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Jan 17, 2024

Evaluación del rendimiento del motor y de las emisiones de tensioactivos.

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 10599 (2023) Citar este artículo 483 Accesos Detalles de métricas Malasia es uno de los principales exportadores de aceite de palma y, aunque actualmente enfrenta una feroz

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 10599 (2023) Citar este artículo

483 Accesos

Detalles de métricas

Malasia es uno de los principales exportadores de aceite de palma y, aunque actualmente enfrenta una feroz resistencia a las importaciones de aceite de palma en algunas partes del mundo, una de las formas de utilizar este producto es aumentando el contenido de biodiesel de palma en el diesel comercial local. Sin embargo, debido a la naturaleza rica en oxígeno del biodiésel, su utilización sufre un aumento de las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) en comparación con el diésel convencional. Para mitigar este problema y mejorar el rendimiento y las emisiones de los motores diésel que utilizan mezclas de biodiésel y diésel, este estudio intentó investigar la implementación de un sistema de suministro de combustible en emulsión sin tensioactivos (RTES) en tiempo real que produce una emulsión de agua en diésel como combustible sin tensioactivos. . La capacidad de reducción de NOx del agua en el diésel producido por RTES está bien documentada. Por lo tanto, en este estudio, se utilizó 30% de biodiesel-diesel (B30) como combustible base, mientras que se suministraron emulsiones derivadas de B30 que constan de 10% en peso, 15% en peso y 20% en peso de agua a un motor de 100 kVA y 5,9 litros. Generador eléctrico con motor diésel turboalimentado common rail. Se midieron el consumo de combustible y las emisiones de escape y se compararon con el combustible diésel de baja calidad (D2M) de Malasia disponible comercialmente. La evidencia sugirió que el biodiesel-diesel B30 emulsionado producido por RTES pudo aumentar la eficiencia térmica de los frenos (BTE) hasta un máximo del 36% y reducir el consumo de combustible específico de los frenos (BSFC) hasta un 8,70%. Además, las emulsiones biodiésel-diésel B30 produjeron significativamente menos NOx, monóxido de carbono y humo con una carga elevada del motor. En conclusión, las emulsiones biodiésel-diésel B30 se pueden utilizar fácilmente en los motores diésel actuales sin comprometer el rendimiento ni las emisiones.

Malasia es uno de los principales exportadores de aceite de palma y puede producir su propio biodiesel de aceite de palma. Sin embargo, a medida que la Unión Europea (UE) se vuelve cada vez más hostil hacia las importaciones de aceite de palma1,2, Malasia necesita encontrar formas de utilizar plenamente este producto básico en el mercado interno. Una de las formas más prometedoras de aumentar la utilización del aceite de palma es aumentar el contenido de biodiésel a base de aceite de palma en el diésel doméstico. Desde 2010, Malasia ha aumentado el porcentaje de contenido de biodiesel en el combustible diesel doméstico del 5 al 10% en volumen. El 12.º Plan de Malasia (RMK-12) se ha fijado el objetivo de imponer un 30 % en volumen de mezcla de biodiésel y diésel (B30) en el combustible diésel nacional para el año 20253. A partir de ahora, el diésel disponible comercialmente que se vende en las estaciones de servicio de todo el país consiste en: 7 vol% (B7) o 10 vol% (B10) biodiesel-diesel. No obstante, tales esfuerzos generan preocupación entre los fabricantes de motores, así como entre los propietarios de vehículos comerciales y privados, sobre cómo esta implementación afecta los costos y la eficiencia del combustible, así como el rendimiento y la durabilidad del motor.

El costo de producción de biodiesel es mayor en comparación con el combustible diesel convencional a base de petróleo4, por lo tanto, los incrementos en el contenido de biodiesel en las mezclas de biodiesel y combustible diesel resultarán en un aumento de los costos de producción de combustible. A nivel interno, en Malasia, el gobierno ha impuesto durante décadas un programa de subsidios a gran escala a los precios de los combustibles5 que podría absorber el aumento de los precios de las crecientes mezclas de biodiésel y combustible diésel, estabilizando así el precio de mercado del diésel comercial. No obstante, a medida que aumenta el contenido de biodiesel en el combustible biodiesel-diesel, el poder calorífico general por volumen se reducirá debido a que los biodiesels poseen un poder calorífico (CV) más bajo que el diesel a base de petróleo. Esto conducirá a un mayor consumo de combustible, ya que se consumirá más combustible para producir la misma cantidad de energía que el diésel convencional a base de petróleo. Además, el consumo de combustible también podría aumentar, ya que el biodiésel posee una mayor viscosidad, lo que podría provocar un comportamiento deficiente en el bombeo y pulverización del combustible6.

