AVANCES Y ESTRATEGIAS PARA MEJORAR EL DESEMPEÑO DEL BIODIÉSEL EN MOTOR DIÉSEL

Riojas-González, Héctor-Hugo; Bortoni-Anzures, Liborio-Jesús; Martínez-Torres, Juan-Julián; Ruiz, Héctor A; Riojas-González, Héctor-Hugo; Bortoni-Anzures, Liborio-Jesús; Martínez-Torres, Juan-Julián; Ruiz, Héctor A

doi:10.17163/ings.n30.2023.08

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versão On-line ISSN 1390-860Xversão impressa ISSN 1390-650X

Ingenius no.30 Cuenca Jun./Dez. 2023

https://doi.org/10.17163/ings.n30.2023.08

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AVANCES Y ESTRATEGIAS PARA MEJORAR EL DESEMPEÑO DEL BIODIÉSEL EN MOTOR DIÉSEL

ADVANCES AND STRATEGIES TO IMPROVE THE PERFORMANCE OF BIODIESEL IN DIESEL ENGINE

Héctor-Hugo Riojas-González^1,∗
http://orcid.org/0000-0003-2401-1110

Liborio-Jesús Bortoni-Anzures¹
http://orcid.org/0000-0003-2025-4369

Juan-Julián Martínez-Torres¹
http://orcid.org/0009-0007-3859-8684

Héctor A Ruiz²
http://orcid.org/0000-0003-0917-0324

^{^1,∗}Universidad Politécnica de Victoria, Ciudad Victoria, Tamaulipas, México. Autor para correspondencia : hriojasg@upv.edu.mx

^²Grupo de Biorrefinería, Departamento de Investigación en Alimentos, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Coahuila, Saltillo, Coahuila, México.

Resumen

La demanda de diésel en vehículos pesados se incrementa cada año en el mundo. El posible uso de combustibles alternativos como el biodiésel tiene algunas desventajas como el menor valor calorífico y su mayor viscosidad, por esta razón se requiere mejorar sus propiedades, optimizando el comportamiento de la combustión en el motor y en la reducción de las emisiones. El objetivo del trabajo de investigación es explorar las diferentes mezclas que puedan ayudar a mejorar el uso del biodiésel a través de las estrategias y avances que se han generado con el propósito de beneficiar el desempeño del motor diésel. Entre las distintas estrategias de mejoramiento del biodiésel están las mezclas de distintos bioaceites (aceites vegetales, de pirólisis y usado de cocina), mezclas del biodiésel con alcohol, con hidrógeno, el biodiésel como combustible piloto, las emulsiones del biodiésel con agua y la aplicación del biodiésel con antioxidantes, nanotubos y nanopartículas. Se concluye que para poder usar actualmente el biodiésel se lo haría con la combustión dual, en donde este representaría el combustible piloto (10 % o 20 % del combustible total del motor). Con esta estrategia se puede impulsar a otros combustibles (líquidos y gaseosos) en la combustión dual, para que con el paso del tiempo se encuentre la mezcla óptima que sea la mejor opción para el motor diésel.

Palabras clave: biodiésel; motores; mezclas; aceites; combustión dual; emulsiones

Abstract

The demand for diesel in heavy vehicles is increasing every year in the world, the possible use of alternative fuels such as biodiesel has some disadvantages such as the lower calorific value and its greater viscosity, for this reason biodiesel needs to improve its properties, optimising combustion behavior in the engine and helping to reduce emissions. The objective of the research work is to explore the different mixtures that can help improve the use of biodiesel through the strategies and advances that have been generated with the purpose of benefiting the performance of the diesel engine. Different biodiesel improvement strategies include blends of different biooils (vegetable oils, pyrolysis oils and used cooking oil), blends of biodiesel with alcohol, biodiesel as pilot fuel, biodiesel emulsions with water, biodiesel blends with hydrogen and the application of biodiesel with antioxidants, nanotubes and nanoparticles. It is concluded that to be able to use biodiesel currently is applying dual combustion, where biodiesel would represent as pilot fuel (10% or 20% of total engine fuel), with this strategy can be propelled to other fuels (liquid and gaseous) in dual combustion, so that over time the optimal blend of biodiesel is found and is the best choice for the diesel engine.

