12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015

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1 12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 e Noviembre e 2015 ANÁLISIS DEL USO DEL GAS NATURAL SOBRE EL DESEMPEÑO Y EMISIONES DE UN MOTOR BI-COMBUSTIBLE PARA EL USO DE GENERACIÓN ELÉCTRÍCA Cuisano Egúsquiza, Julio Cesar *, Menoza Nuñez, Juan Diegoº, Triveño Romero, Gonzalo Camiloº. *Pontificia Universia Católica el Perú, PUCP, Av. Universitaria 1801, San Miguel, Lima 32, Perú * jcuisano@pucp.pe, º jmenoza@pucp.pe; gonzalo.triveno@pucp.pe Palabras claves: gas natural, renimiento, emisiones, motor bi-combustible. RESUMEN En el Perú, el combustible iesel posee una gran emana ebio a su fuerte epenencia en el transporte, inustria, maquinarias pesaas, etc. Aemás, se posee granes reservas e gas natural ( 17.4 trillones e pies cúbicos). Sin embargo, su uso es mayormente estinao al sector e transporte liviano en moo ual. En el caso e maquinaria pesaa o en la generación eléctrica, no existen publicaciones nacionales sobre casos e éxito relacionaos al consumo el gas natural, aún menos en moo bi-combustible con motores e encenio por compresión, one la principal energía proviene el gas natural y el iesel es empleao únicamente como piloto para iniciar la combustión. En el marco anteriormente expuesto, el aumento el uso el gas natural sería una opción energética interesante, ya que contribuiría, en parte, a reucir la fuerte epenencia e los erivaos el petróleo, y a aminorar algunas emisiones contaminantes como el material particulao y óxios e azufre. Por tal motivo, en el presente estuio fueron realizaas iferentes pruebas e un motor Diesel bi-combustible, instalao en banco inamométrico, amitieno iferentes composiciones e aire / gas natural. Los resultaos obtenios fueron evaluaos en términos e parámetros e renimiento y emisiones específicas, aquiriénose características y tenencias bien efinias. PALABRAS CLAVE: gas natural, renimiento, emisiones, motor bi-combustible.

2 UNIDADES Y NOMENCLATURA GN Gas Natural BC Moo Dual Bi-combustible. MEP Motor encenio provocao. MEC Motor encenio por compresión. Rs Relación e sustitución. Rc Relación e compresión RS DGN Relación e sustitución e iesel/gas Natural. e, Renimiento efectivo en moo iesel (%) m Consumo e combustible iesel (kg/s) edgn Renimiento efectivo en el moo DBG (%) m GNV Consumo el gas natural presente en el biogás artificial (kg/s) m NO x Consumos e emisiones e NOx (g/h) Consumos e emisiones e CO (g/h) m CO m HC Pe EGR Consumos e emisiones e HC (g/h) Potencia efectiva (kw) Recirculación e gases e escape. INTRODUCCIÓN Actualmente en el Perú, existe un incremento e la emana el consumo el combustible iesel, aproximaamente 201,829 TJ [1]. Esta emana atiene, principalmente, los sectores e transporte, inustria, maquinarias pesaas y generación eléctrica. Como consecuencia, urante los últimos 20 años, el uso e este erivao el petróleo generó un incremento e las emisiones e monóxio e carbono (CO), e 684 a 696 MT, y óxios e azufre (SOx), e 28,3 a 45,7 MT [2]. En este contexto, el uso e combustibles alternativos en motores Diesel, sería una opción energética interesante para reucir el alto consumo y su averso impacto ambiental el iesel. Entre los combustibles alternativos, el uso el gas natural (GN), viene ganano más espacio y aceptación en los proyectos e generación eléctrica e baja, meia y alta potencia. Por ello el trabajo e tesis está centrao en la utilización e esta fuente energética en grupos electrógenos accionaos por motores Diesel. El proceso e combustión el motor bi-combustible Diesel/gas (BC) es un hibrio que combina características e los motores encenios provocao (MEP) y los motores e encenio por compresión (MEC) e acuero con el combustible primario. Se pueen presentar aumentos importantes en las emisiones e ciertos contaminantes, como el CO y en los hirocarburos no quemaos ( HC), sobre too a cargas parciales y altas relaciones e sustitución (Rs), one su funcionamiento es más ineficiente respecto a su homólogo Diesel. El trabajo realizará un estuio experimental e la operación Diesel/gas, utilizano un motor MEC, seis cilinros e aplicación vehicular, que está instalao en un banco e pruebas el laboratorio e energía e la Pontificia Universia Católica el Perú ( PUCP), para aplicación e generación e energía eléctrica en zonas que cuenten con conexión e GN y lo usen en generaores Diesel. En este motor serán evaluaos iversos parámetros e esempeño y emisiones en la operación Dual BC para compararlo con el funcionamiento el moo Diesel convencional. ESTADO DEL ARTE Análisis exploratorio e la investigación En la literatura, existe una vasta información e investigaciones numéricas y experimentales que aboran el uso e combustibles gaseosos, (metano, GN y biogás). Según Arango [3], en los MEC se ha lograo sustituir hasta el 65% el combustible iesel por combustibles gaseosos, sin afectar la parte constructiva el motor ni su renimiento. Cuano se opera en el moo BC se reuce e manera significativa las emisiones e material particulao ( MP), los cuales son básicamente núcleos aglomeraos e carbono sólio (hollín), hirocarburos y los óxios e azufre (SO 3).

