Cuantificación de la opacidad en motores electrónicos diésel usando diésel y biodiésel

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El presente estudio tiene la finalidad de determinar los niveles de opacidad con el uso de diésel fósil como de biodiésel a base de higuerilla al 15 % (B15). Para la determinación de la opacidad se utilizó un banco de pruebas de motores diésel

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  Artículo Científico / Scientific Paper  https://doi.org/10.17163/ings.n19.2018.10pISSN: 1390-650X / eISSN: 1390-860X Cuantificación de la opacidad enmotores electrónicos diésel usandodiésel y biodiéselQuantification of opacity in dieselelectronic engines using diesel andbiodiesel Carlos Mafla Yépez 1 , ∗ , Rommel Imbaquingo Navarrete 1 , Jorge Melo Obando 1 ,Ignacio Benavides Cevallos 1 , Erik Hernández Rueda 1 1 , ∗ Grupo de investigación en motores de combustión interna con biocombustible (BICER), Universidad Técnica del Norte, Ibarra – Ecuador. Autor para correspondencia  : cnmafla@utn.edu.ec, http://orcid.org/0000-0003-3704-8676 https://orcid.org/0000-0001-7140-3374, https://orcid.org/0000-0003-0546-6988https://orcid.org/0000-0003-3332-8523, https://orcid.org/0000-0003-1969-9619Recibido: 15-11-2017 ,  aprobado tras revisión: 28-12-2017 Forma sugerida de citación: Mafla, C.; Imbaquingo, R.; Melo, J.; Benavides, I.; Hernández, E. (2018). «Cuantificación de la opacidad en motores electrónicos diésel usando diésel y biodiésel».  Ingenius . N. ◦ 19, (enero-junio). pp. 102-107. doi : https://doi.org/10.17163/ings.n19.2018.10. Resumen Abstract El presente estudio tiene la finalidad de determinar los niveles de opacidad con el uso de diésel fósil comode biodiésel a base de higuerilla al 15 % (B15). Para la determinación de la opacidad se utilizó un bancode pruebas de motores diésel electrónico, se realizólas mediciones de opacidad usando un opacímetro debidamente calibrado. El opacímetro consta de una sonda la cual se le instala en el extremo del tubode escape, captando los gases y arrojando valorespropios por cada prueba, considerando los tipos decombustibles fósil o biocombustible y el régimen delmotor, sometiendo a varias revoluciones por minutoque van de 1200 a 3000 por cada combustible. Alconcluir las pruebas el opacímetro permitió obteneruna opacidad de 11,1 % con diésel fósil y 0,386 con biodiésel B15 obteniendo una reducción del 96 % de opacidad, a la vez se obtuvo un promedio de opacidad de las pruebas por cada tipo de combustible siendoeste valor el que se comparará con las normas na- cionales e internacionales concernientes a este estudio.Con estos resultados se contribuye a la mejor conser-vación del ambiente ya que se emana menor cantidad de hollín, de igual manera se disminuye las enfer-medades respiratorias y de corazón de las personas según la organización mundial de la salud. The present study has the purpose of determining the levels of opacity with the use of diesel as biodiesel based on castor oil at 15% (B15). For the determi- nation of the opacity an electronic diesel engine test bench was used, the opacity measurements were made using a duly calibrated opacimeter. The Opacimeter consists of a probe which is installed at the end of  the exhaust pipe, which captures the gases and yields values for each test, considering the types of fossilor biofuel fuels and engine speed, subjecting severalRPMs that go from 1200 to 3000 for each fuel. Atthe end of the tests, the opacimeter allowed to ob- tain values that indicate the difference in opacity and to make a comparative analysis of the use of dieseland biodiesel. At the same time, an average opacityof the tests was obtained for each type of fuel, this value being the same that will be