UNIVERSIDAD AUTONOMA CHAPINGO DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA AGRICOLA
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA «Combustibles usados en los motores de encendido por compresión» Grupo 6º 2 Equipo 5
Presentan; Wilmer Michael Uc Camara José Ignacio Vázquez Chávez Anastasio Ramírez Corona José Orlando Tapia Ramos
Origen y etimología La palabra "diésel" se deriva del nombre del inventor alemán Rudolf Christian Karl Diesel que en 1892 inventó el mo moto torr di diés ésel el.. Al principio consideró que el combustible idóneo para su motor era carbón en polvo, pero al intentar inyectarlo en los cili ci lind ndro ross ca caus usó ó un unaa ex expl plos osió ión n qu que e de dest stro rozó zó el pr prot otot otip ipo. o. Después probó con aceites usan us ando do ac acei eite te de ca caca cahu huet ete. e.
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y
tuvo
éxito
Finalmente Diese sell consiguió un producto estable a part rtiir del refinado del petróleo produciendo lo que hoy conocemos como "gasóleo“, el cual fue utilizado por ser un combustible más econ económic ómico. o.
Combustibles utilizados en motores de encendido por compresión. También denominado como petrodiesel, gasoil o diesel, Es una mezcla de hidrocarburos que se obtiene por destilación fraccionada del petróleo entre 250 °C y 350 °C a presión atmosférica, de densidad sobre 832 kg/m³ (0.832 g/cm³), compuesto fundamentalmente por parafinas y utilizado principalmente como combustible. Es un biocombustible líquido que se obtiene a par arttir de líp ípiidos nat atu ural alees como acei eittes vegetales o gras grasas as animales, con o sin uso previo, mediant mediantee proc procesos esos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del gas gasóleo óleo obtenido obtenido del petróleo. petróleo.
DIESEL
Composición El gasóleo derivado del petróleo está compuesto aproximadamente de un 75% de hidrocarburos saturados (principalmente parafinas incluyendo isoparafinas y cicloparafinas) y un 25% de hidrocarburos aromáticos (incluyendo naftalenos y alcalobencenos). La fórmula química general del gasóleo común es C12H23, incluyendo cantidades pequeñas de otros hidrocarburos cuyas fórmulas van desde C10H20 a C15H28.
Proceso de elaboración A pesar de que el gasoil se obtiene directamente de la destilación fraccionada del petróleo entre 250 C y 350 C a presión atmosférica. El proceso de destilación del crudo para diesel es un proceso muy complicado que requiere un control muy preciso de las temperaturas y presiones. Al refinar el crudo se obtiene aproximadamente un 44% de gasolina, un 36% de gasoil y el resto de queroseno, lubricantes, etc.
Propiedades del gasoil Las características o propiedades del combustible para diesel son: 1. Poder calorífico. 2. Densidad especifica. 3. Punto de inflamación. 4. Punto de vertido. 5. Viscosidad. 6. Volatilidad. 7. Calidad de ignición (cetáno). 8. Residuo carbonoso. 9. Contenido de azufre. 10. Oxidación y agua.
Poder calorífico El poder calorífico de un combustible es de importancia capital y es una indicación de potencia que puede proporcionar el combustible cuando se quema, se mide expresado en BTU por libra de combustible. BTU (“British Termal Unit” es la cantidad de calor necesaria para aumentar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua). El gasoil contiene unas 141 000 Btu/gal (42.7MJ/kg); mientras que la gasolina Premium 125 000 BTU/gal (36.6MJ/kg). Pero el motor diesel multiplica aún más su ventaja inicial por la manera en que funciona ya que utilizan una relación de comprensión mucho más alta (En los motores de gasolina, la relación de compresión varía entre 6:1 Y 10:1 y en los motores diesel, la relación de compresión varía entre 12:1 y 22:1.).
Densidad especifica La densidad específica de un líquido, como el combustible del motor diesel, es la relación entre la densidad del combustible y la densidad del agua. La densidad específica de un combustible afecta su poder calorífico, así como la penetración al pulverizarlo, tal como ocurre al inyectarlo en la cámara de combustión. Un combustible con una densidad especifica baja del American Petrolium Institute (API) generalmente presenta un mayor poder calorífico por galón que el combustible situado más allá en la escala estándar de densidad especifica del API que se extiende entre 25 y 49 a 15° C.