3 Sobre las emisiones e óxios e nitrógeno ( NOx), Mustafi [5] comenta que el uso e los combustibles en moo BC proporciona menores emisiones e NOx, obteniénose reucciones el 9% en comparación al moo Diesel original. Propieaes el Gas Natural y el combustible Diesel La composición el GN, utilizao en esta investigación es aa en la Tabla 1 [4], one se estaca la alta composición e metano (88.22%) y elevaa relación e Hirogeno/Carbono (H/C). Luego, en la Tabla 2 [4] se muestra la información básica e los combustibles. Tabla 1: Composición el Gas Natural [4]. Componentes el GN v/v % Metano (CH4) Etano (C2H) Nitrogeno (N2) 0.6 CO Otros Componentes CxHy 0.01 Tabla 2: Propieaes básicas e los combustibles [4]. Propieaes Valor Gas Natural Poer Calorífico Inferior (MJ/kg) Densia (kg/m 3 ) H/C ratio 3.86 Combustible iesel Poer Calorífico Inferior (MJ/kg) Numero e Cetano Densia (kg/m 3 ) 830 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Los ensayos se ieron en un banco e pruebas el Laboratorio e Energía e la Pontificia Universia Católica el Perú. Los instrumentos utilizaos fueron: inamómetro eléctrico, sistemas e monitoreo el motor Cummins, meiores e flujo másico el iesel y GN, analizaor e emisiones, termocuplas tipo k, transmisores e presión. El esquema el banco e ensayos es mostrao en la Fig 1. El motor utilizao es e la marca Cummins, moelo QSB6.7, aplicación vehicular, sistema e inyección common-rail, cilinraa e 6.7 L y velocia nominal 2200 rpm. El inamómetro es un Zollner/ A-350, tipo campo electromagnético refrigerao por agua, con capacia e ensayar motores e hasta 500 Nm y 6500 rpm. El analizaor e emisiones es e la marca Testo, moelo 350XL. El flujo másico e GN se miió con un meior tipo coriolisis, marca Micro Motion, moelo CMF010. La meición el consumo e aire fue a través e un meior e placa e orificio instalao en un tanque que amortiguaba las pulsaciones e presión el aire e amisión.