El biodiesel en general posee una mayor viscosidad cinemática y densidad que el diesel convencional7. Estos factores afectan la atomización y el arrastre de las gotas de combustible cuando se inyectan en la cámara de combustión. Sin embargo, en un motor diésel moderno equipado con un sistema de inyección de combustible common-rail, se argumenta que los efectos de las propiedades antes mencionadas eran bastante insignificantes. Esto se debe a que la inyección de combustible a alta presión introducida por el sistema de inyección de combustible common rail permite mejorar la atomización y evaporación de las gotas de combustible, mejorando así el proceso de combustión8. No obstante, el biodiésel emite mayores emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) si se tienen en cuenta los retrasos de ignición más prolongados causados ​​por temperaturas máximas de combustión más altas como resultado del mayor contenido de oxígeno en el biodiésel9. Además, debido al menor CV del biodiesel, el consumo de combustible es considerablemente mayor en comparación con el diésel convencional. Varias investigaciones han documentado un mayor consumo de combustible cuando se utilizan diversas mezclas de biodiésel en motores diésel de inyección common rail10,11,12.

Para reducir las emisiones de NOx y mejorar el consumo de combustible del biodiésel y de las mezclas de biodiésel y diésel, es necesario reducir las temperaturas dentro de los cilindros y mejorar la eficiencia de la combustión. Una estrategia para lograrlo es utilizar combustible de emulsión de agua en diésel (W/D). Los efectos de la W/D se han estudiado durante muchos años y han mostrado mejoras prometedoras en términos de rendimiento del motor y emisiones de escape13,14,15,16. Esto se puede atribuir a una microexplosión de microgotas de agua dispersas en el gasóleo. La microexplosión ocurre durante la combustión cuando las gotas de agua suspendidas en emulsiones W/D sufren una explosión debido a que tienen un punto de ebullición más bajo. Esto da como resultado una atomización secundaria del rociado de combustible primario, lo que disminuye la distribución de las gotas de combustible y mejora la combustión17,18. Se informó que a medida que el contenido de agua en la emulsión W/D aumenta hasta un máximo del 20%, la eficiencia térmica de los frenos (BTE) aumenta mientras que la temperatura del gas (EGT) se comporta a la inversa, lo que indica temperaturas máximas más bajas debido al enfriamiento de la carga por evaporación del agua15. En otro estudio, la emisión de hollín fue significativamente del 50 % al utilizar microemulsiones W/D que contenían un 3,5 % en volumen de agua19. En relación con las emulsiones W/D de biodiesel-diesel, se documentó que W/D puede reducir los gases de escape como el monóxido de carbono (CO), los hidrocarburos no quemados (UHC) y la opacidad del hollín, mientras que las emisiones de dióxido de carbono (CO2) aumentaron20. Los autores infirieron que los aumentos de CO2 observados están relacionados con una combustión más completa, además que los radicales hidróxido (OH) presentes durante la vaporización del agua favorecen la formación de CO2 a partir de CO.

Sin embargo, dado que el agua y el aceite no se pueden mezclar de forma natural, la síntesis de emulsiones W/D requiere el uso de un aditivo químico conocido como tensioactivo o emulsionante para suspender las partículas de agua en el gasóleo durante un período de tiempo sostenido. A pesar de sus beneficios, se sabe que los tensioactivos utilizados en las emulsiones W/D causan la obstrucción de los filtros de combustible al desplazar los depósitos en las líneas y tanques de combustible21. Otra deficiencia de los tensioactivos se debe a su naturaleza costosa, la producción a gran escala de combustibles en emulsión W/D no sería un sustituto viable del diésel a base de petróleo, lo que dificultaría su comercialización22.

Para eliminar la dependencia de los surfactantes para producir combustible en emulsión W/D, Ithnin et al.23 desarrollaron un dispositivo capaz de producir combustible en emulsión W/D sin agregar ningún surfactante mediante la incorporación de un dispositivo emulsionante en tiempo real que mezcla diesel y agua dentro del combustible. línea y bajo demanda al motor. Funciona mediante el uso de un mezclador de alto cizallamiento en combinación con un agitador ultrasónico para producir la emulsión W/D. Este dispositivo recibió el nombre de Sistema de suministro de combustible en emulsión sin tensioactivos en tiempo real; o en definitiva, RTES. Inicialmente se probó en un motor diésel de inyección mecánica de combustible de un solo cilindro de 5 kW que producía un 6,5% en peso de combustible de emulsión W/D y los resultados demostraron que el BTE del motor mejoró en un 3,59%, mientras que el consumo de combustible específico de frenos (BSFC) se redujo en un 3,89%. Las emisiones de escape también mostraron mejoras favorables: las emisiones de NOx y partículas (PM) se redujeron un 31,7% y un 16,3% respectivamente en comparación con el diésel convencional.

