INFORME EJECUTIVO FINAL PROYECTO EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO ENERGÉTICO Y AMBIENTAL DEL BIODIESEL. CONTRATO No D

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1 INFORME EJECUTIVO FINAL PROYECTO EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO ENERGÉTICO Y AMBIENTAL DEL BIODIESEL CONTRATO No D FINANCIADO POR MINISTERIO DE AGRICULTURA Y DESARROLLO RURAL ÁREA METROPOLITANA DEL VALLE DE ABURRÁ REALIZADO POR UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA GRUPO GIMEL Noviembre de 2009

2 CONTENIDO 1. Fecha de entrega del informe final: Identificación del programa: Identificación del proyecto: Tiempo de ejecución: Fecha de iniciación: Fecha de finalización: Prórrogas: Desembolsos: Alianza: INTRODUCCIÓN... 4 El Biodiesel en Colombia... 8 Normatividad Colombiana RESUMEN OBJETIVO GENERAL Objetivos Específicos Objetivo Específico 1: Resultado esperado: Metodología: Selección de los modos de funcionamiento Matriz rectangular de puntos Metodología del ensayo Resultados Alcanzados (Desempeño Mecánico) Resultados Alcanzados (Desempeño Ambiental) Objetivo Específico 2: Resultado esperado: EMISIONES ESPECÍFICAS INDICES DE EMISIÓN CONTAMINANTE (Ton/año) Objetivo Específico 3: Resultado esperado: Objetivo Específico 4:

3 Resultado esperado: Variación frente a la exergía suministrada con el combustible FUNCIONAMIENTO DE LA ALIANZA ANÁLISIS DE IMPACTOS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Respecto al desempeño mecánico del motor Respecto al comportamiento ambiental del motor Respecto a los índices de emisiones Respecto a la caracterización del material particulado Recomendaciones BIBLIOGRAFIA ANEXOS MODELO DE CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DE EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DEL MOTOR METODOLOGÍA PARA OBTENCIÓN DE LOS MODOS DE ENSAYO DESCRIPCIÓN DE LA INSTRUMENTACION Y EQUIPOS DE MEDICIÓN EMPLEADOS ANÁLISIS DE LAS CONDICIONES AL INTERIOR DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN EN EL MOTOR PRUEBAS DE LUBRICIDAD DE LOS COMBUSTIBLES CARACTERIZACIÓN Y PROPIEDADES DE LOS DIFERENTES BIODIESEL ENSAYADOS RESUMEN DEL PROYECTO EN GRÁFICOS CLAVES AGRADECIMIENTOS

4 1. Fecha de entrega del informe final: Noviembre 12 de Identificación del programa: Evaluación y valoración del biodiesel y glicerina obtenidos de oleaginosas autóctonas, código 2007D Identificación del proyecto: Evaluación del comportamiento energético y ambiental del biodiesel 4. Tiempo de ejecución: 24 meses 5. Fecha de iniciación: 26 Octubre de Fecha de finalización: 26 Octubre de Prórrogas: (No aplica) 8. Desembolsos: No Desembolso % Valor Fecha Entidad /10/2007 MADR /10/2008 MADR /06/2009 MADR /07/08 ÁREA /11/08 ÁREA /02/09 ÁREA 9. Alianza: Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Área Metropolitana del Valle de Aburrá (ÁREA), Universidad de Antioquia 10. INTRODUCCIÓN La preocupación general por el carácter no renovable de los combustibles fósiles y la alta participación del sector transporte en el consumo total de energía primaria y por ende en la contaminación atmosférica de los centros urbanos, ha hecho que las investigaciones sobre fuentes alternativas de combustibles para vehículos, especialmente aquellas que son derivadas de la biomasa, hayan cobrado importancia en los últimos años. En particular el sector transporte, responsable de aproximadamente el 50% del consumo de crudo mundial (Figura 1), y con una tendencia claramente en aumento, es uno de los mayores contribuyentes al incremento de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), en cuyo sentido se estima que actualmente este sector contribuye con casi el 25% de las emisiones antropogénicas de CO 2 a nivel global, y que para el año 2030 esta participación crecerá hasta un 80% [1]. Colombia no es la excepción a esta tendencia, según datos de la UPME [2], el mayor porcentaje de utilización de derivados del petróleo, como fuente energética para el sector transporte casi llega a un 95% de participación, que a su vez es la suma de la gasolina con un 96% y el diesel con un 67,5%, indicando la alta dependencia de los combustibles fósiles por parte de este sector (Figura 2). 4

