desarrollo de sistema en motores ciclo diesel para funcionar con

AvAnces en lA Producción vegetAl y AnimAl del noA. 2007 - 2009 | 208

DESARROLLO DE SISTEMA EN MOTORES CICLO DIESEL PARA FUNCIONAR CON GASOIL, GNC O GLP INDISTINTAMENTE – ETAPA 4, INFORME FINAL.

Marchese Ricardo A. 1, Budeguer Manuel E.

1, Bustos Jorge E. M.

1, López Jorge L.

1

(1) Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología – Universidad Nacional de TucumánAv. Independencia 1800 – Tucumán

[email protected]

RESUMEN: En el presente trabajo se plantea la utilización de combustibles gaseosos (GNC - Gas Natural Comprimido y GLP – Gas Licuado de Petróleo) en motores de ciclo Diesel, que puedan funcionar indistintamente con gas y con gasoil sin grandes modificaciones. La idea está pensada para ser aplicada en los vehículos de transporte publico de pasajeros, el transporte privado, el transporte de cargas generales y maquinaria de trabajo pesado y agrícola en general (en este ultimo caso, se empleará GLP por la facilidad de abastecimiento en el medio rural). En el caso de maquinaria agrícola, la relación costo-beneficio podría dar resultados positivos.

PALABRAS CLAVE: Motor Diesel, Combustibles Alternativos

RESUME: In the present work we suggest the use of gas oils (CNG - compressed natural gas and LPG - Liquefied petroleum gas)

In engines of the diesel cycle that can work indistinctly with gas or gas oil

Without big modifications.

The idea is to be applied in public transport vehicles, private transport, general loading transport and heavy weigh and agro machines in general (In the latter case it will be used LPG because of the feasibility of the agro supplying.)

In case of agro machines, the relation cost-benefit may give positive results.

KEY WORDS: Diesel Engine, Alternative Fuel

1 INTRODUCCIÓN :En el cronograma de actividades se plantearon cuatro etapas de desarrollo. En el período se concluyen los ensayos correspondientes a la etapa 3 y 4

ETAPA 3 –

- Prueba en motor de inyección directa. Adición de un sistema de precalentamiento de aire en la admisión. Cálculo de cilindrada de motor y precalentador de aire.

- Comportamiento de arranque y funcionamiento.

1.1 Cálculo de la cilindrada del motor

Datos de placa del motor:N

e = 6,06 [CV] = 4,45 [kW]

n = 1250 [rpm]i = 1

Estimamos pme

= 5,7 [bar]Podemos escribir la potencia efectiva como

(1)Por lo tanto la cilindrada será:

(2)

La cantidad de aire que el motor aspira en la admisión será:


(3)

1.2 Cálculo del precalentador de aire de admisión

El calor específico del aire es

El salto de temperatura requerido es

(4)

(5)

(6)

Por lo tanto, la potencia necesaria para precalentar el aire será de 664 [W]

Si es por resistencia eléctrica (figura 1) y considerando que se transfiere totalmente

Sabemos que U = 220 [V]

Figura 1. Esquema precalentamiento

y como

1.3 Factibilidad de diseño

Se utiliza para ensayos una resistencia eléctrica para calefacción de ambientes, colocada dentro de un tubo que se conecta a la aspiración


Figura 2. Precalentador de aire

La resistencia conseguida para los ensayos es R = 81 [Ω], por lo que el valor de corriente será:

Y la potencia:

La potencia se puede calcular:

(7)

Por lo tanto el salto de temperatura será:

Está previsto reemplazar el sistema por un intercambiador que aproveche el calor de los gases de escape una vez que el motor esté en funcionamiento.

1.3 ENSAYO: En pruebas anteriores se encontraron problemas durante la inyección de GLP debido a la falta de presión en el circuito de alimentación. Para evitar este inconveniente se incorporó en el circuito una bomba de accionamiento eléctrico para aumentar la presión en sistemas de inyección de combustible (fotografía 1).

Fotografía 1. Bomba de presurización

Como seguridad se dispuso un regulador de presión diferencial para mantener la presión constante en el circuito. Con esto se realizaron los ensayos, en los que se obtuvieron buenos resultados de pulverización, como se observa en fotografía 2.


