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Analisis exploratorio de investigaciones sobre los motores de combustion interna que trabajan con biogas.

An exploratory analysis of existing research on internal combustion engines operating with biogas

1. INTRODUCCION

La implementacion de mejoras tecnologicas y de control en los procesos de transformacion de materias primas en la industria ha mejorado la eficiencia energetica y la reduccion de emisiones. La demanda de energia mundial que esta en constante aumento debido al crecimiento poblacional e industrial conlleva al aumento del consumo de combustibles, hecho que ha despertado gran interes por el dominio de estos metodos alternativos tanto por combustibles como por el desarrollo de fuentes renovables de generacion de energia. Sin embargo, algunas regiones del mundo presentan restricciones de energia considerables y otros paises, tras la busqueda de independencia del petroleo, buscan la forma de generar energia a partir de recursos renovables propios que reduzcan emisiones y generen beneficios mediante la implementacion de mecanismos de desarrollo limpio [1].

Uno de los grandes enfoques mundiales para generacion de energia es el uso del biogas, que es obtenido a partir de diferentes tipos de biomasas derivadas de actividades humanas, como son los residuos organicos urbanos y los productos agropecuarios, con que cuentan la mayoria de los paises y en amplia disponibilidad [2]. El uso del biogas en diferentes rangos de composicion se ha extendido hacia la generacion de energia y transporte [3], donde su entrada se ha visto favorecida en plantas termicas y el control de emisiones en motores de combustion interna (MCI) que contaban anteriormente con implementaciones de combustibles gaseosos [4].

El uso del biogas se justifica principalmente por la reduccion de emisiones de gases de efecto de invernadero al medio ambiente, mediante la degradacion confinada de residuos organicos y la captacion controlada de productos como el metano, con efecto de invernadero 21 veces mayor al C[O.sub.2]; o mediante el uso de biomasas agricolas, que fueron absorvedoras de C[O.sub.2] durante su crecimiento (plantas), para la produccion de biogases sustitutos de los combustibles fosiles, que durante la combustion restituyen al ambiente el C[O.sub.2] absorbido por las biomasas generando un impacto neto leve o nulo sobre la concentracion de este contaminante efecto de invernadero en el ambiente [5].

2. APLICACIONES DEL BIOGAS EN EL AMBITO MUNDIAL

El biogas como combustible para vehiculos se aplica mundialmente desde 1950, mientras que en Europa se usa para tractores [6], [7], en Brasil el objetivo es sustituir la gasolina y el gasoleo en el sector de la automocion a partir de biogas purificado y comprimido o gas natural [8].

Desde mediados de los setenta se ha resaltado la importancia cada vez mayor del biogas, no solo para uso en pequena escala en los hogares, sino como un producto de tratamiento de residuos municipales e industriales con la fermentacion anaerobia [9]-[12]. La importancia dada al biogas en los paises en desarrollo deriva en investigaciones que generan avances en varias zonas de Asia y Africa [13].Con el aumento significativo de la produccion de biogas, la utilizacion de tecnicas para la transformacion en energia mecanica con implementacion en motores modificados de encendido provocado por chispa electrica (MEP) y de encendido por compresion (MEC) tomo gran importancia en aplicaciones directas para diferentes tipos de maquinaria [14], [15], mientras que los grandes motores disenados especificamente para el gas estaban en la generacion electrica.

Para la decada de los ochenta, se identificaron mas de 100 plantas de biogas alimentando grupos electrogenos en las explotaciones de minas en Norteamerica y se estimo un numero superior en zonas rurales de Europa. Para esta epoca, tambien en Estados Unidos, muchos de los sistemas con biogas proporcionaban energia electrica para la operacion de grandes granjas y se vendia la energia excedente a los sistemas interconectados.

En 1982, China contaba con 1100 grupos electrogenos alimentados por biogas (la mayoria de estas unidades producia entre 5 y 7 kW), tambien se contaba con 2 plantas de biogas que proporcionaban iluminacion aproximadamente a 40 hogares en poblaciones de Sri Lanka, Filipinas disponia de 8 plantas de generacion en granjas de cerdos, Singapur contaba con al menos 2 plantas de energia electrica con biogas en grandes granjas, y Ruanda, en Africa central, entre 1981 y 1983 se contaba con un sistema de biogas de origen belga que proporcionaba hasta 28 kWh diariamente en una institucion rural para ninos [16].

