Análisis de rendimiento y Emisiones de un motor de encendido por compresión en Modo Dual con GLP y Éster metílico de aceite de Karanja

Resumen

Se experimenta con el uso de gas licuado de petróleo (GLP) para mejorar el rendimiento de un motor de encendido por compresión de combustible dual que funciona con mezclas de éster metílico de aceite de Karanja (KOME). El diesel se utiliza como combustible de referencia para los resultados del motor de combustible dual. Durante la experimentación, el rendimiento del motor se mide en términos de eficiencia térmica del freno (BTE) y consumo de combustible específico del freno (BSFC), y las emisiones de escape se miden en términos de monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC) y óxidos de nitrógeno (). El motor de combustible dual con GLP mostró una reducción en la emisión de humo; sin embargo, sufre de altas emisiones de HC y CO, particularmente, a cargas más bajas debido a una ignición deficiente. La comparación de rendimiento y emisiones se realiza para diesel y mezclas de KOME. Los resultados mostraron que el uso de mezclas KOME (10% y 20%) ha mejorado el rendimiento del motor de CI con una reducción de las emisiones de HC y CO.

1. Introducción

El agotamiento de las reservas de petróleo y la preocupación por los altos niveles de contaminantes en los gases de escape de los vehículos han motivado a los investigadores a buscar fuentes de energía alternativas con naturaleza renovable y un efecto menos contaminante . El uso de combustibles gaseosos alternativos en motores de encendido por compresión en modo de combustible dual está aumentando debido a su combustión limpia en comparación con los combustibles líquidos convencionales, así como a su disponibilidad relativamente mayor a precios atractivos . Para sustituir los combustibles derivados del petróleo utilizados en los motores de combustión interna, el combustible de origen biológico ofrece una solución viable a las crisis gemelas de «agotamiento de los combustibles fósiles» y «degradación ambiental».»Varios investigadores están buscando activamente la utilización de aceites no comestibles para la producción de biodiesel en todo el mundo debido a su naturaleza de combustión más limpia . Químicamente, el biodiésel se conoce como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de fuentes de lípidos renovables. Las principales ventajas del biodiésel es que suprime la formación de dióxido de azufre, CO, HC y emisiones de partículas durante el proceso de combustión debido a su bajo contenido de azufre, compuestos aromáticos bajos y la presencia de compuestos que contienen oxígeno. Además, el biodiesel tiene una buena capacidad de ignición en el motor debido a su número de cetano relativamente alto en comparación con el del combustible diesel convencional . Se ha encontrado que las concentraciones más bajas de mezclas de biodiésel mejoran la eficiencia térmica. Como los parámetros en los que funcionan los motores, una mezcla de hasta un 20% de biodiesel con diesel funciona bien sin ninguna modificación en el motor . Los beneficios potenciales del uso de GLP en motores diesel son económicos y respetuosos con el medio ambiente . Con un consumo de energía reducido, el motor de combustible dual muestra una reducción significativa en la densidad de humo y mejora del BTE . La regulación del aire de admisión a bajas cargas mejora la eficiencia térmica del freno, y la emisión de HC se deteriora con el aumento del porcentaje de sustitución de GLP . En el presente estudio, se investigó experimentalmente el efecto de las mezclas de biodiésel sobre el rendimiento y las características de emisión de un motor diésel en modo de combustible dual con la variación del caudal de GLP.

2. Experimentación

El objetivo del estudio es establecer una combinación de mezclas de biodiésel con combustible gaseoso en modo de combustible dual y estudiar las características de rendimiento y emisión del motor con GLP como combustible gaseoso.

