Propiedades físicas, rendimiento del motor y emisiones de escape de mezclas de biodiésel/bioetanol/combustible diésel de aceite de pescado residual

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 14024 (2023) Citar este artículo

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En el estudio actual, se han investigado la fisicoquímica, el rendimiento del motor y las emisiones de escape de diferentes mezclas de combustible ternario que contienen biodiésel, bioetanol y petrodiésel de aceite de pescado residual (WFO). El biodiesel WFO se preparó a partir de aceite de pescado residual mediante el método de transesterificación. Se han medido diferentes propiedades fisicoquímicas, incluida la viscosidad cinemática, la densidad, el punto de inflamación, el punto de fluidez, el punto de turbidez y el valor calorífico, para diferentes mezclas de combustible y se han comparado con el petrodiésel puro. También se han estudiado el rendimiento y las emisiones de escape del motor utilizando diferentes mezclas de combustible utilizando un motor diésel monocilíndrico en condiciones de carga completa a 1800 rpm. Se encontró que el par motor, la potencia del motor y la eficiencia térmica de las mezclas de combustible ternario se redujeron en un 2,45%, 9,25% y 2,35% en promedio en comparación con el petrodiesel puro, respectivamente. El consumo medio de combustible específico durante las vacaciones también aumentó un 10,44% en comparación con el petrodiésel puro. También se midió la emisión de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos no quemados (UHC) y óxidos de nitrógeno (NOx). También se encontró que la utilización de mezclas ternarias de combustibles da como resultado una reducción considerable de las emisiones de CO y UHC de 50,55% y 43,87% en promedio en comparación con el petrodiesel puro, respectivamente. Las emisiones de NOx también aumentaron un 28,25% de media en comparación con el petrodiésel puro. También se descubrió que las emisiones de NOx se pueden ajustar ajustando los contenidos de biodiésel y bioetanol WFO de las mezclas de combustibles ternarios.

El agotamiento de los recursos de combustibles fósiles, la contaminación causada por la combustión de combustibles fósiles como los óxidos de carbono (COx), los óxidos de nitrógeno (NOx), los hidrocarburos no quemados (UHC) y las emisiones de materia particular (PM) son los problemas más preocupantes sobre la utilización de los combustibles fósiles1 ,2. Por eso los investigadores siempre buscan alternativas adecuadas a los combustibles fósiles. La energía solar, la energía eólica, la energía de las olas y la energía geotérmica son fuentes de energía renovables interesantes. Los biocombustibles, como uno de los recursos energéticos renovables, se pueden aplicar en aplicaciones similares de combustibles fósiles porque las especificaciones del biocombustible pueden ser similares a las del combustible diesel. Dependiendo del tipo de biocombustible y su aplicación, los biocombustibles se pueden utilizar solos o en combinación con combustibles fósiles. Por ejemplo, el biodiesel puro se puede aplicar en un sistema de combustión de caldera pero la mezcla de biodiesel y petrodiesel se puede aplicar en un motor de combustión interna3,4,5,6.

El bioetanol es un biocombustible renovable y ecológico que puede producirse a partir de azúcar, almidón y fuentes celulósicas mediante procesos de fermentación e hidrólisis6. Diversas materias primas como azúcar, maíz, trigo, papa, tallo, heno, desechos agrícolas, melaza, macroalgas, microalgas y algas marinas son materias primas potenciales para la producción de bioetanol7,8. Las materias primas como el azúcar, el maíz y la patata son recursos comestibles que se incluyen en la primera generación de materias primas para la producción de biocombustibles, que no se recomiendan para la producción de bioetanol debido al debate entre alimentos y combustibles. La aplicación de desechos agrícolas, melaza, macroalgas, microalgas y algas marinas como materia prima para biocombustibles podría ser una solución adecuada para este problema9. El bioetanol no puede utilizarse como combustible único en los motores diésel y debe mezclarse con el petrodiésel1,10. El uso de combustible mezclado con diésel y bioetanol tiene algunas ventajas, como el aumento de la tasa de combustión de la premezcla, la mejora de la eficiencia térmica y también la reducción de la emisión de humos1. Sin embargo, existen algunos desafíos en la adición de bioetanol al combustible diésel, como la solubilidad limitada del bioetanol en el diésel, la posible separación de fases del combustible en condiciones frías y el efecto negativo del bioetanol en algunas especificaciones del combustible, como el número de cetano, el valor calorífico y el índice de cetano. punto de inflamación11,12. Se recomienda la adición de emulsionantes o cosolventes para resolver el problema de separación de fases en la mezcla de combustible diésel/bioetanol. Entre los diferentes cosolventes potenciales, se recomienda la aplicación de ésteres porque los ésteres pueden mejorar las propiedades de la mezcla y cubrir los efectos negativos del bioetanol en la mezcla de combustible10,13.

El biodiesel es otro tipo de biocombustible que consiste principalmente en ésteres metílicos de triglicéridos, que se produce a partir de aceites vegetales o grasas animales mediante diferentes procesos como microemulsión, craqueo térmico y transesterificación. El aceite de pescado residual (WFO) se produce como subproducto en grandes cantidades en las industrias procesadoras de pescado. Este subproducto es más valioso en comparación con otros subproductos como el ensilaje de pescado o el fertilizante para peces14. Cabe señalar que el WFO no es un buen pienso para la industria farmacéutica y de alimentos funcionales debido a su bajo contenido en ácido eicosapentaenoico (EPA) y ácido docosahexaenoico (DHA) y posterior baja concentración de omega-3. El WFO se clasifica en materias primas de segunda y tercera generación para la producción de biodiesel, incluidos recursos no comestibles en los que no se encuentra el dilema entre alimentos y combustible15. La aplicación de WFO en la producción de biodiesel puede reducir notablemente los costos de producción de biodiesel14. El biodiésel se utiliza normalmente en combinación con combustible petrodiésel en el motor diésel. La aplicación de biodiesel en los motores conlleva un aumento de las emisiones de NOx8,16,17. Según la literatura, la aplicación de la mezcla de combustible diesel/bioetanol/biodiesel tiene mejores propiedades y rendimiento en comparación con las mezclas de combustible diesel/biodiesel o diesel/bioetanol18.