El uso de los MCI alimentados por biogas [17] ha tenido amplia acogida en los paises en via de desarrollo, donde se destacan regiones asiaticas con implementaciones principalmente sobre los-MEC con potencias inferiores a 10 HP. Se establecio para el 2001 que China contaba con mas de 800 motores de baja capacidad alimentados con biogas que eran utilizados principalmente en bombeo de agua para cultivos, operacion de maquinas fijas en zonas rurales, en el sector agricola para procesar arroz, trilla de granos y molienda. Tambien muchas granjas contaban con MEP de 4 y 8 cilindros alimentados con biogas, los cuales accionaban molinos de maiz y de mezcla de diferentes materiales, produciendo hasta 100 toneladas de producto diariamente [15].

Actualmente, en Botsuana en el sur de Africa, se utilizan sistemas para bombeo basados en motores de 1 HP, alimentados con biogas, que entregan 4300 l/h de agua desde una profundidad de 60 m para 2500 animales y mas de 40 familias. Por otra parte, en granjas de Filipinas, se emplean sistemas electrogenos de biogas para entregar 580 gal/min de agua a plantas de envasado de carne [13], [18].

En cuanto a los paises de la Union Europea, se viene ampliando el interes en la investigacion sobre las caracteristicas del biogas, su aplicacion y operacion en MCI desde el punto de vista integrado de produccion energetica y cuidado ambiental. Hoy en dia se emplea en cogeneracion para la produccion de calor y electricidad, como combustible en MCI estacionarios y mas recientemente como carburante en automoviles. En el mundo la tendencia actual indica que cada vez son mas los paises que estan introduciendo tarifas favorables para la energia producida a partir de MCI alimentados por biogas. Los paises europeos son un claro ejemplo y muestran un gran progreso con la directiva de la Union Europea de obtener el 20 % de su energia de fuentes renovables para el 2020. En Alemania, a finales de 2007 habia mas de 4000 plantas de biogas operativas que proporcionaban 1270 MWh de electricidad y se espera que la energia producida a partir de biogas llegue a los 3000 MWh para el ano 2020. En Estados Unidos se ha legislado recientemente un paquete de incentivos para las empresas que desarrollen proyectos de biogas. Un reciente estudio de la Organizacion de Naciones Unidas (ONU) ha indicado que para el ano 2025 se habran construido mas de 100 000 plantas de biogas en todo el mundo [19].

La investigacion sobre la combustion del biogas mezclado con otros gases como el hidrogeno para el control de emisiones y aumento en la eficiencia de los MCI [17] se sugiere como alcance de esta revision del estado actual sobre el uso del biogas puro y sus mezclas con otros combustibles alternativos como fuente de energia para MEP y MEC. Se identifica, por tanto, la tendencia mundial en uso de biogas puro o mezclado y su influencia sobre el comportamiento de los MCI [20], las modificaciones recomendadas sobre los parametros operativos y de configuracion, asi como las metodologias y procedimientos de ensayo mas utilizados.

3. USO DEL BIOGAS EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

Los MCI que operan con biogas son una tecnologiade gran aplicacion en el campo de la generacion de energia electrica y termica, a pesar de que se conoce que una mezcla estequiometrica de biogas-aire aporta en promedio alrededor del 85 % de la energia de una mezcla estequiometrica diesel-aire. Sin embargo, el uso del biogas se complica un poco dada la calidad de su composicion quimica, ya que se trata de un combustible relativamente pobre, que contiene un volumen apreciable de C[O.sub.2] y contaminantes como material particulado, humedad y acido sulfhidrico (H2S). Esto hace necesario al menos un pretratamiento de limpieza y secado para el biogas y una seleccion muy cuidadosa del motor. En el mercado se pueden encontrar varios proveedores de estos motores, como tambien proveedores de los accesorios fundamentales como filtros, deshumidificadores, sistemas de recuperacion y de disipacion de calor, sistemas de control y de conexionado a la red electrica y proveedores de paquetes completos, adecuados a las necesidades de cada interesado y de cada motor [21]. Por esta razon, aunque la tecnologia se esta aplicando, la configuracion de parametros del motor no esta bien definida, teniendo en cuenta que los MCI son disenados a condiciones de operacion muy diferentes a las que se someten realmente, como es el caso de motores estacionarios, para los cuales su operacion en relacion con sus condiciones geograficas y climaticas, influyen en su desempeno, el cual afecta directamente su eficiencia.

