EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DEL USO DE BIODIESEL DE ACEITE DE PALMA COMO COMBUSTIBLE PILOTO EN UN MOTOR DUAL BIODIESEL-BIOGAS

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1 EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DEL USO DE BIODIESEL DE ACEITE DE PALMA COMO COMBUSTIBLE PILOTO EN UN MOTOR DUAL BIODIESEL-BIOGAS I.D. Bedoya*, A. A. Arrieta, F. J. Cadavid & J.A. Pareja Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, Calle 67 # , Medellín, Colombia * de correspondencia: Resumen: En este trabajo se presentan los resultados del funcionamiento de un motor de encendido por compresión para generación electricidad operando a la altura de Medellín (1500 m.s.n.m.), el cual ha sido modificado a modo dual para lograr una sustitución total del diesel, usando biogás simulado (60 % CH 4 40 % CO 2 ) como combustible primario y biodiesel de aceite de palma como combustible piloto. El motor ha sido acoplado a un generador eléctrico que opera a 1800 rpm y ha sido evaluado en varios grados de carga, los cuales han sido regulados con un banco de resistencias variable de 3 a 10 kw. Para la transformación del ducto de admisión se ha utilizado un sobrealimentador y un mezclador aire-biogás tipo kenics buscando un mejor comportamiento del motor dual a carga parcial. El motor dual ha mostrado una operación estable para los grados de carga evaluados, lo que confirma la posibilidad del uso del biodiesel de aceite de palma como combustible piloto. Se ha comparado el funcionamiento del motor dual usando diesel y biodiesel como combustibles piloto, los resultados muestran un aumento en la eficiencia efectiva a cargas mayores cuando el biodiesel es utilizado, logrando mayores niveles de sustitución del combustible piloto, menores emisiones de monóxido de carbono y pocas alteraciones en las emisiones de metano. Palabras clave: Combustible piloto, Biodiesel, Biogás, Motor Dual. Resumen: In this work, experimental results of a dual fuel engine performance running at 1500 meters above sea level are reported. A conventional diesel engine for power generation has been transformed into dual concept for full diesel substitution using simulated biogas (60 % CH 4 40 % CO 2 ) as primary fuel and biodiesel palm oil as pilot fuel. The engine has been coupled to an electric generator and has been evaluated at 1800 rpm and several loads, which has been fixed with a 3 to 10 variable electric charge. For a better performance at light loads, supercharger and kenics mixer have been introduced in the engine inlet system. A stable dual fuel engine operation has been found at all loads evaluated, showing a good performance of biodiesel palm oil as pilot fuel. Dual fuel performance using diesel and biodiesel as pilot fuel has been compared. Thermal efficiency and pilot fuel substitution level were increased near to full load whit biodiesel, whereas carbon monoxide emissions were reduced and methane emissions didn t show relevant modification. Key words: Biodiesel, Biogas, Dual Fuel Engine, Pilot Fuel.