Hulwan et al.12 estudiaron el rendimiento, las emisiones y las características de combustión de la mezcla de biodiésel/etanol/combustible diésel Jatropha en un motor diésel DI multicilíndrico. Según sus resultados, la presencia de biodiesel en las mezclas de combustible da como resultado un aumento en la solubilidad del etanol en la mezcla de combustible. El BSFC de las mezclas de combustible aumentó con un incremento en el contenido de etanol de la mezcla de combustible. También se encontró que el BTE aumenta con carga alta para todas las mezclas de combustible en comparación con el diésel puro. El humo también disminuyó notablemente en todas las mezclas de combustible en comparación con el diésel puro. Según sus resultados, las emisiones de CO de las mezclas de combustible aumentaron significativamente con carga baja y disminuyeron ligeramente con carga alta en comparación con el diésel puro12. Kwanchareon et al.19 investigaron las características de emisión del biodiesel/etanol/diesel de aceite de palma en el motor diesel. Según este estudio, el biodiesel actúa como un aditivo eficaz para la estabilización del etanol en la mezcla de combustible. Según los resultados, las emisiones de CO y HC de las mezclas de combustible se redujeron significativamente con cargas de motor elevadas en comparación con el petrodiésel. También se encontró que las emisiones de NOx de las mezclas de combustible aumentan en comparación con el diésel puro19. Aydin et al.6 han comprobado las emisiones y el rendimiento de un motor alimentado con biodiesel/etanol/diesel de cártamo. Según sus resultados, no se observó ninguna variación significativa en el par y la potencia del motor utilizando las mezclas de combustible en comparación con el diésel puro. En cuanto al consumo específico de combustible (SFC), se observó un aumento en el SFC para las mezclas de combustibles en comparación con el diésel puro. Las emisiones de CO2 y HC de las mezclas de combustibles son generalmente mayores que las del diésel puro. Las emisiones de SO2 de las mezclas de combustible son menores en comparación con el diésel puro6. Guarieiro et al.10 estudiaron las emisiones de un motor diésel alimentado con mezclas ternarias de (biodiésel de soja o biodiésel de ricino o biodiésel residual o aceite de soja o aceite de ricino)/etanol/diésel. Según sus resultados, el uso de una mezcla de diésel y etanol conduce a la mayor reducción de las emisiones de NOx en comparación con el diésel puro. Con respecto a las emisiones de CO2, los resultados muestran que las emisiones de las mezclas de combustible disminuyeron en el rango de 5 a 24 % y 4 a 6 % a 1800 rpm y 2000 rpm en comparación con el diésel puro, respectivamente. No se observó ninguna diferencia sensible entre las emisiones de CO de los combustibles mezclados y el diésel puro. Se observaron más emisiones de compuestos carbonílicos en todas las muestras de mezclas de combustible examinadas en comparación con el diésel puro10. Subbaiah et al.2 estudiaron las emisiones y el rendimiento de un motor que utiliza mezclas de biodiésel/etanol/combustible diésel de aceite de salvado de arroz. Según su informe, el BTE y el BSFC de todas las mezclas de combustible examinadas son más altos en comparación con el diésel puro. También se encontró que las emisiones de NOx de todas las mezclas de combustible eran menores en comparación con el diésel puro con cargas bajas y mayores en comparación con el diésel puro con cargas altas. Las emisiones de CO2 de todas las mezclas de combustible son mayores en comparación con el diésel puro. Las emisiones de CO de todas las mezclas de combustible son menores en comparación con el diésel puro. Las emisiones de HC de todas las mezclas de combustible son mayores en comparación con el diésel puro con cargas bajas y menores en comparación con el diésel puro con cargas altas2. Recientemente, Sathiyaseelan et al.20 estudiaron las características de rendimiento, emisiones y combustión de mezclas de combustible diésel/biodiésel WFO/etanol en motores diésel DI con diversas relaciones de compresión. Según su informe, la aplicación de diésel puro da como resultado el pico más alto en la presión del cilindro y la tasa de liberación de calor (HRR) más alta considerando todas las muestras de combustible examinadas excepto D91.25B7.5E1.25 con una relación de compresión de 18. El combustible diésel tiene el BTE más alto y el BSFC más bajo en comparación con las otras muestras de combustible examinadas. Además, las emisiones de CO y NOx más bajas se observaron para la mezcla de combustible D86.25B12.5E1.25 considerando todas las muestras de combustible examinadas. La Tabla 1 muestra un breve resumen de los estudios previos sobre el rendimiento y emisiones de mezclas de combustible biodiesel/bioetanol/diesel.

En resumen, muchos investigadores se han centrado en diferentes mezclas de combustible diesel/biodiesel; sin embargo, se descubrió que la adición de bioetanol al biodiesel/diesel puede mejorar el rendimiento de las mezclas de combustible, como la reducción de las emisiones de NOx. Por lo tanto, se deben realizar más investigaciones sobre la mezcla ternaria de combustibles (es decir, biodiesel/bioetanol/diesel) como una alternativa apropiada al petrodiesel.

Según nuestro estudio bibliográfico, la aplicación del biodiésel WFO en mezclas de combustible diésel/biodiésel/bioetanol es solo un estudio limitado de Sathiyaseelan et al.20 que examinó recientemente estas mezclas de combustible ternario en rangos de concentración limitados de biodiésel WFO y etanol en la mezcla. Por lo tanto, los datos disponibles sobre las especificaciones de propiedades físicas, el rendimiento y las emisiones del biodiesel/bioetanol/diesel WFO son limitados. En este sentido, el presente estudio se lleva a cabo para llenar este vacío de investigación considerando mezclas de combustibles ternarios de bioetanol, biodiesel WFO y petrodiesel en rangos de concentración más amplios. En este sentido, las especificaciones de propiedades físicas (es decir, densidad, viscosidad cinemática, punto de fluidez, punto de turbidez, punto de inflamación en copa cerrada y valor calorífico), el rendimiento del motor (par, potencia, BSFC y BTE), las emisiones de escape (CO , CO2, UHC y NOx) se investigaron para diferentes muestras de biodiesel/bioetanol/combustible diesel WFO.

