Evaluación experimental del rendimiento del biodiesel de aceite de semilla de jaboncillo en un motor diésel CRDI

Jun 15, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5699 (2023) Citar este artículo

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Debido a la demanda constante de combustibles alternativos para motores de combustión interna, la investigación basada en biodiesel ha recibido apoyo a nivel mundial. En este estudio, el aceite de semilla de jaboncillo producido mediante un proceso de transesterificación crea biodiesel. Se le conoce como BDSS (Biodiesel de Semillas de Jabonería). Según criterios, se reconocen las cualidades del aceite, por lo que se probaron tres mezclas diferentes y diésel puro en motores CRDI (Common Rail Direct Inyección). Las descripciones de las mezclas son: 10BDSS (10% BDSS + 90% diésel), 20BDSS (20% BDSS + 80% diésel) y 30BDSS (30% BDSS + 70% diésel). Los resultados de las pruebas relacionadas de combustión, rendimiento y contaminación se contrastaron con los obtenidos utilizando 100% combustible diésel. En este caso, la mezcla ha dado como resultado una peor eficiencia térmica de frenada que el diésel y menores emisiones residuales con mayores emisiones de NOx. Los resultados superiores los obtuvo 30BDSS, que tuvo un BTE de 27,82%, emisiones de NOx de 1348 ppm, presión máxima de 78,93 bar, tasa de liberación de calor (HRR) de 61,15 J/grado, emisiones de CO (0,81%), HC (11 ppm), y opacidad del humo del 15,38%.

La investigación basada en combustibles alternativos a partir de fuentes naturales es el área más concentrada de los criterios actuales de demanda de combustibles fósiles. Los recursos combustibles tradicionales están disminuyendo y producen más emisiones al medio ambiente, lo que provoca efectos nocivos para los organismos vivos y afecta la viabilidad del medio ambiente1. Hay tantos biodiesel que se pueden producir a partir de diferentes tipos de semillas de aceites vegetales comestibles y no comestibles. También tantos biodiesel también se producen con productos de desecho de la naturaleza y artificiales.

Venkatesan et al.2 mencionaron que la producción de partículas y emisiones de NOx por parte del motor CI de carga pesada (construcción, carga, maquinaria agrícola) aumentará en el año 2035, ya que los NOx y las PM tendrán un aumento del 70 % y del 85 %. La inhalación excesiva de PM crea la muerte de seres vivos prematuros3. Jayabal et al.4 mencionaron que la opacidad del humo producida por el motor de combustión interna es perjudicial para la vida, lo que causa enfermedades cardíacas y problemas respiratorios.

El biodiesel es el combustible utilizado en el motor CI. Son numerosos los estudios realizados por diferentes investigadores sobre las verdades de los biomateriales con y sin diésel. Existen diferentes métodos disponibles para la preparación del biodiesel5. Entre ellos, la transesterificación es uno de los mejores y más fáciles métodos para extraer el biodiesel6.

Zimmerman et al.7 explicaron claramente los desafíos y métodos basados ​​en el proceso de esterificación para superar esos problemas. Muthukumaran et al.8 se ocupan de la producción de biodiesel a partir del aceite de Madhuca Indica mediante un proceso de transesterificación. Mencionaron que la hidrazida de potasio tiene mayor influencia en el proceso de producción de biodiesel. El tratamiento del aceite a 60 °C durante una hora y media con metanol (0,32%) con catalizador (1,5%) produce un rendimiento del 51% de biodiesel.

Moradi et al.9 se ocupan de los factores que influyen en la producción de biodiesel a partir de semillas de ricino. Practican en el extractor Soxhlet. Los disolventes utilizados para la extracción del aceite son acetona y metanol. El revestimiento principal a una temperatura de 75 °C durante seis horas produjo mejores resultados en el rendimiento. Kamil et al.10 se ocupan de las mezclas de biodiesel de manteca de pavo y manteca de cerdo en motores CRDI. La mezcla de diésel con éster metílico produjo menos monóxido de carbono (20%), dióxido de carbono (6%) y emisiones de hidrocarburos (9%).

Alptekin et al.11 se ocupan de los ésteres metílicos y etílicos del aceite vegetal alimentado en motores CRDI con diversas cargas. De los resultados experimentales, se menciona claramente que los combustibles considerados tienen una menor presión máxima, una mayor tasa de liberación de calor y un mayor consumo de combustible que el combustible diesel. La sincronización de la inyección piloto y principal fue mayor que la sincronización de la inyección diésel. Yingqun et al.12 se ocupan del biodiesel de aceite de palma en motores CRDI con diferentes presiones de inyección. El aumento de la presión de inyección de combustible aumenta las emisiones de NOx y reduce las emisiones de PM, CO y HC con cargas más altas.