En el futuro, se han realizado más investigaciones para examinar los efectos de la implementación de RTES en los motores diésel. En general, la implementación de RTES fue efectiva para reducir las emisiones de NOx y humo con aumentos simultáneos en BTE y reducciones en el consumo de combustible. En la Tabla 1 se explica un resumen de investigaciones previas sobre los efectos de W/D producido por RTES en diversas aplicaciones de motores.

Sin embargo, uno de los elementos clave del diseño original del RTES fue el papel del agitador ultrasónico como uno de los métodos de mezcla, lo que redujo la eficiencia energética general debido a su alto requisito de potencia. Para garantizar un suministro fluido y estable de emulsión W/D al motor, el agitador ultrasónico exige 120 W de energía eléctrica23. Además, un estudio para determinar la durabilidad del RTES durante el uso prolongado informó una falla del agitador ultrasónico después de 26 h24.

Como reacción a esto, se llevaron a cabo más mejoras en el diseño. RTES Technology (M) Sdn. Bhd. que eliminó el uso de agitador ultrasónico del método de mezcla25. El diseño actualizado consta de mezcladores estáticos y bombas de refuerzo para facilitar la turbulencia de fluidos y promover la mezcla. Mahdi et al.26 probaron este concepto de diseño y descubrieron que cuando se mezclaba entre un 7 y un 10 % en volumen del contenido de agua en la emulsión W/D a 3500 rpm durante 1 min, la estabilidad se mantenía en 128 s. En el mismo estudio, las pruebas piloto en un motor diésel de inyección mecánica mostraron menores NOx y consumo de combustible, lo que implica que las emulsiones W/D producidas con este diseño exhiben cualidades similares al diseño RTES original.

Este estudio es una continuación de nuestra investigación sobre emulsiones W/D producidas por RTES como combustible alternativo en generadores industriales diésel-eléctricos32. En este artículo, se evaluó el efecto del combustible de emulsión B30 (B30E) producido utilizando el diseño RTES actualizado. El objetivo principal de este estudio se centra en examinar los efectos de las emulsiones B30 con contenidos de agua variables para reducir las emisiones de NOx a menudo asociadas con las mezclas de biodiesel y diesel. En segundo lugar, dado que los estudios anteriores sobre RTES se realizaron utilizando únicamente motores diésel de inyección mecánica de combustible de aspiración natural con diésel convencional y/o mezclas bajas en biodiésel y diésel (B10), es importante establecer el perfil de rendimiento y emisiones de un sistema common rail moderno. motores de inyección que utilizan mezclas más altas de biodiésel y diésel W/D; en este caso B30, para examinar la preparación de la implementación de RTES en caso de que la implementación de B30 se lleve a cabo en todo el país de acuerdo con RMK-12 para 2025.

El combustible base utilizado en este estudio es combustible diésel de baja calidad (D2M) Euro 2M de Malasia. Está disponible comercialmente en Malasia y contiene un 10% en volumen de éster metílico de ácidos grasos (POME) de aceite de palma disponibles en el mercado. Por lo tanto, dado que este estudio tiene como objetivo investigar los efectos de las mezclas de biodiesel-diesel W/D B30, se añadió otro 20% en volumen de POME a D2M para formar B30. Las especificaciones de D2M y POME se indican en la Tabla 2. Durante la preparación, se midió un 20 % en volumen de POME y se añadió a D2M antes de mezclarlo usando un mezclador de alto cizallamiento a una velocidad constante de 500 rpm en un recipiente cerrado, para garantizar la homogeneidad de la mezcla. . Luego se alimentó inmediatamente B30 al motor, donde se dejó funcionar hasta que las líneas de combustible se llenaron con B30 antes de realizar cualquier prueba.

Mientras tanto, para producir emulsiones W/D de B30 (B30E), se utilizó agua del grifo doméstico como fase dispersa de la emulsión. Las propiedades del agua del grifo se explican en la Tabla 3. Los porcentajes de agua considerados en este estudio fueron 10% (B30E10), 15% (B30E15) y 20% (B30E20). No era deseable un mayor contenido de agua ya que más del 20% provocaría una vibración excesiva y calado del motor. Mientras tanto, las propiedades fisicoquímicas de B30 no se probaron debido a la necesidad de mezclar B30 continuamente para evitar la coalescencia y la separación entre D2M y POME.

RTES produjo emulsiones W/D utilizando el diseño RTES actualizado desarrollado por RTES Technology Sdn. Bhd. eliminando el agitador ultrasónico. El diseño actual del RTES incorpora un conducto de mezcla que induce turbulencia y bombas de refuerzo. La Figura 1 ilustra el diseño RTES actualizado. El desarrollador de la tecnología no reveló el diseño detallado; sin embargo, se puede obtener más información relacionada con RTES en su sitio web25.

Diseño RTES actualizado.