5 Figura 1. Demanda de energía primaria por sectores a nivel mundial, para el año Entre paréntesis la proyección hacia el 2030 [1] Figura 2. Participación del consumo de derivados de crudo en Colombia por sectores. 2006, [2] El uso de la energía en el sector transporte incluye la energía consumida en el movimiento de personas y mercancías por carretera, líneas ferroviarias, aire y agua. De los anteriores, el componente de transporte por carretera incluye tanto los vehículos ligeros, tales como automóviles, vehículos utilitarios deportivos, minivans, camiones pequeños, y motocicletas, así como los vehículos pesados, camiones utilizados para el traslado de mercancías y autobuses de pasajeros; siendo evidente que el crecimiento en la actividad económica y de la población mundial son los principales factores que determinan la demanda de energía de este sector. Se prevé que, entre 2008 y 2030, la demanda de energía a partir de combustibles líquidos, para el sector del transporte, crezca más rápido que cualquier otro de los sectores, a una tasa promedio de 0,7% anual en los países industrializados y el 3,0% anual en los países en desarrollo [3]. 5

6 Figura 3. Proyección en la demanda mundial energética por sector (en Exajulios), a suplir con combustibles líquidos, hacia el año Adaptado de [3] Las proyecciones indican que, por ejemplo, en Estados unidos habrá cerca de 800 vehículos livianos por cada mil habitantes para el año 2030, mientras que en Brasil la cifra se acercará a los 200 vehículos de turismo por cada mil habitantes, en cuyo caso representaría un incremento de casi el 67% con respecto a En este mismo orden de ideas, países con economías en desarrollo, como las de Latinoamérica y Asia, actualmente estarán en el rango de 100 a 300 vehículos livianos por cada mil habitantes [4]. Mirando el panorama en términos de volumen, las proyecciones indican que a nivel mundial se pasaría de cerca de 740 millones de vehículos en 2006 a 1,3 billones en 2030, con tres cuartas partes de este aumento en los países desarrollados, y de estos, aproximadamente las dos terceras partes en los países asiáticos, en los que China presenta el caso más llamativo, pues se estima que para el año 2020 tenga 126 millones de automóviles para pasajeros, siendo superada sólo por Estados Unidos [4]. En lo que respecta al transporte de carga y público, se espera que para 2030 se haya doblado la cantidad actual de este tipo de vehículos, llegando 430 millones de unidades, con China y el sur Asiático como los países en los que se experimentará la mayor tasa de incremento. En estas condiciones, es más que evidente que las posibilidades de adquisición de vehículos por un número cada vez mayor de ciudadanos, especialmente en países con economías emergentes, y también con elevadas densidades de población, hacen que el transporte se convierta en el foco de atención y por tanto obliga a establecer medidas de control que permitan cumplir con las metas fijadas en el protocolo de Kyoto. Por otra parte, el incremento de gases de efecto invernadero (GEI) en nuestra atmósfera está ocasionando cambios irreversibles en el clima, mostrando una relación directa con el incremento de la temperatura media global del planeta como aparece documentado en numerosas publicaciones científicas y de opinión. Los altos precios del petróleo, el agotamiento de sus reservas, el compromiso de preservar el medio ambiente, y la diversificación de las fuentes de energía, son los que han contribuido a la búsqueda de nuevas alternativas energéticas, en lo posible renovables, entre las que cabe destacar la energía solar, energía eólica, energía geotérmica, el hidrógeno, fusión nuclear, los biocombustibles, etc. En la actualidad, aproximadamente el 14% de la energía del mundo 6

