ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DEL SISTEMA DE MEZCLADO Y LA CALIDAD DEL COMBUSTIBLE PILOTO EN EL DESEMPEÑO DE UN MOTOR DUAL

Informe final de Tesis para optar al título de: Magíster en Ingeniería Energética

Iván Darío Bedoya Caro Ingeniero Mecánico

Director Andrés Amell Arrieta Ingeniero Mecánico, MsC

Co-Director John Ramiro Agudelo Ingeniero Mecánico, PhD

Maestría en Ingeniería Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia 2007

A Lina, Estefanía y Mariana …Y entonces, al recorrer el camino encuentro la transformación y al final de ésta otro sendero que invita a recorrerlo, otro sueño lejano que espera ser conquistado sin sacrificar la esencia del ser por el saber…

AGRADECIMIENTOS

En la planeación, ejecución y finalización de este trabajo el aporte de las personas e instituciones mencionadas a continuación ha sido fundamental e imprescindible. Mis más sinceros agradecimientos por ayudarme a recorrer con éxito este camino. A Lina, Estefanía y Mariana, a quienes va dedicada la materialización de este sueño, gracias por hacer posible el mundo mágico de los abrazos, besos y sonrisas después de las duras jornadas de concentración y esfuerzo. Se les quiere profundamente. Al profesor Andrés Amell Arrieta, tutor de esta tesis de maestría, por su asesoría y acompañamiento en la solución del problema de investigación. Igualmente, al profesor Francisco Cadavid por su acompañamiento en la fase experimental del proyecto, al profesor John Ramiro Agudelo por su aporte en la corrección del informe final y la gestión de la pasantía internacional y al profesor Olivier Le Corre de la Universidad de Nantes, por la cesión del modelo de diagnóstico de la combustión y su aporte en el análisis de resultados. Al Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – GASURE – por el soporte teórico y experimental, especialmente a Jhon Alexander Pareja, Juan David Cuevas, Andrés Colorado, Mario Sánchez y Hugo Burbano. Al Comité para el Desarrollo de la Investigación – CODI – de la Universidad de Antioquia, por la financiación de esta tesis a través del proyecto de Mediana Cuantía: “Evaluación del Comportamiento Mecánico, Térmico y Ambiental de un Motor Dual Diesel – Biogás con y sin Postcombustión”. A Turbo Diesel LTDA, por su apoyo incondicional en la obtención de infraestructura y en la ejecución de la fase experimental.

i TABLA DE CONTENIDO Capítulo 1 Introducción_____________________________________________________________ 1 1.1.

Aspectos generales __________________________________________________ 1

1.2.

Antecedentes ______________________________________________________ 2

1.3.

Descripción del problema ____________________________________________ 5

1.4.

Objetivos__________________________________________________________ 7

1.4.1.

General ____________________________________________________________ 7

1.4.2.

Específicos __________________________________________________________ 7

Capítulo 2 Profundización teórica en MEC duales _______________________________________ 8 2.1.

Proceso de renovación de la carga _____________________________________ 8

2.2.

Composición del combustible primario ________________________________ 11

2.3.

Proceso de combustión _____________________________________________ 14

2.4.

Calidad del combustible piloto _______________________________________ 18

2.5.

Cantidad del combustible piloto ______________________________________ 19

2.6.

Parámetros de inyección del combustible piloto _________________________ 20

2.7.

MEC duales en Colombia ___________________________________________ 21

Capítulo 3 Fase experimental _______________________________________________________ 22 3.1.

Montaje experimental ______________________________________________ 22

3.1.1.

Celda de ensayos ____________________________________________________ 22

3.1.2.

Medición de consumo de combustible líquido ____________________________ 23

3.1.3.

Medición de consumo de aire _________________________________________ 23

3.1.4.

Medición de consumo de biogás _______________________________________ 23

3.1.5.

Medición de emisiones gaseosas contaminantes __________________________ 24

3.1.6.

Medición de opacidad del humo _______________________________________ 24

3.1.7.

Medición de presión en el cilindro _____________________________________ 24

3.1.8.