La Figura 2 muestra la configuración de prueba del motor para este estudio. Las pruebas se realizaron en un motor diésel de inducción turboalimentado de 6 cilindros y 5,9 L con inyección common rail. El motor está conectado a un generador eléctrico de CA trifásico de 4 polos y 100 kVA mantenido a una velocidad constante de 1500 rpm para producir 420 V. Las especificaciones del generador diésel-eléctrico se muestran en la Tabla 4. Las pruebas se realizaron en condiciones de cargas eléctricas variables. que van desde carga baja (5 kW), carga media (34 kW) y carga alta (64 kW) proporcionada por un banco de carga eléctrica. El generador diesel-eléctrico y el banco de carga utilizados en este estudio se muestran en la Fig. 3. El banco de carga es de tipo resistivo y la verificación de carga se realizó internamente de acuerdo con la Ec. (1)37 donde se supone que el factor de potencia es 1 debido a cargas resistivas. Así, los resultados de la verificación de carga se explican en la Tabla 5.

Esquemas de configuración de prueba de motores utilizando RTES.

Prueba de configuración del motor y banco de carga.

Como lo indican los datos del fabricante en la Tabla 4, la potencia máxima del generador diesel-eléctrico se alcanzó con 86 kW, por lo que se considera como carga del 100%. En relación a la verificación de carga explicada anteriormente en la Tabla 5, al 100% de carga se encontró un error entre 9,08 y 9,92%. Mientras tanto, con una carga del 75 % (64 kW) y menos, se evaluó un error máximo del 6,41 %. Por lo tanto, para los fines de este estudio, las pruebas se realizaron con una carga máxima de 64 kW para garantizar una salida de potencia estable con un error mínimo.

Para las pruebas de rendimiento y emisiones del motor, primero se calienta el motor usando B30 hasta que la temperatura del lubricante se estabilice en aproximadamente 60 °C. A continuación, se cierra la válvula de compuerta 1 y se abre simultáneamente la válvula de compuerta 2, como se muestra en la Fig. 2, y se mide el peso del tanque de combustible principal utilizando una balanza electrónica (precisión ± 0,001 kg). Esto funciona para evitar el tanque de combustible principal redirigiendo el flujo de combustible a otra fuente de combustible. Al finalizar el pesaje, se vuelve a abrir la válvula de compuerta 1 y se vuelve a cerrar la válvula de compuerta 2 y al mismo tiempo se activa el sistema RTES para permitir la emulsificación de B30 y agua. Los combustibles en emulsión B30E resultantes se alimentan al motor y se prueban durante ciclos de 6 minutos en cada condición de carga. Este procedimiento se repite durante varios ciclos. El combustible consumido se mide calculando la diferencia de peso antes de la activación del RTES y después de concluir cada ciclo de prueba. En cada ciclo de prueba, las emisiones de gases de escape de NOx y CO se miden con el analizador de gases ECOM J2KN PRO, mientras que la opacidad del humo de escape se mide con el opacímetro HORIBA MEXA-600S. Ambos equipos de medición se representan en la Fig. 4. Las especificaciones técnicas tanto del analizador de gas como del opacímetro se explican en las Tablas 6 y 7 respectivamente.

Equipos de medida para el análisis de gases de escape.

En este estudio, BTE y BSFC se calcularon a partir de datos de consumo de combustible. Se utilizó la ecuación (2) 38 para evaluar BSFC:

donde ṁfuel es el caudal másico de combustible medido en (g/h), mientras que Pb es la potencia de freno del motor en kW. Por otro lado, la Ec. (3)38 se utilizó para calcular BTE.

donde BSFC se obtiene de la ecuación. (2) medido en (g/kWh), y CV para D2M y POME verificado internamente utilizando la bomba calorimétrica CAL2K ECO. Mientras tanto, el CV para B30 se calculó sumando el CV de POME a D2M para lograr una proporción de mezcla de 30:70 para biodiesel-diesel (42,9 MJ/kg). Además, para calcular el CV para B30E10, B30E15 y B30E20, se utilizó el método del promedio ponderado, como se explica en la ecuación. (4) 39.

donde CVwater es cero.

Además, el cálculo para el análisis de incertidumbre utilizado en este estudio se muestra en la ecuación. (5) 40.

donde ωR es la incertidumbre total de los datos experimentales, mientras que ω1, ω2, ω3, a ωn representan variables independientes. Esta ecuación se utiliza para calcular la incertidumbre de BTE y BSFC, que consistían en variables independientes como ṁfuel, Pb y CV del combustible, como se evidencia en la ecuación. (3). Por ejemplo, la incertidumbre de BSFC viene dada por la ecuación. (6) 41.