2.1. Configuración experimental

El motor utilizado en este estudio es un motor diésel refrigerado por agua de un solo cilindro de cuatro tiempos fabricado por Kirolskar. Las especificaciones del motor figuran en el cuadro 1. Dos tanques de combustible separados están unidos a la configuración para almacenar diesel y mezclas de biodiesel. El motor está acoplado a un dinamómetro hidráulico para medir la carga de funcionamiento. El motor se modifica al modo de combustible dual conectando un vaporizador entre el tanque de GLP y el paso de GLP en el colector de admisión. El colector de entrada del motor es alargado por 3 pies, y la boquilla de gas se perfora en el colector. El flujo de GLP se controla mediante una válvula de aguja. La presión del gas en la entrada del vaporizador se mide con un manómetro. El analizador de gases AVL 444 está conectado al escape para medir los parámetros de emisión. El rango de medición y la precisión del analizador de gases se indican en la Tabla 2. Se utiliza un sistema de refrigeración por agua de circuito cerrado a presión para enfriar el motor. Se utiliza una pesadora de plataforma de tipo digital con una precisión de 1 mg para medir el caudal de GLP por método de diferencia de peso con una incertidumbre de 1,2%. El diagrama de diseño de la configuración experimental se muestra en la Figura 1. Inicialmente, el motor se prueba con diesel estándar en todas las cargas para determinar el rendimiento del motor y las características de emisión. El mismo procedimiento se repite en modo de combustible dual con aumento del caudal de GLP para todas las cargas. La fracción de masa de GLP () se calcula por

Figura 1

Experimental de diseño de diagrama.

2.2. La producción de éster metílico de aceite de Karanja

El éster metílico de aceite de Karanja (KOME) se prepara en el laboratorio a partir de aceite vegetal puro de Karanja (Pongamia pinnata). El aceite vegetal extraído se obtiene de un molino de aceite local. Para el aceite de Karanja puro, el ácido graso libre (FFA) es más del 5%. Por lo tanto, el AGF se reduce mediante esterificación catalizada por ácido utilizando metanol en presencia de ácido sulfúrico (), seguida de transesterificación utilizando metanol en presencia de hidróxido de potasio (KOH). Después de la separación del glicerol, el éster se lava con agua para eliminar el metóxido sin reaccionar. Luego se calienta para eliminar las trazas de agua y obtener el biodiésel limpio. El éster metílico de aceite de Karanja conocido como biodiesel, producido por este proceso, es totalmente miscible con diesel en cualquier proporción .

3. Resultados y Discusión

Las variaciones de los parámetros de rendimiento y emisión con el caudal de GLP se discuten en esta sección. Como indican investigaciones anteriores, las mezclas de biodiésel de hasta un 20% muestran un mejor rendimiento, así como mejores características de emisión, mientras que con mezclas más altas, la reducción del poder calorífico dificulta el rendimiento del motor . Las propiedades de los combustibles se muestran en la Tabla 3.

3.1. Consumo de combustible específico del freno

El consumo de combustible específico del freno del modo de combustible dual se registra con diesel y mezclas de biodiésel. En la Figura 2 se presenta una comparación de BSFC al 70% de carga para diesel y mezclas de KOME hasta el 20%. Se observa que al aumentar la carga, el BSFC disminuye, al igual que con el aumento de la presión del cilindro de carga y los aumentos de temperatura, lo que mejora el proceso de combustión, lo que resulta en una disminución del BSFC. El BSFC aumenta con el aumento del porcentaje de sustitución de GLP a cargas parciales puede deberse a la combustión incompleta del combustible gaseoso, mientras que a cargas más altas el BSFC mejora con el aumento de la sustitución de GLP. Por otro lado, el BSFC disminuye gradualmente con el aumento del porcentaje de mezcla. Esto puede atribuirse a la presencia de oxígeno molecular adicional presente en el biodiésel, lo que mejora el proceso de combustión. Una comparación de BSFC con el aumento de la carga se hace a 4 g/min de caudal de GLP se muestra en la Figura 3. Se observa que el BSFC disminuye con el aumento de la carga. la mezcla del 20% de KOME (B-20) muestra el BSFC más bajo seguido de una mezcla del 10% de KOME (B-10) y diesel en todo el rango de carga. Como el caudal de GLP se mantuvo constante, el B-10 y el B-20 muestran un BSFC más mejorado que el diesel.