2 1. INTRODUCCIÓN Memorias del IV Simposio de Química Aplicada SIQUIA 2009 En el ámbito internacional, los biocombustibles han sido definidos en cuanto a su uso final sólo para el sector transporte, sin embargo, una visión más general de sus posibles usos debe incluir la generación de potencia mecánica o eléctrica a partir de motores de combustión interna en sistemas estacionarios. Esta nueva visión permitiría a países en vías de desarrollo como Colombia, en el cual cerca del 64 % del territorio pertenece a las llamadas zonas no interconectadas (ZNI) (Zapata & Bayona 2001), la utilización de los biocombustibles para mejorar el suministro energético necesario para la dinamización del sector agrario. El consumo in-situ de los biocombustibles en sistemas estacionarios contribuye a la reducción del gasto energético y la contaminación ambiental asociada a su transporte hacia los grandes centros de consumo, así como permite nuevas posibilidades de valoración energética de los co-productos de su proceso de producción, haciéndolos más sostenibles económica y ambientalmente. En el caso de la producción de biodiesel a partir de plantas oleaginosas, cerca del 10 % en peso es glicerina con un % de pureza (Hazimah et al. 2003), siendo en la actualidad fuente de preocupación dado que la producción mundial de glicerina excede la demanda, haciendo que la purificación de la glicerina proveniente de la producción de biodiesel no sea una opción viable para esta industria (Chi et al. 2007). Una de las opciones que se plantean en la actualidad para la valoración de la glicerina cruda es la producción de biogás (gas compuesto básicamente por CH 4 y CO 2 ) mediante fermentación anaerobia, encontrando eficiencias de producción cercanas a los 0,306 m 3 CH 4 /kg de glicerina cruda (Siles López et al. 2009), igualmente, se han explorado las posibilidades y características técnicas de la producción de biogás utilizando otros co-productos y residuos de la producción de biodiesel diferentes a la glicerina (Lopez et al. 1997; Nallathambi Gunaseelan 2009). De manera similar, para el biodiesel de segunda generación producido a partir de micro algas, se sugiere a partir de varios estudios recientes que la sostenibilidad económica y ambiental de su producción está ligada a la inclusión de la fermentación anaerobia a la cadena productiva (Chisti 2007; Sialve et al. 2009). De manera análoga y complementaria a la interacción que tiene la producción de biodiesel y de biogás, es posible la utilización conjunta de estas dos fuentes renovables de energía en los motores diesel convencionales para lograr una sustitución total de este combustible fósil, realizando una transformación a modo dual. En los motores de encendido por compresión (MEC) en modo dual se introduce un combustible generalmente gaseoso en la corriente de aire admitida en la carrera de admisión, esta mezcla es comprimida y encendida al final de la carrera de compresión por una inyección piloto de un combustible de baja resistencia a la auto-inflamación (generalmente diesel). El combustible gaseoso aporta la mayor parte de la energía necesaria para la generación de potencia, alcanzando niveles de sustitución de diesel cercanos al 80 %, por lo cual es llamado combustible primario, y el diesel es denominado combustible piloto por su función de ignitor en el proceso de combustión. Este aporte significativo del combustible gaseoso a la energía liberada al interior del cilindro, hace que la combustión sea principalmente premezclada, reduciendo drásticamente el material particulado en comparación con la operación en modo diesel. Sin embargo, cuando los motores duales operan a carga parcial, lo hacen con una relación combustible gaseoso/aire (dosado relativo) muy baja, lo cual favorece la dispersión cíclica y caídas en la eficiencia efectiva, al igual que el aumento de las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos sin quemar (Karim 1980; Badr et al. 1999; Karim et al. 1999; Poonia et al. 1999; Abd Alla et al. 2000). Varias técnicas centradas en la modificación de parámetros de operación del motor y en las propiedades de la mezcla gas/aire han sido propuestas y estudiadas para la atenuación de estos efectos negativos en la operación a carga parcial de los motores duales (Karim 1991). Uno de los resultados obtenidos con la aplicación de dichas técnicas es la reducción del tiempo de retraso, el cual es el tiempo transcurrido entre la inyección del combustible piloto y el inicio de la combustión y es una Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 2