7 proviene de fuentes de energía renovables (biomasa, residuos y otras energías renovables, sin considerar la energía hidroeléctrica) [3], lo que indica que el camino para lograr una consolidación de esta fuente energética aun es largo y deberá salvarse muchos obstáculos, tanto políticos, como sociales y económicos. A estas incógnitas, se suma el creciente cuestionamiento, de una parte, a la premisa de que los biocombustibles tienen un impacto positivo sobre las emisiones de GEI, y de otra que se requiere invertir más energía en su producción, de la que luego se obtiene de ellos. A lo que habría que agregar los interrogantes de orden ambiental, económico, social y político, como la seguridad alimentaria, incremento de precio de los alimentos, violación de derechos humanos, desplazamiento forzado de propietarios de tierras, empeoramiento del empleo rural, contaminación de suelos y aguas, deforestación y concentración de capital en pocas manos, destinación desigual de prebendas por parte de los gobiernos en relación con la asignación de subsidios y asignación de recursos para productores y zonas propicias para los cultivos energéticos, entre otros. De acuerdo con estudios de la Agencia Internacional de la Energía (IEA) sobre los posibles escenarios para los biocombustibles en los Estados Unidos de América y la Unión Europea, es posible que en el mediano plazo se pueda lograr un desplazamiento de la gasolina y el diesel derivados del petróleo por biocombustible hasta en un 6%, suponiendo que exista la disponibilidad de tierras. Un desplazamiento del 5% de la gasolina en la Unión Europea requiere del uso de cerca del 5% de la tierra total disponible para sembrar cultivos orientados a producir etanol, mientras que en los Estados unidos de América esta cifra se acerca al 8%. En el caso del biodiesel las cifras para desplazar un 5% del diesel petrolero son un 13% de la tierra total disponible en Europa y un 15% en Estados Unidos. [5]. La producción y masificación del uso de los biocombustibles tiene varios objetivos y se fundamenta en la necesidad de garantizar el abastecimiento energético de los países, disminuir su dependencia de los combustibles fósiles, adicional a los benéficos sociales, ambientales y económicos que se pueden obtener con la generación de empleos permanentes, el fortalecimiento del sector agrícola y de las economías regionales, el desarrollo agroindustrial, el mejoramiento de la calidad del aire que respiramos y la sustitución de cultivos ilícitos, entre otros beneficios. Dentro de los biocombustibles más prometedores se puede mencionar el etanol y el biodiesel. Por un lado, el etanol es producido por la fermentación de materiales orgánicos como el maíz, el trigo, la remolacha, los cereales, la caña de azúcar, entre otros y usualmente se mezcla con gasolina a diferentes concentraciones. La producción mundial de etanol combustible se duplicó entre 2000 y 2005, siendo aproximadamente 10 veces la producción de Biodiesel [6]. Con respecto a esta producción mundial de etanol, existen dos grandes participantes, Brasil y Estados Unidos, pero otros gobiernos están considerando incluir los biocombustibles dentro de su portafolio energético. Actualmente todo el etanol que se produce en Estados Unidos se obtiene a partir del maíz, en donde en el lapso de 2000 a 2007 ha cuadruplicado su producción; no obstante el DOE [7] realiza esfuerzos para aumentar la producción de etanol celulósico, obtenido a partir de cultivos no alimentarios. Por su parte el etanol que produce Brasil lo obtiene principalmente de la caña de azúcar de la cual es uno de los principales productores en el mundo. El biodiesel es un compuesto orgánico oxigenado derivado de una variedad de recursos 7