Figura 2

Comparación de la variación de BSFC con el porcentaje de sustitución de GLP.

Figura 3

Comparación de BSFC con el aumento en el porcentaje de carga.

3.2. Eficiencia térmica del freno

La eficiencia térmica del freno (BTE) de todos los combustibles piloto se observa en modo de combustible dual. La comparación de BTE para diésel B-10 y B-20 a 70% de carga se muestra en la Figura 4. Se encuentra que el B-10 y el B-20 proporcionan un mejor BTE en todas las cargas en comparación con el diesel estándar. Esto puede atribuirse al contenido extra de oxígeno de las mezclas de biodiésel, que mejora el proceso de combustión y tiende a aumentar el BTE del motor. Pero con el aumento en la sustitución de GLP, el BTE cae gradualmente para todos los combustibles piloto en condiciones de carga parcial, porque a cargas bajas se impacta menos combustible piloto en el cilindro, y debido al exceso de aire y la baja temperatura del cilindro, la cantidad magra de mezcla de combustible se escapa al escape. Mientras que para el diesel, el BTE aumenta a una carga más alta hasta un 35% de la sustitución de GLP. Con una carga más alta, el aumento de la temperatura media del gas tiene el efecto de reducir el retraso de encendido del combustible, lo que resulta en un BTE mejorado. En la Figura 5 se comparó el BTE con el aumento de la carga para todo el combustible piloto a un caudal de 4 g/min de GLP. Se observa que el BTE aumenta con el aumento de la carga, mientras que las mezclas de B-10 y B-20 dan un mejor BTE en todas las cargas en comparación con el diesel estándar. Esto puede atribuirse al contenido extra de oxígeno de las mezclas de biodiésel, que mejora el proceso de combustión y tiende a aumentar el BTE del motor.

Figura 4

Comparación de la variación de la BTE con el porcentaje de sustitución de GLP.

Figura 5

Comparación de BTE con el aumento en el porcentaje de carga.

3.3. Emisiones de HC

Las emisiones de HC consisten en combustible que está completamente sin quemar o parcialmente quemado. Por lo general, las emisiones de HC son problemas graves con cargas ligeras para los motores diesel. La comparación de las emisiones de HC de todos los combustibles piloto en modo de combustible dual se muestra en la figura 6. En el modo de combustible dual con aumento en la sustitución de GLP, las emisiones de HC aumentan. Esto puede deberse a la reducción del aire fresco con el aumento del caudal de GLP, lo que resulta en una combustión incompleta de la mezcla más rica. El nivel de emisión de HC disminuye con el aumento de las mezclas de biodiésel. La tendencia a la disminución de las emisiones de HC en comparación con el combustible diesel podría deberse a la presencia de moléculas de oxígeno en el biodiésel, que ayudó a la combustión completa. Con un caudal de GLP de 4 g / min, la observación mostró que la emisión de HC disminuye gradualmente con el aumento de la carga. Puede deberse a la baja temperatura del motor y a la mezcla magra, ya que las cargas parciales afectan a la combustión de la mezcla de combustible de aire y pocas de ellas escapan al escape. Mientras que a una carga más alta con el aumento de la temperatura máxima del cilindro, se lleva a cabo una combustión adecuada que reduce la emisión de HC. El resultado se ilustra en la figura 7. La emisión de HC fue más alta para el diésel, seguida de B-10 y B-20.

Figura 6

Comparación de la variación de emisión de HC con el porcentaje de sustitución de GLP.

Figura 7

Comparación de HC emisión con el aumento en el porcentaje de carga.