3 Los Biocombustibles: hacia el Desarrollo Sostenible variable influyente en la reducción de la eficiencia de conversión de combustible a carga parcial. El tiempo de retraso de los motores duales es influenciado por la calidad del combustible piloto (Gunea et al. 1998), por tal razón, se han realizado algunos estudios que buscan explicar esta influencia, centrándose en la observación experimental del uso de biodiesel de diversas fuentes o aceites oleaginosos sin pasar por el proceso de transesterificación (Nwafor 2000; Kumar et al. 2001; Selim et al. 2008). En estos estudios se sugiere que el mayor número de cetano de estos combustibles alternativos frente al diesel convencional contribuye al mejoramiento del funcionamiento del motor dual, afirmación que no ha sido extensamente corroborada y documentada. Para el caso del uso del biodiesel como combustible piloto y biogás como combustible primario en motores duales, es necesario estudiar la interacción que puedan tener en el desempeño mecánico ambiental, dado que la presencia de CO 2 en el biogás actúa como inhibidor de las tasas de quemado (Abd Alla et al. 2001; Kobayashi et al. 2007), pero la presencia de oxígeno adicional en el biodiesel puede contribuir a la disminución del tiempo de retraso, mejorando el proceso de combustión. Los pocos trabajos disponibles sobre el uso de biogás en motores duales a nivel internacional evalúan el desempeño mecánico ambiental (Henham & Makkar 1998; Bilcan et al. 2003; Bedoya et al. 2007; Duc & Wattanavichien 2007; Tippayawong et al. 2007), pero no presentan información sobre el efecto de la calidad del combustible piloto. En este estudio, se reportan los resultados obtenidos al utilizar biodiesel de aceite de palma como combustible piloto en un motor dual que utiliza biogás como combustible primario, buscando la sustitución total del diesel convencional en aplicaciones estacionarias para generación de electricidad. 2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. Montaje experimental Se acopló un MEC para aplicaciones estacionarias a un generador eléctrico, el cual fue seleccionado para operar al régimen de máximo par (1.800 rpm) a condiciones de Medellín, ciudad ubicada a 1500 m.s.n.m. En la. Tabla 1 se muestran las características técnicas del motor de ensayos. Tabla 1. Características del motor de ensayos Designación comercial Lister Petter TR 2, Inyección Directa, 4 tiempos Número de cilindros 2 Aspiración Natural Refrigeración Por aire Cilindrada 1550 cm 3 Diámetro x carrera (mm) 98 x 101 Relación de compression 15.5:1 Potencia nominal rpm Par nominal rpm Apertura válvula admisión 36º BTDC (Antes del punto muerto superior Cierre válvula escape 32º ATDC (Después del punto muerto superior) Los requerimientos de potencia desarrollados experimentalmente por el conjunto motorgenerador se obtuvieron mediante un banco de resistencias variable de 3 a 10 kw. La energía fue disipada al ambiente en forma de calor. Los combustibles empleados durante la experimentación fueron diesel, biodiesel de aceite de palma y biogás simulado con una composición típica de 60 Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 3

4 Memorias del IV Simposio de Química Aplicada SIQUIA 2009 % CH 4 y 40% CO 2. Las propiedades más importantes de los combustibles utilizados son mostradas en la Tabla 2. Tabla 2. Propiedades de los combustibles utilizados Propiedad Diesel Biodiesel de Aceite de Palma Biogás Gravedad API a 60 ºF 31,9 31,2 - Poder Calorífico Inferior (MJ/kg) 43 39,55 23,73 Número de Cetano (CN) Viscosidad cinemática a 40 C (cst) 4,66 4,67 - Punto de nube (ºC) Fórmula química aproximada C 10.8 H 18.7 C 19.7 H 36.9 O 2 60% CH % CO 2 (En volumen) Relación aire/combustible estequiométrica 14,32 12,55 6,05 Indice de Woobe Inferior (kwh/nm 3 ) - - 6,16 Número de metano El motor Lister TR2 fue transformado a modo dual con dos sistemas de mezclado diferentes, uno de aspiración natural y un mezclador en T simple y otro sistema sobrealimentado y un mezclador tipo kenics. El segundo sistema fue introducido como estrategia para mejorar el comportamiento mecánico-ambiental del motor dual a cargas parciales. La presión en el cilindro fue obtenida utilizando un captador de presión piezoeléctrico Kistler 6121, instalado en la cámara de combustión de uno de los cilindros. El ángulo de giro del cigüeñal se midió con un codificador angular, el cual posee una resolución de 1024 pulsos por revolución. La evolución de la presión en la inyección se midió con un transductor de presión AVL 41DP en la línea de inyección del diesel, entre la bomba y el inyector. Se grabaron en cada punto de funcionamiento 600 ciclos termodinámicos para su posterior tratamiento y diagnóstico del proceso de combustión mediante un modelo cerodimensional. El número de ciclos fue seleccionado siguiendo las recomendaciones hechas en la literatura para estudios de dispersión cíclica en MEC duales (Selim 2005), aunque en este trabajo no se presentan dichos resultados. Los flujos de biogás y aire al motor se obtuvieron con medidores de hilo caliente y el flujo de combustible piloto con un medidor tipo coriolis. El análisis de gases de escape en base seca, se realizó mediante un analizador que utiliza la tecnología NDIR para el CH 4, CO 2 y CO y celda electroquímica para el O 2. El sistema de adquisición de datos contó con dos aplicaciones, una para el almacenamiento y revisión en tiempo real del consumo de combustibles y de aire, y otra para la adquisición de variables de la cadena de combustión. La Figura 1 muestra esquemáticamente el montaje experimental empleado Metodología experimental La fase experimental comprendió varias etapas para poder determinar el efecto del uso del biodiesel en el funcionamiento del motor dual. La primera de ellas correspondió a la caracterización del motor operando en modo diesel, la segunda la caracterización en modo dual con varios niveles de sustitución y la tercera la determinación del efecto del sistema de mezclado en las variables de operación más importantes en modo dual. Los detalles de la metodología seguida en estas fases y los resultados obtenidos se encuentran reportados en trabajos previos de los autores (Bedoya et al. 2007; Bedoya et al. 2009), por tal razón no se especifican aquí. Para la comparación del funcionamiento del motor dual con diferentes combustibles piloto, se tomaron Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 4