Fotografía 2. Inyección con GLP

Como se anticipara estaban previstos problemas de retraso de encendido del GLP dentro de la cámara de combustión, debido principalmente al elevado Número Octano del mismo (NO 100,5). Para reducir este retraso se incorpora un sistema para precalentar el aire de admisión hasta aproximadamente 80º C. El dispositivo consta de un tubo recto de acero dentro del cual se coloca una vela de cuarzo de 600 [W], que según cálculos permite estar próximos a la temperatura deseada (fotografía 3).

Fotografía 3 – precalentador de aire

El circuito se protege con disyuntor diferencial y llave termomagnética. Se puso en funcionamiento el motor sin carga alimentado con gasoil durante 20 minutos para alcanzar la temperatura de régimen. A continuación se detuvo el motor para cambiar la alimentación por GLP desde una garrafa de 2 [kg]. Se lo puso en funcionamiento, previo encendido del sistema de precalentamiento del aire. Se lo dejó funcionando durante 30 minutos, de los cuales se considera que en los primeros 15 minutos consumió el gasoil restante en las cañerías. En esta primera prueba se hizo una evaluación cualitativa de funcionamiento (auditiva y visual), en la cual no se encontraron problemas motorísticos de ningún tipo, ya que no se observó ninguna diferencia con el funcionamiento con gasoil. Lo único que se notó fue el cambio en el olor de los gases de escape.

Fotografía 4. Temp. de precalentamiento del aire

Se midió durante el ensayo la temperatura del aire de admisión, la cual alcanzó los 80 [ºC] como estaba previsto (fotografía 4). Se controló la temperatura del agua de refrigeración alrededor de los 85 [ºC].


Gracias a la incorporación de una bomba de presurización al circuito de alimentación se corroboró la po-sibilidad de inyectar GLP en estado líquido utilizando el sistema de inyección propio del motor.

En principio, con la incorporación del precalentador de aire se logró aumentar la temperatura de admisión hasta 80 [ºC], con lo cual se pudo observar en forma cualitativa un funcionamiento normal, con algunas dife-rencias del funcionamiento con gasoil.

Esta primera prueba de funcionamiento permite corroborar la suposición inicial de nuestro Proyecto de Investigación de que es posible el reemplazo total del combustible Diesel por GLP, sin ninguna modificación sustancial en el motor.

ETAPA 3 e informe final (Etapa 4): ENSAYOS DE FUNCIONAMIENTO DE MOTOR DIESEL ALIMENTADO CON MEZCLA DE GASOIL Y GLP EN DIFERENTES PROPORCIONES.

En ensayos posteriores, con GLP puro, se encontraron serios problemas de funcionamiento, (detonación severa) decidiendo entonces el funcionamiento con mezclas de GLP y combustibles Diesel.

El primer paso consistió en probar si este tipo de mezclas resultan posibles y estables, lógicamente a las presiones en que el GLP se encuentra en fase líquida.

Para realizar las mezclas de gasoil y GLP en estado líquido fue necesario utilizar recipientes y conductos especiales para trabajar con presiones de hasta 8 [bar], lo cual garantiza que los gases se encuentren en estado líquido. En nuestro caso los gases se encontraban a una presión de entre 6 y 7 [bar], dependiendo de la tempe-ratura ambiente. Por otro lado, el recipiente donde se realizó la mezcla debía facilitar la medición volumétrica de los fluidos a medida que se introducía el gas en estado líquido con el sistema presurizado. Para ello se utilizó un vaso de acrílico transparente de 250 [cm

3] capaz de soportar presiones hasta 16 [bar]. Luego de numerosos

cambios en el diseño de los circuitos con sus respectivas pruebas, se logró un sistema eficiente y seguro para poder realizar las mezclas a ensayar.

Se encontró que se podían realizar mezclas de cualquier proporción entre los dos combustibles sin ningún problema a las condiciones de presión planteadas.

Figura 1

En pruebas preliminares se mezclaban los combustibles en el recipiente y luego este se invertía ya que los conductos de entrada y salida se encuentran en la parte superior del mismo, como se muestra en figura 1. Esto obligaba a cerrar la válvula de admisión de gas para evitar el intercambio de fluido con la garrafa. Como resul-tado, el sistema funcionaba durante los primeros minutos, luego de los cuales perdía presión por la disminución del volumen del líquido, alcanzando presiones inferiores a los 5 [bar], lo cual forzaba el cambio de estado del gas a la entrada de la bomba inyectora, con lo que se interrumpía la inyección. Por lo tanto no se pudieron sacar datos fidedignos sobre los resultados de las pruebas.