4 Fig. 1: Esquema técnico el banco e pruebas utilizao en el estuio 1 Matriz e ensayos Experimentales La matriz e ensayo consiero el análisis en un solo régimen e giro el motor (1800 rpm), típico e la generación eléctrica e baja potencia en el Perú. El torque fue meio consiero 5 valores: 20, 40, 60, 80, 100 Nm. Para realización e los ensayos se procuró no variar ningún parámetro constructivo el motor, en los aspectos e inyección el combustible iesel, ni en la relación e compresión ( Rc). La finalia el ensayo Diesel fue eterminar las curvas características e referencia el motor, en términos e emisiones y renimientos específicos y, posteriormente, se reproujo las coniciones e velocia y torque para el moo bi-combustible, one se reemplazó parcialmente el iesel por GN, buscánose alcanzar las mayores relaciones e sustitución (Rs), para compararlo a los parámetros el motor original. Parámetros Calculaos La relación e sustitución, RS, fue efinia como la cantia másica el iesel que fue sustituio por el GN DGN urante el proceso e combustión (Ec. 1): RS DGN m _ BC (1 ) *100 % (1) m _ original El renimiento efectivo es la relación entre la potencia efectiva, P e, y la energía suministraa por el combustible. Para el moo Diesel, el renimiento es expresao por la Ec. (2): P e e, (2) m * PCI 1 Fuente: elaboración propia moificaa e CUISANO [7].

5 one e, es el renimiento efectivo en moo iesel (%) y es el consumo e combustible iesel (kg/s). Mientras que en el moo BC se tiene que aplicar un renimiento equivalente según la Ec. (3): m edgn Pe Pe PCI GNV ( m * * ) * ( PCI GNV * mgnv ) ( PCI * m ) mgnv PCI PCI (3) one edgn es el renimiento efectivo en el moo DBG (%) y m GNV es el consumo el gas natural (kg/s). Por otra parte, las concentraciones eterminaa por el analizaor e gases reporto las meias en partes por millón (ppm). Sin embargo, estas meias fueron convertias a emisiones específicas ( g/kw h), obtenieno la relación entre el flujo másico el contaminante y la potencia generaa [8]: m snox P NOx e m sco P CO e m shc P HC e (4) one m NO x, m CO, m HC, son los consumos e emisiones e CO, NOx y HC en ( g/h); Pe es la potencia efectiva en (kw). Es importante etallar que el prefijo s ( specific) es inicao para iferenciar las emisiones específicas e sus respectivas concentraciones [4]. RESULTADOS Como se puee observar en la Fig. 3, el consumo el iesel se reuce en un valor superior al 50%. Este resultao fue observao en los istintos niveles e torque aplicao al motor. La reucción el consumo el iesel es compensaa por el mayor consumo e gas natural (ver Fig. 4). En este punto, cabe mencionar que sistema e control el freno no permitió un ajuste preciso en la menor potencia (3.8 kw) lo cual poría haber influenciao en la meia el consumo e gas natural.

6 Fig. 2: Variación el consumo e iesel con la relación e sustitución iesel/gas Fig. 3:Variación el consumo e GNV con la relación e sustitución iesel/gas Respecto a los parámetros e esempeño, se corroboró los hallazgos e la literatura: el renimiento efectivo el motor tiene a isminuir con el aumento e la Rs, en las istintas cargas bajas ensayaas. Para moos BC, el renimiento efectivo isminuye ese e 21% hasta 13%, cuano el valor e Rs es incrementao e 0 a 50%. Esta caía en el renimiento representa una isminución el 38% el aprovechamiento e la energía e los combustibles (iesel y gas natural) para proucir trabajo útil en el motor