8 renovables como lo son los aceites vegetales (girasol, soya, colza, palma, entre otros), grasa animal, y aceite para cocción. El proceso de producción se basa en la transesterificación, en la cual al agregar aceite, alcohol y un catalizador, se obtiene biodiesel y como productos adicionales glicerina, agua y residuos que pueden utilizarse como fertilizante. El proceso químico es relativamente sencillo, sin embargo, para producir un biodiesel de calidad deben optimizarse las variables del proceso, tales como el exceso y catálisis de metanol, la desactivación del catalizador, la agitación, la temperatura, entre otras [8]. En cuanto a la producción mundial de biodiesel, y teniendo en cuenta que su auge comenzó en la década del 90, su crecimiento ha sido significativo, pasando de una producción de 586 a casi 9000 millones de litros, producción que ha sido impulsada principalmente por la Unión Europea, la cual vio un mayor beneficio de éste debido al mayor consumo de diesel en la región. En este sentido se destaca Alemania, como la locomotora de Europa en la producción de biodiesel (con una participación del 54%) y con Francia e Italia en un distante segundo y tercer lugar con unas participaciones de 14% y 9% respectivamente, cifras previas a la entrada en vigencia en 2010, de la normatividad que busca aumentar la participación de los biocombustibles en el consumo energético europeo al 5,75%. Otro hecho importante es que esta producción mundial se ha obtenido principalmente a partir de colza con el 84% y de girasol con el 13%. Figura 4. Evolución de la producción mundial de Biodiesel hasta el año 2007 [9] En el continente americano también se ha venido desarrollando la industria del biodiesel, con algunas experiencias positivas, por ejemplo, en su condición de principal productor y consumidor de etanol, Brasil está abordando la producción de biodiesel. En octubre 30 de 2002, el Ministerio de Ciencia y Tecnología lanzó el Programa Probiodiesel (Directiva número 702), que busca desarrollar la tecnología para la producción, industrialización, y uso del biodiesel, y sus mezclas con el diesel, para reducir la dependencia en las importaciones de diesel. En los Estados Unidos, el desarrollo de los biocombustibles han recibido amplio apoyo fiscal reflejado en ayudas directas y específicas, como créditos entre US$ a US$ millones para el desarrollo de los combustibles no convencionales, y reducción de impuestos. [6, 10]. El Biodiesel en Colombia De acuerdo a un informe de la UPME [11, 12], se encuentran terminadas y operando dos plantas de producción de biodiesel con una capacidad cercana a los 300 mil litros por día y se están 8

9 construyendo 5 más para una capacidad total de aproximadamente 1,8 millones de litros por día, las cuales emplearán aceite de palma como materia prima (Tabla 1). Se espera que los rendimientos de conversión a biodiesel a partir de palma de aceite sean de 4600 litros por hectárea, cálculo basado en el rendimiento promedio del cultivo de palma en Colombia equivalente a 3,93 ton/ha en Tabla 1. Plantas de producción de biodiesel operando y en construcción en Colombia [11] Región Inversionista Capacidad Área sembrada Fecha de (miles de ton/año) (miles de Ha) Entrada Norte, Codazzi Oleoflores 50 11,1 Enero de 2008 Norte, Santa Marta Odin Energy 36 8 Agosto de 2008 Norte, Santa Marta Oriental, Facatativá Central, Barrancabermeja Oriental, San Carlos de Guaroa Norte, Santa Marta Biocombustibles Sostenibles del Caribe ,2 Bio D ,2 Ecodiesel de Colombia Trimestre 1 de 2009 Trimestre 1 de ,2 Diciembre 2009 Aceites Manuelita ,2 Mayo 2009 Clean energy 30 7 Mayo 2009 Actualmente la cobertura de la mezcla de diesel con biodiesel al 5%, incluye la Costa Atlántica, Santander, Sur del Cesar, Sur y Occidente del país, a través de las plantas de abasto indicadas en la tabla 1. Según lo establecido por el Ministerio de Minas y Energía, a partir de abril de 2009 se inició la distribución de diesel mezclado con biodiesel al 5% en los departamentos de Nariño, Cauca, Valle del Cauca, Risaralda, Caldas y Quindío, además que se reinició la misma en el departamento de Bolívar y a partir de mayo del mismo año, se distribuyó mezcla de diesel - biodiesel en el departamento de Antioquia. Normatividad Colombiana La ley 939 de 2004 estableció que los biocombustibles de origen vegetal o animal para uso en motores diesel quedaban exentos del impuesto a las ventas y del impuesto global al diesel (artículos 8 y 9 respectivamente). En 2005, con la resolución 1289 de los ministerios de Medio Ambiente y de Minas y energía, se establecieron los porcentajes de mezcla, obligando al uso de B5 (5% de biodiesel + 95% de diesel en volumen) a partir de enero 1 de Posteriormente el artículo 25 del Decreto 2629 de 2007 estableció que esta mezcla se deberá ampliar a B10 a partir de enero de 2010 y a B20 para enero de 2012 para el parque automotor nuevo que ingrese al país. En lo que respecta a la calidad de los combustibles, la Resolución 1289 de 2005, modificada por la resolución de 2007 (Ministerios del Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial y el de Minas y Energía) establece los requisitos técnicos y ambientales del biodiesel y sus mezclas con el diesel de origen fósil a distribuir en el país, a partir del tercero o cuarto trimestre del año 2007 (Tabla 2). 9