En el MEP se puede usar el biogas filtrado como combustible unico. El MEC, al no poseer bujia, no emite chispa para hacer la explosion dentro del cilindro, en cuyo caso se debe utilizar el biogas mezclado con el combustible diesel, que si explota por compresion. En el caso de MEC se ha logrado sustituir hasta el 65 % del combustible diesel por biogas, sin afectar al motor ni su eficiencia [4]. La modificacion general para un MEC o un MEP es la adicion de un mezclador que agrega el biogas en el aire de admision. Se han utilizado varios tipos de mezcladores de aire-gas, los cuales se instalan facilmente entre el filtro y la tuberia de admision de aire; en el caso de los MEP la mezcla contiene alrededor del 15 % de biogas que corresponde a una parte de biogas por cada 6 o 7 partes de aire para MCI de mezcla estequiometrica o levemente menor para MCI de mezcla pobre. Una de las principales aplicaciones del biogas en los MEC es la operacion alterna con biogas (operacion dual), pero las modificaciones efectuadas conllevan que el motor se transforme en un MEP cuando usa biogas debido a la necesidad de adicionarle un sistema de encendido, lo que se utiliza comunmente en motores estacionarios de baja capacidad.

En el caso de los MEC, las proporciones de biogas son menores y dependen de la forma o el tipo de conversion aplicada. Hasta el 90 % del combustible fosil puede ser remplazado con biogases, pero se hace necesario el uso de diesel como combustible piloto para encender el biogas (operacion bicombustible), ademas pueden ajustarse en configuracion dual o dedicado. En los MEC de capacidad media se mantiene el encendido por compresion mediante la adicion parcial de combustible diesel, lo que obliga a efectuar modificaciones a los reglajes del gobernador de la bomba de inyeccion o a la exploracion mas detallada sobre otros parametros que influyen en el rendimiento [22], [23].

Actualmente en plantas de generacion electrica la eficiencia del MCI se incrementa con la potencia generada hasta alcanzar un valor cercano al 38 % para MCI de distinto tamano y tambien para operacion a carga parcial; sin embargo, la calidad del biogas tambien impacta en los rendimientos de conversion. Anterior a la aparicion de los MCI de mezcla pobre, las eficiencias alcanzadas eran bastante bajas, siendo casi la mitad de las actuales.

Para el caso de los MEP que utilizan el biogas producido por diferentes paises en desarrollo, se han realizado cambios en el avance de chispa y la relacion de compresion, presentandose consenso sobre dichas modificaciones; sin embargo, en China, el Instituto Sichuan de maquinaria agricola llego a la conclusion para los MEC de que los cambios en el ritmo de inyeccion o en la relacion de compresion del cilindro tendrian un efecto red negativo en el rendimiento cuando se operan con biogas [24].

A diferencia de los MEC, para los MEP con capacidad en el rango de 5 a 150 kW se han reportado reducciones sustanciales de la energia entregada operando con biogas. Para los motores con capacidad, en el rango de 150 a 1 500 kW existe una perdida del 10 % de la eficiencia en produccion indirecta de potencia mecanica al operar con biogas, aunque para aplicaciones de generacion, el biogas es producido in situ. Esta perdida carece de importancia debido a la mayor flexibilidad en el uso de la energia disponible, y al autoabastecimiento de sus necesidades energeticas diarias durante muchas temporadas del ano sin utilizar combustibles fosiles [25], [17].