compared with the national standard concerning this study. From thetests carried out, a 96% reduction in the opacity of the engine could be evidenced with the use of B15 biodiesel from Higuerilla oil compared to diesel. Palabras clave : biodiésel, B15, diésel fósil, higuerilla, opacidad, RPM. Keywords : biodiesel, B15, fossil diesel, castor oil, opacity, RPM. 102  Mafla et al./ Cuantificación de la opacidad en motores electrónicos diésel usando diésel y biodiésel   103 1. Introducción Las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI)(NO x , CO 2 , CO, HC) son los causantes de provocar el calentamiento global, el deterioro del ambiente y lasalud de los seres humanos [1]. Según la OrganizaciónMundial del Medio Ambiente, la industria automotriz es la causante del 15 % de la contaminación del am- biente a nivel mundial. Algo muy importante y que nose debe obviar al momento de usar combustibles fósiles es su potencial de generación de emisiones contami-nantes, entre los cuales se encuentran el dióxido de carbono (CO 2 ), principal gas causante del efecto inver- nadero; monóxido de carbono (CO), que tiene efectos letales sobre el hombre; óxidos de nitrógeno (NO x ) ehidrocarburos inquemados o parcialmente quemados (HC), principales formadores de esmog fotoquímico enpresencia de luz; emisiones sulfurosas (SO x ), causantes de la lluvia ácida, generador de sulfatos, y material particulado, causante de enfermedades respiratorias y cáncer [2]. Además, se conoce que el parque automotor de vehículos con motor a gasolina y diésel va en aumento,siendo estos últimos los responsables de la emisión de partículas de hollín al ambiente. El hollín, la ceniza y el polvo son partículas relativa-mente pesadas que se depositan en el suelo y el aire laslimpia rápidamente. Pero cerca de su fuente de srcenconstituyen con frecuencia un peligro para la salud, yaque pueden causar enfermedades respiratorias crónicas tales como el enfisema y el cáncer [3]. El porcentaje de opacidad es la unidad de medición que determina el grado de opacidad de las emisiones de escape de una fuente móvil a diésel, en el Ecuador esta unidad aporta el Instituto Ecuatoriano de Nor- malización en la norma técnica NTE INEN 2 202:2000,donde manifiesta que los límites máximos de opacidad de emisiones para fuentes móviles con motor diéselson: A partir del año 2000 en adelante es el 50 % deopacidad y los modelos posteriores al año 2000 es el 60 % de opacidad [4]. Por tal razón la comunidad científica se encuen-tra en una incansable labor de buscar nuevas fuentesde energía limpia y renovable, que ayude a disminuirlas emisiones a la atmósfera y por ende reducir las enfermedades producidas en el ser humano. Así es como una alternativa al diésel fósil es elbiodiésel, el cual es un biocombustible líquido reno-vable que está compuesto por ésteres monoalquílicosde ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales que se mezclan, en diferentes porcentajes con gasoil [5], además, esun combustible alternativo de carbón neutro que sedebe tomar en cuenta como mecanismo para reducir las emisiones de gases contaminantes que se producen en la combustión [6]. En la actualidad se encuentra varias tecnologíaspara la producción de biodiésel, los aceites vegetalestienen propiedades que permiten poder manipular sudensidad y viscosidad, por lo cual estos aceites son adecuados para la producción de biodiésel [7]. El biodiésel tiene algunas características muy intere- santes: No se necesitan grandes cambios en el motor,es biodegradable e inocuo para el ambiente, genera empleo en zonas rurales, diversifica las fuentes de ener- gía [8]. Mediante el uso de biodiésel puro o mezclado, seha conseguido fantásticos resultados. El uso de este biocombustible