriado con velocidad constante | [9] |
| Tuvo una disminución de BTE | Las eficiencias térmicas de la mezcla con WPO son bajas particularmente en plena carga | [40] |
| El BTE se redujo | Para todas las mezclas la eficiencia bajó junto con la presión del cilindro y tuvo un retraso de encendido más alto que el diésel | [41] |
| Leve caída del BTE debido al bioaceite | Motor CRDI de dos cilindros con EGR al momento de adicionar el bioaceite bajó su rendimiento | [42] |
Fuente: autores.
EFECTO DE LA INYECCIÓN DEL BIOCOMBUSTIBLE
La mayoría de los trabajos en motores alimentados con biodiésel hacen uso de los sistemas de inyección convencionales con PIO limitado hasta con 30o bar, lo que conduce a un BTE pobre y mayores emisiones. Estos inconvenientes pueden superarse utilizando diferentes estrategias de inyección, como puede ser los tamaños de los orificios de boquillas y cámaras de combustión compatibles [43]. La tecnología Common Rail Direct Injection (CEDI) es la tecnología más ampliamente utilizada para aumentar la eficiencia del combustible; muchos trabajos se han realizado con motores CRDI utilizado varios combustibles de biodiésel [44].
Desafortunadamente, por su mayor viscosidad y densidad, el biodiésel puede crear problemas al sistema de inyección Tesfa et al. [45] señalan que se reduce el rendimiento de la bomba de combustible en el encendido por compresión. El biodiésel tiene un contenido energético ligeramente menor que el diésel, por lo que esto aumentaría el consumo del combustible en un 2-10 % [46]. La combustión del biodiésel comienza un poco más tarde que el diésel, debido a su mayor retraso en la inyección, y como el biodiésel tiene mayor viscosidad, genera mayor fricción alrededor de la aguja del inyector (figura 2), que produce un movimiento lento, con un mayor retraso de inyección [47]. Murillo et al. [48] revelaron que la eficiencia térmica del freno alimentado con biodiésel es más baja que la del diésel; señalaron que la razón puede estar relacionada con la atomización del combustible durante la inyección y la estabilidad del combustible mezclado durante la inyección, bombeo y almacenamiento.
Condiciones del biocombustible con el tiempo de inyección
Para reducir emisiones existe la opción del retraso del tiempo de inyección en el combustible (Tabla 4), el cual disminuye la eficacia en la duración de la combustión, generando una combustión incompleta, lo que ocasiona una reducción del BTE, junto con un incremento del BSFC; sin embargo, el retardar el tiempo de inyección puede ayudar a disminuir la emisión de NOx [49]; también existe la estrategia de posttratamiento, el cual tiene la finalidad de eliminar o reducir NOx por medio de catalizadores de reducción selectiva, o trampas de NOx y los no refrigerados EGR; la inyección con biodiésel puede reducir el PM con pérdida moderada de eficiencia [50].
TABLA 4 EL EFECTO DEL TIEMPO DE INYECCIÓN DEL BIODIÉSEL EN LA GENERACIÓN DE EMISIONES
Fuente: autores.
LA RELACIÓN DE COMPRESIÓN DEL MOTOR CON BIODIÉSEL
Cada combustible tiene diferentes propiedades físicas y químicas, por lo tanto, las características de combustión pueden variar, por lo que los parámetros del motor deben ajustarse a las características del combustible, y con esto lograr obtener el óptimo desempeño del motor. La relación de compresión (CR) es una de esas operaciones que afecta en gran medida el rendimiento del motor [57] (tabla 5); esto coincide con Laguitton et al. [58], quienes encontraron en su experimento que las emisiones de hollín y NOx pueden reducir al disminuir el CR en motores diésel.
Relación de compresión con biodiésel de aceite de cocina usado
Muralidharan et al. [64] descubrieron que con la mezcla del 40 %, el aceite de cocina usado es ligeramente más alto en BTE que el diésel estándar en relaciones de compresión más altas (CR 21); esto sucede porque las mezclas de aceite de cocina usado dan mayor presión de combustión con una alta relación de compresión; esto generar un retraso más largo de encendido, la tasa máxima de aumento de presión y menor tasa de liberación de calor en comparación con el diésel [65]. De la misma manera lo señalan Kassaby y Nemitallah [66] cuando mencionan un aumento del BTE generado por el incremento de la CR en la mezcla de aceites de cocina usados como biodiésel, con un cambio de la relación de compresión de 14 a 18. En el caso de Muralidharn et al. [67], encontraron que el máximo BTE a plena carga fue de 38.46 % para un 4o % de aceite de cocina usado, que represento un 4.l% más alto que el diésel convencional, usando una relación de compresión variable de 21.
