Evaluación del comportamiento mecánico y ambiental de un motor diésel modo encendido provocado con biogás enriquecido con CH4 e hidrógeno

• Arley Johany Cardona Vargas ^[3] ; Jonathan Steven Jaramillo Álvarez ^[1] ; Andrés Adolfo Amell Arrieta ^[2]
  1. [1] Universidad Cooperativa de Colombia

     Universidad Cooperativa de Colombia

     Colombia

     
  2. [2] Universidad de Antioquia

     Universidad de Antioquia

     Colombia

     
  3. [3] Instituto Tecnológico Metropolitano de Medellín, Colombia

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• Localización: Scientia et Technica, ISSN 0122-1701, Vol. 25, Nº. 1, 2020, págs. 65-76
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Mechanical and environmental performance evaluation of a Spark Ignition Engine with high compression ratio fueled whit Biogas, Methane and Hydrogen blends
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• Resumen
  • español

    El uso de combustibles renovables provenientes de fuentes distintas a las fósiles toma importancia como alternativa a fuentes energéticas, en este caso el biogás. Sin embargo, motores exclusivos de uso de biogás tienen un alto costo económico, y poca disponibilidad comercial para bajas potencias, lo que hace difícil el aprovechamiento de dicho combustible sin la presencia del combustible diésel. Por lo que en este trabajo un motor de encendido por compresión se modifica a modo encendido provocado, sin cambiar la relación de compresión con el fin de lograr eficiencias efectivas altas. En este trabajo se analiza el comportamiento mecánico y ambiental de un motor estacionario diésel de 1550 cm3 , con una potencia nominal de 20 kW@3000 rpm, con una relación de compresión de 15.5:1, adaptado a encendido provocado. Para el desarrollo de las pruebas planteadas en este trabajo se tiene las siguientes condiciones, el motor gira a 1800 rpm a 4 kW que corresponde al 57% de la carga del motor, a una presión atmosférica de 0.852 bar que corresponde a la ciudad de Medellín, trabajando con mezclas de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) con el objetivo de simular la composición de un biogás común (60% CH4 – 40% CO2), y de biogás enriquecido (70% CH4 – 30% CO2 y 80% CH4 – 20% CO2), donde cada una de las mezclas fueron enriquecidas con adiciones de hidrógeno en porcentajes de 0%, 5%, 10% y 15% en volumen, la adición de hidrógeno presenta ventajas en la combustión ya que extiende los límites de inflamabilidad del biogás, además contribuye a la disminución de gases de efecto invernadero como el CO2, y de contaminantes como CO e hidrocarburos sin quemar, sin embargo la adición de hidrógeno aumenta las emisiones de NOx. Se encontró que la adición de 15% de hidrógeno mejora significativamente las propiedades de combustión cuando se hace uso de una mezcla combustible pobre, equivalente a un dosado relativo de 0.822, para el caso del biogás puro, mientras que para las mezclas de biogás con hidrógeno no se encontraron mejoras significativas en el comportamiento mecánico y ambiental del motor.

  • English

    Use of renewable fuels from sources other than fossils takes on importance as energy sources, such as biogas. Exclusive engines of biogas have a high economic cost, and little commercial availability for low powers. In this study, we used a compression ignition engine work as spark ignition. Mechanical and environmental performance of a stationary 1550 cm3 , 20 kW@3000 rpm nominal power, 15.5:1 compression ratio, diesel engine converted to spark ignition is analyzed. The engine is coupled to a resistance bank simulating engine load by power generation. The engine was fixed at 1800 rpm at 4 kW, which corresponds to 57% of the engine load at a 0.852 bar atmospheric pressure in the Medellín city. The engine was fueled with methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) mixtures in order to simulate at common biogas composition (60% CH4 - 40% CO2), and enriched biogas (70% CH4 - 30% CO2 y 80% CH4 - 20% CO2). Hydrogen was added in small amounts (0%, 5%, 10% and 15% on volumetric basis). The addition of hydrogen enhances the combustion rates, extends the flammability limits, and contributes to the reduction greenhouse gases like CO2 and pollutants such as CO and unburned hydrocarbons. However, hydrogen increases NO and NO2 emissions. It was found that the addition of 15% hydrogen improves the combustion properties when using a lean fuel mixture, relative equivalence ratio of 0.822 for pure biogas, while for biogas-hydrogen mixtures no significant improvements in the mechanical and environmental behavior of the engine were found