El petrodiesel puro lo suministró la refinería de Teherán (Teherán, Irán). El aceite de pescado residual (WFO), para la producción de biodiesel, fue suministrado por Daneh Talayi Chabahar Company (Chabahar, Irán). El metanol (99,8%), para las reacciones de esterificación y transesterificación, y el 2-propanol (99,8%), para la determinación del contenido de ácidos grasos libres en el WFO, se adquirieron de la empresa Dr. Mojallalli Industrial Chemical Complex (Irán). El bioetanol (99,8%) fue suministrado por Kimia Alcohol Zanjan Company (Irán). El ácido sulfúrico (99,6%), como catalizador en las reacciones de esterificación, y el hidróxido de potasio (KOH), como catalizador en las reacciones de transesterificación, se adquirieron de Merck Company (Alemania).

WFO, que es un subproducto de la empresa productora de polvo de pescado. El WFO se calentó en las etapas de producción en la planta y se pasó a través de un microfiltro para recuperar los polvos de pescado del existente en el aceite. Por lo tanto, el WFO comprado está libre de impurezas sólidas y agua.

En este estudio, el biodiesel WFO se produjo mediante el método de transesterificación. El contenido de ácidos grasos libres (FFA) del WFO es alto, lo que resulta en una reacción indeseable en la etapa de transesterificación. Por lo tanto, el contenido de FFA del WFO debe reducirse a < 1 % para maximizar la eficiencia de la producción de biodiesel mediante la transesterificación10. El contenido de FFA del WFO se determina mediante un sencillo experimento de neutralización ácido/base. El FFA está determinado por la ecuación. (1):

En el cual, A es el volumen requerido de la solución para la titulación de WFO en ml, W es la cantidad de muestra de WFO en g, N es la concentración de la solución de titulación en escala de normalidad y Wcat es el peso molecular del catalizador. . La solución de valoración es 0,1 N. Se utilizaron hidróxido de potasio (KOH) y alcohol 2-propanol como catalizador y disolvente en la valoración, respectivamente.

Dado que el contenido de FFA del WFO es superior al 1 %, el paso de procesamiento de esterificación se requiere en una o más etapas para reducir el contenido de FFA del WFO < 1 %. La esterificación de WFO se llevó a cabo en un reactor discontinuo de 70 L equipado con un agitador mecánico con una velocidad de agitación de 300 rpm y una corriente de reciclo. En la reacción de esterificación, la proporción de metanol a WFO fue de 9 a 1 en presencia de una solución de KOH al 1% en peso/ácido sulfúrico a 55 °C durante 1 h4,14,26. Después de terminar la reacción de esterificación, el metanol sin reaccionar y el agua producida deben separarse del WFO esterificado. Por tanto, el contenido del reactor se introdujo en un decantador para la separación de fases. La fase WFO tratada se separó después de 24 h. Después de la esterificación del WFO, el contenido de FFA del WFO tratado se redujo al 0,96 %, que es inferior al 1 %. Por tanto, el WFO tratado está listo para la transesterificación. La transesterificación del WFO tratado se llevó a cabo considerando la relación metanol a WFO de 6:1 en presencia de una solución de KOH al 1% en peso a 60 °C durante 1 h4,14,26. Los productos de la reacción de transesterificación son biodiesel y glicerina. La fase de glicerina se separó del biodiesel WFO después de 24 h. El paso final en la preparación del biodiesel WFO fue el lavado con agua para eliminar el catalizador restante, el alcohol, el jabón y la glicerina del biodiesel WFO. En este sentido, el biodiesel WFO se mezcló con agua (relación agua:biodiesel de 2:1) a 60 °C durante 1,5 h. El agua de lavado se separó del biodiésel WFO mediante decantación. El biodiesel WFO tratado se calentó a 85 °C durante 8 h para separar el agua restante del biodiesel WFO. El biodiesel WFO final se utilizó en las mezclas de combustible.

Se empleó un motor diésel monocilíndrico refrigerado por aire (modelo 3LD510 de Lombardini Company) equipado con un dinamómetro (modelo WE400 de Mobtakeran Pars Andish Company) para determinar la velocidad de rotación, el par y la potencia del motor diésel utilizando diferentes mezclas de combustibles. Se empleó un software específico para otros cálculos de parámetros de rendimiento del motor, incluida la potencia de frenado (BP), el consumo de combustible específico (SFC), el consumo de combustible específico de los frenos (BSFC) y la eficiencia térmica de los frenos (BTE), utilizando las siguientes ecuaciones4. Las principales especificaciones del motor diésel y del dinamómetro empleados se pueden encontrar en el archivo de información de respaldo.

Se utilizó el dispositivo MAHA-MGT5 para medir el alcance de las emisiones del motor utilizando diferentes mezclas de combustible. MAHA-MGT5 es capaz de determinar las emisiones de CO2, CO y HC mediante tecnología infrarroja, así como O2 y NOx mediante sensores electroquímicos. Las especificaciones detalladas de los sensores de emisiones aplicados, incluido el rango de detección y la precisión, se pueden encontrar en el archivo de información de respaldo.

La Figura 1 ilustra la configuración del motor diésel de un solo cilindro aplicada para la evaluación del rendimiento y las emisiones del motor utilizando diferentes mezclas de combustible.

La configuración experimental empleada para las pruebas del motor.

Cabe señalar que en cada prueba del motor, el motor se mantuvo descargado durante 15 min hasta que la temperatura del aceite alcanzó los 70 °C. Esta condición se denomina calentamiento del motor. Luego, se impuso la condición de carga completa al motor y la velocidad del motor se ajustó a 1800 rpm. Posteriormente, se midieron el rendimiento del motor y las emisiones en condiciones de estado estable. Cabe agregar que la confiabilidad de las mediciones experimentales se confirmó repitiendo las ejecuciones experimentales para las mezclas de combustible. La desviación estándar relativa estuvo en el rango aceptable de 1 a 4%. Cabe mencionar que las pruebas del motor se realizaron en el laboratorio de Energías Renovables, Centro de Investigación de Bioenergía, Universidad Tarbiat Modares, Teherán, Irán.