Medición del ángulo de giro del cigüeñal ________________________________ 25

3.1.9.

Medición de presión en la inyección ____________________________________ 25

3.2.

Metodología experimental ___________________________________________ 27

ii 3.2.1.

Primera fase: Determinación de la línea base de comparación del motor diesel 28

3.2.2. Segunda fase: Evaluación del comportamiento del motor dual y selección de los niveles de sustitución _________________________________________________________ 31 3.2.3.

Tercera fase: Comparación de sistemas de mezclado aire/biogás ____________ 35

3.2.4.

Cuarta fase: Evaluación del biodiesel de aceite de palma como combustible piloto 37

Capítulo 4 Metodología de análisis ___________________________________________________ 39 4.1.

Variables respuesta ________________________________________________ 39

4.1.1.

Potencia eléctrica ___________________________________________________ 39

4.1.2.

Consumo específico de combustible ____________________________________ 40

4.1.3.

Eficiencia efectiva ___________________________________________________ 40

4.1.4.

Rendimiento volumétrico_____________________________________________ 41

4.1.5.

Dosado relativo _____________________________________________________ 42

4.1.6.

Diagnóstico de la combustión _________________________________________ 44

4.2.

Tratamiento de la señal de presión ____________________________________ 49

4.2.1.

Lectura de datos ____________________________________________________ 50

4.2.2.

Filtrado y Centrado _________________________________________________ 50

4.2.3.

Referenciado _______________________________________________________ 51

4.2.4.

Corrección de la presión _____________________________________________ 52

4.2.5.

Promediado ________________________________________________________ 52

4.2.6.

Corrección del Punto Muerto Superior _________________________________ 53

Capítulo 5 Análisis de resultados ____________________________________________________ 56 5.1.

Evaluación del funcionamiento del motor en modo diesel _________________ 56

5.2.

Comparación del MEC en modo diesel y en modo dual ___________________ 59

5.3.

Análisis del cambio en el sistema de mezclado___________________________ 67

5.4.

Análisis del cambio del combustible piloto ______________________________ 74

5.5.

Análisis del proceso de combustión ___________________________________ 81

Capítulo 6 Conclusiones y recomendaciones ___________________________________________ 90

iii Anexo I. Características técnicas de los equipos _______________________________ 94 Referencias____________________________________________________________ 101