ha disminuido considerablemente el po-tencial de destrucción de la capa de ozono hasta en un 50 %, las emisiones de sulfatos y óxidos de azufre son eliminados con el biodiésel puro, estos son componentesprincipales de la lluvia ácida y se ligan a la formaciónde partículas principalmente por el contenido de azufrey el contenido de componentes aromáticos pesados [9], el uso del biodiésel en los motores diésel provoca una importante reducción de los hidrocarburos totales sin quemar, del monóxido de carbono y de las partículas en suspensión; las emisiones de los óxidos de nitrógeno son similares o aumentan ligeramente [10]. En lo referente a motores diésel, el biodiésel, dadas las ventajas técnicas, estratégicas y ambientales queofrece, constituye la mejor alternativa para sustituir parcial o totalmente al combustible diésel derivado del petróleo [11]. Al utilizar biodiésel se logra disminuir las emisionesde CO y CO 2  presentes en la combustión debido a que una molécula de biodiésel contiene entre 12 y 18 car- bones, y, una molécula de diésel puede contener hasta 20 carbones [12]. Las propiedades del biodiésel influyen mucho en lasemisiones de hollín al ambiente, por tal motivo la cali- dad del biodiésel B15 de aceite de higuerilla obtenido son: Su alto índice de cetano 50.5 y su alta viscosidad5.02mm 2 /s [11]. De otro lado, el biodiésel de aceite de higuerilla posee puntos de nube y fluidez que le dan ventajas para su uso a bajas temperaturas. La opacidad de los humos es una medida indirecta del contenido de hollín que tiene el material particu-lado generado durante la combustión y el escape. Elbiodiésel en su estructura química aporta oxígeno ex-tra a la combustión, por lo que se espera que facilitela oxidación de las partículas y por tanto se dé unadisminución en la opacidad de humos a medida que aumenta su concentración en las mezclas [13]. 1.1. Producción de biodiesel El biodiésel se srcina debido a una reacción química, como es la transesterificación, donde el glicerol pre- sente en los aceites es suplido por un alcohol, como es elmetanol, generalmente empleado en la elaboración con aceites vegetales reciclados, y en mezclas con etanol en aceites nuevos; ante la presencia de un catalizador.  104  INGENIUS  N. ◦ 19, enero-junio de 2018 Se puede utilizar como catalizador, hidróxido depotasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH), al uti- lizar KOH, la glicerina resultante del proceso es muchomenos tóxica que al emplear NaOH, además, el hidró- xido de potasio se disuelve mucho mejor en metanol.Para que el proceso sea lo más eficiente posible los catalizadores deben tener una pureza de por lo menos 96 % para el NaOH y alrededor de 92-85 % en el KOH, este último bastante difícil de encontrar con una pureza superior. La transesterificación consiste en la reacción entreun triglicérido (compuesto por una molécula de glicerol esterificada por tres moléculas de ácidos grasos) con-tenido en el aceite de ricino y el alcohol (metanol o etanol), srcinando glicerina y ésteres derivados de los ácidos grasos; al utilizar metanol, el biodiésel estarácompuesto por ésteres metílicos. El catalizador se di- suelve en alcohol ligero (metanol), para luego ingresaral reactor, junto con el aceite crudo extraído del ricino, donde permanecerán a una temperatura mínima de 45,4  ◦ C y máxima de 55  ◦ C, a un régimen de 3000 rpm,alrededor de 3 horas, dando lugar al proceso de trans- esterificación, posteriormente se separará la glicerina, la cual pasará por un proceso de lavado, el cual radica en agregar el 26 % de agua en volumen de aceite. Finalmente, se realiza el proceso de evaporacióndel agua, a temperaturas de alrededor 100  ◦ C, paraluego mezclarlo con diésel fósil en proporción B15 y emplearlo en motores de compresión. Al emplear biodiésel se logra reducir las emisiones de monóxido y dióxido de carbono presentes en la combustión, ya que una molécula de biodiésel contiene entre 12 y 18 carbones, y, una molécula de diésel de srcen fósil puede contener hasta 20 carbones [14]. 