El perfil de ácidos grasos del biodiésel WFO puede afectar las características de emisión y rendimiento del motor3,8. En el presente estudio, se utilizó cromatografía de gases (GC) Clarus 580 fabricado por Perkin Elmer Company para evaluar el perfil de ácidos grasos del biodiesel WFO. El GC estaba equipado con un detector de ionización de llama (FID) para especificar los diferentes compuestos de biodiesel WFO. Se empleó una columna GC especial (modelo CP 9080 de Varian Company con 30 m de longitud, diámetro interno de 0,32 mm y espesor de fase estática de 0,25 μm). Se utilizó helio como gas portador. El programa de temperatura de la columna se ajustó según la norma EN 14.103.

Las propiedades fisicoquímicas importantes de los combustibles son la densidad, la viscosidad cinemática, el punto de fluidez, el punto de enturbiamiento, el punto de inflamación y el valor calorífico3,4,27. La densidad de diferentes mezclas de combustible se determinó usando un viscosímetro Stabinger SVM-3000 (Anton paar Company) basado en ASTM D4052 con una precisión de 0,0001 g/cm3. La viscosidad cinemática de diferentes mezclas de combustible se determinó usando un viscosímetro Stabinger SVM-3000 (Anton paar Company) basado en ASTM D 455-06 con una precisión de 0,01 cst. El punto de fluidez de las mezclas de combustibles se determinó según ASTM D97. La medición del punto de turbidez de las muestras de combustible se realizó con base en la norma ASTM D2500. El punto de inflamación de las mezclas de combustible se midió según el método de copa cerrada según ASTM D93 utilizando un aparato de punto de inflamación SKY1002-I de Shanghai shenakai con una precisión de ± 2 °C. El poder calorífico de las mezclas de combustible se midió utilizando un aparato de bomba calorimétrica Gallenkamp con una precisión de ± 0,1%.

Según el análisis de GC, los principales ésteres de ácidos grasos del biodiésel WFO son el ácido palmítico y el éster metílico del ácido trans-9-elaídico. También se confirma la presencia de éster metílico del ácido mirístico en el biodiesel WFO. Se pueden encontrar más detalles sobre los perfiles de ácidos grasos y el análisis de composición del biodiesel WFO en el archivo de información de respaldo.

En el presente estudio, se prepararon diferentes mezclas de combustible mezclando diferentes concentraciones de biodiesel WFO, bioetanol y petrodiesel. La Tabla 2 muestra la composición detallada de diferentes muestras de biodiesel/bioetanol/combustible diesel WFO. Posteriormente, se midieron diferentes especificaciones como densidad, viscosidad cinemática, punto de fluidez, punto de turbidez y punto de inflamación para diferentes mezclas de combustibles según las normas ASTM D 4052, ASTM D 445-06, ASTM D 97, ASTM D 2500 y ASTM D93. , respectivamente. Los resultados de estas mediciones se presentan en las Figs. 2, 3, 4, 5, 6 y 7 para diferentes muestras de combustible examinadas. El rango de biodiesel WFO en las mezclas ternarias de combustibles es del 5 al 20%. El rango de bioetanol en las muestras de combustible ternario es del 5 al 15%. Estos rangos de concentración seleccionados son considerablemente más amplios en comparación con el estudio de Sathiyaseelan et al.20.

La densidad de diferentes mezclas de combustibles ternarios.

Viscosidad cinemática de diferentes mezclas ternarias de combustibles.

Punto de fluidez de diferentes mezclas de combustibles ternarios.

Punto de turbidez de diferentes mezclas de combustibles ternarios.

Punto de inflamación en copa cerrada de diferentes mezclas de combustibles ternarios.

Valor calorífico de diferentes mezclas de combustibles ternarios.

La Figura 2 muestra la densidad de diferentes muestras de combustible examinadas. Cabe señalar que la densidad del combustible afecta directamente el tiempo de inyección y la calidad de la pulverización de los combustibles en la cámara de combustión28,29. La densidad del combustible también afecta las emisiones de escape. El uso de combustible de alta densidad da como resultado un aumento en la cantidad de combustible que ingresa a la cámara de combustión y desequilibra la relación oxígeno-combustible, lo que conduce a una combustión incompleta y el posterior aumento en la emisión de hidrocarburos no quemados28. Según la Fig. 2, la densidad de las mezclas de combustible aumenta con un incremento en el contenido de biodiesel WFO de las mezclas porque la densidad del biodiesel WFO es mayor que la del diesel puro debido al mayor peso molecular del biodiesel WFO en comparación con el diesel puro30. La densidad del biodiesel producido a partir de diferentes fuentes está en el mismo rango, pero el biodiesel WFO (densidad = 892 kg/m3) es más adecuado para la preparación de mezclas de combustible en comparación con el biodiesel de soja (densidad = 913 kg/m3) y el biodiesel pongamia. (densidad = 931 kg/m3)8. Por otro lado, la densidad de las mezclas de combustibles ternarios disminuye mediante un incremento en el contenido de bioetanol de la mezcla debido a la menor densidad del bioetanol en comparación con el diésel y el biodiésel WFO. La adición de bioetanol conduce a una mejora en la mezcla de combustible y aire debido a su baja densidad, lo que resulta en una combustión más completa cercana a la relación estequiométrica y la posterior disminución del humo de escape31. Según la Fig. 2, también se encontró que la adición de bioetanol a las mezclas de combustible ternario neutraliza el incremento de densidad de la adición de biodiesel WFO. En este sentido, el valor más bajo de densidad se observa en las mezclas de combustible B5E15.