3.4. Las emisiones

son las emisiones gaseosas más nocivas de los motores. la velocidad de formación depende en gran medida de la temperatura del gas en el cilindro. Por lo tanto, la distribución del combustible dentro del cilindro y su proceso de combustión afectan la formación. Generalmente se forma en las regiones de gas quemado a alta temperatura. La comparación de las variaciones de emisión con la sustitución de GLP se muestra en la Figura 8. La emisión disminuye con el aumento del caudal de GLP. Esto puede atribuirse a la reducción del aire fresco y a la alta temperatura de auto ignición del GLP, lo que aumenta el retraso de ignición, lo que resulta en una reducción de la temperatura máxima del cilindro. Por otro lado, las emisiones aumentan con el aumento del porcentaje de mezcla de biodiésel, ya que el contenido de oxígeno del biodiésel proporciona una alta temperatura local que mejora el proceso de combustión. La variación de la emisión con carga a 4 g/min de caudal de GLP para diésel, B-10 y B-20, se muestra en la Figura 9. Se observó que el B-20 muestra la emisión más alta, seguido del B-10 y el diesel estándar.

Figura 8

Comparación de la variación de las emisiones con el porcentaje de sustitución de GLP.

Figura 9

Comparación de emisión con el aumento en el porcentaje de carga.

3.5. Emisiones de CO

Generalmente, la emisión de CO del motor se produce debido a la oxidación parcial de la mezcla de combustible. Como es bien sabido, la velocidad de formación de CO es una función del combustible no quemado y de la temperatura de la mezcla durante la combustión, ya que ambos factores controlan la descomposición y oxidación del combustible. Las variaciones de emisión de CO con sustitución de GLP se muestran en la Figura 10. Se observa que con el aumento de la sustitución de GLP, inicialmente la emisión de CO disminuye hasta un 25% de la sustitución de los tres combustibles piloto. Pero con un mayor aumento en el caudal de GLP, la emisión de CO aumenta; puede deberse a la reducción en el oxígeno fresco, lo que conduce a la oxidación parcial de la mezcla de combustible. Con el aumento de la proporción de mezcla, la emisión de CO disminuye. Esto muestra que tal vez debido a la presencia de oxígeno adicional en las mezclas en comparación con el diesel puro, la oxidación adecuada de las mezclas resulta en una menor emisión de CO. A un caudal de GLP de 4 g / min, la observación muestra que la emisión de CO disminuye gradualmente al aumentar la carga. Puede deberse a la baja temperatura del motor y a la mezcla magra a cargas parciales, a que toda la mezcla de combustible de aire no se quema por completo y a que pocos escapan al escape. La emisión de CO fue más alta para el diésel, seguida de B-10 y B-20. El resultado se muestra en la Figura 11.

Figura 10

Comparación de la variación de CO emisión con el porcentaje de sustitución de GLP.

Figura 11

Comparación de CO emisión con el aumento en el porcentaje de carga.

4. Conclusión

En el presente trabajo, se ha realizado una investigación experimental para examinar los efectos de la inducción de GLP en el colector del motor (justo adyacente a la válvula de entrada) con KOME como combustible piloto. A partir del análisis de los datos experimentales, se observa que el BSFC y el BTE mejoraron para el motor CI con B-10 y B-20 en comparación con el diesel. Mientras que a carga parcial, el BSFC aumenta, así como el BTE disminuye con el aumento en la sustitución de GLP, pero se observó una mejora para ambos parámetros a cargas más altas. Las emisiones de HC y CO aumentaron en el modo de combustible dual. Sin embargo, las mezclas de KOME han mostrado una reducción de las emisiones de HC y CO en el modo de combustible dual en comparación con el diesel. Las emisiones se redujeron en el modo de combustible dual para los tres combustibles piloto, mientras que con el aumento del porcentaje de mezcla de KOME se observó un aumento de las emisiones. Las mezclas más altas de KOME tienen mayor viscosidad, lo que afecta la atomización del combustible piloto. Es posible mejorar aún más las características de rendimiento y emisiones en el modo de combustible dual con mezclas más altas aumentando la presión de inyección.