Por lo tanto, la incertidumbre general de los experimentos es la explicada en la ecuación. (7)

La Figura 5 muestra los efectos de las emulsiones W/D sobre el BTE del motor cuando se opera bajo cargas variables. Es obvio que el BTE aumenta a medida que aumenta la carga del motor para todos los combustibles de prueba. Con una carga de motor alta, D2M logró un BTE del 27,5 %, mientras que B30E10, B30E15 y B30E20 muestran un BTE significativamente mayor con un 32,8 %, 35,6 % y 37,4 % respectivamente. El B30E20 logró la mayor eficiencia general con un aumento considerable del 36,0% en comparación con el D2M con una carga de motor alta. Además, en todas las cargas de motor probadas, se encontró que a medida que aumenta el porcentaje de agua en las emulsiones B30E, también aumenta el BTE. Hay cuatro postulaciones para esta importante mejora. En primer lugar, puede deberse al efecto de microexplosión que se produce cuando las gotas de agua dentro del combustible en emulsión se evaporan y desgarran la gota de combustible, lo que puede mejorar aún más la combustión y producir así una mayor presión en el cilindro42,43. Aunque la inyección de combustible common rail puede producir gotas de combustible muy finas durante la precombustión, aún puede producirse una atomización secundaria por la evaporación del agua dentro de los combustibles de emulsión B30E y contribuir a mejorar la mezcla de aire y combustible. En segundo lugar, los combustibles en emulsión introducidos en los motores diésel tienden a prolongar el retraso del encendido, lo que aumenta el tiempo de mezcla y evaporación del aire y el combustible, mejorando así la calidad de la combustión17,44,45. En tercer lugar, puede deberse a la presencia de oxígeno en el biodiésel B30. Aunque el B30 posee un poder calorífico más bajo en comparación con el D2M, lo que conduce a un mayor consumo de combustible, como se desprende de investigaciones documentadas anteriores10,11,12, no significa que el proceso de combustión en sí no fuera eficiente. La presencia de oxígeno en los biodiesels favorece la combustión en regiones ricas en combustible, mejorando así la eficiencia de la combustión. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la mejora de la eficiencia de la combustión no pudo compensar la deficiencia del contenido de energía dentro del propio combustible biodiesel y, por lo tanto, resultó en un BSFC más alto. Finalmente, es posible que la evaporación y la expansión de las gotas de agua dentro del combustible en emulsión durante el proceso de combustión aumentaran la tasa general de liberación de calor en comparación con el diésel convencional. El agua no transporta energía para la combustión y actúa únicamente como agente de expansión dentro del cilindro de combustión al absorber el calor liberado durante la combustión. A medida que aumenta el contenido de agua (como agente de expansión), mayor es la tasa de liberación de calor dentro del cilindro de combustión. De hecho, la presión en el cilindro podría ser mayor en comparación con el diésel convencional si se puede modificar el inicio del encendido para que sea en el mismo momento30,46. Por el contrario, si hay demasiada agua en el combustible de emulsión, la absorción de calor por las partículas de agua comenzará a apagar parte de las reacciones químicas que ocurren durante la combustión, limitando así el contenido máximo de agua que podría introducirse en el combustible de emulsión. En este estudio, se encontró que el 20% en peso de agua era el porcentaje óptimo de agua dentro de la emulsión W/D que puede actuar como agente de expansión sin afectar significativamente la reacción química del proceso de combustión.

BTE de combustibles de prueba a diferentes cargas del motor.

En este estudio, a los efectos de calcular el BSFC, solo se considera el B30 como combustible. Esto se debe a que el agua no es una sustancia combustible. Este método se eligió con referencia a estudios previos sobre el comportamiento de BSFC de combustibles de emulsión W/D28,32,47. Por tanto, de acuerdo con la Ec. (2), BSFC de D2M y diversos porcentajes de agua B30E cuando se someten a cargas crecientes del motor son como se ilustra en la Fig. 6. Se observa que BSFC disminuye a medida que aumenta la carga del motor. Esto significa que la eficiencia de la combustión del motor mejora con cargas más altas del motor17. Además, también se observa que en cada carga del motor probada, BSFC mejoró a medida que aumenta el porcentaje de agua en B30E. Más notablemente a baja carga del motor, donde el BSFC para los combustibles B30E10, B30E15 y B30E20 mostró una disminución significativa del 3,67%, 7,43% y 8,70% respectivamente, en comparación con el D2M. Mientras tanto, con una carga de motor alta de 64 kW, el B30E15 mostró una reducción máxima de BSFC con una mejora del 7,19%. Considerando todas las cargas del motor, la reducción promedio de cada combustible de emulsión B30E es del 1,18%, 4,63% y 3,6% para B30E10, B30E15 y B30E20 respectivamente. Esta reducción observada de BSFC puede considerarse significativa, ya que un informe anterior observó un aumento marginal de BSFC cuando se alimentó biodiesel B30 en un vehículo diésel de inyección common rail en lugar de B1010. A pesar de tener un déficit de poder calorífico de aproximadamente el 16,8 % en comparación con el D2M, un BSFC significativamente menor y un BTE mayor logrados con B30E15 demostraron que el efecto de microexplosión en la emulsión W/D es suficiente para superar las mismas cargas del motor con una menor cantidad de combustible.