La Figura 3 muestra la viscosidad cinemática de diferentes muestras de combustible. La viscosidad del combustible es un parámetro importante que afecta la calidad de la pulverización y, en consecuencia, la mezcla de combustible y aire14. La viscosidad del biodiésel WFO es mayor en comparación con el petrodiésel, lo que puede provocar una combustión incompleta al reducir la calidad de la mezcla de combustible y aire en la cámara de combustión y aumentar las emisiones de escape3,32. La tasa de liberación de calor (HRR) y la presión del cilindro son las principales características de combustión que están influenciadas por la viscosidad del combustible. El aumento del contenido de biodiesel en las mezclas de combustible conduce a una atomización deficiente de la muestra de combustible debido a su alta viscosidad y da como resultado un incremento en el retraso del encendido y la consiguiente menor HRR y menor presión en el cilindro33,34. Por otro lado, la concentración de oxígeno de las mezclas de combustible es otro parámetro que afecta la presión del cilindro. En este sentido, la aplicación de biocombustibles conduce a una combustión más temprana y mejora la presión en los cilindros debido al aumento del contenido de oxígeno de las mezclas de combustibles35. Según la Fig. 3, la viscosidad cinemática de las mezclas de combustible aumenta al aumentar el contenido de biodiesel WFO y disminuir el contenido de bioetanol de las mezclas de combustible, respectivamente. Como ventaja, la viscosidad del biodiesel de aceite de pescado residual es menor en comparación con el biodiesel de calophyllum en un 87 % y el biodiesel de pongamia en un 48 %8. También cabe señalar que no es deseable una reducción excesiva de la viscosidad de la mezcla de combustible porque puede provocar fugas en el sistema de combustible36. Por lo tanto, la viscosidad de las mezclas de combustible se puede ajustar al valor deseado dentro del rango estándar ajustando los contenidos de bioetanol y biodiesel WFO de las mezclas de combustible ternario. También se encontró que las mezclas B5E15 tienen el valor más bajo de viscosidad cinemática.

Las Figuras 4 y 5 muestran el punto de fluidez y el punto de enturbiamiento de diferentes muestras de combustible, respectivamente. El punto de fluidez y el punto de enturbiamiento son propiedades importantes para el uso de muestras de combustible en condiciones de clima frío. La falta de atención a estos parámetros puede provocar la formación de cristales y el posterior bloqueo de las líneas de combustible a bajas temperaturas37. Como puede verse, un incremento en el contenido de biodiesel WFO de las mezclas de combustibles ternarios da como resultado un aumento en el punto de fluidez y el punto de enturbiamiento de las mezclas de combustibles. El punto de fluidez y el punto de enturbiamiento del biodiésel WFO son más altos en comparación con el petrodiésel, lo que es inadecuado para el rendimiento del motor en condiciones de clima frío38. El punto de fluidez y el punto de enturbiamiento del biodiesel WFO son más adecuados para la preparación de mezclas de combustible en comparación con otras muestras de biodiesel. Por ejemplo, el punto de fluidez y el punto de enturbiamiento del biodiesel de palma son 15 °C y 16 °C respectivamente, que son obviamente más altos en comparación con el punto de fluidez y el punto de enturbiamiento del biodiesel WFO8. Por otro lado, un incremento en el contenido de bioetanol de las mezclas de combustibles ternarios da como resultado una disminución en el punto de fluidez y el punto de enturbiamiento de las mezclas de combustibles. Por lo tanto, las propiedades en frío de las mezclas de combustible se pueden ajustar dentro del rango deseado ajustando el contenido de biodiésel WFO y bioetanol de la mezcla de combustible. En este sentido, la presencia de bioetanol en las mezclas de combustibles puede reducir en cierta medida el impacto incremental del biodiésel WFO en el punto de fluidez y el punto de turbidez de las mezclas de combustibles ternarios38.

La Figura 6 muestra el punto de inflamación de diferentes muestras de combustible. El punto de inflamación es una propiedad importante desde el punto de vista de la seguridad relacionada con la manipulación, almacenamiento y transporte de mezclas de combustibles39. Según la Fig. 6, un incremento en el contenido de biodiesel WFO de una muestra de combustible ternario da como resultado un ligero incremento en el punto de inflamación de las mezclas de combustible ternario. El contenido de alcohol residual, el número de átomos de carbono y los dobles enlaces del biodiesel son los factores más importantes que influyen en el punto de inflamación del biodiesel40. Sin embargo, aumentar el contenido de bioetanol de las mezclas de combustible da como resultado una disminución considerable del punto de inflamación de la mezcla de combustible. Generalmente, el componente de la mezcla con el punto de inflamación más bajo tiene el efecto dominante sobre el punto de inflamación de la mezcla de combustible. Cabe señalar que la adición de bioetanol en un rango de 0 a 10 % da como resultado una reducción notable en el rango de punto de ebullición de la mezcla de combustible19,41. Como se puede observar, el punto de inflamación de las mezclas de combustibles está influenciado principalmente por el contenido de bioetanol. El valor medio del punto de inflamación para diferentes mezclas de combustibles es de aproximadamente 34 °C, que es inferior al del petrodiésel y al biodiésel WFO. Por lo tanto, se deben aplicar cuidados especiales en el transporte y almacenamiento de mezclas de combustibles que contengan bioetanol.

La Figura 7 muestra el valor calorífico de diferentes muestras de combustible. Como se puede observar, un aumento en los contenidos de biodiesel y bioetanol WFO de la mezcla de combustible ternario da como resultado una disminución en el valor calorífico de las mezclas de combustible. Este hallazgo puede explicarse por el menor valor calorífico del biodiésel y del bioetanol WFO en comparación con el petrodiésel. La longitud de la cadena de carbono afecta el valor calorífico de las muestras de combustible. En este sentido, la mayor longitud de la cadena de carbono da como resultado un mayor valor calorífico de la muestra de combustible42. Por lo tanto, la adición de biodiesel WFO y bioetanol a las mezclas de combustible ternario da como resultado una disminución en el valor calorífico de la mezcla de combustible. En este sentido, B5E5 tiene el valor calorífico más alto considerando las diferentes mezclas de combustibles examinadas. Además, se encontró que el valor calorífico de las mezclas de combustible ternario disminuye en un 7% en promedio en comparación con el petrodiesel puro.