1.2. Propiedades del biodiesel de HiguerillaB15 Las propiedades fisicoquímicas del biodiésel B15 sedeterminaron en los laboratorios de petróleos de laUniversidad Central obteniendo resultados positivos, en la Tabla 1, se indica los más relevantes: Tabla 1.  Propiedades fisicoquímicas del B15 Determinación Resultado Densidad API A 60 F 544,62Punto de inflación*  ◦ C 72,1Azufre* % P 0,0148Índice de cetano calculado 51 Una de las características principales del com-bustible diésel es el cetano, este indica la calidad del combustible, como se puede observar se tiene un valorde 51 logrando así en la combustión una mejor expan- sión y quema de los gases que se generan y por endeuna menor contaminación ambiental. Dichos paráme-tros se encuentran en investigación en proyectos de la carrera de Ingeniería Automotriz de la Universidad Técnica del Norte. Debido a los grandes beneficios que ha mostrado el uso de biodiésel, la finalidad de este artículo es evi- denciar la disminución de la opacidad con el uso de biodiésel B15 a base de higuerilla. 2. Materiales y métodos El presente estudio se basa en un estudio cuantitativo experimental de tipo descriptivo transversal. Primeramente, de orden cuantitativo en la obten- ción de resultados de porcentajes de opacidad existen-tes en cada prueba considerando el tipo de combustibley el régimen del motor, además, en el análisis compar-ativo de resultados  versus   las tablas de valores límites de opacidad para motores diésel apegados a la norma INEN 2 207:2002. De tipo experimental: En la obtención del biodiésel a partir de la planta de higuerilla y en las mediciones de la opacidad efectuados en el sistema de escape del vehículo. De tipo descriptivo en el análisis de los resulta-dos comparativos, de realización de pruebas y en la descripción en sí del estudio. De tipo transversal ya que se realizó en un tiempodeterminado, permitió obtener la información de formainmediata y además correlacionar resultados obtenidos desde las diferentes pruebas y los valores que imponela norma nacional vigente y poder determinar los be- neficios de uno y otro combustible con el ambiente. Para poder determinar y analizar la opacidad delos gases de escape para motores diésel se utilizó unopacímetro marca Braen Bee modelo OPA 100 [15]de propiedad de la Universidad Técnica del Norte enla ciudad de Ibarra, calibrado a la normativa vigente ecuatoriana y un banco de pruebas experimentales demotores diésel, para nuestro caso se realizó las pruebas en un motor diésel marca Mazda modelo BT-50 año 2013, 4 cilindros, potencia de 157.30 HP a 3500 RPM y torque de 363 Nm a 1800 RPM, sistema de inyec- ción directa electrónica CRD-i recalcando que el motor estuvo en condiciones estándar para las respectivas pruebas. En cuanto a los combustibles se utilizó biodiésel dehiguerilla B15 (15 % de biodiésel y 85 % de diésel fósil)y diésel fósil puro comparándose entre sí los resultados de opacidad obtenidos por cada combustible. Se realizaron 10 pruebas por cada tipo de com- bustible y a las RPM anteriormente nombradas previo a una respectiva limpieza del sistema de inyección decombustible con la finalidad de obtener resultados óptimos y más precisos.  