BSFC de combustibles de prueba con diferentes cargas de motor.

Las emisiones de NOx de D2M y B30E bajo cargas crecientes del motor se muestran en la Fig. 7. Es obvio que las emisiones de NOx aumentan a medida que aumenta la carga del motor. En el estado de carga baja del motor de 5 kW, la emisión media de NOx se sitúa en el nivel mínimo de 60,4 g/kWh. A medida que aumenta la carga del motor, las emisiones promedio de NOx aumentan en medidas de aproximadamente 400% y 950% para cargas medias y altas, respectivamente. Los gases NOx se forman normalmente a altas temperaturas que superan los 1800 K mediante el mecanismo Zeldovich48. Por lo tanto, a medida que aumenta la carga del motor, aumenta la temperatura del cilindro de combustión, lo que resulta en una mayor tasa de formación de NOx. Además, a medida que aumenta el contenido de agua en B30E, las emisiones de NOx disminuyen en todas las cargas del motor probadas. Particularmente con carga alta, D2M emitió 672 g/kWh de NOx, mientras que las emulsiones B30E10, B30E15 y B30E20 produjeron menores NOx por márgenes del 5,95%, 5,65% y 11,6% respectivamente. Las gotas de agua presentes en los combustibles B30E dieron como resultado temperaturas de llama más bajas durante la combustión como resultado de la absorción de calor latente por las partículas de agua. Por tanto, la formación de NOx por el mecanismo de Zeldovich quedó restringida49. Además, a medida que aumenta el contenido de agua en B30E, la cantidad de combustible B30 inyectado por volumen es considerablemente menor, lo que reduce la cantidad de subproductos de la combustión y limita aún más la formación de NOx42. Además, a medida que aumenta el porcentaje de agua, aumentan significativamente las posibilidades de que más moléculas de oxígeno se ionicen para formar radicales hidroxilo (OH), lo que lleva a una menor formación de NOx29. Sin embargo, la reducción de NOx observada en este estudio es bastante mínima en comparación con estudios anteriores17,22,34. Esta observación podría explicarse por dos razones. En primer lugar, las emulsiones B30E contienen un mayor contenido de biodiesel, lo que se traduce en un mayor contenido de oxígeno en el combustible. Por lo tanto, aunque se espera que B30 produzca mayores emisiones de NOx (debido a la presencia de oxígeno), dado que hay gotas de agua presentes en B30E, se suprimió la formación de NOx. En segundo lugar, es posible que debido a la mayor temperatura de combustión promovida por la inyección de combustible common rail junto con un sistema de admisión de aire de inducción turboalimentado, la microexplosión de diminutas partículas de agua en las emulsiones B30E no pueda reducir eficazmente la temperatura de combustión en una magnitud observada en estudios previos. Estas afirmaciones se fundamentaron en un estudio independiente que documentó que un motor turboalimentado common rail alimentado con polioximetileno dimetiléteres diésel, un combustible altamente oxigenado, no podía suprimir eficazmente la formación de NOx bajo diversas cargas del motor50.

Emisiones de NOx de combustibles de prueba con diferentes cargas del motor.

La Figura 8 muestra las emisiones de CO de D2M y B30E bajo diversas cargas. De la figura se desprende claramente que las emisiones de CO para todos los combustibles son máximas con una carga del motor baja. Esto se debe a una menor temperatura del cilindro de combustión como resultado del aumento de la pérdida de calor por ciclo51. Por lo tanto, la tasa de oxidación de CO a CO2 por debajo de 1400 K disminuye17. Mientras tanto, se observa un ligero aumento con una carga del motor alta, donde las emisiones de CO para todos los combustibles de prueba son ligeramente mayores en comparación con la carga media. Se puede explicar que, a mayor carga del motor, se inyecta un exceso de combustible en el cilindro de combustión, lo que conduce a regiones de mezcla ricas y estratificadas. Esto, a su vez, da como resultado un menor contacto entre el combustible y el oxígeno, lo que provoca una combustión deficiente en estas regiones. Esta idea fue corroborada por un estudio previo que informó un aumento de las emisiones de CO en cargas de motor más altas debido a la deficiencia de oxígeno al final del chorro de combustible que incide en la pared del cilindro52. No obstante, es obvio que a baja carga del motor, las emulsiones B30E mostraron emisiones de CO sustancialmente más altas en comparación con las D2M. Esto se debe al efecto de enfriamiento que se produce durante la combustión de la emulsión W/D, que fomenta la oxidación incompleta de CO a CO2 en presencia de gotas de agua51,53. Sin embargo, con una carga alta del motor, las emulsiones B30E mostraron emisiones de CO mucho más bajas que las D2M. Las cargas más altas del motor se caracterizan por temperaturas y presiones más altas dentro del cilindro, por lo que se puede argumentar que la microexplosión ocurre más violentamente, lo que resulta en una distribución más fina de las gotas de combustible, lo que en última instancia mejora la combustión17.