La densidad API mínima para motores diesel es de 30 y la máxima de 45.
Punto de inflamación El punto de inflación de un aceite es la temperatura a la que debe calentarse el aceite hasta que se forme suficiente vapor inflamable para que se encienda (inflame) al entrar en contacto con la llama o calor. El punto de inflamación es sólo indicador de la combustión y no informa sobre la calidad de la ignición del combustible en el motor. El punto de inflamación de los combustibles para diesel es el siguiente: 37.7° C (100° F) para el combustible tipo 1-D 51.7° C (125° F) para el combustible tipo 2-D 54.4° C (130° F) para el combustible tipo 4-D Algunos países tienen leyes por las que se especifica el punto de inflamación de los combustibles diesel. •
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Punto de niebla y punto de vertido El punto de niebla de los combustibles diesel es la temperatura a la cual los hidrocarburos componentes del combustible se toman insolubles (no pueden disolverse) y empiezan a formarse cristales de cera. El punto de vertido es la temperatura a la cual una cantidad suficiente de combustible se torna insoluble para impedir que fluya bajo determinadas condiciones.
Un punto de vertido alto implica que cuando hace frío el gasoil no fluirá fácilmente a través de los filtros y del sistema de alimentación del motor. También sus características de pulverización pueden ser irregulares.
Viscosidad La viscosidad afecta el comportamiento de la pulverización en las cámaras de combustión. La viscosidad se mide a 25° C (77° F) y a 50° (122°F). Una viscosidad baja produce una fina niebla, mientras que la alta suele ocasionar una atomización menos fina.
Se recomienda una viscosidad entre 1.4 y 20 Centistokes.
Volatilidad En el caso de los combustibles diesel, la volatilidad se indica al 90% de la temperatura de destilación (temperatura a la cual se destila el 90% del combustible). A medida que la volatilidad decrece, aumentan los depósitos carbonosos y, en algunos motores, el desgaste por el uso. Algunos motores producen mayor cantidad de humos cuando disminuye la volatilidad.
Relación del número de cetáno La cantidad de ignición de un combustible diesel (facilidad con que se enciende el combustible) y la forma en que quema se expresan mediante los números de cetáno. Una relación de número de cetáno se obtiene al comparar el combustible con el cetáno, un hidrocarburo líquido incoloro que presenta unas excelentes cualidades de ignición y que se toma como 100. Los motores diesel con cámara de pre-combustión (CP) requieren un número de cetáno mínimo de 35. Los motores de inyección directa (ID) requieren un número cetáno mínimo de 40 para obtener buenas características de arranque. Típicamente los motores se diseñan para utilizar índices de cetano de entre 40 y 55. El número de cetáno tiene una relación similar con el combustible diesel que la que tiene de octano con la gasolina.
Residuos carbonosos El residuo carbonoso de un residuo diesel (hollín depositado después de la combustión) es una indicación de la cantidad de depósitos que se pueden formar, en la cámara de combustión, cuando el combustible se quema en el motor. Los requisitos estándar permiten un máximo de un 0.01% de contenido de cenizas.
Contenido de azufre Cuando se quema un combustible que contiene azufre en el motor, éste se combina con el agua, producida durante la combustión del gasoil. Y forma ácidos corrosivos. Estos ácidos tienden a erosionar las superficies pulidas, aumentar el deterioro del aceite del motor, y producir lodos. Las tolerancias estándar de diésel N° 1 y N° 2 permiten un contenido generalmente menor de 0.5%.
GRADOS DE COMBUSTIBLES DIESEL Existen tres clasificaciones disponibles, de los combustibles diesel para automóviles, promulgados por la American Society of Testíng Materials Standards. Técnicamente se designan como grado 1-D, grado 2-D, y grado 4-D pero frecuentemente se simplifican hablando de combustible para diesel No 1, No 2 o No 4. Existía un grado 3-D. pero ya no se fabrica.
El grado 1-D Es el combustible diesel disponible más refinado y volátil, la calidad Premium, y se utiliza en motores muy revolucionarios que precisan cambios frecuentes de carga y velocidad. El combustible diesel de grado 1-.D tiene unos puntos de niebla y congelación inferior al 2-D, que ha sido preparado para el invierno ("Winterized") con anticongelantes, que permiten su uso durante todo el año a temperaturas por debajo de los -67° C (20° F). Aunque considerado como el mejor combustible diesel que el grado 2-D y no siempre puede conseguirse en las zonas donde la temperatura ambiental sobrepase los -6.7° C (20° F).