Mafla et al./ Cuantificación de la opacidad en motores electrónicos diésel usando diésel y biodiésel   105 Las mediciones de opacidad se realizaron a la tem- peratura normal de funcionamiento de 80  ◦ C, unavez cumplida esta condición se procede a calentar el opacímetro siendo una función automática con la que cuenta, seguidamente se realiza una prueba de ve-rificación del opacímetro descartando posibles fugasdenominándose a esto como auto cero, finalmente, se introduce la sonda a la abertura del tubo de escape y se realizan las pruebas tanto con biocombustible como con combustible fósil, cada una de ellas realizadas avarios regímenes del motor: 1200, 1500, 2000, 2500, 3000 RPM. A continuación, en la Tabla 2 se indica los por-centajes de opacidad obtenidas usando diésel fósil, como se indicó anteriormente se realizó a varias RPM tomando en cuenta las condiciones más comunes de funcionamiento del motor donde se puede apreciar que a mayores revoluciones es mayor la opacidad esto se debe al mayor consumo de combustible. Tabla 2.  Pruebas de opacidad diésel fósil RPMOPA OPA OPA OPA OPA OPA OPA PRO.1 2 3 4 5 6 7 OPA 1200 9,8 9 10 8,7 9 10 9,9  9,5 1500 10,9 9,7 10,8 9,7 9,7 10,1 10,7  10,2 2000 11,7 10,8 11,1 10,8 10,5 11,8 11,1  11,1 2500 12,9 11,3 11,9 11,5 11,6 12,3 11,9  11,9 3000 13,5 12,8 12,6 12,7 12,5 12,7 12,6  12,8 En la Tabla 3 se observa los resultados de opacidad utilizando biodiésel B15 donde se replicó la mismametodología para realizar dichas pruebas, se obtuvoporcentajes de opacidad más bajos y de la misma manera a mayores revoluciones mayor opacidad. Tabla 3.  Pruebas de opacidad B15 RPMOPA OPA OPA OPA OPA OPA OPA PRO.1 2 3 4 5 6 7 OPA1200  0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,2 0,2  0,191500  0,3 0,3 0,2 0,1 0,15 0,2 0,3  0,222000  0,4 0,4 0,4 0,1 0,2 0,2 0,4  0,32500  0,6 0,7 0,8 0,1 0,2 0,3 0,6  0,473000  0,6 1,1 1 0,55 0,5 0,5 1  0,75 De acuerdo con la norma INEN 2 207:2002, la Tabla 4 muestra los límites de opacidad de emisiones para vehículos diésel (pruebas de aceleración libre). Tabla 4.  Porcentaje de opacidad [4] Año y modelo % opacidad 2000 y posteriores 501999 y anteriores 60 Las normas internacionales con las que se trabajópara este estudio son las normas EURO donde mani-fiestan: Vehículos con motor diésel sobrealimentadosmatriculados por primera vez antes del 01/07/2008:30 % de opacidad, tomando en cuenta que esta leyindica la EURO 3 la que se encuentra en vigencia en Ecuador. 3. Resultados y discusión En la Figura 1, se observa el resultado de opacidadutilizando como combustible diésel fósil, dando como resultado un promedio de opacidad de 11,1 %, con esteresultado el motor aprobaría sin problemas las normas nacionales e internacionales. Tomando en cuenta que las pruebas se realizan en un motor electrónico y que por sus características defuncionamiento se obtiene niveles bajos de opacidad,se analiza los porcentajes de opacidad a 1200 RPM dando como resultado 9,5 % y a 3000 RPM 12,8 % de opacidad. Dando como resultado un valor promediode opacidad de 11,1 %. Comparando todos los datosse adquiere la ley de opacidad para diésel fósil, en la ecuación (1). Di é sel f  ó sil opa  = 0 . 0018( RPM  ) + 7 . 4619  (1)Donde:Opa: Opacidad.RPM: Revoluciones del motor. Figura 1.  Porcentaje de opacidad diésel fósil Luego de realizar las pruebas de opacidad uti-lizando biodiésel B15 en el mismo motor y con lasmismas condiciones que las pruebas anteriores, antesde realizar las pruebas se purgó todo el sistema de alimentación para asegurar los resultados obtenidos. En la Figura 2, se demuestra los resultados de opaci- dad en 7 pruebas, a diferentes RPM del motor donde a 1200 RPM se encontró una opacidad de 0,19 % y a 3000 RPM se obtuvo 0,75 % de opacidad, obteniendo un valor promedio de opacidad de 0,38 % siendo esteresultado óptimo para el motor. De igual manera, se pudo encontrar la ley para calcular la opacidad con el uso de biodiésel B15, que se muestra en la ecuación (2).  