5 Los Biocombustibles: hacia el Desarrollo Sostenible datos de operación a 40%, 50%, 70% y 100 % de carga, utilizando el sistema de mezclado sobrealimentado con el mezclador tipo kenics. Se mantuvieron los máximos niveles de sustitución encontrados en la etapa experimental anterior, los cuales fueron calculados con la Ecuación PILOT BIOGAS T Figura 1. Montaje experimental. 1. Cilindro de biogás. 2. Regulación de alta presión. 3. Medidor de flujo de biogás. 4. Válvula de emergencia. 5. Regulación de baja presión. 6. Mezclador tipo T. 7. Filtro de aire. 8. Sobrealimentador. 9. Válvula de regulación. 10. Medidor de flujo de aire. 11. Manómetro en U. 12. Sensor de temperatura del aire. 13. Mezclador tipo kenics. 14. Almacenamiento de combustible piloto. 15. Válvula de apertura. 16. Medidor de flujo del combustible piloto. 17. Medidor de presión en la inyección. 18. Motor Lister TR Medidor de temperatura en el escape. 20. Medición de composición en gases de escape. 21. Medición de opacidad. 22. Medición de frecuencia, voltaje y corriente. 23. Banco de resistencias. 24. Codificador angular. 25. Medidor de presión en cámara. 26. Amplificador de carga. 27. Amplificador de carga. 28. Convertidor Análogo Digital y adquisición de datos θ T 20 CH4, CO, O2,CO2 V I F m& D m& P Z = x100 [Ecuación 1] m& D Donde: Z : Nivel de sustitución. m& P : Consumo másico de combustible piloto en modo dual. m& : Consumo másico de diesel en modo convencional. D En todos los puntos de operación se buscó introducir la misma cantidad de biogás utilizada con diesel en modo dual y se ajustó el consumo de biodiesel para alcanzar los grados de carga determinados y evaluar el nivel de sustitución máximo. Se espera que exista correlación entre el grado de carga y la calidad del combustible piloto, por tal razón se eligió un modelo factorial multivariado, el cual fue replicado dos veces para cada posible combinación de niveles y factores, siguiendo la metodología establecida en las etapas previas. La Tabla 3 muestra el resumen del diseño experimental descrito anteriormente para esta etapa. Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 5