Para solucionar este problema se incorporó una extensión al conducto de salida de manera que tome el combustible desde el fondo del vaso, estando este en posición de trabajo con las válvulas en su parte superior, según figura 2. De esta manera fue posible mantener presurizado el sistema con la presión de la garrafa mientras el nivel de líquido disminuía.


Figura 2

Una vez solucionados los problemas técnicos, se pudieron realizar las primeras pruebas de funcionamiento sobre el motor DIAR monocilíndrico. Dado que dicho motor no se encuentra acoplado a un freno dinamomé-trico, se tomaron como referencias parámetros cualitativos del funcionamiento del mismo, como ser: marcha estable sin cortes ni variaciones en el régimen, color del humo de escape, sonido, etc.

Ensayo 1 - Mezcla de 50% gasoil y 50% GLP en volumen

Se pudo notar un funcionamiento estable y suave, sin que se perciban detonaciones por retraso de encen-dido, mientras que el color del humo de escape no presentaba diferencias con el del funcionamiento normal con gasoil.

Ensayo 2 - Mezcla de 30% gasoil y 70% GLP en volumen

Funcionamiento irregular, característico de combustiones con gran retraso de encendido, y con mucho humo de escape debido a mala combustión.

PRUEBAS DE NUMERO CETANO EN MEZCLA DE GASOIL Y GLP

Ante el buen comportamiento cualitativo en la primera prueba, se decidió trasladar el sistema al banco de pruebas de Número Cetano, y así obtener valores precisos de este parámetro para diferentes mezclas (figura 3).

Figura 3

Ensayo 1 - Medición de Número Cetano del gasoil a utilizar en las mezclas

Caudal de aire Q = 25 %

Número Cetano NC = 61.5

Ensayo 2 - Mezcla de 80% gasoil y 20% GLP


Número Cetano NC = 54


Ensayo 3 - Mezcla de 65% gasoil y 35% GLP


Número Cetano NC = 41.5

ANáLISIS Y DISCUSIÓNDe todo lo realizado, se ha llegado al funcionamiento del motor Diesel de prueba, no como se intentaba en

un comienzo, con GLP puro, por el bajo Numero Cetano de este, pero sí con una importante cantidad de susti-tución de Gasoil, ( 50%); lógicamente este valor funciona bien en el motor de prueba, lento, y que no necesita valores altos del numero Cetano.

Con una sustitución del 20% es posible hacer funcionar cualquier tipo de motor Diesel, ya que el numero Cetano en esas condiciones, y con la mezcla de ese Gasoil probado, alcanza los valores requeridos por este tipo de maquinas.

Para el funcionamiento directo con el 100% de sustitución es necesario el uso de mejoradores de Número Cetano, o bien bujías incandescentes permanentes, que ya implican algún cambio, no sustantivo, pero engo-rroso.

El precalentamiento del aire no dio los resultados esperados, por lo que no es recomendable habida cuenta de la disminución del rendimiento gravimètrico

hl y su poca influencia en el resultado esperado

No se hizo la verificación de los desgastes en bomba inyectora, toberas válvulas etc. como así tampoco medición de emisiones por no contar con el instrumental necesario.

CONCLUSIONES: Se ha llegado al funcionamiento del motor Diesel con sustitución de Gasoil por GLP sin ningún problema de funcionamiento hasta un 20%. (50% en motores lentos!)

La utilización del sistema de inyección original, prácticamente sin cambios es un logro importante

Se ha probado que es posible la mezcla en volúmenes de combustible Diesel con GLP sin separación de fases.

Con este sistema no se tienen las complicaciones de los motores Diesel funcionando con inyección piloto, (esto significa la realización de un ciclo mixto entre Otto y Diesel) que necesitan sistemas de regulación y con-trol complicados para maquinas que trabajan con campos de velocidad y carga variables como los utilizados en vehículos de transporte

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFIADatos de combustibles gaseosos de Refinor S. A.

Giacosa, D., Motores Endotérmicos, Omega, 1988

Lichty, L., Procesos de los Motores de Combustión - McGraw-Hill, 1970

List, H., Motores de Combustión Interna, Tomo V-Motores de gas – Labor, 1964

Obert, E.F., Motores de Combustión Interna –Continental, 1992

Auditoria Técnica y homologación de sistemas diseñados para utilizar gas licuado de petróleo como reemplazo parcial de com-bustibles líquidos en motores Diesel. Marchese R., Bustos J., López J., Budeguer M.

desarrollo de sistema en motores ciclo diesel para funcionar con

Documents