Análisis experimental de la combustión de un motor diésel de automoción operando con mezclas diésel-biodiésel de palma

RESUMEN: Debido a las diferencias entre los combustibles diesel y biodiesel en cuanto a estructura química, se derivan diferencias entre las propiedades físicas de éstos, afectando con ello el proceso de combustión en el motor. En este trabajo se aplica un modelo de diagnóstico del proceso de combustión a un motor diesel de automoción turboalimentado operando con biodiesel puro, diesel convencional (acpm) y mezclas al 20 y 50% en volumen (B20 y B50 respectivamente), operando a la misma potencia para estudiar solo el efecto del combustible, las pruebas se realizaron sin ninguna modificación en el motor ni en el sistema de inyección de combustible. En el estudio experimental y de diagnóstico se observó que a medida que aumentaba la concentración de biodiesel en la mezcla se obtuvo una ligera reducción de la relación combustible/aire (0.39 para B0, y 0.37 para B100), en el avance de la inyección y en el inicio de la combustión. Además disminuyeron la eficiencia térmica efectiva, la duración de la combustión, la temperatura media máxima en el interior del cilindro, la temperatura de los gases a la salida de la válvula de escape y la eficiencia de los gases de escape; mientras que la presión máxima, la tasa de exergía destruida y el consumo específico de combustible aumentaron.ABSTARCT: Differences in the chemical nature between petroleum diesel fuels and vegetable oils-based fuels lead to differences in their physical properties affecting the combustion process inside the engine. In this work a detailed combustion diagnosis was applied to a turbocharged automotive diesel engine operating with neat palm oil biodiesel (POB), No. 2 diesel fuel and their blends at 20 and 50% POB by volume (B20 and B50 respectively). To isolate the fuel effect, tests were executed at constant power output without carrying out any modification of the engine or its fuel injection system. As the POB content in the blend increased, there was a slight reduction in the fuel/air equivalence ratio from 0.39 (B0) to 0.37 (B100), an advance of injection timing and of start of combustion. Additionally, brake thermal efficiency, combustion duration, maximum mean temperature, temperature at exhaust valve opening and exhaust gas efficiency decreased; while the peak pressure, exergy destruction rate and specific fuel consumption increased. With diesel fuel and the blends B20 and B50 the same combustion stages were noticed. However, as a consequence of the differences pointed out, the thermal history of the process was affected. The diffusion combustion stage became larger with POB content. For B100 no premixed stage was observed

Evaluación de las emisiones de óxidos de nitrógeno y la opacidad de humos en un motor diesel operando con biodiesel de aceite de palma puro

RESUMEN: En este artículo se presenta un estudio experimental evaluando las prestaciones mecánicas, las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y la opacidad de humos de un motor diesel de alta velocidad e inyección directa operando con biodiesel de palma puro. Las pruebas se llevaron a cabo en un motor de automoción montado en un banco de ensayos y operando bajo condiciones estacionarias. Como línea base o combustible de referencia se tomó combustible diesel convencional. Los resultados indican que la utilización del biodiesel de palma, operando el motor a condiciones de plena carga, condujo a una disminución de potencia entre 10% y 17% y a un aumento en el consumo de combustible entre 14% y 22%. A plena carga y bajos regímenes de giro se midió un incremento en los óxidos de nitrógeno en torno a 20%. Sin embargo, bajo las mismas condiciones de carga y altas velocidades del motor se obtuvo una disminución del 6%. A carga parcial siempre se obtuvieron incrementos en las emisiones de NOx al usar biodiesel de palma, siendo más pronunciado el efecto a bajo régimen de giro. Por su parte, la opacidad de humos disminuyó significativamente (entre 40% y 80%) independiente del grado de carga. De acuerdo con los resultados experimentales, el uso del biodiesel de aceite puro de palma disminuyó la potencia entregada por el motor, aumentó el consumo de combustible, incrementó ligeramente la eficiencia, disminuyó siempre la opacidad de humos, y disminuyó o aumentó las emisiones de óxidos de nitrógeno dependiendo del modo de operación del motor.ABSTRACT: In this paper, an experimental study evaluating engine performance, nitrogen oxide emissions (NOx) and smoke opacity of a HSDI (high speed direct injection) diesel engine fuelled with neat palm oil biodiesel (POB) is presented. Tests were performed in a bench-mounted automotive diesel engine operating under steady state conditions. Conventional diesel fuel was taken as base line or reference fuel. Results show that at full-load operation POB led to a power output decrease between 10% and 17% and an effective specific fuel consumption increase between 14% and 22%. At full-load and low engine speeds an increase of 20% in NOx emissions was measured. However, at the same torque rating and high engine speeds a 6% decrease in such emissions was obtained. At partial-load, NOx emissions always increased using POB, this effect being more pronounced at low speeds. On the other hand, smoke opacity significantly decreased (between 40% and 80%) regardless of engine load. According to the experimental results POB fuelling reduced engine power output, increased fuel consumption, increased slightly efficiency, always decreased smoke opacity, and reduced or increased NOx emissions depending on the engine operation mode