6 Memorias del IV Simposio de Química Aplicada SIQUIA 2009 Tabla 3. Diseño Experimental Factor Característica Nivel Designación nivel Calidad del combustible Diesel (CN 44) Diesel-Biogás piloto Biodiesel (CN 58) Biodiesel - Biogás Régimen de giro n (rpm) % de Carga 40 Modo de operación Nivel de sustitución Sistema de mezclado Z máximo Sobrealimentado 2.3. Metodología de análisis En esta sección se describe brevemente la forma en que se estimaron las variables de análisis. El consumo específico de combustible (GEF) se calculó teniendo en cuenta las pérdidas mecánicas entre motor y generador y los flujos másicos de los combustibles primario y piloto utilizando la Ecuación 2: m& B + m& GEF = P [ g / kwh] [Ecuación 2] N E Donde: GEF: Consumo específico de combustible. m& B : Flujo másico de biogás. m& P : Flujo másico de combustible piloto. Ne : Potencia eléctrica en bornes del generador. La eficiencia efectiva ( η e ) se estimó con los aportes energéticos de los dos combustibles y la potencia eléctrica en el generador, utilizando la Ecuación 3: N E η E = x100 [%] [Ecuación 3] m& PCI + m& PCI Donde: B B P P η e : Eficiencia efectiva con base a la potencia eléctrica. PCI B : Poder calorífico inferior del biogás. PCI : Poder calorífico inferior del combustible piloto. P El dosado relativo (φ) en modo dual se consideró como la relación de dosados reales y el dosado estequiométrico total, el cual es tomado como la cantidad ideal de aire necesaria para quemar totalmente la masa de los dos combustibles introducidos, de acuerdo a la Ecuación 4: Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 6

7 m& ( FAR ) + m& ( FAR ) = m& a Donde: Los Biocombustibles: hacia el Desarrollo Sostenible B B P P φ [Ecuación 4] φ : Dosado relativo. FAR B : Dosado estequiométrico del biogás. FAR : Dosado estequiométrico del combustible piloto. p m& a : Flujo másico de aire hacia el motor. Para el cálculo del rendimiento volumétrico ( η v ) se utilizó el flujo y las propiedades de la premezcla en la admisión, debido a que el biogás tiene una relación aire/combustible estequiométrica baja, de acuerdo a la Ecuación 5: η V 2( m& a + m& B ) = [Ecuación 5] ρ V n a, B d Donde: η v : Rendimiento volumétrico a condiciones de sitio. ρ : Densidad de la mezcla aire-biogás a condiciones de sitio. a,b V d : Cilindrada del motor de ensayos. n: Régimen de giro del motor de ensayos. El ángulo de retraso (θ R ) en unidades de ángulo de giro del cigüeñal ( CA) se toma como la diferencia entre el ángulo de inicio de la inyección (θ INY ) y el ángulo de inicio de la combustión (θ I ), de acuerdo a la Ecuación 6: θ R = θ θ [ CA] [Ecuación 6] I INY El ángulo de inicio a la inyección se estima a partir de la relación entre la presión en el sistema de inyección con el ángulo de giro del cigüeñal, la cual sufre un cambio marcado de pendiente cuando comienza la inyección (Zhang & Van Gerpen 1996). Para determinar el ángulo de inicio de la combustión se utilizó el método de la derivada de la presión en el cilindro respecto al ángulo de giro del cigüeñal (dp/dθ), la cual sufre un cambio marcado de concavidad al empezar el proceso de combustión. dq La tasa de liberación de calor respecto al ángulo de giro del cigüeñal se obtuvo a partir del dθ balance de energía al interior del cilindro con la ayuda de un modelo cerodimensional de diagnóstico. Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 7