3.1 Encendidos por compresion (MEC) operados con biogas

En los MEC el sistema de inyeccion de combustible suministra una determinada cantidad de combustible liquido segun el regimen de operacion. Sin embargo, el motor aspira y comprime una mezcla de aire con biogas que ha sido preparada en el dispositivo de mezcla externo; luego, esta mezcla se enciende junto con el diesel liquido. Para operar el MEC con carga parcial se reduce el suministro de biogas mediante una valvula de control de gas que induce una restriccion simultanea en el flujo de aire, disminuyendo la eficiencia y la presion media efectiva. Por tanto, la relacion de aire/combustible debe ser la afectada y cambia con la cantidad de biogas mezclado [26]-[28]. Analizando el rendimiento de los MEC duales operados en el modo combustible diesel-gas, este alcanza valores similares al logrado utilizando solamente combustible liquido, ya que el poder calorifico del biogas es similar. El ducto de entrada y el colector de admision de los MEC estan dimensionados de tal manera que se garantice una relacion combustible diesel/aire optima para la operacion bajo estas condiciones. Cuando se aspira una mezcla de aire/biogas en lugar de solamente aire, la cantidad de aire neto aspirado se reduce en la misma proporcion de mezcla aire/biogas, pero el combustible diesel se reduce en funcion de la relacion de densidades diesel/biogas, de forma que la relacion de exceso de aire aumentara entre 1,2 y 1,3 con una entrada total de combustible menor que la cantidad en operacion con diesel. Como resultado del exceso de aire, la maxima potencia de salida en el modo bicombustible puede ser menor que operando solamente con combustible diesel. A regimenes medio y bajo, la entrada de aire es mayor de lo necesario y permite la succion de una proporcion relativamente mayor de combustible en el aire, por tanto para estos casos la potencia de salida no sera significativamente menor que en operacion diesel [33], [36].

Para el caso de los MEC en configuracion dual, la Universidad de Antioquia analizo un MEC para generacion de electricidad, operado con diesel-biogas (bicombustible), donde se ha estudiado la incidencia del sistema de mezclado y la calidad del combustible piloto en el funcionamiento. El motor fue acoplado a un generador electrico y evaluado a un regimen de 1800 rpm con varios grados de carga, el biogas se ha simulado con una composicion tipica de 60 % metano C[H.sub.4] y 40 % de C[O.sub.2]. Se han encontrado disminuciones en la eficiencia efectiva al reducir la cantidad de combustible piloto en modo dual, al igual que aumentos considerables en las emisiones de C[H.sub.4] y monoxido de carbono CO. La opacidad del humo no varia significativamente en modo dual, pero muestra una reduccion drastica al compararla con las medidas para el motor en modo diesel. Los resultados obtenidos confirman la importancia del uso del biogas como alternativa para un impacto importante en la reduccion de emisiones de efecto invernadero y como aporte a la disminucion de la dependencia energetica y economica de los combustibles fosiles [29].

En los MEC diesel-biogas, se ha logrado un nivel de sustitucion de combustible diesel del 70 % para funcionamiento continuo del MEC. Al comparar la operacion en modo bicombustible al 70 % de sustitucion con el modo diesel, se ha observado aumento en las emisiones de C[H.sub.4] (7 veces mayor) y CO (85 % mayor), los cuales se atenuan al disminuir el nivel de sustitucion. Pese a los valores altos de C[H.sub.4] respecto al modo diesel, se debe recordar que en general se presenta una reduccion en la emision de C[H.sub.4] a la atmosfera por la utilizacion del 60 % en volumen que tiene el biogas en el proceso de combustion del motor [29]. Se observo tambien que el sistema de mezclado influye de forma significativa en la eficiencia efectiva, el nivel de sustitucion, las emisiones de metano (C[H.sub.4]) y monoxido de carbono (CO) a carga parcial, mientras que la calidad del combustible piloto muestra una marcada influencia en la eficiencia y las emisiones de CO para cargas mayores [30].

3.2 MEP operados con biogas

La implementacion del biogas en los MEP se da a partir de modificaciones de los que consumen gasolina y tienden a producir menos energia que cuando son operados con combustible liquido fosil. La razon de este fenomeno es una disminucion en la eficiencia volumetrica en la camara de combustion al ser el biogas un combustible gaseoso que ocupa una mayor porcion de volumen en la mezcla aspirada por el motor. Para el caso de la gasolina, esta se entrega liquida y al vaporizarse sobre la corriente de aire en el colector de admision, los efectos de enfriamiento generan un aumento de la densidad y, por tanto, la cantidad de mezcla aire/combustible realmente aspirada por el motor ocupa un menor volumen, afectando en menor medida el desempeno del motor [4].