106  INGENIUS  N. ◦ 19, enero-junio de 2018 B 15 opa  = 0 . 0706 e 0 . 0008 RPM  (2)Donde:B15: Mezcla biodiésel.Opa: Opacidad.RPM: Revoluciones por minuto del motor. Figura 2.  Porcentaje de opacidad B15 La Figura 2 muestra el porcentaje de opacidad de acuerdo con las RPM del motor, se puede apreciar unaumento del porcentaje de opacidad, esto se debe a quea mayores RPM existe mayor consumo de combustible y por ende una mayor cantidad de combustible noquemado srcinando cantidades superiores de hollín.La norma ecuatoriana INEN 2 207:2007 manifiestaque para los vehículos con motor diésel el límite de opacidad es del 50 % analizando los resultados se con- cluye que usando biodiésel al 15 % los porcentajes de opacidad disminuyen en valores considerables. Comparando las gráficas para cada tipo de com-bustible, B15 y diésel fósil se evidencia una represen-tativa diferencia de valores de opacidad, analizandola línea de tendencia del diésel se observa que según aumenta las RPM del motor es proporcional el porcen-taje de opacidad, donde el incremento de opacidad encada RPM es mayor en comparación al uso de B15 que de la misma manera al aumentar las RPM se eleva el porcentaje de opacidad, pero se puede observar la di- ferencia en la línea de tendencia, donde en las mismasRPM el aumento de opacidad es menor. Se puede apre-ciar un aumento promedio de opacidad con diésel fósil de 0,9 % por cada 500 RPM de incremento, mientras que a las mismas condiciones la opacidad con biodiésel B15 aumenta un promedio de 0,17 % disminuyendo un 96 % las emisiones de hollín del motor. Analizando la normativa nacional y tomando en cuenta las características del motor se puede concluir que el motor aprueba sin faltas el porcentaje de opaci-dad con los dos combustibles; diésel fósil y biodiésel conmezcla B15, donde respectivamente se tiene el valor de opacidad de 11,1 % y 0,38 %, analizando los datos se obtiene una disminución de opacidad del 96 % con eluso de biodiésel B15. Tomando en cuenta las normasinternacionales EURO, las mismas que manifiestanque los vehículos no deben sobrepasar un porcentaje de opacidad del 30 %, los datos obtenidos aprueban las normas EURO, recalcando que las pruebas se realiza- ron en un banco de pruebas de motor diésel electrónico Mazda BT-50 en perfectas condiciones tanto sus ele- mentos mecánicos como electrónicos. En la Figura 3 se muestra los datos comparativosdel porcentaje de opacidad con combustible fósil y biocombustible B15. Figura 3.  Gráficas comparativas diésel fósil y biodiésel B15 4. Conclusiones Con la utilización de biodiésel B15 a base de aceite dehiguerilla la opacidad disminuye un 96 % con respectoa la utilización del diésel fósil, esto se debe al aumento de la temperatura en la cámara de combustión y a lamejor oxidación de la mezcla. Con las ecuaciones obtenidas en este estudio se puede conocer de una manera más rápida la opacidad con el uso de los dos combustibles, considerando eluso de motores de las mismas características a la del estudio. Usando biodiésel se puede mitigar en un gran por-centaje las enfermedades cancerígenas en los pulmonesde las personas, así es como manifiesta la OMS dondelas partículas más pequeñas de hollín son las causantes de este problema. La maqueta de motor utilizada para el estudio se encuentra en óptimas condiciones, por tal motivo sus valores con diésel fósil y biodiésel son bajos, en ve-hículos de calle estos porcentajes pueden variar en pequeños porcentajes. Referencias [1]  J. Hernández Gaitán, G. Zambrano Ruano,and C. Rossi, “Emisión de gases en vehículos experimentales diesel-biodiesel,”  Revista de la Uni-versidad del Valle de guatemala  , no. 27, pp. 64–67,2014. [Online]. Available: https://goo.gl/AfA1vR
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