8 Memorias del IV Simposio de Química Aplicada SIQUIA EVALUACIÓN DE RESULTADOS La influencia del tipo de combustible piloto en el consumo específico de combustible es mostrada en la Figura 2 para los grados de carga evaluados. El consumo de biogás no sufre ninguna variación con el combustible piloto, dado que en la experimentación se dejó constante para observar el comportamiento del flujo de combustible piloto al motor. En la parte superior de la figura se observa que a bajas cargas el consumo específico de combustible se incrementa con el uso del biodiesel, resultado esperado dado su menor poder calorífico por unidad de masa y a que las potencias se operación no se variaron para los dos combustibles piloto. Para la operación a mayores cargas se observa que el consumo específico de combustible del piloto es similar para diesel y biodiesel, lo que sugiere que el efecto del menor poder calorífico del biodiesel ha sido atenuado por un aumento en la eficiencia energética global del motor. Consumo Espcífico de Combustible GEF [g/kwh] Biogás Figura 2. Consumo específico de combustible para el biogás y para el combustible piloto en función del grado de carga y el tipo de combustible piloto Piloto Carga [%] Diesel-Biogás Biodiesel-Biogás Consume Específico de Combustible GEF [g/kwh] La eficiencia efectiva o de transformación de combustible aumenta cerca de un 8 % en las cargas mayores para la operación con biodiesel como se muestra en la Figura 3, lo que explica que el consumo específico de combustible sea similar para la operación con diesel y biodiesel para esas condiciones de carga. Resultados similares han sido obtenidos por Nwafor (2000) con aceite de colza como piloto operando un motor dual a gas natural. A baja carga el efecto de la mayor disponibilidad de oxígeno y mayor número de cetano del biodiesel no afecta la eficiencia efectiva respecto al diesel, lo que sugiere que prima el efecto de la sobrealimentación, el cual se mantuvo constante (cerca de 90 mbar de presión) para los dos pilotos evaluados, sin presentarse variaciones significativas en el rendimiento volumétrico, como se observa en la parte superior de la Figura 3. La reducción del dosado relativo total observado en la Figura 4 al usar biodiesel, contribuye a atenuar su efecto sobre el desempeño del MEC dual, dado que a bajas cargas las tasas de quemado se pueden ver disminuidas al empobrecer la mezcla, prevaleciendo esto sobre la influencia del número de cetano y la mayor disponibilidad de oxígeno, ya que el dosado relativo del biogás es el mismo para los dos pilotos utilizados. Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 8

9 Los Biocombustibles: hacia el Desarrollo Sostenible 30 Rendimiento volumétrico 0.80 Eficiencia efectiva ηe [%] Eficiencia efectiva Carga [%] Diesel-Biogás Biodiesel-Biogás Rendimiento volumétrico ηv Figura 3. Eficiencia efectiva y Rendimiento volumétrico en función del grado de carga y el tipo de combustible piloto A plena carga, los dosados de operación son mayores, existiendo una disminución del dosado relativo para el biodiesel del 13% aproximadamente. En estas condiciones, el oxígeno extra contenido en el biodiesel ayuda a mejorar el proceso de combustión de la mezcla aire-biogás, posibilitando la utilización de una menor cantidad de combustible piloto, lo cual se ve reflejado en un aumento de la eficiencia efectiva. Este resultado coincide con los estudios de Gunea et al. (1998)., los cuales indican que el uso de un combustible piloto con mayor número de cetano, permite reducir la cantidad de piloto consumida Dosado relativo φ Dosado total 0.30 Diesel-Biogás Dosado Biogás Biodiesel-Biogás Carga [%] Figura 4. Dosado relativo total y dosado relativo del biogás en función del grado de carga y el tipo de combustible piloto La respuesta de las emisiones de metano y las emisiones de monóxido de carbono a la variación de la carga y de combustible piloto son mostradas en la Figura 5. La tendencia del metano es decreciente con el grado de carga para los dos pilotos evaluados debido al aumento en el dosado relativo total, que trae como consecuencia el aumento de las tasas de quemado en el cilindro. Para el monóxido de carbono la tendencia es creciente con la carga debido a que la disminución de metano sin quemar y el incremento en el dosado relativo total aumentan la posibilidad de encontrar especies intermedias debido al fenómeno de combustión incompleta. Las mayores Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 9

10 Memorias del IV Simposio de Química Aplicada SIQUIA 2009 emisiones de metano al usar biodiesel en el piloto pueden deberse a una disminución en la eficiencia de la combustión premezclada por los menores dosados relativos, este fenómeno y la mayor disponibilidad de oxígeno en el proceso de combustión hacen posible que las emisiones de monóxido de carbono sean menores al usar biodiesel como combustible piloto. 1,0 Emisiones de monóxido de carbono 0,4 0,8 0,3 CH4 [%] 0,6 Diesel-Biogás Biodiesel-Biogás 0,2 0,1 CO [%] Emisiones de metano 0, Carga [%] Figura 5. Emisiones de monóxido de carbono y emisiones de metano en función del grado de carga y el tipo de combustible piloto 0 El ángulo de retraso presenta una tendencia decreciente con el grado de carga como se muestra en la Figura 6a, resultado lógico debido al aumento de la temperatura promedio al interior del cilindro. Se presentan valores menores del tiempo de retraso al usar biodiesel como combustible piloto, lo cual puede deberse a su mayor número de cetano y mayor disponibilidad de oxígeno para el proceso de combustión, siendo menor la diferencia para las cargas mayores debido a la incidencia más significativa de la temperatura al interior del cilindro en el inicio de la combustión. La disminución en el ángulo de retraso causa que el combustible piloto se queme en etapas más tempranas del ciclo termodinámico y que se presente una reducción en el valor máximo de la tasa de liberación de calor premezclada, como se observa en la Figura 6b. Ángulo de retraso θr [ CA] Diesel-Biogás Biodiesel-Biogás Carga [%] dq/dθ [J/ CA] Angulo de Cigueñal [ CA] Diesel-Biogas Biodiesel-Biogas (a) (b) Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 10