7 Fig. 4:Variación el renimiento efectivo con la relación e sustitución iesel/gas Por el lao e las emisiones, se puee observar que la reucción e las emisiones específicas e óxios e nitrógeno es consierable urante el moo BC (véase Fig. 5). Esta tenencia tiene aumentar con el valor e Rs. Fig. 5: Variación e las emisiones específicas e NOx con la relación e sustitución iesel/gas Con relación a los valores específicos e CO (véase Fig. 6) estos aumentan con la relación e sustitución, lo cual inica la menor eficiencia e la combustión ebio a la presencia el gas natural en el moo BC. Del mismo moo, en las Fig. 7 se aprecia que las emisiones específicas e HC se incrementan conforme se reuce la potencia generaa y aumenta el valor e Rs. Los resultaos e CO y HC (Fig. 6 y Fig. 7) son coherentes con los resultaos el renimiento efectivo (Fig. 4) y emisiones específicas. El menor aprovechamiento e la energía isponible el gas natural propiciaría una menor temperatura e la llama en el cilinro, lo cual conllevaría a un menor renimiento y menores reacciones el nitrógeno. En la mayor carga evaluaa en el estuio (18.8 kw), las emisiones e HC y CO urante el moo original pasaron e 0 y 4.73 g/kw h, respectivamente, para 60 y 33.4 g/kw h en el moo BC con RS= 47%. Del mismo moo, en el nivel más bajo e carga (3.8 kw) los valores específicos e HC y CO el moo original pasaron e 0 y 18.2 g/kw h, corresponientemente, a 365 y g/kw h urante el moo BC con RS= 56.5%.

8 Fig. 6: Variación e las emisiones específicas e CO con la relación e sustitución iesel/gas Fig. 7: Variación e las emisiones específicas e HC con la relación e sustitución iesel/gas CONCLUSIONES Durante el moo BC, y en bajas potencias el motor, se consiguió reucir hasta en un 56 % el consumo e iesel y, conforme se aumentó el suministro e gas al motor, se consiguió reucir hasta en un 40% las emisiones óxios e nitrógeno en el escape. Este efecto, en estas coniciones e operación, fue atribuio a la ineficiencia e la combustión el gas natural, lo cual porían favorecer la menor intensia e la temperatura e la llama y, consecuentemente, las menores tasas e formación e NO X. En toas las cargas, el renimiento efectivo el motor urante el moo BC isminuye con la RS, sieno este efecto más notable en bajas cargas. En 3.8 kw, por ejemplo, urante el moo BC con RS= 56.5% existió una caía el 50% sobre el renimiento efectivo original el motor (moo Diesel). Con relación a las emisiones e hirocarburos y monóxio e carbono se constató que, conforme se aumentó la relación e sustitución, ambas emisiones mostraron una tenencia al incremento. Los resultaos confirman

9 que el bajo renimiento efectivo urante el moo BC está asociao a las reacciones incompletas el carbono e hirógeno e la mezcla gaseosa, ebio a las elevaas emisiones registraas el CO y HC. AGRADECIMIENTOS Los autores quieren expresar su agraecimiento al personal aministrativo y técnico el Laboratorio e Energía e la Pontificia Universia Católica el Perú por su apoyo económico y logístico a este trabajo. REFERENCIAS 1. OSINERGMIN ( Organismo Supervisor e la Inversión en Energía y Minas el Perú), Balance e energía nacional 2012 ese la perspectiva e supervisor, Agosto MINEM ( Ministerio e Energía y Minas el Perú), Balance Nacional e Energía Ministerio e Energía y Minas. Consulta: 24 e mayo e Arango, et al, Análisis exploratorio e investigaciones sobre los motores e combustión interna que trabajan con biogás.tecnura, vol 18 N J.D. Menoza N, Estuio experimental e un motor bi-combustible para el uso e Biogas, Tesís e bachiller, Pontificia Universia Católica el Perú, Lima, Perú, Mustafi N, et al., Combustion an emissions characteristics of ual fuel engine operate on alternative gaseous fuels. Fuel, n 109, , Petróleos el Perú-PETROPERÚ S.A, 2012, Beneficios el Combustible Diesel DB5, Ministerio e Energía y Minas. Consulta: 27 e setiembre e J.C. Cuisano, S.L. Braga, C.V.Braga, Experimental invetigation of a Diesel Engine Operating on Natural Gas/Diesel Dual Fuel Moe. SAE Paper, , J.B. Heywoo, Internal Combustion Engine Funamentals, McGraw-Hill Inc, New York, 1988.