La modificacion de un MEP es relativamente facil [31], esta se basa en la adicion de un mezclador de aire/gas en lugar de carburador. El control del motor se realiza mediante la variacion del suministro de mezcla; un aumento en la relacion de compresion parece ser deseable, ya que proporciona un aumento en la eficiencia del proceso desde el punto de vista termodinamico [32], [33]. Es de esperarse un bajo consumo especifico de combustible y una mayor potencia de salida teniendo en cuenta el ajuste de parametros de operacion. La modificacion para la operacion del MEP en el modo de biogas es permanente y debe evitarse el uso del combustible original. El ajuste del punto de ignicion es importante ante la lenta velocidad de combustion del biogas aprovechando la ventaja de que este no impone ningun problema especifico a encendido de sistema estandar, dando la ventaja de realizar ajustes en una gama suficientemente amplia [26], [28].

Para MCI de gran capacidad se efectuo un estudio a partir de la conversion a encendido provocado, de un MEC convencional Hino K-13CTI de 13000 c/c y 24 valvulas que opera a 1500 rpm acoplado a un generador trifasico de 4 polos y 132 kW para producir electricidad a 50 Hz. La conversion consistio en la adicion de un carburador de biogas para la mezcla de aire-combustible, la reduccion de la relacion de compresion de 16:1 a 8:1 mediante la aplicacion de un separador en la cabeza del cilindro, la sustitucion del sistema de inyeccion de combustible por un sistema de encendido por chispa y la modificacion de la valvula wastegate del turbo cargador para regularla presion de sobrealimentacion.

Para este estudio se vario: el coeficiente exceso de aire entre 0,9 y 1,2, el angulo de avance de encendido entre 50[grados] y 60[grados] antes del punto muerto superior, y el ajuste de la sobrepresion de turbocargado entre los 40 a 68 kPa. La maxima eficiencia obtenida fue de 28,6 % para un exceso de aire de 1,097, un avance de chispa de ignicion de 54[degrees] antes del punto muerto superior, y una sobrepresion de turbocargado de 56 kPa, con una potencia de generacion de 134,2 kilovatios y unas emisiones de CO y oxidos de nitrogeno (NOx) de 1154 y 896 ppm, respectivamente [16]. En este regimen de funcionamiento de 1500 rpm, la eficiencia del MCI aumento conel incremento de la presion del turbo entre 40 y 56 KPa, teniendose un ligero acrecentamiento en las emisiones de NOx y CO; cuando el impulso se intensifico de 56 kPa a 68 kPa, la eficiencia del MCI se redujo y las emisiones aumentaron [34].

En Costa Rica, de forma complementaria al estudio sobre filtros de oxido de calcio y alambrina para incrementar la calidad del biogas de excretas de animal, se evaluo el comportamiento de ungrupo electrogeno basado en MEP, con capacidad de 40 kW y una conexion de 120/240 V, 60 Hz, trifasico, delta en serie de 4 hilos, operando continuamente con biogas totalmente seco. Esta planta suple durante las 4 horas diarias de mayor demanda la electricidad de la Finca Pecuaria Integrada de EARTH, compuesta por la porqueriza y la lecheria, que consumen actualmente 10 kW/h. Se conectan a la planta electrica en las horas pico de demanda: la bomba de vacio del equipo de ordeno, el tanque de enfriamiento de la leche, la bomba de agua, el pulsador de la cerca electrica, la picadora de forraje, un trapiche, un refrigerador, una computadora, un ventilador y 10 bombillas. La energia electrica adicional generada se puede introducir y utilizar en la red electrica de la EARTH y mediante transferencia automatica, se puede decidir si se utiliza la electricidad del generador o la proveniente del Instituto Costarricense de Electricidad (ICE) [37]. El motor de la planta electrica, disenado para gas natural, fue calibrado para operar con biogas de minimo de 55 % de C[H.sub.4] y maximo de 25 ppm de sulfuro de hidrogeno ([H.sub.2]S), el biogas se suministro a presion entre 7 y 21 kPa con un rango de composicion de metano variando entre 61 y 97 %, de forma que la proporcion promedio de metano en el biogas fue de 79,3 % y su poder calorifico se estimo de 7 372 kcal/[m.sup.3].