11 Los Biocombustibles: hacia el Desarrollo Sostenible Figura 6. (a) Ángulo de retraso en función del grado de carga y el tipo de combustible piloto. (b) Tasa de liberación de calor en función del ángulo de giro del cigüeñal y el tipo de combustible piloto para 100 % de carga 4. CONCLUSIONES Se ha realizado en este trabajo la transformación de un motor diesel estacionario a modo dual que usa biogás como combustible primario para evaluar el uso del biodiesel como combustible piloto en el desempeño del motor y la posibilidad de una sustitución total del diesel. Los resultados mostraron que es posible la operación en modo dual con biodiesel en todo el rango de operación evaluado, desde 40% a 100% de carga, logrando un desempeño similar al logrado con diesel como piloto a baja carga y mayores eficiencias térmicas en las cargas mayores, resultado que puede estar asociado a la disminución en el tiempo de retraso, el cual mostró menores valores para el uso del biodiesel. Las emisiones de metano en los gases de escape fueron ligeramente mayores para el uso de biodiesel debido posiblemente a los menores dosados de funcionamiento y las emisiones de monóxido de carbono disminuyeron respecto al uso del diesel como combustible piloto. 5. REFERENCIAS Abd Alla, G. H., Soliman, H. A., Badr, O. A. & Abd Rabbo, M. F. (2000). "Effect of pilot fuel quantity on the performance of a dual fuel engine." Energy Conversion and Management 41: Abd Alla, G. H., Soliman, H. A., Badr, O. A. & Abd Rabbo, M. F. (2001). "Effects of diluent admissions and intake air temperature in exhaust gas recirculation on the emissions of an indirect injection dual fuel engine." Energy Conversion and Management 42: Badr, O., Karim, G. A. & Liu, B. (1999). "An examination of the flame spread limits in a dual fuel engine." Applied Thermal Engineering 19(10): Bedoya, I. D., Amell, A., Cadavid, F. & Pareja, J. (2007). "Effect of the engine load level and pilot fuel quantity on the mechanical and environmental perfomance of a dual-fuel compression ignition engine in power generation." Revista Facultad de Ingeniería de la Universidad de Antioquia 42: Bedoya, I. D., Arrieta, A. A. & Cadavid, F. J. (2009). "Effects of mixing system and pilot fuel quality on diesel-biogas dual fuel engine performance." Bioresource Technology In Press, Corrected Proof. Bilcan, A., Le Corre, O. & Delebarre, A. (2003). "Thermal efficiency and environmental performances of a biogas-diesel stationary engine." Environmental Technology 24: Chi, Z., Pyle, D., Wen, Z., Frear, C. & Chen, S. (2007). "A laboratory study of producing docosahexaenoic acid from biodiesel-waste glycerol by microalgal fermentation." Process Biochemistry 42(11): Chisti, Y. (2007). "Biodiesel from microalgae." Biotechnology Advances 25(3): Duc, P. M. & Wattanavichien, K. (2007). "Study on biogas premixed charge diesel dual fuelled engine." Energy Conversion and Management 48: Gunea, C., Razavi, M. R. & Karim, G. A. (1998). "The effects of pilot fuel quality on dual fuel engine ignition delay." SAE Paper Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 11