10 Tabla 2. Requisitos de calidad del biocombustible para mezclar con los combustibles diesel [13] PARÁMETRO UNIDADES ESPECIFICACIÓN (Febrero 1º de 2007) Densidad a 15 C kg/m Número de cetano Cetanos 47 mínimo MÉTODOS DE ENSAYO ASTM D 4052 ASTM D 1298 ASTM D 287 ISO 3675 ISO ASTM D 613 ISO 5165 Índice de cetano Cetanos 49 mínimo ISO 4264 Viscosidad (cinemática a mm 2 ASTM D 445 /s 1,9 5,0 40 C) ISO 3104 ASTM D 1796 Agua y sedimentos % en volumen 0,05 máximo ASTM D 2709 Contenido de agua mg/kg 500 máximo ASTM E 203 ; ASTM D 95 ISO Punto de inflamación C 120 mínimo ASTM D 93 ; ISO 2719 Corrosión lámina de cobre Unidad 1 ASTM D 130 ISO 2160 Estabilidad a la oxidación mg/100 ml Reportar ASTM D 2274 Horas 6 mínimo EN Cenizas sulfatadas % en masa 0,02 máximo ASTM D 874 ISO 3987 Contenido de azufre mg/kg 10 máximo ASTM D 5453 ISO 4260 ; ISO ISO ; ISO 8754 Contenido de fósforo % en masa 0,001 máximo Rango de destilación C max 360 Número ácido mg de KOH/g 0,8 máximo Temperatura de Obturación del filtro frío (CFPP) C Reportar Punto de nube/ enturbiamiento C Reportar Punto de fluidez C Reportar Carbón residual % en masa 0,3 máximo Contenido de metales sodio y potasio mg/kg 5 máximo Glicerina libre y total % en masa 0,02/0,25 ASTM D 4951 ISO ASTM D 86 ; ASTM D 1160 ISO 3405 ASTM D 974 ; ASTM D 664 ISO 6618 ASTM D6371 EN 116 ASTM D 2500 ISO 3015 ASTM D 97 ASTM D 5949 ASTM D 4530 (Referencia ASTM D 189 y D 524) ISO EN EN ASTM D 6584 ; ISO ISO Poder calorífico bruto y neto MJ/kg Reportar ASTM D 240 Contenido de metanol o etanol % en masa 0,2 máximo ASTM D 4815 ISO Contenido de éster % en masa 96,5 mínimo EN Índice de yodo 120 máximo EN