Relación de compresión con aceites de pirolisis
Mani et al. [40] encontraron que la presión máxima del cilindro para el diésel es de 67 bares, y en el caso de residuos plásticos de petróleo, de 71 bares; esto se debe a la evaporación del aceite de plástico residual dentro del cilindro, el cual absorbe el calor de la cámara de combustión, retardando el encendido más largo. Un alto rango de carga genera que aumente la presión del aceite. En otras palabras, este periodo representa una combustión anormal de un sistema premezclado. Sin embargo, este puede ser el comportamiento en motores de alta relación de compresión, los cuales pueden ser controlados de manera adecuada [51]; en la tabla 6 se aprecia la emisión en cuanto a la mayor presión de inyección. Sharma y Murugan [68] examinaron los efectos de variar el CR en el momento óptimo de inyección y presión de la apertura de la boquilla para el comportamiento del motor; utilizaron una mezcla de 80 % de biodiésel y 20 % de aceite obtenido de pirolisis de neumático de deshecho; el máximo BTE obtenido en el CR fue de 18.5 (con una reducción de humo), en el cual fue mayor en aproximadamente un 8 % de la CR original de 17.5. Finalmente, Ananthakumar et al. [69] usaron un 2.5 % por volumen de DEE como aditivo en una mezcla de WPO/ diésel; se mostró una mejora en el rendimiento con WPO durante las pruebas experimentales pero inferior al diésel, con la relación de compresión creciente de 12 a 20.
CARACTERÍSTICAS DEL GOLPE EN EL MOTOR CON BIODIÉSEL
El retardo de encendido es uno de los parámetros más importantes para determinar las características de cómo se puede generar el golpeteo de los motores diésel [76]; el fenómeno del golpe en el motor depende de muchos factores como el número de cetano, la relación de compresión, la presión de inyección, tiempo de inyección y propiedades del combustible [77]; en la tabla 7 se puede observar la relación de ruido y vibración con la aplicación de bioaceites.
FUNCIONAMIENTO DE COMBUSTIBLE PILOTO EN MOTOR DUAL
El combustible líquido, conocido como el combustible piloto, actúa como fuente de ignición [84], por lo que el combustible piloto provoca el proceso de combustión [85]. La diferencia más notable de los ésteres metílicos comparandos con el diésel, es su viscosidad más alta (hasta 19.2 mm2/s, comparando con 5 mm2/s para diésel) [86]. La viscosidad del combustible piloto afecta las características de pulverización, la distribución de la llama y la combustión [87]. El diésel, el éter dimétilico y el biodiésel son los combustibles más comunes que se pueden usar como piloto [88]. La cantidad de biodiésel requerido para el encendido inicial del motor está entre el 10 y el 20 % para la ignición adecuada [89], en la tabla 8 se presenta el comportamiento del bioa-ceite como combustible piloto.
Paul et al. [91], quienes estudiaron la combustión, el rendimiento y las emisiones de mezclas de combustible piloto oxigenados, informaron que con una mayor cantidad de biodiésel y etanol en combustible piloto, aumenta su eficiencia en la combustión del motor y también disminuyen los NOx.
Combustible de aceite piloto dual con biogás
El alto costo del biodiésel sigue siendo la principal barrera para su comercialización [92]. El hacer funcionar el motor diésel dual utilizando biodiésel y combustible gaseoso (gas natural, biogás, hidrogeno, etc.) puede ser una técnica eficiente para hacer que el uso de biodiésel sea más competitivo. En el modo dual, los combustibles gaseosos se suministran generalmente en el cilindro del colector de admisión; la mezcla resultante se comprime en el cilindro del motor como en un motor diésel ordinario. Una vez que se genera la compresión, se inyecta un pequeño porcentaje de combustible líquido con un número de cetano de alrededor de 50 (diésel o biodiésel), comúnmente denominado piloto, para acceder la mezcla de aire caliente. En general, el combustible gaseoso (combustible primario) cubre alrededor del 90 % de energía total y el resto de la energía es proporcionada por el combustible piloto [93]. Varios investigadores han confirmado una reducción de NOx y humo utilizando biogás como combustible primario y biodiésel como combustible piloto en motor CI [94], [95], sin embargo, las emisiones de HC y CO pueden llegar a ser mayores con el aumento del biogás [96].
CONCLUSIONES
Cuando se usa la combustión dual se logra mejorar el funcionamiento del motor, y esto puede generar mejores condiciones con altas cargas. También puede ayudar una aceleración de la carga de aire en la admisión, aumentando la presión y temperatura del aire de admisión. Para el análisis en el funcionamiento del motor es importante tomar en cuenta las emisiones, así como el desempeño dentro de la combustión, por lo que una buena combustión derivada de altas relaciones de compresión puede ser considerada adecuadamente, pero a la vez debe ser limitada en función del fenómeno del golpe. El uso del biodiésel puede llegar a ser muy adecuado tanto como combustible piloto o principal (combustión dual); de acuerdo con esta investigación, se justifica la obtención y producción, siempre y cuando la materia prima se obtenga de residuos o de productos no comestibles;, el adecuar las condiciones del motor de acuerdo con el desempeño del biocombustible es una tarea pendiente para futuros proyectos de investigación.