12 Memorias del IV Simposio de Química Aplicada SIQUIA 2009 Hazimah, A. H., Ooi, T. L. & Salmiah, A. (2003). "Recovery of glycerol and diglycerol from glycerol pitch." Journal of Oil Palm Research 15(1): 1-5. Henham, A. & Makkar, M. K. (1998). "Combustion of simulated biogas in a dual-fuel diesel engine." Energy Conversion and Management 39(16): Karim, G. A. (1980). "A review of combustion processes in the dual fuel engine -the gas diesel engine." Progress in Energy and Combustion Science 6(3): Karim, G. A. (1991). "An examination of some measures for improving the performance of gas fuelled diesel engines at light load." SAE Paper Karim, G. A., Liu, Z. & Jones, W. (1999). "Exhaust emissions from dual fuel engines at ligth load." SAE Paper Kobayashi, H., Hagiwara, H., Kaneko, H. & Ogami, Y. (2007). "Effects of CO2 dilution on turbulent premixed flames at high pressure and high temperature." Proceedings of the Combustion Institute 31: Kumar, M., Ramesh, A. & Nagalingam, B. (2001). "Experimental Investigations on a Jatropha oil methanol dual fuel engine." SAE Paper Lopez, O., Foidl, G. & Foidl, N. (1997). Production of biogas from Jatropha curcus fruit shells. Symposium on Jatropha 97, Austrian Ministry of Foreign Affairs. Nallathambi Gunaseelan, V. (2009). "Biomass estimates, characteristics, biochemical methane potential, kinetics and energy flow from Jatropha curcus on dry lands." Biomass and Bioenergy 33(4): Nwafor, O. M. I. (2000). "Effect of choice of pilot fuel on the performance of natural gas in diesel engines." Renewable Energy 21: Poonia, P., Ramesh, A. & Gaur, R. R. (1999). "Experimental investigation of the factors affecting the performance of a LPG diesel dual fuel engine." SAE Paper Selim, M. Y. E., Radwan, M. S. & Saleh, H. E. (2008). "Improving the performance of dual fuel engines running on natural gas/lpg by using pilot fuel derived from jojoba seeds." Renewable Energy 33: Selim, Y. E. (2005). "Effect of engine parameters and gaseous fuel type on the cyclic variability of dual fuel engines." Fuel 84: Sialve, B., Bernet, N. & Bernard, O. (2009). "Anaerobic digestion of microalgae as a necessary step to make microalgal biodiesel sustainable." Biotechnology Advances 27(4): Siles López, J. Á., Martín Santos, M. d. l. Á., Chica Pérez, A. F. & Martín Martín, A. (2009). "Anaerobic digestion of glycerol derived from biodiesel manufacturing." Bioresource Technology 100(23): Tippayawong, N., Promwungkwa, A. & Rerkkriangkrai, P. (2007). "Long-term operation of a small biogas/diesel dual-fuel engine for on-farm electricity generation." Biosystems Engineering 98: Zapata, J. & Bayona, L. (2001). "Nuevo esquema de organización para el suministro energético en las zonas no interconectadas de Colombia." Revista Escenarios y Estrategias 8: Zhang, Y. & Van Gerpen, J. (1996). "Combustion analysis of esters of soybean oil in a diesel engine." SAE paper AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a COLCIENCIAS por la financiación del proyecto: Optimización de la operación de motores duales diesel-biogás para generación de electricidad en el piso térmico colombiano, del cual hacen parte los resultados presentados en este trabajo. Agradecimientos también a la Vicerrectoría de Investigación y a la Dirección de Posgrados de la Universidad de Antioquia por su apoyo económico para la realización de este trabajo. Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 12

Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia ISSN: 0120-6230 revista.ingenieria@udea.edu.co Universidad de Antioquia Colombia

Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia ISSN: 0120-6230 revista.ingenieria@udea.edu.co Universidad de Antioquia Colombia Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia ISSN: 0120-6230 revista.ingenieria@udea.edu.co Universidad de Antioquia Colombia Agudelo S., John R.; Bedoya C., Iván D.; Moreno S., Ricardo Comparación

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