11 11. RESUMEN Se realizaron 360 pruebas en un motor de encendido por compresión, montado en un banco de ensayos instrumentado y automatizado, ubicado en el Laboratorio de Máquinas Térmicas de la Universidad de Antioquia, operando con mezclas diesel convencional + biodiesel de palma, sacha inchi, higuerilla y jatropha al 5 y 20% v/v, bajo la premisa de igualdad de potencia. Tanto el combustible de referencia, como las 8 mezclas, se probaron en 20 modos estacionarios de funcionamiento, caracterizados cada uno por un torque y régimen de giro y que a su vez correspondieron a puntos representativos, por una parte de un ciclo de conducción europeo, y por la otra del ciclo de conducción norteamericano, ambos realizados a partir de cálculos de dinámica longitudinal para el mismo vehículo. Los resultados obtenidos muestran que mecánicamente el motor no experimentó ningún cambio en su desempeño al utilizar cualquiera de los biodiesel ensayados y que ambientalmente, salvo por las emisiones de NOx su uso resulta favorable, lo cual queda establecido por los siguientes hechos: El consumo de combustible incrementó en la medida que se aumentaba la concentración de biodiesel en la mezcla, este resultado fue independiente del tipo de biodiesel usado, el cual podría ser compensado si se tasara a un precio proporcionalmente menor, según su contenido energético, comparado con el diesel. La eficiencia térmica del motor no cambia ni con el tipo de biodiesel ni con la concentración de 5 o 20%. Las emisiones de CO 2 en base másica fueron siempre menores para todos los biodiesel, sin embargo las emisiones de CO 2 en base energética, que son las que verdaderamente interesarían de cara a la comparación entre combustibles, siempre incrementó. El biodiesel de palma y el de jatropha, fueron los que en promedio menos emisiones de óxidos de nitrógeno emitieron, siendo en todo caso ligeramente superiores a las del combustible de referencia. La opacidad del humo y el material particulado se reducen al usar biodiesel y más aún al incrementar la concentración en la mezcla, no se encontraron diferencias significativas entre los biodiesel de diversos orígenes ensayados. El mejor comportamiento a nivel de desempeño mecánico y ambiental lo tuvo el biodiesel de jatropha, ya que es el que menos cantidad (ton/año) de CO 2 y NO emite a la atmósfera, y también es uno de los tipos de biodiesel, que después del diesel, presenta la mejor oportunidad para cogenerar con los gases de escape. 12. OBJETIVO GENERAL Evaluar energética y ambientalmente el uso de mezclas biodiesel autóctonos-diesel común, en motores típicos de tráfico urbano. 11

12 13. Objetivos Específicos Objetivo Específico 1: Evaluar desde el punto de vista energético y ambiental el uso de mezclas de los diferentes biodiesel en diferentes concentraciones con diesel sobre el desempeño de un motor en banco de ensayos. Resultado esperado: Indicadores energéticos del uso de biodiesel de palma, higuerilla, Sacha Inchi y Jatropha en motores. Metodología: A continuación se describe el procedimiento empleado y los diferentes equipos utilizados en las pruebas experimentales necesarias para la caracterización del desempeño mecánico y ambiental de los biocombustibles considerados, al ser ensayados en un motor diesel. Selección de los modos de funcionamiento Se realizaron 360 ensayos, a una altitud de 1500 m sobre el nivel del mar, correspondiente a la ciudad de Medellín, sobre un motor diesel característico del parque automotor colombiano y en conformidad al plan de ensayos descrito a continuación: 5 modos de operación bajo el ciclo de conducción ECE europeo 5 modos de operación bajo el ciclo de conducción FTP norteamericano 3 modos de operación a 20 Nm de carga y 2000, 2250 y 2500 rpm 3 modos de operación a 40 Nm de carga y 2000, 2250 y 2500 rpm 3 modos de operación a 60 Nm de carga y 2000, 2250 y 2500 rpm 3 modos de operación a 80 Nm de carga y 2000, 2250 y 2500 rpm 1 modo de operación en ralentí Estos 23 modos de operación fueron ensayados para cada uno de los siguientes combustibles: Diesel (como combustible de referencia) Mezcla de diesel con biodiesel de Sacha Inchi al 5% en volumen (BS5) Mezcla de diesel con biodiesel de Sacha Inchi al 20% en volumen (BS20) Mezcla de diesel con biodiesel de palma al 5% en volumen (BP5) Mezcla de diesel con biodiesel de palma al 20% en volumen (BP20) Mezcla de diesel con biodiesel de higuerilla al 5% en volumen (BH5) Mezcla de diesel con biodiesel de higuerilla al 20% en volumen (BH20) Mezcla de diesel con biodiesel de Jatropha al 5% en volumen (BJ5) Mezcla de diesel con biodiesel de Jatropha al 20% en volumen (BJ20) Los valores de par y régimen de giro para los modos de los ciclos ECE y FTP se obtuvieron de la siguiente manera: 12