Para un factor de utilizacion de planta del 35 %, el consumo promedio de biogas fue de 16 [m.sup.3]/h con una electricidad promedio consumida de 19 kW/h, dando una eficiencia de generacion del 7 % y una relacion de 2 [m.sup.3] de biogas por cada kW/h generado [35], [36].

En Colombia, para MCI de baja potencia operando con biogas, se estudio el desempeno de un MEP de 4 tiempos con relacion de compresion de 7,5:1 bajo diferentes composiciones de C[H.sub.4] y C[O.sub.2]. Se evaluo la potencia al freno, la eficiencia y las emisiones variando el avance de encendido, donde se observo que al disminuir el porcentaje de CH 4 en el biogas se presenta una reduccion del rango de velocidad de rotacion del motor y se requiere de un aumento del angulo de avance de encendido, que a su vez varia en funcion de la velocidad de rotacion. Tambien se aprecio una reduccion drastica de la potencia maxima, del torque maximo y de la eficiencia respecto al uso de gasolina fosil, para parametros de operacion optimos del motor a las diferentes velocidades de rotacion.

Adicionalmente dicho estudio recomienda que al utilizar un gas pobre de forma permanente en motores de caracteristicas similares debe aumentarse la relacion de compresion, que permitiria obtener una mayor potencia y asi un mejor desempeno con gas, pero con la desventaja de no poder emplear nuevamente gasolina, ya que la mayor relacion de compresion implica el uso de un combustible de mayor octanaje para evitar la detonacion en el motor. Propone finalmente el estudio del MEP operando con diferentes mezclas de biogas mediante la modificacion de parametros de ajuste del motor para asi mejorar la curva de rendimiento [38].

Los MEP disenados para gasolina y que operan con biogases, tienden a ser menos eficientes al aumentarse el porcentaje de dioxido de carbono en el biogas, ya que el C[O.sub.2] admitido en el combustible no es reactivo, ocupa espacio que impide el suministro de mas combustible reactivo y adicionalmente actua como moderador de la combustion lo que disminuye el poder calorifico del combustible. Para estos motores los conductos de admision fueron dimensionados para el funcionamiento con gasolina y el exceso de aire en operacion estable se acerca al 1,1, lo que ocasiona que la mezcla de biogas-aire alcance una energia total durante la combustion menor que en la operacion con gasolina. Con la disminucion de la energia total alcanzada en la mezcla despues de la combustion, la potencia producida disminuye en la misma proporcion. Un biogas de 60 % C[H.sub.4] cuyo poder calorifico es de 25 MJ/[m.sup.3] se considera un gas pobre de media capacidad y causa una reduccion de potencia alrededor del 20 % (metano purificado o gas natural 10 %, GLP 5 %).

La potencia y la eficiencia volumetrica del MCI para un mismo regimen dependen en gran medida de la composicion del biogas, siendo mayor en operacion con biogases de alta composicion de metano que con composiciones debiles de metano. Por ejemplo, la potencia producida y la eficiencia volumetrica obtenida en un MEP, son mayores operando con biogas de 70 % de C[H.sub.4] que operando con biogas de 50 % de C[H.sub.4], puesto que el primero tiene un mayor poder calorifico y menor cantidad de moderador de la combustion (C[O.sub.2]).

La reduccion de potencia en los MEP (afectacion principal) debe preverse desde el mismo momento en que se seleccione el motor apropiado a una clase de potencia, para una aplicacion dada y con una demanda de potencia especificada.

En los MEP el control de la potencia y velocidad se realiza por variacion del suministro de mezcla aire/combustible, mediante el accionamiento de la valvula de mariposa situada entre el dispositivo mezclador y la entrada del motor. El cierre de la valvula de mariposa produce una caida de presion (efecto de estrangulamiento) en el flujo de mezcla, por lo cual el llenado del cilindro se da a baja presion lo que ocasiona una menor cantidad de mezcla aire/combustible con respecto a una masa y energia de referencia. Como resultado la potencia producida, la presion media efectiva y la eficiencia presentan una disminucion en operacion controlada (carga parcial) donde la disminucion de la eficiencia se observa por el aumento del consumo especifico de combustible.