Ogunkunle et al.13 se ocupan del biodiesel de Parinari polyandra en motores de combustión interna. Comparan las diferentes mezclas entre esa mezcla de 10% de biodiesel y producen resultados aumentados en cuanto a eficiencia térmica y potencia. Produce más emisiones de NOx, pero las emisiones restantes fueron menores que las del diésel. 81,7% de CO2 y 65,7% de reducción de CO respecto al diésel, obtenido con un 10% de mezcla de biodiesel.

Pavan et al.14 se ocupan de los ésteres metílicos del aceite de palma en motores CRDI con diferentes presiones de inyección con splits. Se puede lograr una reducción de NOx del 40 % con una inyección única de 23 grados antes del PMS, así como con una inyección más alta de 32 grados antes del PMS con inyección piloto (10 %) de 0,26,2 % de CO, 19,2 % de HC y 21,5 % de reducción de la opacidad del humo. se puede lograr en inyección temprana (34 grados antes del PMS).

Hay numerosas especies (casi mil) disponibles en la familia Soapberry. Estos están repartidos por todo el mundo, como en algunos lugares de Australia y África, principalmente en América del Sur y Asia. Sólo en la propia China, el cultivo de la fruta Soapberry es de casi 1 millón de toneladas en 1 millón de hectáreas de plantación. Es una de las fuentes de producción de biodiesel en el mundo15. En esta investigación, diesel, biodiesel de semilla de jaboncillo y su volumen de mezclas del 10% al 30% (10BDSS, 20BDSS y 30BDSS) con diesel utilizado en el motor CRDI para la identificación de los mejores resultados de rendimiento basado en la mezcla de biodiesel de semilla de jaboncillo con diesel, que tienen menores resultados de emisiones.

Semillas de jaboncillo (Fig. 1) compradas en Chennai y secadas al sol durante 10 días. El aceite se extrae mediante la extracción tradicional de aceite, como el método de prensado en frío. 72 kg de semilla producen 32 litros de aceite. Con este aceite crudo se produjo biodiesel mediante el proceso de transesterificación con metanol y KOH como catalizador en el recipiente con agitador magnético durante 3 h con 65 °C de temperatura de operación. Luego, el 80% del biodiesel (BDSS—Biodiesel of Soapberry Seed) se separa de la glicerina después de un día de enfriamiento. Este aceite se mezcla entre 10% y 30% con un 10% de mezcla incremental con diésel por volumen para esta investigación con motor CRDI. 10BDSS es una mezcla de 10% BDSS y 90% de diésel, 20BDSS es una mezcla de 20% de BDSS y 80% de diésel, y 30BDSS es una mezcla de 30% de BDSS y 70% de diésel. Detalles de las propiedades de la mezcla mencionadas en la Tabla 1.

Jaboncillo.

La Figura 2 proporciona los detalles sobre el arreglo experimental. Es el motor CRDI CI con motor de 3,5 kW y 1500 rpm (modelo: AV1—Kirloskar, 0,553 de cilindrada, refrigeración por agua) con relación de compresión variable en un solo cilindro con presión de inyección de 600 bar (inyector de combustible de seis orificios controlado por solenoide). Colado realizado con agua. Inyección electrónica realizada en Nira i7R (unidad de control electrónico abierta) que recopila los datos de presión y flujo de combustible. Luego, las disposiciones comunes, como las mediciones de emisiones y humo realizadas con el analizador de gas y el medidor de humo, son productos AVL. Presión de inyección de combustible mantenida por el common rail conectado para la inyección de combustible desde el tanque de combustible. Transductor de presión (rango de 0 a 5000 psi) utilizado para medir la presión dentro del cilindro. Codificador de ángulo del cigüeñal (0–360 grados) que se utiliza para medir el ángulo de rotación del cigüeñal. Toda la información del codificador, transductor de presión, sensor de flujo de combustible, sensor de flujo de aire y detalles de presión de inyección se conectaron con el sistema de equitación de datos y la computadora. El motor funciona después de un arreglo completo con una observación clara e impecable. Los combustibles individuales mencionados en la Tabla 1 se utilizaron en este arreglo experimental para los resultados de rendimiento.

Arreglos experimentales.

En estos estudios de combustión se explican las variaciones de presión en el cilindro y la variación de la tasa de liberación de calor en el motor durante la operación a carga más alta con diferentes mezclas de biodiesel y diesel. De la Fig. 3 se menciona que la presión máxima obtenida con carga máxima en el cilindro de 78,93 bar, 79,99 bar, 81 bar y 81,96 bar por 30BDSS, 20BDSS, 10BDSS y Diesel. Aquí se mantiene el orden basado en la presión creciente para mencionar la presión en el cilindro. El diésel tiene la presión máxima más alta.

Diferencias de presión del cilindro al mezclar.