13 Ciclo europeo de conducción Con base en las características de condiciones de funcionamiento que establece la normatividad Europea 2001/C 240 E/01, en lo que respecta a los ciclos de homologación para vehículos ligeros, se observa que está compuesta por una sucesión de cuatro ciclos que simulan la conducción en condiciones urbanas, seguida de un ciclo extraurbano o en carretera. Figura 5. Ciclo transitorio de homologación para vehículos ligeros A partir de las características que identifican cada una de las secuencias del ciclo, como el tiempo, la velocidad inicial y la velocidad final, y con las características dinámicas del vehículo (Chevrolet Luv D-Max) equipado con el motor Isuzu 4JA1, se determinan para cada fase del ciclo, sea a velocidad constante o en aceleración, las condiciones de funcionamiento del motor, esto es, el par motor y el régimen de giro, para lo cual se realizó un análisis de dinámica longitudinal con ayuda del módulo Sim DriveLine del Simulink de MatLab, en el que se calcularon las fuerzas a las que se ve sometido el vehículo, a través de las ecuaciones fundamentales de tracción. Como usualmente los modos de desaceleración se desprecian, o se asumen iguales al ralentí, se hace una primera selección de 15 puntos tal como se muestra en la figura 6. A continuación se hace una selección de 5 puntos, dos para el ciclo urbano y 3 para el ciclo extraurbano, que sean representativos y que corresponden a aquellos con mayor duración en condiciones estacionarias, que es precisamente la forma en que se reproducirán en banco de ensayos. De esta forma las condiciones de funcionamiento del motor, obtenidas para dichos 5 modos son los que aparecen en la tabla 3. Ciclo norteamericano de conducción Para seleccionar los modos de operación según el ciclo de conducción FTP75 se realizó un análisis idéntico al que se acaba de exponer, con la diferencia que se tomó como punto de partida el diagrama velocidad vs tiempo, característico del ciclo de conducción en Estados unidos, figura 7, el cual está compuesto por una sucesión de transitorios discriminados en tres fases, una de arranque en frio seguida por una fase transitoria y a continuación una fase de arranque en caliente, para una duración total de 1874 segundos. En este caso los 5 puntos elegidos como los más representativos del ciclo fueron aquellos que más se repitieron en lo que respecta al par motor y régimen de giro, tras haber realizado el análisis de dinámica longitudinal (tabla 4): 13

14 Figura 6. Modos de operación seleccionados como los más representativos del ciclo de conducción europeo para vehículos livianos Tabla 3. Condiciones de funcionamiento del motor para los modos de operación seleccionados según el ciclo de conducción ECE Modo de V promedio Régimen de Torque t (s) Operación (km/h) giro (rpm) (Nm) E 21,43 32 E ** F* I 37,5 100 J 18, Figura 7. Ciclo norteamericano de homologación para vehículos ligeros 14

15 Tabla 4. Condiciones de funcionamiento del motor para los modos de operación seleccionados según el ciclo de conducción FTP75 Modo de Operación Régimen de giro (rpm) Torque (Nm) A E** I* K L Matriz rectangular de puntos Con el fin de cubrir una mayor área bajo la curva de par del motor ISUZU 4JA1, y en vista de que con los dos conjuntos de modos seleccionados anteriormente se estaría variando el par y el régimen de giro simultáneamente al pasar de un modo al otro, se ha decidido incluir una matriz rectangular de puntos que comprende 4 valores diferentes de torque y 3 regímenes de giro diferentes, buscando que quedaran en la zona central, de forma que se puedan hacer análisis a igual carga pero variando la velocidad angular del motor, o viceversa. Tabla 5. Condiciones de funcionamiento del motor para los modos de operación seleccionados en la matriz rectangular Modo de Régimen de Torque Operación giro (rpm) (Nm) *