Keywords: Biodiesel; engines; mixtures; oils; dual combustion; emulsions

Introducción

La demanda del combustible más usado para vehículos pesados es el diésel, su demanda aumentará en un 85 %, mientras que la de la gasolina caerá aproximadamente un 10 % durante el periodo 2010-2040 [1]. Por lo que la creciente demanda de energía de transporte está dirigida a los motores diésel [2]. Desafortunadamente, el sector de transporte mundial es uno de los principales responsables de la contaminación del medioambiente, genera el 26 % de las emisiones de gases de efecto invernadero [3]. Los biocombustibles son considerados combustibles neutros de carbono, el CO₂ producido por los biocombustibles es fácilmente secuestrado por cultivos de plantas mediante la fotosíntesis. Entre los biocombustibles se encuentra el biodiésel, el cual tiene un menor contenido energético comparándolo con el diésel, esto es debido a que el primero tiene mayor densidad, viscosidad, consumo de combustible específico del freno y mayores emisiones de NO_x. Todo esto no ayuda al biodiésel para superar estas limitaciones.

La aplicación de los aditivos a base de metales, aditivos oxigenados, antioxidantes, desarrolladores de cetano, lubricantes y optimizadores de propiedad de flujo en frío, ayudan a mejorar las propiedades del biodiésel, además de la adición de alcohol [4] y la mezcla de diésel-alcohol con biodiésel generan como resultado el diesterol. En la búsqueda de mejorar las propiedades del biodiésel, muchos investigadores han adoptado diversos métodos como la transesterificación (Figura 1), calentamiento de aceite, emisión con alcohol y mezclas con diésel o con otros combustibles alternativos [5], incluso hasta se ha llegado a la obtención de un diésel renovable que, a diferencia del biodiésel, se puede obtener a partir de lípidos (aceite o grasa) como materia prima por reacción de hidrooxigenación a temperatura y presión elevadas con la presencia de un catalizador [6]. El objetivo de esta investigación es explorar las diferentes mezclas que puedan ayudar a mejorar el uso del biodiésel a través de algunas estrategias y avances que se han generado con el propósito de beneficiar el desempeño del motor diésel. El punto más crítico para la obtención del biodiésel es la materia prima.

Mezclas con distintos aceites

Existen varios autores que recomiendan mezclas de distintos aceites (Tabla 1).

Figura 1 Proceso de transesterificación; (a) catalizador, (b) rector con aceite, (c) acondicionamiento, (d) purificación, (e) sales y (f) biodiésel

Tabla 1 Rendimiento del motor diésel con distintos bioaceites comparándolos con el diésel convencional

Está el caso de Vallinayagam et al. [14], quienes determinaron que una mezcla del 50 % de Kapok Metil Ester (KME) y un 50 % de aceite de pino son óptimos en términos de rendimiento y emisiones en donde se registró una reducción de HC, humo y CO, sin embargo, el BTE de la mezcla fue inferior al diésel con poca carga, pero esta fue muy similar al diésel en carga alta. De acuerdo con Singh et al. [15], una mezcla de 70 % de aceite de Aamla y 30 % de aceite de eucalipto generan una mezcla óptima, ya que reducen emisiones de CO, HC y humo, mientras que el NO_x es equivalente al diésel.