El grado 2-D Es el más comúnmente utilizado en los motores diesel de automóviles y de camiones comerciales de tipo medio y de camiones comerciales de tipo medio y pesado. Es un combustible de baja volatilidad, adecuado para utilizarse sin aditivos a temperaturas por encima de los -6.7°C (20°F), Y proporciona la mejor economía de combustible de todos los combustibles diesel.
El grado 4-D Es un gasoil para motores de baja y media velocidad. Es el menos refinado y contiene los mayores niveles de ceniza y azufre, lo que hace que su uso sea inadecuado en los automóviles exceptuando los motores diesel de los grandes camiones. A medida que aumenta la velocidad del motor, la limpieza y viscosidad del combustible pasan a ser más críticas respecto a un funcionamiento adecuado del motor diesel.
Aromáticos El contenido de aromáticos influye en la temperatura de la flama y las emisiones de NOx durante la combustión. La influencia del contenido de poliaromáticos en el combustible afecta en la formación de MP(material particulado “hollín”) y las emisiones de este tipo de hidrocarburos en el tubo de escape.
Los contaminantes que salen por el escape: •
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Agua H2O: Sale en forma de vapor, no es considerado en material particulado contaminante, inocuo para el medio y el ser humano. CO2: Dióxido de carbono (respirable por el ser humano) •
CO: Monóxido de carbono(Respirar cantidades menores de este gas produce vértigo, fatiga y cefalea y en cantidades mayores evita el transporte de oxígeno a la sangre y puede producir la muerte)
Los contaminantes que salen por el escape: •
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NOx: Óxidos de Nitrógeno (El dióxido de nitrógeno causa lesiones y cambios destructivos en los pulmones.) MP: Material Particulado “hollín” (El MP perjudicial para el hombre son las partículas menores a 10 micrometros, que pueden penetrar en las vías respiratorias, lo cual tienen el potencial para producir efectos sobre la salud.) HC: Hidrocarburos (Los hidrocarburos en el aire en concentraciones altas produce irritación de las mucosas.) SOx: Sulfuros (La concentración de azufre en el combustible, ayuda a la formación de bastante material particulado, pues afecta directamente el proceso de combustión que no es perfecta al usar combustibles de origen fósil) •
El biodiesel
El biodiesel es un biocombustible líquido con una densidad de 880 kg/m3. Se obtiene a partir de grasas animales o aceites vegetales como la soja, el coco, el aguacate, etc. mediante un proceso llamado transesterificación de triglicéridos (aceite). El termino "bio" se refiere a su naturaleza renovable y "diesel" se refiere a su uso de motores de este tipo. El biodiesel posee las mismas propiedades del diesel usado en automóviles. Puede ser usado en cualquier motor diesel de forma pura o mezclado con el diesel.
Historia del biodiesel La transesterificación de los aceites vegetales fue desarrollada en 1853 por los científicos E. Duffy y J. Patrick, muchos años antes de que el primer motor diesel funcionara. El primer modelo de automóvil de Rudolf Diesel, funcionó por vez primera en Augusta (Alemania), el 10 de agosto de 1893. En conmemoración de dicho evento, el 10 de agosto se ha declarado "Día Internacional del Biodiesel“. Este automóvil es un ejemplo de la visión de Diesel, ya que era alimentado por aceite de cacahuete, un biocombustible, aunque no estrictamente biodiesel, puesto que no era transesterificado.
Historia del biodiesel Diesel quería que el uso de un combustible obtenido de la biomasa fuera el verdadero futuro de su motor. Durante los años veinte, los fabricantes de motores diesel adaptaron sus propulsores a la menor viscosidad del combustible fósil (gasóleo) frente al aceite vegetal. El producto a base de petróleo era más económico de producir que la alternativa extraída de la biomasa. El resultado fue, por muchos años, la casi completa desaparición de producción de combustibles a partir de biomasa. Fue hasta el año de 1970, que el biodiesel se desarrolló de forma significativa a raíz de la crisis energética que se sucedía en el momento, y al elevado costo del petróleo.