Emisiones de CO de combustibles de prueba con diferentes cargas del motor.

La Figura 9 ilustra el perfil de opacidad del humo del D2M y varios B30E bajo una carga creciente del motor. Está claro que la opacidad del humo aumenta a medida que aumenta la carga del motor. Esto se debe a que se inyecta más combustible en el motor con cargas elevadas, lo que hace que la relación aire-combustible disminuya y, por lo tanto, se forma humo debido a una combustión incompleta54. Generalmente, se puede observar con una carga alta del motor, la opacidad del humo disminuye a medida que aumenta el contenido de agua en B30. De hecho, la reducción máxima de la opacidad del humo se logra con B30E15 bajo cargas elevadas, con una magnitud de reducción del 61,5% con respecto al D2M. Nuevamente, es obvio que el papel de la microexplosión es muy efectivo para mejorar la atomización del combustible, logrando una mayor calidad de combustión22 en un entorno de alta carga del motor caracterizado por una mayor presión y temperatura dentro del cilindro. Otro factor que contribuye es que, debido a la presencia de una mayor cantidad de radicales OH en B30E, se enriquece el arrastre de aire, lo que reduce aún más la formación de humo55. Se observaron tendencias similares anteriormente utilizando emulsiones W/D derivadas de D2M donde se logró una reducción máxima de la opacidad del humo del 87,0 % con un contenido de agua del 21,8 % en peso cuando se alimentaron en el mismo motor de prueba32. Además, esta tendencia también se observa para otros tipos de emulsión biodiesel-diesel como el biodiesel-diesel Nerium, que mostró hasta un 12,96% de reducción en la opacidad del humo56, atribuida por los efectos de la microexplosión. También se puede observar que la presencia de oxígeno en POME (por lo tanto, B30) contribuyó a una combustión más eficiente y a la supresión de la formación de humo57. En resumen, la implementación de RTES ha sido eficaz para reducir las emisiones de humo en los motores de inyección common rail, lo que ha desmentido las sospechas de que el El efecto de la microexplosión es menos pronunciado en el rociado de combustible a alta presión de la inyección common rail. Además, de manera similar a la tendencia de las emisiones de CO presentada en la Fig. 8, se detectan mayores emisiones de humo con baja carga del motor cuando se alimenta con B30E, donde el efecto de la microexplosión es menos significativo.

Opacidad del humo de los combustibles de prueba con diferentes cargas del motor.

Esta investigación intentó mejorar el rendimiento y las emisiones de un generador eléctrico diesel turboalimentado con inyección de combustible de riel común de 100 kVA mediante el uso de combustible de emulsión de agua en diesel derivado de mezclas superiores de biodiesel-diesel (B30) sin agregar ningún emulsionante o surfactante. El combustible base elegido fue un combustible diésel malayo Euro 2 (D2M) de baja calidad y tres combustibles emulsionados de B30 producidos mezclando D2M con POME (B30E). Los porcentajes de agua considerados fueron 10 % en peso (B30E10), 15 % en peso (B30E15) y 20 % en peso (B30E20). Los B30E se produjeron utilizando un sistema de suministro de combustible en emulsión sin tensioactivos (RTES) en tiempo real inmediatamente antes de ingresar al sistema de inyección de combustible common rail.

Del experimento se extraen las siguientes conclusiones:

La eficiencia térmica de los frenos (BTE) en cada carga del motor probada aumentó a medida que aumentó el porcentaje de agua en los combustibles de emulsión B30E. El mayor incremento se observó con una carga alta del motor en el B30E20 con un incremento del 36,0 % en comparación con el D2M.

En general, el BSFC se redujo para todos los combustibles de emulsión B30E, excepto por un ligero aumento con carga media del motor, en comparación con el D2M. La reducción máxima se observó con baja carga del motor con una reducción del 8,70 % con B30E20. Con una carga alta del motor, el B30E15 mostró una reducción máxima del 7,19%.

A medida que aumentó el porcentaje de agua en los combustibles de emulsión B30E, se redujeron las emisiones de NOx. Sin embargo, el margen de las reducciones observadas no fue tan pronunciado como el observado en estudios anteriores, posiblemente debido a temperaturas de combustión más altas cuando se utilizan sistemas de inyección common rail de inducción forzada.

Los combustibles en emulsión B30E muestran una mayor concentración de emisiones de CO con baja carga del motor y una menor concentración de emisiones de CO con alta carga del motor que el D2M. La temperatura de combustión a diferentes cargas del motor influye en la oxidación de CO a CO2 y en la fuerza de la microexplosión de los combustibles en emulsión B30E.