Otra mezcla de aceites lo registran Kasiraman et al. [16], recomiendan una mezcla del aceite de cáscara de anacardo al 70 % mezclado con un 30 % de aceite de alcanfor, muestran resultados alentadores, pero sigue siendo inferior al diésel. Otra mezcla de aceites lo presentan Dubey y Gupta [17], en donde recomiendan una mezcla del 50 % de Jatropha y 50 % de aceite de trementina. Esta mezcla generó los mejores resultados comparada con otras muestras en donde hubo una reducción de NO_x, CO, HC y humo frente al diésel en condiciones a plena carga. Finalmente, Sharma y Murugan [18] encontraron que la mezcla óptima se puede dar con un 20 % de aceite de pirólisis de llanta y con un 80 % de aceite de Jatropha. En la Tabla 2 se muestran las propiedades fisicoquímicas del biodiésel.

Tabla 2 Propiedades técnicas de diversos tipos de biodiésel

Mezcla de biodiésel con alcohol

La alta viscosidad, baja volatilidad y pobres propiedades de flujo en frío del biodiésel afectan la calidad de combustión [19]. Sin embargo, las propiedades pueden mejorarse mezclándolo con alcoholes [27]. Las mezclas del combustible del diesterol (compuesto de diésel, biodiésel y etanol) han demostrado mayor eficiencia, rendimiento y menores emisiones, esto se debe a que el etanol tiene un alto valor calorífico y baja densidad en comparación con el biodiésel por lo que lo compensa [28].

De la misma manera, el etanol tiene baja viscosidad y buenas propiedades de flujo en frío, por lo que la mezcla con biodiésel ayuda a que este último disminuya su viscosidad, aumentando su volatilidad y logrando mejorar sus propiedades de flujo en frío [29]. En la Tabla 3 se presenta la mezcla del etanol con biodiésel y sus emisiones. Además, el mayor contenido de oxígeno del etanol puede reducir más la emisión de PM en su mezcla con el biodiésel [20]. El alto número de cetano de biodiésel compensa con el bajo número de cetano del etanol, por lo que, en consecuencia, mejora la combustión del motor [21].

La presencia del biodiésel en la mezcla de etanol y diésel aumenta el índice de cetano y mejora la calidad de autoignición de la mezcla [30]. Por otra parte, agregar etanol a la mezcla de biodiésel-diésel mejora las propiedades físicas generales como las características de evaporación y el tamaño de gota de la mezcla de combustible [22]. En las Tablas 4 y 5 se muestran las mezclas de biodiésel con alcoholes en el desempeño del motor.

Tabla 3 La generación de emisiones con la mezcla de biodiésel con etanol

Tabla 4 La generación de emisiones en la mezcla de biodiésel con alcoholes

Tabla 5 La generación de emisiones en la mezcla de biodiésel con alcoholes

Otra mezcla del biodiésel puede ser con alcoholes superiores de cadena larga, como el caso del butanol y el pentanol; se puede mezclar con biodiésel (hasta un 20 %) y diésel en motor diésel sin alteraciones [44]. Como lo mencionan Babu et al. [44], en donde concluyeron que hasta un 29 % se puede agregar butanol mezclado con biodiésel sin que se genere ningún tipo de modificación al motor, logrando con esto, mejorar las propiedades del biodiésel y con esto beneficiar una mejor combustión de las mezclas.

Mezcla de biogás con biodiésel

En la combustión dual se puede usar biogás como combustible principal y biodiésel como combustible piloto. Sahoo [45] estudió el rendimiento del biogás en combustión dual, generando un BTE de 16.8 % y 16.1% para diésel y biodiésel de Jatropha, respectivamente, en comparación con el 20.9 % del modo diésel convencional. Luijten y Kerkhof [46] analizaron un biogás sintético (variación de CO2 del 30 al 60 %), con un motor diésel de un solo cilindro de aspiración natural alimentado de biodiésel de Jatropha como combustible piloto; reportaron una pequeña variación en BTE del motor con un aumento de energía de biogás con altas cargas, mientras que con bajas cargas el biogás resultó con una disminución significativa del BTE. En la Tabla 6 se muestra el comportamiento del motor con la mezcla de biodiésel, alcohol y biogás.