La Figura 8 muestra el índice de cetano de diferentes muestras de combustible examinadas. Como se puede observar en la Fig. 8, la adición de biodiesel WFO y bioetanol a la mezcla de combustible conduce a una disminución posterior en el índice de cetano. Cabe señalar que la adición de bioetanol a las mezclas de combustible conduce a una disminución considerable en el índice de cetano de las mezclas de combustible debido a su índice de cetano demasiado bajo. Bizzo y Moretti43 también informaron una disminución del número de cetano como resultado del aumento del contenido de etanol de la mezcla de combustible. Cabe señalar que un aumento en el índice de cetano de la mezcla de combustible da como resultado una disminución en el retraso del encendido y una combustión más rápida durante la fase de combustión premezclada, lo que resulta en una mayor presión en el cilindro. Por lo tanto, la presión en los cilindros de las mezclas de combustible disminuye al aumentar el contenido de bioetanol y biodiésel WFO de las mezclas de combustible31,44,45.

Índice de cetano de diferentes mezclas de combustibles ternarios.

Después de evaluar diferentes especificaciones fisicoquímicas de las mezclas de combustible, se investigaron los parámetros de rendimiento del motor, incluidos la potencia, el par, la eficiencia térmica de los frenos y el consumo de combustible específico del motor, en un motor diésel de un solo cilindro a una velocidad de 1800 rpm y en condiciones de carga completa.

Las Figuras 9 y 10 muestran el par motor y la potencia de frenado utilizando diferentes mezclas ternarias de combustible que contienen diferentes porcentajes de diésel, biodiésel WFO y bioetanol, respectivamente.

Par motor utilizando diferentes mezclas ternarias de combustible.

Rompe la energía utilizando diferentes mezclas de combustibles ternarios.

Como se mencionó en la sección anterior, el valor calorífico del biodiesel WFO es menor en comparación con el petrodiesel. El valor calorífico del bioetanol también es menor en comparación con el biodiésel WFO. Por lo tanto, un incremento en el contenido de biodiesel WFO y bioetanol de las mezclas de combustible ternario conduce a una disminución en el par motor y la potencia de frenado. El menor valor calorífico de las mezclas de combustible que contienen biodiésel WFO y bioetanol conduce a una menor producción de energía en el proceso de combustión y, en consecuencia, a una menor potencia de frenado y par4,46. La aplicación de mezclas de combustibles que contienen diferentes concentraciones de bioetanol a una concentración constante de 5%, 12,5% y 20% de biodiésel WFO da como resultado una reducción del par motor de 1,1%, 2,4% y 3,9%, respectivamente. Para estas mezclas de combustible, el poder de frenado del motor también se reduce en un 0,8%, 2,3% y 3,7%, respectivamente. El uso de mezclas de combustible que contienen diferentes concentraciones de biodiésel WFO a una concentración constante de 5%, 10% y 15% de bioetanol da como resultado una disminución del par del motor de un 1,9%, 2,4% y 3% y de la potencia de frenado de un 1,7%. 2,3% y 2,9%, respectivamente.

La Figura 11 muestra BSFC de diferentes mezclas de combustibles ternarios examinadas. El consumo específico de combustible es la relación entre la tasa de consumo de combustible y la energía generada. BSFC, como medida para la evaluación de la eficiencia del combustible, depende del valor calorífico, la densidad y la viscosidad del combustible4,46,47. Como se puede ver en la Fig. 11, un incremento en el contenido de biodiesel WFO de las mezclas de combustible ternarios da como resultado un aumento posterior en el BSFC. Esto se puede atribuir a la disminución de la eficiencia debido al menor valor calorífico, la mayor densidad y la mayor viscosidad del biodiesel WFO en comparación con el petrodiesel. Un incremento en el contenido de bioetanol de las mezclas de combustibles ternarios también resulta en un aumento en BSFC. El bioetanol tiene menor densidad y viscosidad en comparación con el biodiesel WFO y el petrodiesel. Por lo tanto, se espera una mejora en la mezcla de combustible y aire mediante la adición de bioetanol a las mezclas de combustible. Sin embargo, el valor calorífico considerablemente menor del bioetanol en comparación con el biodiésel WFO y el petrodiésel da como resultado un aumento posterior del BSFC12,48,49. Fang et al.50, Zhu et al.51 y Al-Hassan et al.52 informaron un aumento en el BSFC por un aumento en el contenido de etanol de las mezclas de combustible. Cabe mencionar que la adición de biodiesel y bioetanol WFO a las mezclas de combustibles ternarios genera un incremento promedio de alrededor del 10 % en el BFSC en comparación con el petrodiesel.

BSFC utilizando diferentes mezclas de combustibles ternarios.

La Figura 12 muestra BTE para diferentes mezclas de combustible examinadas. BTE es un parámetro que representa la eficiencia de la conversión de energía del combustible a la producción de energía mecánica12. El BTE está influenciado por el BSFC y el valor calorífico del combustible, de forma inversa. Como se puede observar en la Fig. 12, la tendencia del cambio de BTE para diferentes mezclas de combustible es opuesta a la tendencia de BFSC. También se encontró que el BTE para las mezclas de combustible B5E5, B5E10 y B12.5E5 es mayor en comparación con el petrodiésel puro, a pesar de su BSCF más alto en comparación con el petrodiésel. Esto puede explicarse por el menor valor calorífico de estas mezclas de combustibles ternarios en comparación con el petrodiésel, que domina el efecto del BFSC sobre el BTE. Los resultados también muestran que un incremento en el contenido de bioetanol de las mezclas de combustibles ternarios da como resultado una disminución del BTE.

BTE que utiliza diferentes mezclas ternarias de combustible.

La Figura 13 muestra la emisión de CO en el escape del motor para diferentes muestras de combustible ternario examinadas. La Figura 13a muestra la emisión de CO en %. La Figura 13b muestra la emisión de CO en g/kWh, que se calcula mediante la ecuación. (6)53:

Emisiones de CO utilizando diferentes mezclas ternarias de combustibles (a) % (b) g/(kW h).