La opacidad del humo de los combustibles en emulsión B30E se redujo significativamente en comparación con el D2M con una carga alta del motor. Esto demuestra que la microexplosión restringió la formación de partículas de hollín al mejorar la combustión mediante la atomización secundaria del combustible. Sin embargo, el efecto de la microexplosión fue más débil con cargas de motor bajas y medias.

En resumen, las mezclas más altas de emulsiones W/D de biodiésel y diésel producidas por RTES pudieron mejorar la eficiencia térmica del motor y el consumo de combustible, además de reducir las emisiones de NOx y hollín cuando se instalaron en un motor diésel moderno. Según los resultados de este estudio, se recomienda la implementación de RTES cuando el mandato de biodiesel B30 entre en vigor en Malasia en el futuro cercano para 2025.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y están disponibles a través del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Corriente alterna

10 % en volumen de biodiésel – 90 % en volumen de diésel

30 % en volumen de biodiésel – 70 % en volumen de diésel

Emulsión agua-B30 al 10% en peso

Emulsión agua-B30 al 15% en peso

Emulsión agua-B30 al 20% en peso

7 % en volumen de biodiésel – 93 % en volumen de diésel

Consumo de combustible específico de frenos

Eficiencia térmica del freno

Monóxido de carbono

Dióxido de carbono

Valor calorífico

Diésel Euro 2M de Malasia

Temperatura de los gases de escape

Unión Europea

El consumo de combustible

Tasa de liberación de calor

Presión dentro del cilindro

Óxido de nitrógeno

ion hidróxido

Materia particular

Éster metílico de ácidos grasos de aceite de palma

12.º plan de Malasia

Revoluciones por minuto

Sistema de suministro de combustible en emulsión sin tensioactivos en tiempo real

Hidrocarburos no quemados

Emulsión de agua en (5% en volumen de biodiesel–95% en volumen de diesel)

Emulsión de agua en diesel

Emulsión diésel agua en Malasia Euro 2M

Emulsión diésel Euro 2M de agua de lluvia en Malasia

Emulsión diésel Euro 2M de agua de mar en Malasia

Emulsión diésel Euro 2M de agua del grifo en Malasia

Caudal másico de combustible

La potencia de frenada

Porcentaje por volumen

Porcentaje en masa

Micrómetro

Viscosidad cinemática

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Los autores desean agradecer al Instituto de Tecnología de Malasia-Japón, Universiti Teknologi Malaysia (UTM) por proporcionar valiosos fondos de investigación a través de la Beca de Investigación de Alto Impacto UTM (Q.K130000.2443.08G98). Además, los autores también desean agradecer a SAE Malaysia y ANCHOR por los recursos y la experiencia brindados.

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Mohamad Qayyum Mohd Tamam, Md Reashed Tasvir Omi, Wira Jazair Yahya, Ahmad Muhsin Ithnin, Hasbullah Abdul Rahman y Md. Mujibur Rahman

Tecnología RTES (M) Sdn. Bhd., Jalan Kebun, 41000, Klang, Selangor, Malasia

Hasbullah Abdul Rahman

Facultad de Ingeniería, Universiti Teknologi MARA, Johor Branch, Pasir Gudang Campus, 81750, Masai, Johor, Malasia

Hasannuddin Abd Kadir

Escuela de Graduados en Educación, Universidad de Okayama, 3-1-1 Tsushima-naka, Kita-ku, Okayama, 770-8530, Japón

Hirofumi Noge

Escuela de Graduados en Ciencias e Ingeniería para la Innovación, Universidad de Yamaguchi, 2-16-1 Tokiwadai, ciudad de Ube, Yamaguchi, 755-8611, Japón

Tsuyoshi Koga

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Kagoshima, 1-21-24 Korimoto, Kagoshima City, Kagoshima, 890-8580, Japón

Chungpyo Hong, Takeshi Otaka y Eiji Kinoshita

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MQMT: Metodología, Investigación, Redacción—Preparación del borrador original. MRTO: Metodología, Investigación, Análisis formal. WJY: Conceptualización, Metodología, Supervisión, Adquisición de Financiamiento. AMI: Recursos, redacción: revisión y edición, supervisión. HAR: Conceptualización, Recursos. MMR: Metodología, Investigación. HAK: Conceptualización, Supervisión. HN: Metodología, redacción: revisión y edición. TK, CH, TO, EK: Supervisión, redacción: revisión y edición.

Correspondencia a Wira Jazair Yahya.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Mohd Tamam, MQ, Omi, MRT, Yahya, WJ et al. Evaluación del rendimiento del motor y de las emisiones de una emulsión de biodiésel-diésel/agua B30 sin tensioactivos como combustible alternativo. Informe científico 13, 10599 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37662-4

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Recibido: 21 de enero de 2023

Aceptado: 25 de junio de 2023

Publicado: 30 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37662-4

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