Historia del biodiesel Las primeras pruebas técnicas con biodiesel se llevaron a cabo en 1982 en Austria y Alemania. En el año de 1985 en Silberberg (Austria), se construyó la primera planta piloto productora de biodiesel a partir aceite de semilla de colza. En septiembre de 2005 Minnesota fue el primer estado en obligar a que el diesel comercializado contenga al menos un 2% de biodiesel. Hoy en día países como Alemania, Austria, Canadá, Estados Unidos, Francia, Italia, Malasia y Suecia son pioneros en la producción, ensayo y uso de biodiesel en automóviles.
Materia prima Tipo de fruto o semilla
Kg de aceite por 100kg del fruto o semilla
Colza
46.00
Coco
57.00
Semilla de Algodón
15.00
Maní
41.50
Mostaza
35.00
Canola
42.00
Maiz
6.50
Palma (hueso)
36.00
Palma (fruto)
20.00
Sésamo
50.00
Soya
18.50
Jatropha
15.00
Girasol
48.00
Proceso de elaboración
Este proceso prevé el empleo de aceites o grasas que contengan acidez libre, y en su primera fase los ácidos grasos libres se transforman también en metilester. Esta es una ventaja ya que no es necesario procesar previamente grasas y o aceites para eliminar tales impurezas obteniéndose además un rendimiento superior respecto de los triglicéridos de partida. En el mezclador estático MX 1 se mezclan el alcohol metílico y el aceite que contiene ácidos grasos libres. Este producto se hace pasar luego a través del reactor (R 1) que funciona con catalizador en lecho fijo donde se produce la reacción de esterificación de los ácidos grasos libres. La corriente proveniente de esta unidad se mezcla en la unidad estática MX 2 con el metanol necesario para la transesterificación, más un pequeño exceso del mismo, y el catalizador.
Esta corriente ingresa en el reactor R 2 en el cual se produce la transesterificación de los triglicéridos. El producto de la reacción, compuesto por el metilester, la glicerina, el metanol en exceso y el catalizador, debe ser neutralizado. Para ello se mezcla en la unidad estática MX 3, con un ácido mineral en la cantidad necesaria. Posteriormente en la unidad de destilación flash FC se despoja al producto de los volátiles, compuestos fundamentalmente por el alcohol metílico en exceso. Los vapores de metanol se condensan y se envían al tanque de almacenamiento, del cual será nuevamente introducido en el ciclo.
El producto de fondo del evaporador flash FC, que contiene el metilester, la glicerina, y sales se envía al decantador continuo D, en el cual se separa el metilester del resto de los productos. La fase ligera (biodiesel) se envía a la columna de lavado C, mientras la fase pesada (glicerina bruta) que contiene glicerina (aprox 90%), eventuales impurezas y sales se envía al almacenaje. En la columna C con agua se lava el metilester quitándole las trazas de glicerina que puede contener. Se separa el producto lavado de la parte superior de dicha columna, enviándose a una unidad de secado y al almacenaje.
Modo de uso del biodiesel Las mezclas de biodiesel y diesel convencional constituyen la más habitual forma de usar biodiesel. Gran parte del mundo utiliza un sistema conocido como la "B" factor que indica la cantidad de biodiesel en cualquier mezcla de combustible. el combustible que contiene 20% de biodiesel tiene la etiqueta B20, mientras que el biodiesel puro se denomina B100. Las mezclas de biodiesel (B80) en general se puede utilizar en motores diesel sin modificar. El biodiesel también puede ser utilizado en su forma pura, pero pueden requerir algunas modificaciones del motor para evitar problemas de mantenimiento y rendimiento .
Ventajas del biodiesel Disminuye notablemente las emisiones de partículas en motores diesel. Supone un ahorro entre el 25% y el 80% de las emisiones de CO2 Al no tener compuestos de azufre, no los elimina como gases de combustión (lluvia ácida). No contiene productos aromáticos (benceno y derivados) siendo conocida la elevada toxicidad de los mismos para la salud. Es diez veces menos tóxico que la sal de cocina. Por su mayor índice de cetano y lubricidad reduce el desgaste de las piezas del motor. Los olores de la combustión del biodiesel son aromas de palomitas de maíz o papas fritas. Es un carburante biodegradable por los que es compatible con la naturaleza y en caso de accidente no se produce ninguna contaminación.