La emisión de CO, como gas tóxico, puede atribuirse a una combustión incompleta como resultado de una mala mezcla de combustible y oxígeno. Como se puede observar en la Fig. 13, la emisión de CO disminuye con un incremento en los contenidos de biodiesel y bioetanol WFO de las mezclas de combustibles ternarios. Esto puede explicarse por un incremento en el contenido de oxígeno de las mezclas de combustible al aumentar el contenido de biodiesel WFO y bioetanol de las mezclas de combustible ternario. El enriquecimiento del contenido de oxígeno de las mezclas ternarias de combustible da como resultado una combustión más completa debido a una mayor oxidación del CO en el proceso de combustión. Este hallazgo concuerda con los estudios de Kwanchareon et al.19, Subbaiah et al.2, Li et al.54, Shi et al.55 y Guarieiro et al.10 sobre la emisión de CO en el rendimiento del motor a plena carga. Según los estudios de Fan et al.50 y Zhu et al.51, las emisiones de CO aumentan utilizando biodiesel/etanol/diesel de aceite de colza y biodiesel/etanol/diesel de aceite de cocina residual en comparación con el combustible diesel puro. Sin embargo, en el presente estudio se observa una reducción notable en las emisiones de CO como una ventaja del uso de biodiesel WFO en las muestras de combustible ternario. Cabe señalar que la emisión de CO del B5E5 (es decir, las mezclas de combustibles con menor contenido de biodiesel y bioetanol WFO) es un 20,22% menor en comparación con el petrodiesel. Además, la emisión de CO del B20E15 (es decir, las mezclas de combustibles con mayor contenido de biodiesel y bioetanol WFO) es un 70,22% menor en comparación con el petrodiesel. Se trata de una reducción notable de las emisiones de CO.

La Figura 14 muestra la emisión de CO2 en el escape del motor para diferentes muestras de combustible ternario examinadas. La Figura 14a muestra las emisiones de CO2 en porcentaje de volumen. La Figura 14b muestra la emisión de CO2 en g/kWh que se calcula mediante la ecuación. (7)53.

Emisiones de CO2 utilizando diferentes mezclas ternarias de combustibles (a) % (b) g/(kW h).

Según la Fig. 14, las emisiones de CO2 en el escape del motor aumentan con el incremento del contenido de biodiésel WFO y bioetanol de la mezcla de combustible ternario. Como se mencionó en la sección anterior, un incremento en el contenido de oxígeno de las mezclas de combustible como resultado de la adición de biodiesel y bioetanol WFO conduce a una mejora en la combustión completa y el posterior aumento en las emisiones de CO2. Este hallazgo concuerda con los estudios de Subbaiah et al.2, Hulwan et al.12, Cheenkachorn et al.56 y Guarieiro et al.10.

La Figura 15 muestra la emisión de UHC en el escape del motor para diferentes muestras de combustible ternario examinadas. La Figura 15a muestra la emisión de UHC en ppm. La Figura 15b muestra la emisión de UHC en g/kWh que se calcula mediante la ecuación. (8)25.

Emisiones de hidrocarburos no quemados utilizando diferentes mezclas ternarias de combustibles (a) ppm (b) g/(kW h).

Como se puede observar en la Fig. 15, la emisión de UHC es significativamente menor para todas las mezclas de combustibles ternarios examinadas en comparación con el petrodiesel. Un aumento en el contenido de biodiésel WFO de las mezclas de combustible da como resultado una combustión más completa y, en consecuencia, menores emisiones de UHC. Según estudios anteriores, la emisión de UHC también disminuye obviamente con un incremento en el contenido de biodiesel de las muestras de mezcla de combustible19,57. También se encontró que el aumento del contenido de bioetanol en las mezclas de combustible da como resultado un incremento en las emisiones de UHC. Esto se puede atribuir a la disminución en la eficiencia de la combustión como resultado del incremento del bioetanol en las mezclas de combustible. La tendencia del BSFC con el contenido de bioetanol en las mezclas de combustibles también confirma este hecho. Según Kwanchareon et al.19 y Subbaiah et al.2, esto puede atribuirse a la emisión de bioetanol no quemado en el escape del motor como resultado de la gran región de dispersión de etanol en la cámara de combustión. Según Fang et al.50, la aplicación de biodiesel de aceite de colza en una mezcla de biodiesel/alcohol/diesel da como resultado un incremento en las emisiones de UHC. Sin embargo, como clara ventaja, la aplicación de biodiesel de aceite de pescado residual en muestras de combustible ternario tiene un rendimiento superior en comparación con el biodiesel de aceite de colza.

La Figura 16 muestra las emisiones de NOx en el escape del motor para diferentes muestras de combustible ternario examinadas. La Figura 16a muestra la emisión de NOx en ppm. La Figura 16b muestra la emisión de NOx en g/kWh que se calcula mediante la ecuación. (9)25.

Emisiones de NOx utilizando diferentes mezclas ternarias de combustibles (a) ppm (b) g/(kW h).

Como se puede observar en la Fig. 16, la emisión de NOx aumenta con un incremento en el contenido de biodiesel WFO de las mezclas de combustibles ternarios. También se encuentra que un incremento en el contenido de bioetanol de las mezclas ternarias de combustibles da como resultado una disminución en las emisiones de NOx. El mecanismo dominante de formación de NOx es el mecanismo térmico. El mecanismo térmico incluye reacciones endotérmicas, estimuladas por altas temperaturas. La ecuación (10) proporciona la tasa de formación de NO basada en el mecanismo de Zeldovich que describe la formación de NO por mecanismo térmico58:

Según la ecuación. (10), la temperatura y la concentración de oxígeno son parámetros efectivos en la formación de NO. En este sentido, un aumento de la temperatura conduce a un incremento en la formación de NO. El aumento de la concentración de oxígeno también conduce a un aumento de la formación de NO porque el oxígeno, como reactivo para la reacción de formación de NOx, es un agente esencial para el progreso de la reacción endotérmica3,58.