Estudio de chorros diesel usando mecánica de fluidos computacional

RESUMEN: En este trabajo se desarrolló un modelo numérico para simular los principales subprocesos que ocurren en un chorro diesel usando un código CDF de libre acceso. El modelo se validó comparando valores predichos de la penetración de la punta del chorro para el dimetil éter (DME) con datos experimentales reportados en la literatura y resultados obtenidos a partir de correlaciones empíricas. Una vez validado, el modelo se usó para evaluar el efecto del tipo de combustible, la presión de inyección y la presión del gas ambiente en la penetración de la punta del chorro, el diámetro medio de Sauter (SMD) y la masa de combustible evaporada. Las propiedades del fluido afectaron significativamente los procesos de atomización y vaporización y en menor medida la penetración del chorro. Independientemente de las presiones de inyección y del gas ambiente, el SMD incrementó con la viscosidad y la tensión superficial mientras la tasa de evaporación incrementó con la volatilidad del combustible. A bajas presiones del gas ambiente el proceso de vaporización fue altamente favorecido así como la penetración del chorro. Para ambos combustibles, a medida que la presión de inyección se incrementó el SMD disminuyó y la tasa de evaporación aumentó.ABSTRACT: In this work a numerical model for simulating the main sub-processes occurring in a fuel spray was developed using an open-source CFD code. The model was validated by comparing predicted dimethyl ether (DME) spray tip penetrations with experimental data reported in literature and some results obtained from empirical correlations. Once validated, the model was used for evaluating the effect of fuel type, injection pressure and ambient gas pressure on spray tip penetration, Sauter mean diameter (SMD) and evaporated fuel mass. Fuel properties significantly affected the atomization and evaporation processes and in a lesser extent spray fuel penetration. Regarding the injection and ambient gas pressures, the SMD increased with viscosity and surface tension while the evaporation rate increased with fuel volatility. At low ambient gas pressures the evaporation process was highly favored as well as the spray penetration. For both fuels, as injection pressure increased the SMD decreased and the evaporation rate increased

La lubricidad de las mezclas etanol-gasolina

RESUMEN: En este trabajo se midió la lubricidad de varias mezclas etanol (hidratado o anhidro) / gasolina usando un equipo HFRR convencional. Las pruebas se efectuaron a 25 ºC sin control de la presión de vapor del agua, de acuerdo con la norma ASTM D6079. De acuerdo con los resultados obtenidos el rango de variación del diámetro medio de la huella de desgaste fue pequeño entre los combustibles probados, indicando que la adición de etanol, anhidro o hidratado, no impacta signifi cativamente la lubricidad de la mezcla. La adición de etanol hidratado (96% v/v) mejoró ligeramente la lubricidad de la mezcla en comparación con la adición de etanol anhidro. Los mayores diámetros medios de la huella de desgaste, menores películas de fl uido y mayores coefi cientes de fricción obtenidos para todos los combustibles probados, en comparación con los valores típicos de los combustibles diesel, indican la necesidad de usar aditivos de lubricidad cuando se usen mezclas etanol/gasolina en nuevas tecnologías de motor que requieran mayores presiones en el sistema de inyección de combustible.ABSTRACT: In this work the lubricity of several ethanol (hydrated or anhydrous) / gasoline fuel blends was measured by using a conventional HFRR tester. Tests were carried out at 25ºC with no water vapour pressure control, according to the ASTM D6079 standard. According to the results the range of variation of the mean wear scar diameter was small among tested fuels in the range E-20 to E-85, indicating that the addition of ethanol, anhydrous or hydrated, did not impact signifi cantly blend lubricity. The addition of hydrated ethanol (96% v/v) slightly improved blend lubricity in comparison with the addition of anhydrous ethanol. The higher mean wear scar diameters, lower fl uid fi lm traces and higher friction coeffi cients obtained for all tested fuels, in comparison with the typical values for diesel fuels, indicate the necessity of using lubricity additives when gasoline or ethanol / gasoline blends are used in new engine technologies requiring higher pressures in the fuel injection system