iv LISTA DE FIGURAS FIGURA 2-1. EFECTO DEL TIPO DE COMBUSTIBLE EN LA PRESIÓN PARCIAL DEL AIRE EN LA ADMISIÓN [19] ........ 8 FIGURA 2-2. TASA DE LIBERACIÓN DE CALOR APARENTE DE UN MEC DE INYECCIÓN DIRECTA FRENTE AL ÁNGULO DE GIRO DEL CIGÜEÑAL [19]...................................................................................................... 15 FIGURA 2-3. TASA DE LIBERACIÓN DE CALOR PARA UN MOTOR DUAL [38] ....................................................... 16 FIGURA 2-4. REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LA CONTRIBUCIÓN DE VARIAS PARTES DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN A LA TASA DE LIBERACIÓN DE CALOR EFECTIVA BAJO (A) ALTA CARGA Y (B) BAJA CARGA, PARA UN MOTOR DUAL [42] ..................................................................................................................... 17 FIGURA 3-1. CULATA PERFORADA..................................................................................................................... 25 FIGURA 3-2. RESUMEN DEL MONTAJE EXPERIMENTAL ...................................................................................... 26 FIGURA 3-3 . SISTEMA DE ADMISIÓN PRIMERA FASE .......................................................................................... 32 FIGURA 3-4. DESARROLLO DE LA PRESIÓN EN EL CILINDRO PARA 2,7 KW Y 80% DE SUSTITUCIÓN ................... 33 FIGURA 3-5. SECUENCIA OBTENCIÓN NIVELES DE SUSTITUCIÓN........................................................................ 34 FIGURA 3-6. SISTEMA DE ADMISIÓN SOBREALIMENTADO .................................................................................. 36 FIGURA 4-1. DIAGRAMA DEL PROGRAMA DE TRATAMIENTO DE LA SEÑAL DE PRESIÓN ..................................... 49 FIGURA 4-2. CURVAS DE COMBUSTIÓN Y ARRASTRE: (A) DESACOPLADAS (B) ACOPLADAS .............................. 50 FIGURA 4-3. CURVAS CENTRADAS Y FILTRADAS: (A) ARRASTRE (B) COMBUSTIÓN .......................................... 51 FIGURA 4-4. CURVAS DE ARRASTRE: (A) VARIOS CICLOS (B) PROMEDIO .......................................................... 53 FIGURA 4-5. CURVAS DE COMBUSTIÓN: (A) VARIOS CICLOS (B) PROMEDIO ...................................................... 53 FIGURA 4-6. CURVAS DE ARRASTRE CON Y SIN CORRECCIÓN DEL PMS: (A) ASPIRACIÓN NATURAL APT = 0,58°CA (B) SOBREALIMENTADO APT = 0,63°CA .......................................................................... 54 FIGURA 4-7. CURVAS DE ARRASTRE Y COMBUSTIÓN TRATADAS ....................................................................... 54 FIGURA 4-8. EVOLUCIÓN DE LOS PARÁMETROS USADOS PARA DETERMINAR EL INICIO DE LA COMBUSTIÓN. (A) PRESIÓN EN LA INYECCIÓN Y (B) DERIVADA DE PRESIÓN RESPECTO AL ÁNGULO DE GIRO (DP/Dθ).......... 55 FIGURA 4-9. DIAGRAMA LOGARITMICO P-V DE LA CURVA DE ARRASTRE: (A) ASPIRACIÓN NATURAL (B) SOBREALIMENTADO ................................................................................................................................ 55 FIGURA 5-1. (A) CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE, (B) EFICIENCIA EFECTIVA, (C) TEMPERATURA DE GASES DE ESCAPE Y (D) RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO EN FUNCIÓN DEL MODO DE OPERACIÓN EN EL MOTOR DIESEL 57 FIGURA 5-2. (A) EMISIONES DE METANO, (B) MONÓXIDO DE CARBONO, (C) OPACIDAD DEL HUMO Y (D) DOSADO RELATIVO EN FUNCIÓN DEL MODO DE OPERACIÓN PARA EL MOTOR DIESEL 58 FIGURA 5-3. MEDIAS DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE DIESEL 59 FIGURA 5-4. EFECTOS PRINCIPALES E INTERACTIVOS DEL PORCENTAJE DE SUSTITUCIÓN Y EL MODO DE OPERACIÓN EN EL CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE 61 FIGURA 5-5. EFECTOS PRINCIPALES E INTERACTIVOS DEL PORCENTAJE DE SUSTITUCIÓN Y EL MODO DE OPERACIÓN EN LA EFICIENCIA EFECTIVA 62 FIGURA 5-6. INTERACCIONES DEL MODO DE OPERACIÓN Y EL GRADO DE SUSTITUCIÓN PARA (A) EL RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO, (B) LA TEMPERATURA DE GASES DE ESCAPE Y (C) EL DOSADO RELATIVO 64 FIGURA 5-7. EFECTOS PRINCIPALES E INTERACTIVOS DEL MODO DE OPERACIÓN Y EL GRADO DE SUSTITUCIÓN SOBRE LAS EMISIONES DE METANO 65 FIGURA 5-8. EFECTOS INTERACTIVOS DEL MODO DE OPERACIÓN Y EL GRADO DE SUSTITUCIÓN SOBRE (A) LAS EMISIONES DE MONÓXIDO DE CARBONO Y (B) LA OPACIDAD DEL HUMO 66 FIGURA 5-9. EFECTO DEL MODO DE OPERACIÓN Y EL SISTEMA DE MEZCLADO EN EL CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE 68 FIGURA 5-10. EFECTO DEL MODO DE OPERACIÓN Y EL SISTEMA DE MEZCLADO EN LA EFICIENCIA EFECTIVA 69 FIGURA 5-11. INFLUENCIA DEL SISTEMA DE MEZCLADO EN LA (A) (B) TEMPERATURA Y (C) (D) DENSIDAD DEL AIRE EN LA ADMISIÓN 70 FIGURA 5-12. EFECTO DEL SISTEMA DE MEZCLADO Y EL MODO DE OPERACIÓN EN EL DOSADO RELATIVO 71 FIGURA 5-13. EFECTO DEL SISTEMA DE MEZCLADO Y EL MODO DE OPERACIÓN EN LAS EMISIONES DE METANO 72 FIGURA 5-14. INFLUENCIA DEL SISTEMA DE MEZCLADO Y EL MODO DE OPERACIÓN SOBRE LAS EMISIONES DE MONÓXIDO DE CARBONO 73