Para compensar los efectos antes mencionados, el motor deberia mantenerse operando a velocidad media pero con mariposa abierta, lo que requiere de una combinacion apropiada a los requerimientos de velocidad y potencia del equipo movido por el motor [28].

4. EFECTO DE LA RELACION DE COMPRESION SOBRE EL RENDIMIENTO Y LAS EMISIONES DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA (MCI)

India ha realizado investigaciones sobre la combustion del biogas en cuanto a sus aplicaciones y sus efectos sobre el medio ambiente. Se estudio la influencia de la relacion de compresion sobre el rendimiento y la combustion del biogas como combustible para un MEP. El motor se opero a 1500 rpm con una apertura del acelerador entre 25 % y 100 %. Las pruebas cubrieron una amplia gama de aire-combustible, aplicando una serie de relaciones de compresion. Ademas, se realizo una sincronizacion de la chispa con la cual se establecio un MBT (mejor par de trabajo), lo cual incide notablemente en la eficiencia y desempeno mecanico del motor. La investigacion describio el rendimiento, la cantidad de emisiones y el curso de la combustion al variar la relacion de compresion, lo que permitio hacer comparaciones de eficiencia. Se encontro a partir de los resultados que cuanto mayor sea la relacion de compresion, mayor sera el rendimiento termico. Cuando esta se encuentra por encima de un valor critico de 13:1, la potencia de freno y la eficiencia termica se incrementan levemente; se realizo la medicion de emisiones de NOx, HC, observandose un aumento. El valor de la potencia y eficiencia termica alcanzo sus valores mas altos con relaciones de compresion de 13:01 a 15:01 y una relacion aire-combustible para el biogas entre 1,08 y 0,95. Bajo estas condiciones, las emisiones de HC y CO fueron bajas, sin embargo, los valores de NOx fueron altos. La sincronizacion de la chispa MBT se retrasa con el aumento de la relacion de compresion, ya que la mezcla tiende a hacerse pobre. Se pudo apreciar que el pico de presion es mayor con relaciones altas siendo notorio un aumento en el nivel de liberacion de calor [39].

Se puede concluir que el aumento de la relacion de compresion es fundamental a la hora de mejorar el rendimiento y reducir las emisiones del biogas, ya que existe una mejora apreciable en la eficiencia termica y en la potencia de freno. Se obtuvieron mejoras de hasta el 10 % en la potencia del motor y un aumento del rendimiento del 23 % al 26,8 % para efectos de esta prueba, esto tambien afecta las condiciones de comportamiento, ya que se observo una reduccion en el retardo de la ignicion [17].

5. INFLUENCIA DE LA CONCENTRACION DE METANO EN EL BIOGAS

El Dr. Porpatham del Instituto de Tecnologia de Madras ha realizado varias investigaciones respecto al comportamiento y caracterizacion de MCI que trabajan con biogas. Uno de sus estudios trata sobre la reduccion en la concentracion de C[O.sub.2], las emisiones de combustion y avance de encendido analizando su influencia en el rendimiento. La investigacion se realizo sobre un MEP, el cual se sometio a un depurador de agua de cal que se utiliza para reducir el dioxido de carbono en rangos de 41,30 y 20 % para el biogas. Las pruebas se realizaron a una velocidad constante de 1500 rpm y relacion de compresion de 13:1. La reduccion del nivel de C[O.sub.2] produjo una significativa mejora en el rendimiento y la reduccion de las emisiones de HC, en particular con mezclas pobres. Las tasas de liberacion de calor mostraron una mejor combustion, lo que manifesto un aumento en la eficiencia termica. Se evidencio una reduccion en el nivel C[O.sub.2] del 10 % que parecia ser suficiente para reducir los niveles de HC y los niveles de NO, pero su disminucion resultono ser considerable [40]. La eliminacion de C[O.sub.2] muestra una composicion del biogas con alta concentracion de metano y oxigeno, por lo tanto conduce a la rapida combustion y tambien a mayores niveles de potencia. En China se hizo una investigacion en la cual se realizaron pruebas para estudiar la relacion de compresion variable de un MEP Ricardo E6 monocilindrico, formado a partir de diferentes mezclas de gas natural y C[O.sub.2]. La fraccionde C[O.sub.2] en el biogas simulado fue cambiando de 0 % a 40 % en volumen, para cubrir el intervalo tipicamente encontrado en las fuentes de biogas proveniente de biodigestores comunes. Las pruebas cubrieron varios rangos de composicion y mezclas ricas en combustible a 4 regimenes de velocidad. Los resultados medidos se dan para potencia, temperatura de escape, eficiencia termica y fracciones molares de monoxido de carbono de las emisiones reguladas CO, NOx y emisiones de HC en los gases de escape. Los resultados experimentales indicaron que la presencia de C[O.sub.2] puede reducir las emisiones de NOx, pero con depresiones mas bajas del cilindro, la potencia del motor y la eficiencia termica se reducen y el nivel de HC sin quemar se incrementa. Los datos medidos, sin embargo, sugieren que es posible aumentar significativamente la relacion de compresion como un medio eficaz para la mejora en el rendimiento del MCI cuando el C[O.sub.2] esta presente. Una notable observacion es que si bien suele aumentar las emisiones de NOx y HC, el primero se ve compensado por el C[O.sub.2] contenido en el biogas.