Cold flow properties of palm oil biodiesel

RESUMEN: El deficiente desempeño del biodiesel de aceite de palma (BAP) a bajas temperaturas constituye su mayor deficiencia de calidad y el limitante para propiciar el uso de este combustible alternativo para motores diesel puro o mezclado en altas proporciones con el combustible diesel convencional derivado del petróleo (ACPM). En este trabajo se evalúan varias alternativas para mejorar las propiedades de flujo a baja temperatura (PFBT) del BAP. Mediante la producción del biodiesel utilizando alcoholes ramificados como el isopropanol, isobutanol, 2-butanol e isopentanol se obtienen alquilésteres del aceite de palma con puntos de nube y fluidez más bajos que los correspondientes a los metilésteres. La sustitución del grupo metil por el isopentil permite obtener reducciones en los puntos de nube y fluidez de 8 y 21°C, respectivamente. Los isopropilésteres del aceite de palma poseen un punto de nube 10°C menor que el de los metilésteres. El punto de nube de las mezclas BAP-ACPM se incrementa en forma lineal con el contenido del biodiesel en la mezcla. Para las mezclas probadas (B5, B20 y B30) solo se presentan problemas de filtrabilidad del combustible a temperaturas por debajo de -4°C. En este trabajo se evaluó la efectividad de dos aditivos comerciales mejoradores de flujo para reducir el punto de obstrucción de filtros en frío (POFF) del biodiesel puro y las mezclas probadas. Los resultados obtenidos mostraron que con dichos aditivos solamente es posible obtener reducciones en el POFF de la mezcla B5 cuando se usa la menor de las tres concentraciones de aditivo probadas.ABSTRACT: The faulty performance of palm oil biodiesel at low temperatures constitutes its main quality drawback and limitation to use this alternative fuel for diesel engines either as a neat fuel or blended with conventional diesel fuel derived from petroleum. In this work, several alternatives for improving the cold flow properties of palm oil biodiesel are evaluated. The production of biodiesel using branched-chain alcohols such as isopropyl alcohol, isobutyl alcohol, 2-butyl alcohol and isopentyl alcohol allows the production of palm oil alkyl esters having cloud and pour points lower than those of methyl esters. Substituting isopropyl for the methyl group allows reductions in the cloud and pour points of 8 and 21°C, respectively. Palm oil isopropyl esters have a cloud point 10°C lower than the corresponding methyl esters. The cloud point of the palm oil biodiesel-diesel fuel blends linearly increases with mixture biodiesel content. In the case of the tested blends there may be fuel filterability problems only at temperatures below -4°C. This work also presents the effectiveness of two commercial additives used to reduce the cold filter plugging point of neat biodiesel and the tested blends. The results obtained showed that by using such additives it is only possible to obtain reductions in the B5 blend cold filter plugging point when the lowest additive concentration was used

Exergy diagnosis of the combustion process in a Diesel engine

RESUMEN: En este trabajo se desarrolla un modelo de diagnóstico exergético de una zona y dos especies, y se aplica para caracterizar la operación de un motor diesel. El modelo permite estudiar el proceso en el interior del cilindro durante el período de válvulas cerradas y determinar cómo se distribuye la exergía y cuál es el potencial exergético de las pérdidas. La experimentación se realizó en un motor diesel de automoción turboalimentado, de inyección directa montado en un banco de ensayos, operando bajo diferentes grados de carga. El diagnostico de combustión se realizó a partir de la presión instantánea en la cámara de combustión y se midieron y controlaron las principales variables de funcionamiento del motor para garantizar estado estacionario. Se determinaron las irreversibilidades y la distribución de la exergía a lo largo del proceso, encontrando que la combustión es la principal fuente de irreversibilidades. Los resultados mostraron que al aumentar el grado de carga disminuye la destrucción de exergía, lo cual se traduce principalmente en un aumento de la exergía de los gases de escape. Adicionalmente se identificó el potencial de cogeneración del motor, mostrando diferencias significativas entre los resultados de primera y segunda ley.ABSTRACT: In this work a single-zone and two-species exergy diagnosis model is developed and applied for characterizing the operation of a diesel engine from a secondlaw standpoint. The model allows to study the in-cylinder process during the closed-valve period, and to determine how the exergy is distributed and what is the exergy potential of the losses. Experiments were carried out in a test bed equipped with an automotive, direct injection, turbocharged diesel engine operating at several loads. Combustion diagnosis was made from instantaneous in-cylinder pressure signal and the main operation parameters of the engine were measured in order to guarantee steady state. Irreversibilities and exergy distribution throughout the process were determined. It was found that combustion is the main source of irreversibilities. Results show that exergy destruction decreases as load increases, which mainly led to an increase in the exergy of exhaust gases. Additionally, the cogeneration potential of the engine was identified, exhibiting significant differences between first and second-law results

Crystallization fractionation of palm oil biodiesel as an alternative for improving its cold flow properties