v FIGURA 5-15. INFLUENCIA DEL SISTEMA DE MEZCLADO Y EL MODO DE OPERACIÓN EN (A) EL RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO Y (B) LA TEMPERATURA DE GASES DE ESCAPE 74 FIGURA 5-16. EFECTO DEL MODO DE OPERACIÓN Y EL COMBUSTIBLE PILOTO EN (A) LA EFICIENCIA EFECTIVA, (B) EL CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE Y (D) EL DOSADO RELATIVO 77 FIGURA 5-17. EFECTO DEL MODO DE OPERACIÓN Y EL COMBUSTIBLE PILOTO EN (A) LAS EMISIONES DE METANO, (B) EL MONÓXIDO DE CARBONO, (C) LA TEMPERATURA DEL AIRE Y (D) LA TEMPERATURA DE LOS GASES DE ESCAPE 78 FIGURA 5-18. RESUMEN DE RESULTADOS PARA LA COMPARACIÓN DEL MOTOR EN MODO DUAL CON EL MOTOR EN MODO DIESEL. (A) VARIABLES MÁS AFECTADAS, (B) VARIABLES MENOS AFECTADAS 79 FIGURA 5-19. RESUMEN DE RESULTADOS PARA LA COMPARACIÓN DE SISTEMAS DE MEZCLADO AL 70% DE SUSTITUCIÓN. (A) VARIABLES DE OPERACIÓN, (B) NIVEL DE SUSTITUCIÓN 80 FIGURA 5-20. RESUMEN DE RESULTADOS PARA EL USO DEL SM2 Y BIODIESEL EN EL PILOTO VS SM1 Y DIESEL EN EL PILOTO. 70% DE SUSTITUCIÓN 80 FIGURA 5-21. (A) DESARROLLO DE LA PRESIÓN EN EL CILINDRO Y LA PRESIÓN EN LA INYECCIÓN PARA M1 Y Z70 . (B) DESARROLLO DE LA PRESIÓN EN LA INYECCIÓN 81 FIGURA 5-22. EVOLUCIÓN DE LA PRESIÓN EN EL CILINDRO PARA VARIOS NIVELES DE SUSTITUCIÓN (A) M1, (B) M2, (C) M3 Y (D) M4 82 FIGURA 5-23. (A) EVOLUCIÓN DEL COEFICIENTE POLITRÓPICO CON EL PORCENTAJE DE COMBUSTIBLE EN LA MEZCLA, (B) INFLUENCIA DEL PORCENTAJE DE COMBUSTIBLE EN LA MEZCLA EN LA PRESIÓN EN EL CILINDRO EN EL PUNTO DE INYECCIÓN [30] 83 FIGURA 5-24. TASA DE LIBERACIÓN DE CALOR EN EL CILINDRO PARA VARIOS NIVELES DE SUSTITUCIÓN. (A) M1, (B) M2, (C) M3 Y (D) M4 84 FIGURA 5-25. FRACCIÓN DE COMBUSTIBLE QUEMADO PARA MODO DUAL Y VARIOS NIVELES DE SUSTITUCIÓN. (A) M1, (B) M2, (C) M3 Y (D) M4 85 FIGURA 5-26. PRESIÓN EN EL CILINDRO (A) Y TASA DE LIBERACIÓN DE CALOR (B) PARA EL MOTOR DUAL DE 86 ASPIRACIÓN NATURAL Y SOBREALIMENTADO AL 70% DE SUSTITUCIÓN EN M2 FIGURA 5-27. PRESIÓN EN EL CILINDRO (A) Y TASA DE LIBERACIÓN DE CALOR (B) PARA EL MOTOR DUAL DE ASPIRACIÓN NATURAL Y SOBREALIMENTADO AL 70% DE SUSTITUCIÓN EN M4 87 FIGURA 5-28. FRACCIÓN DE CALOR LIBERADO PARA LOS DIFERENTES SISTEMAS DE MEZCLADO AL 70% DE SUSTITUCIÓN.. (A) M2 Y (B) M4 88 FIGURA 5-29. TASA DE LIBERACIÓN DE CALOR Y FRACCIÓN DE CALOR LIBERADO PARA DIFERENTES PILOTOS, SM2 Y Z70 EN (A) (B) M2 Y (C) (D) M4 89 FIGURA I-1. MOTOR LISTER PETTER TR2 ACOPLADO A GENERADOR ................................................................ 94 FIGURA I-2. TABLERO DE MANDO DEL BANCO DE RESISTENCIAS VARIABLE ...................................................... 94 FIGURA I-3.TABLERO DE LECTURA DEL GENERADOR ........................................................................................ 94 FIGURA I-4. MEDIDOR DE COMBUSTIBLE LÍQUIDO............................................................................................. 95 FIGURA I-5. MEDIDOR DE HILO CALIENTE THERMATEL MODELO TA2 .............................................................. 95 FIGURA I-6. MEDIDOR OMEGA FMA 5400 ..................................................................................................... 96 FIGURA I-7. (A) UNIDAD DE ACONDICIONAMIENTO, (B) DISPLAY DE RESULTADOS Y (C) ANALIZADOR DE GASES PARA LA MEDICIÓN DE EMISIONES DE CO, CO2, O2 Y CH4 ....................................................................... 96 FIGURA I-8. OPACÍMETRO. (A) UNIDAD DE MEDICIÓN SIN COMPUTADOR, (B) SONDA Y BOMBA DE SUCCIÓN ... 97 FIGURA I-9. CADENA DE MEDICIÓN EN EL CILINDRO ......................................................................................... 98 FIGURA I-10. AMPLIFICADOR DE CARGA Y CAPTADOR DE PRESIÓN PIEZOELÉCTRICO ........................................ 98 FIGURA I-11. CODIFICADOR ANGULAR ............................................................................................................. 99 FIGURA I-12. (A) AMPLIFICADOR DE CARGA Y (B) PISTOLA ESTROBOSCÓPICA PARA MEDIR LOS PARÁMETROS EN LA INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE............................................................................................................ 100