Como conclusiones relevantes se observa que el C[O.sub.2] presente en el biogas influye en el funcionamiento del motor, en especial en cuanto a la reduccion de las emisiones de NOx y en el aumento en la relacion de compresion.Tambien se reduce la presion del cilindro, la potencia y rendimiento termico son reducidos en un 3 % cuando la fraccion de C[O.sub.2] aumenta a 40 % y las emisiones de HC totales se incrementaron tambien con la presencia de C[O.sub.2] en el combustible [41].

6. CONCLUSIONES

El uso de biogases en MCI representa una ventaja significativa en el control del cambio climatico por la mitigacion de gases de efecto invernadero que afectan el medio ambiente; sin embargo, se hace necesario en terminos sociales, ambientales y economicos lograr un desempeno optimo de los MEP y MEC alimentados con biogas, de modo que se llegue a una caracterizacion de los parametros de ajuste que permitan su operacion en un entorno controlado [42], que minimice los costos de operacion y brinde un impacto positivo en el rendimiento y emisiones finales.

Las investigaciones estan dirigidas a realizar modificaciones en el sistema de mezcla aire combustible, rangos de composicion de biogas en cuanto a cantidad de C[H.sub.4] y C[O.sub.2], la presion de suministro de combustible, la relacion aire combustible, la adicion de porcentajes controlados de [H.sub.2] inferiores al 15 %, asi como el poder controlar variables de prueba en cuanto a porcentaje de carga, velocidad de rotacion y par efectivo del motor [43]. Esta tendencia mundial hacia la caracterizacion de parametros de comportamiento ha permitido avanzar en el conocimiento de los MCI operando con biogas tanto puro como mezclado y en el mejoramiento de su eficiencia de operacion [44].

REFERENCIAS

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JORGE EDUARDO ARANGO GOMEZ

Ingeniero Mecanico, magister en Motores de Combustion Interna, magister en Automatizacion. Profesor asistente de la Universidad Nacional de Colombia. Bogota, Colombia. Contacto: jearangogo@unal.edu.co

FABIO EMIRO SIERRA VARGAS

Ingeniero Mecanico, magister en Automatizacion Industrial, doctor en Ingenieria. Profesor titular de la Universidad Nacional de Colombia. Bogota, Colombia. Contacto: fesierrav@unal.edu.co

VLADIMIR SILVA LEAL

Ingeniero Mecanico, magister en Ingenieria Mecanica. Investigador de la Universidad Nacional de Colombia. Bogota, Colombia. Contacto: vsilval@unal.edu.co

Fecha de recepcion: 14 de junio de 2012

Fecha de aceptacion: 12 de febrero de 2013

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Author:Arango Gomez, Jorge Eduardo; Sierra Vargas, Fabio Emiro; Silva Leal, Vladimir
Publication:Revista Tecnura
Date:Jan 1, 2014
Words:7342
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