RESUMEN: El biodiesel de aceite de palma (BAP) posee excelentes propiedades como combustible para motores. Sin embargo, asociado con su composición química altamente saturada, este biocombustible presenta un deficiente desempeño a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente de varias ciudades colombianas. A 16 ºC, el BAP empieza a formar pequeños cristales, los cuales, a medida que la temperatura sigue disminuyendo, aceleran su crecimiento y se aglomeran, de tal modo, que a una temperatura entre 12 y 9 ºC pueden llegar a impedir completamente el flujo del combustible. En este trabajo se evaluó la técnica del fraccionamiento del BAP mediante cristalización inducida por enfriamiento para mejorar sus propiedades de flujo a baja temperatura (PFBT). Las variables tenidas en cuenta para dicho proceso fueron la temperatura de enfriamiento o de winterization (Tw) y el tiempo de estabilización (tp). De acuerdo con los punto de nube (PN) y fluidez (PF) del BAP, el rango de temperaturas de enfriamiento que se pudo ensayar fue muy limitado (12 ºC-16 ºC). El proceso permitió obtener una fracción líquida a la Tw con mejores PFBT que el BAP original. Para las condiciones extremas probadas (tp=24 horas y Tw=14 ºC) se obtuvo una fracción líquida con un PN 6 ºC menor que el del BAP sin fraccionar. Dicho cambio en el PN correspondió a un aumento en el contenido de metilésteres insaturados de 4,7% y una reducción en el contenido de metilésteres del ácido palmítico de 5,29%. Los cambios inducidos en la composición química de las fracciones líquidas no alcanzaron a tener efectos significativos en sus propiedades básicas como combustibles.ABSTRACT: Palm oil biodiesel (POB) has excellent properties as a fuel for engines. However, due to its highly saturated chemical composition, this biofuel presents a faulty performance at temperatures close to the environmental temperature of several Colombian cities. At 16 ºC, POB begins to form small crystals which grow and form agglomerates as the temperature continues decreasing, in such a way they can completely plug the fuel flow at temperatures between 12 ºC and 9 ºC. In this work, the fractionation technique of POB by crystallization induced by cooling was evaluated for improving its cold flow properties. The cooling or winterization temperature (Tw) and the stabilization time (ts) were the variables taken into account in the fractionation process. According to the values of the cloud point (CP) and pour point (PP) of the POB, the range for Tw tested was very limited (12 ºC-16 ºC). The process allowed the production of a liquid fraction, at Tw, with better cold flow properties than those of the original POB. For the extreme tested conditions (ts=24 hours and Tw=14 ºC), a liquid fraction having a CP of 6 ºC lower than the original POB was obtained. Such a change in the CP corresponded to an increase in the unsaturated methyl esters content of 4,7% and a reduction of the palmitic acid methyl esters content of 5,29%. The induced changes in the chemical composition of liquid fractions did not have significant effects on their fuel basic properties

Estudio experimental de las, variables que afectan, la reacción de transesterificación del, aceite crudo de palma para la obtención de biodiesel

Resumen: Este trabajo constituye la etapa inicial de un proyecto de investigación interinstitucional denominado "Optimización del Proceso de Obtención de Biodiesel de Aceite de Palma", el cual se desarrolla en dos fases que se complementan entre sí. La primera fase comprende el trabajo experimental y de campo, propiamente orientado a obtener un biodiesel de calidad a partir del aceite crudo de palma que se produce en el país. En la segunda fase se evalúa el desempeño de motores de encendido por compresión operando con el biocombustible producido. El objetivo de este trabajo es obtener un biodiesel mediante la transesterificación del aceite crudo de palma colombiano utilizando metanol y catalizadores homogéneos básicos de fácil consecución. Se busca mediante un diseño de experimentos que tenga en cuenta las principales variables que influyen en la reacción de transesterificación, obtener las condiciones óptimas para la producción del biodiesel. También es fundamental que el biocombustible obtenido cumpla con los requerimientos de calidad estipulados en las normas internacionales para combustibles para motores de encendido por compresiónAbstract: This paper is the initial stage of a research project agency entitled "Process Optimization Getting Palm Oil Biodiesel", which is developed in two phases that complement each other. The first phase includes the work experimental and field, properly oriented to get a quality biodiesel from the oil palm oil produced in the country. In the second phase evaluates the performance of engines compression ignition operating with the biofuel produced. The aim of this work is to obtain a biodiesel through the transesterification of crude oil Colombian palm using basic homogeneous catalysts methanol and easy to achieve. Wanted by an experimental design that takes into account the main variables affect the transesterification reaction to obtain the optimum conditions for production biodiesel. It is also essential that biofuel obtained meets the quality requirements specified in international standards for fuel compression ignition engine

Optimización del proceso de obtención del biodiesel de aceite de palma

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