LISTA DE TABLAS TABLA 3-1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS MOTOR DE ENSAYOS........................................................................ 22 TABLA 3-2. PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES UTILIZADOS ........................................................................ 27 TABLA 3-3. DISEÑO EXPERIMENTAL PRIMERA FASE .......................................................................................... 29

vi TABLA 3-4. RESULTADOS EXPERIMENTALES DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE (G/S) PARA SELECCIÓN DEL TAMAÑO MUESTRAL DE LA PRIMERA FASE [55] ....................................................................................... 30 TABLA 3-5. FICHA TÉCNICA DEL DISEÑO EXPERIMENTAL PRIMERA FASE ......................................................... 31 TABLA 3-6. DISEÑO EXPERIMENTAL SEGUNDA FASE ......................................................................................... 35 TABLA 3-7. DISEÑO EXPERIMENTAL TERCERA FASE .......................................................................................... 37 TABLA 3-8. DISEÑO EXPERIMENTAL CUARTA FASE ........................................................................................... 38 TABLA 4-1. COMPOSICIÓN DE LAS ESPECIES TENIDAS EN CUENTA EN EL DIAGNÓSTICO DE LA COMBUSTIÓN .... 47 TABLA 4-2. CÁLCULO DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS .............................................................................. 47 TABLA 4-3. COEFICIENTES DEL POLINOMIO EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA DE LAS ESPECIES (200 K