16 Finalmente, se presenta el conjunto de 20 modos de ensayos correspondientes al ciclo ECE, el ciclo FTP y la matriz rectangular. Obsérvese que hay 3 modos (con asterisco en las tablas 3, 4 y 5) que coinciden en los 3 conjuntos de modos propuestos, y dos modos (con doble asterisco en las tablas 3 y 4) que coinciden en el ciclo ECE y el ciclo FTP, razón por la cual las tablas de datos contienen 23 resultados, aunque en realidad sólo se midieron 20. Figura 8. Matriz de puntos experimentales para cada uno de los combustibles a ensayar Metodología del ensayo Típicamente un ensayo consiste primero que todo en hacer una verificación de la instrumentación y de los componentes del banco de ensayo, luego se enciende el motor en unas condiciones de ralentí y en vacío, hasta que se alcanza el grado térmico apropiado, lo cual puede tomar alrededor de 10 minutos. Luego se lleva el motor a las condiciones de carga y régimen de giro correspondientes al primer modo de operación en el ciclo ECE o el FTP75, que se caracterizan por tener un par y régimen bajos. Una vez que se ha alcanzado la condición de estabilidad, que sería cuando la temperatura de los gases de escape se mantiene en un valor constante, se procede a efectuar la medición de las diferentes variables, tanto mecánicas como de emisiones gaseosas, entre las que se pueden mencionar: Par motor Régimen de giro Flujo másico de aire Flujo másico de combustible Flujo másico de agua del circuito de refrigeración Temperatura de admisión Temperatura de gases de escape Temperatura del lubricante Temperaturas de entrada y salida del refrigerante al motor Presión en la admisión Presión en cámara de combustión Ángulo de giro del cigüeñal 16

17 Avance de la inyección Concentración de monóxido de carbono en la corriente de gases de escape Concentración de hidrocarburos sin quemar en la corriente de gases de escape Concentración de óxido de nitrógeno en la corriente de gases de escape Concentración de bióxido de carbono en la corriente de gases de escape Concentración de oxígeno en la corriente de gases de escape Opacidad de humos de la corriente de gases de escape Muestras de material particulado para caracterización morfológica y de tamaño El balance energético se realizó teniendo en cuenta las siguientes variables: Flujo másico de combustible Poder calorífico másico inferior de los combustibles Potencia en el eje del motor Potencia que se va en los gases de escape Potencia que se va con el agua de refrigeración Pérdidas de energía que cierran el balance (aceite lubricante, calor transmitido por convección y radiación al ambiente). Instrumentación y Equipos Para las mediciones en banco de ensayos se utilizaron las instalaciones ubicadas en el Laboratorio de Máquinas Térmicas de la Universidad de Antioquia, el cual cuenta con tres salas debidamente acondicionadas e instrumentadas. En la Figura 9 se muestra un esquema de la instalación experimental. El banco de ensayos está completamente automatizado y equipado con sensores para la medida de temperaturas y presiones medias en la admisión, el escape, del circuito de refrigeración y del circuito de lubricación del motor, también se mide el régimen de giro, el avance de la inyección, el par motor, los flujos másicos de aire y de combustible, las emisiones de CO, NOx, hidrocarburos sin quemar y opacidad de humos; todas estas señales son tomadas y procesadas por un sistema de adquisición de datos de alta velocidad, el cual las envía a una interface gráfica programada en Labview para correr sobre Windows, de tal modo que se pueda caracterizar y monitorear con precisión el punto de funcionamiento deseado del motor. Para ver más información de los equipos empleados referirse al Anexo 3. 17

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