El aumento del contenido de biodiesel en las mezclas de combustible conduce a un incremento en el contenido de oxígeno de la mezcla de combustible. El punto de ebullición normal del biodiésel es de unos 350 °C y se enciende antes de la evaporación, lo que provoca un aumento de la temperatura de la cámara de combustión. Por lo tanto, el incremento en el contenido de oxígeno de la mezcla de combustible y la temperatura de la cámara de combustión debido a la adición de biodiesel WFO a las mezclas de combustible ternario da como resultado un incremento en las emisiones de NOx59. El aumento de bioetanol en las mezclas de combustible también conduce a un aumento del contenido de oxígeno en la mezcla de combustible. Sin embargo, el punto de ebullición normal del bioetanol es de unos 78 °C y su calor latente de evaporación es de 846 kJ/kg. Parece que una parte del contenido de bioetanol de las mezclas de combustible se evapora durante el encendido en la cámara de combustión, lo que conduce a una reducción notable de la temperatura de la cámara de combustión. Por lo tanto, el incremento en el contenido de oxígeno de la mezcla de combustible y la disminución en la temperatura de la cámara de combustión debido a la adición de bioetanol a las mezclas de combustible afectan la tasa de formación de NO de manera opuesta. La tendencia decreciente de la formación de NOx al aumentar el contenido de bioetanol de las mezclas de combustibles confirmó que el efecto de disminución de la temperatura de la cámara de combustión sobre la formación de NO es dominante y, por lo tanto, el incremento en el contenido de bioetanol de las mezclas de combustibles ternarios resulta en una disminución de los NOx. emisión7,12.

Este es un interesante efecto pull-push, que se puede aplicar para ajustar las emisiones de NOx del motor al límite deseado ajustando los contenidos de biodiesel y bioetanol WFO de las mezclas de combustible ternario. En este sentido, como se puede observar, las emisiones de NOx de la mezcla de combustible B5E15 se encuentran en el rango del petrodiesel puro, aproximadamente.

Según la norma diésel Euro 5, las mezclas de combustible B5E5, B5E10 y B5E15 son las muestras de combustible que cumplen los criterios estándar. Estas muestras de combustible pueden considerarse candidatos potenciales para las mejores mezclas de combustible. La mezcla de combustible B5E5 tiene un mejor rendimiento en comparación con otras mezclas de combustible considerando las pruebas de rendimiento del motor. La mezcla de combustible B5E15 tiene un mejor rendimiento en comparación con otras mezclas de combustible considerando las emisiones de escape del motor.

Según Kara et al.60, los costos del petrodiesel y del biodiesel WFO son de 0,91 USD/L y 0,69 USD/L, respectivamente. Según informes IRENA61, el coste del bioetanol es de 1,04 USD/L. Por lo tanto, se puede realizar una evaluación preliminar de costos para diferentes mezclas de combustibles ternarios. La Figura 17 muestra el resultado de esta evaluación preliminar de costos.

Evaluación preliminar de costos para diferentes mezclas de combustibles ternarios.

Según la figura 17, el coste de todas las mezclas de combustibles es comparable al del petrodiésel puro. Cabe señalar que el costo del biodiesel, petrodiesel y bioetanol WFO varía a lo largo del mundo como resultado del equilibrio entre la oferta y la demanda de estos combustibles, la disponibilidad de materias primas y el proceso de producción empleado. Por lo tanto, se recomienda encarecidamente un análisis de costos más detallado en diferentes situaciones.

En el presente estudio, se investigaron las especificaciones fisicoquímicas, el rendimiento del motor y los gases de escape del motor para diferentes mezclas de combustible ternario que contienen biodiesel WFO, bioetanol y petrodiesel. Los principales resultados son los siguientes:

Se encontró que la viscosidad, la densidad, el punto de turbidez y el punto de fluidez de todas las mezclas de combustible examinadas están en el rango estándar y cerca del petrodiesel. Sin embargo, el punto de inflamación de las mezclas de combustibles que contienen un alto contenido de bioetanol es considerablemente menor en comparación con el petrodiésel puro debido al bajo punto de inflamación del bioetanol. Esto debe tenerse en cuenta en el almacenamiento y manipulación de las mezclas de combustible. El poder calorífico de las mezclas de combustibles que contienen biodiesel WFO y bioetanol es menor en comparación con el petrodiesel puro.

En cuanto a los parámetros de rendimiento del motor, se encontró que el par motor y la potencia de frenado son menores para las mezclas de combustible ternario que contienen biodiesel WFO y bioetanol en comparación con el petrodiesel puro. El BSFC fue más alto para las mezclas de combustibles en comparación con el petrodiésel puro que se utiliza. Esto puede atribuirse al menor valor calorífico de las mezclas de combustible ternario en comparación con el petrodiésel puro.

En cuanto a las emisiones de escape del motor, se observó una disminución significativa en las emisiones de CO y UHC para las mezclas de combustible ternarios en comparación con el petrodiesel puro. Esta es una clara ventaja de utilizar mezclas de biodiésel/bioetanol/combustible diésel WFO en comparación con el petrodiésel puro. También se encontró que a pesar del incremento en las emisiones de NOx utilizando mezclas de combustible que contienen biodiesel y bioetanol WFO, las emisiones de NOx del motor podrían ajustarse al límite deseado ajustando el contenido de biodiesel y bioetanol WFO de las mezclas de combustible ternario.

La mezcla de combustible B5E5 tiene el mejor rendimiento en comparación con otras mezclas de combustible teniendo en cuenta los parámetros de rendimiento del motor. Además, B5E15 es la mejor mezcla de combustible teniendo en cuenta las emisiones de escape del motor. La investigación de la influencia de las rpm del motor y la carga sobre el rendimiento y las emisiones de diferentes mezclas de combustible es un tema interesante para estudios futuros.

Se debe justificar que “Todos los datos generados o analizados durante este estudio están incluidos en este artículo publicado [y sus archivos de información complementaria]”.

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Davood Tarangan, Mohammad Amin Sobati y Shahin Shahnazari

Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Tarbiat Modares, Teherán, Irán

Barat Ghobadian

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Correspondencia a Mohammad Amin Sobati.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Tarangan, D., Sobati, MA, Shahnazari, S. et al. Propiedades físicas, rendimiento del motor y emisiones de escape de mezclas de biodiésel/bioetanol/combustible diésel de aceite de pescado residual. Representante científico 13, 14024 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41280-5

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Recibido: 25 de marzo de 2023

Aceptado: 24 de agosto de 2023

Publicado: 28 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41280-5

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