Aplicación de bioaceite con agua

El combustible emulsionado de agua en biodiésel (Figura 2) podría ser la principal contribución en la reducción de NOx y PM [47], de igual manera se reduce el humo, pero el consumo de combustible, el CO y HC se incrementan [48]. El combustible en emulsión da menor desgaste y fricción, esta reducción puede ser correlacionada con la presencia de agua, la cual provoca una baja temperatura y con esto disminuye el desgaste de la combustión [49]. La emulsión de agua aumenta el BTE, ya que la eficiencia de la combustión mejora la atomización y evaporación del combustible, formando una microexplosión, la cual genera una formación de aerosol, fino logrando una mayor vaporización del combustible. El frenado continuo de las gotas de agua en el proceso de emulsión aumenta la superficie de evaporación y garantiza la mezcla precisa, como resultado se mejora la reacción y la eficiencia de combustión [50]. En la Tabla 7 se presentan resultados en la aplicación de emulsiones con biodiésel.

Tabla 6 Mezcla de combustible dual con bioaceite y alcohol con biogás

Figura 2 Fenómeno de la emulsificación: (a) 30 % agua, (b) 70 % combustible, (c) emulsión, (d) fase dispersa, (e) fase continua

Tabla 7 Mezcla de combustible dual con bioaceite y alcohol con biogás

Mezcla de biodiésel con gas natural

El gas natural se puede usar en una combustión dual como combustible primario y el biodiésel como combustible piloto, el estudio de Paul et al. [58] utilizó el éster metílico de pongamia pinnata (PPME) como combustible piloto en motor CI de doble combustible en donde se le agregó gas natural, el biodiésel obtuvo una mejora en el BTE y una reducción de BSFC, la combustión fue más completa y se obtuvo una reducción CO y HC, pero con un incremento de NO_x.

Tarabet et al. [59] señalaron que el enriquecimiento de gas natural con H2 en modo de combustible dual con biodiésel de eucalipto, como combustible piloto, mejora el rendimiento del motor y reduce las emisiones. El estudio de Ryu [60] realizado con aceite vegetal (fritura combustible) como combustible piloto, en un motor DI Common rail con gas natural, obtuvo como resultado una pérdida de potencia, atribuida al biodiésel por su mayor viscosidad cinemática comparada con el diésel. Otro análisis lo reportaron Senthilraja et al. [61], estudiaron la combinación de mezclas de éster metílico de semilla con diésel-etanol y enriquecido con GNC e informaron un aumento de BSFC al momento de incrementar la concentración de la mezcla de biodiésel con etanol.

Finalmente, en los estudios experimentales realizados por Kalsi et al. [62], alimentaron un motor RCCI con biodiésel utilizando gas natural comprimido mezclado con hidrógeno, se tuvieron mejoras significativas en el BTE y en la reducción de humo, HC y CO.

Mezcla de biodiésel con hidrógeno

Como el hidrógeno es portador de energía libre de carbono, todas las emisiones basadas de carbono tales como HC, CO, H2O, PM y humo en motores diésel de combustión dual disminuyen sustancialmente en todas las cargas [63]. El rendimiento del motor, así como el comportamiento del motor y sus emisiones, con lamezcla de biodiésel con hidrógeno, se presentan en las Tablas 8 y 9 respectivamente.

Tabla 8 Rendimiento del motor con la mezcla de biodiésel con hidrógeno

Tabla 9 Comportamiento del motor y sus emisiones con la mezcla de biodiésel con hidrógeno

Mezcla de biodiésel con antioxidantes

Varios estudios han señalado que las adiciones de antioxidantes mejoran en la reducción de emisiones, entre los antioxidantes fenólicos encontramos al TBHQ, BHA y BHT que también son comúnmente usados para controlar la degradación del combustible y de esta manera mejorar el almacenamiento del biodiésel, estos antioxidantes ayudan a la reducción de NO_x, pero pueden generar un incremento en las emisiones de humo, CO y HC [72].