Inconvenientes del biodiesel Podría generar un aumento de la deforestación de bosques, expansión indiscriminada de la frontera agrícola, desplazamiento de cultivos alimentarios y ganadería. Posee un poder calorífico menor que el de los gasóleos, aunque el rendimiento de la combustión es algo superior. A bajas temperaturas puede llegar a solidificarse y producir obstrucciones en los conductos. Es incompatible con algunos materiales ya que en estado puro puede llegar a dañar por ejemplo el caucho y algunas pinturas. El biodiesel que es un producto hidrófilo y degradable, por lo cual es necesaria una planificación exacta de su producción y expedición. El producto se degrada notoriamente más rápido que el petrodiesel.
Biodiesel de algas La producción de biodiesel a partir de algas se encuentra aun en una fase de experimentación. Son pocas las pruebas que se han hecho en base a este, pero las que se realizaron han sido exitosas. Uno de los problemas a resolver con respecto al cultivo de algas es encontrar una cepa que contengan un alto contenido en lípidos, que no necesite muchos requerimientos para crecer rápido y que su mantenimiento sea de bajo costo. Por esta razón los laboratorios están realizando investigaciones para extraer aceites de microalgas ya que estas crecen más rápido y tienen mayor contenido de aceite.
Ventajas de la producción de biodiesel a base de algas Las algas tienden a producir ácidos aceites que tienen puntos de fusión bajos por lo que en climas fríos es mucho más ventajoso que otros tipos de biocombustibles. Las algas presentan una tasa de crecimiento mucho mayor. La producción de aceites a partir de algas es 200 veces mayor que en plantas. Por lo que también es mayor la producción de biodiesel. Poseen un alto rendimiento y por lo tanto un bajo costo. La producción de biodiesel de algas tiene las características de reducir las emisiones de CO2 y compuestos nitrogenados de la atmósfera. Poseen un amplio rango de zonas de crecimiento, por lo que pueden cultivarse en lugares donde no provoquen alteraciones al ecosistema o a la cadena alimenticia.
Comparación con otras materias primas materias primas
m3/km2
Colza:
de 100 a 140
Mostaza (Brassica nigra) Piñón (jatropha)
130 160
Aceite de palma
610
Algas:
De 10.000 a 20.000
Producción de algas para biodiesel
Producción de algas para biodiesel
Emisiones: •
•
Monóxido de carbono (CO) : la emisión durante la combustión del biodiesel en motores diesel es del orden del 50% inferior ( comparada con aquella que produce el mismo motor con combustible diesel ) . Es conocida la toxicidad del monóxido de carbono sobre todo en las ciudades. Dióxido de azufre (SO2) : no se produce emisión de dióxido de azufre por cuanto el biodiesel no contiene azufre. El dióxido de azufre es nocivo para la salud humana así como para la vegetación.
Emisiones: •
•
•
Material particulado: esta emisión con el empleo del biodiesel se reduce del 65% respecto del combustible diesel. Las partículas finas son nocivas para la salud. Productos orgánicos aromáticos: el biodiesel no contiene productos aromáticos ( benceno y derivados) siendo conocida la elevada toxicidad de los mismos para la salud. Balance de dióxido de carbono (CO2) : el dióxido de carbono emitido durante la combustión del biodiesel es totalmente reabsorbido por los vegetales. Por lo tanto el biodiesel puede ser considerado un combustible renovable.
En la siguiente tabla se resumen las características típicas del biodiesel y del diesel petrolífero:
Comparación con otros combustibles. combustibles
Poder calorífico medido en MJ/kg
Gas natural
53.6
Acetileno
48.55
Propano, Gasolina, Butano
36.0
Gasoil
42.7
Fueloil
40.2
Antracita
34.7
Coque
32.6
Gas de alumbrado
29.3
Alcohol de 95º:
28.2
Lignito
20.0
Turba
19.7
Hulla
16.7
Biodiesel:
37 5
combustibles
US dólares por galón
La Gasolina
4.24
Petrodiesel
5.02
Biodiesel B100
Aprox
3.10
Biodiesel casero (aceite usado)
Aprox
1
Conclusiones El biodiesel no es nocivo para la salud humana, para la vegetación, los animales vivos y no daña monumentos y/o edificios. Por tal motivo su empleo es ventajoso frente al combustible diesel sobre todo para el transporte público en las grandes ciudades. Es seguro y fácil de transportar debido a que es biodegradable y posee un punto de inflamación más alto que el del combustible petrolífero.