De acuerdo con el estudio de Rashedul et al. [73], analizaron el efecto del antioxidante BHT con biodiésel de Callophyllum y encontraron que el BHT generan mejor estabilidad con una reducción de NO_x, mostrando una mayor potencia de frenado, mayor BTE y menor BSFC. Otro estudio comparativo entre antioxidantes en donde usaron biodiésel con aceite de soja lo llevó a cabo Ryu [74], concluyó que las eficiencias de los antioxidantes están en el orden de TBHQ > PrG > BHA > BHT > alfatococerol. En el estudio se halló que con el uso de estos antioxidantes disminuye el BSFC. Sin embargo, los aditivos antioxidantes comerciales suelen ser caros y se producen a partir de materiales no renovables, por lo que existe una motivación en explorar nuevos aditivos alternativos de bajo costo, obtenidos a partir de biomasa o residuos [75].

Nanopartículas en el biodiésel

La adición de nanopartículas al combustible mejora las propiedades termofísicas del combustible, incluyendo la conductividad, difusibilidad de masa y relación superficie-volumen, además de las propiedades fisicoquímicas como la viscosidad cinemática, punto de incendio, punto de inflamación, punto de fluidez y otras propiedades también son mejoradas [76].

En la Tabla 10 se presenta el comportamiento del motor con nanopartículas mezcladas con biodiésel. Los nanotubos de carbono aplicados (CNT) tienen el potencial de ser usados como aditivos en la combustión dual para ayudar a mejorar al combustible, y así poder obtener buenos resultados de BSFC, BTE y NO_x. Sin embargo, el inconveniente de la falta de estabilidad de la mezcla (con CNT) puede resolverse con la aplicación de un estabilizador de combustible o surfactante [77]. En la Tabla 11 se presenta el comportamiento de motor con la mezcla de biodiésel y CNT.

Una buena explicación de cómo usar nanopartículas la presentan Mirzajanzadeh et al. [78], sintetizaron un número nanocatalizador híbrido soluble con el fin de mejorar el rendimiento del motor, para lo cual agregaron un compuesto de óxido de cerio y nanotubos de carbono de pared múltiple con función amida y se lo añadió a la mezcla de diésel con biodiésel. Los resultados mostraron una reducción de CO, HC, Nox y hollín; además, el rendimiento del motor mejoró y el consumo de combustible disminuyó. Sin embargo, las nanopartículas de óxido de cerio están asociadas con riesgos de salud, como la inducción de citotoxicidad, estrés oxidativo e inflamación pulmonar [79], por lo que su uso debe ser controlado. El reemplazo de nanopartículas a base de metal por nanopartículas no metálicas puede ser importante debido a que estas primeras son muy tóxicas [80].

Tabla 10 Análisis de las nanopartículas aplicadas en el biodiésel

Tabla 11 Comportamiento del motor y las emisiones con la mezcla de biodiésel con los nanotubos de carbono aplicados (CNT)

Por lo que una nueva alternativa se puede obtener con nanopartículas orgánicas como las cáscaras de coco que se pueden mezclar con biodiésel y aplicarlas en el Motor diésel [93]. En la Tabla 12 se presentan las características técnicas de la relación biodiésel.

Tabla 12 Características técnicas del biodiésel con nanopartículas

Conclusiones

Debido al alto costo del biodiésel en su producción y algunas propiedades adversas como puede ser su bajo valor calorífico, la alta viscosidad y densidad (comparado con el diésel convencional), obligan a realizar algunas estrategias para que el biodiésel se vuelva más atractivo en su aplicación. Hemos concluido que dos alternativas pueden favorecer en su aplicación en el futuro, la primera se refiere en encontrar una mezcla favorable que justifique la aplicación del biodiésel a escala comercial; la segunda opción es usar el biodiésel como combustible piloto, que requiere una relación entre el 10 % y 20 % del combustible total del motor, logrando con esto la aplicación y el impulso de otros tipos de biocombustibles como los combustibles gaseosos en el motor diésel dual.

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Recibido: 19 de Abril de 2023; Revisado: 11 de Mayo de 2023; Aprobado: 29 de Mayo de 2023

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