El biodiesel individual y sus mezclas tienen una presión máxima menor que el diesel. A carga máxima, el consumo de combustible es mayor, lo que conduce a un aumento de la presión del gas en el cilindro16. Los diésel individuales tienen 42.000 kJ/kg de poder calorífico. Este es el poder calorífico más alto en la comparación de propiedades de los combustibles. Esto provoca el pico de presión más alto durante el funcionamiento17. El biodiesel de semilla de jabonería tiene menor evaporación y evaporación reducida que el diesel debido a su menor poder calorífico y mayor densidad. Esto influirá en las variaciones de la presión del cilindro18.

La influencia de las mezclas de biodiesel en las tasas de liberación de calor se señala obviamente en la Fig. 4. Aquí, 72,25 J/grados de tasa de liberación de calor más alta obtenida por el diesel. La mezcla 10BDSS tiene 68,32 J/grados, el combustible 20BDSS tiene 65,06 J/grados y el combustible 30BDSS tiene 61,15 J/grados de tasa de liberación de calor con la mayor carga. Una menor contribución del biodiesel de las semillas de jaboncillo en la mezcla tiene una mayor tasa de liberación de calor y viceversa. El contenido de oxígeno disponible en el biodiesel de las semillas de jaboncillo conduce a una reducción de la mayor tasa de liberación de calor19. La tasa de liberación de calor más baja obtenida con la mezcla del 30% de biodiesel. Debido al biodiesel de la mezcla de semillas de jaboncillo, la mayor densidad y viscosidad influyen en las características de combustión. Por lo tanto, conduce a una disminución de la tasa de liberación de calor20.

Influencia de las mezclas de biodiesel en la tasa de liberación de calor.

En este análisis de rendimiento se explica la eficiencia térmica de los frenos y la variación del consumo de energía específica de los frenos en el motor durante las distintas condiciones de carga con diferentes mezclas de biodiesel y diesel.

Al 75% de la condición de carga, el diésel tiene un 25,98%, la mezcla 10BDSS tiene un 24,29%, el combustible 20BDSS tiene un 23,41% y el combustible 30BDSS tiene un 22,52% de eficiencia térmica de frenos. A plena carga, el diésel tiene un 30,10%, la mezcla 10BDSS tiene un 29,29%, el combustible 20BDSS tiene un 28,19% y el combustible 30BDSS tiene un 27,82% de eficiencia térmica de frenos. Estas variaciones de eficiencia térmica de los frenos se mencionaron en la Fig. 5. La eficiencia aumentó con las cargas. Debido a los valores caloríficos de la mezcla, produjeron una menor eficiencia térmica de los frenos en comparación con el diésel21. Los BDSS tienen más ácidos grasos22. La participación máxima del biodiesel proporciona una mayor reducción de la eficiencia debido a una menor viscosidad, contenido de energía y densidad que influyen en la evaporación del combustible disponible en el cilindro durante la combustión11,23.

Influencia de las mezclas de biodiesel en la BTE (Eficiencia térmica de frenos).

La Figura 6 describe las variaciones del consumo de energía específico de los frenos en el motor con diferentes mezclas de biodiesel y diferentes cargas. Al 75% de la condición de carga, el diésel tiene 8377,4 kJ/kW-h, la mezcla 10BDSS tiene 8794,49 kJ/kW-h, el combustible 20BDSS tiene 9628,67 kJ/kW-h y el combustible 30BDSS tiene 10.462,8 kJ/kW-h de consumo de energía específico de frenado. . De manera similar, en la carga más alta, el diésel tiene 6552,64 kJ/kW-hr, la mezcla 10BDSS tiene 6917,59 kJ/kW-hr, el combustible 20BDSS tiene 7230,41 kJ/kW-hr y el combustible 30BDSS tiene 7908,18 kJ/kW-hr de consumo de energía específico de frenado.

Influencia de las mezclas de biodiesel en el BSEC (Consumo energético específico de frenos).

El diésel tiene el consumo de energía específico de frenado más bajo que las mezclas. Esto sigue las tendencias comunes del consumo de energía específico del freno, como la carga y el consumo de energía específico del freno son inversamente proporcionales24. Esta diferencia creada por los menores valores caloríficos del biodiesel de la semilla de jaboncillo también requiere una mayor cantidad de combustible para desarrollar una cantidad similar de energía22,25.

En este análisis de emisiones se explican las emisiones de NOx, la opacidad del humo, las emisiones de monóxido de carbono y las emisiones de hidrocarburos en el motor durante la operación en variedades de carga con diferentes mezclas de biodiesel y diesel.

La Figura 7 expresa claramente la influencia de las mezclas de biodiesel en las emisiones de NOx. La temperatura en el cilindro y el oxígeno suministrado al cilindro son las respuestas preferibles para las emisiones de NOx. Al 75% de la condición de carga, el diésel tiene 1045 ppm, la mezcla 10BDSS tiene 1080 ppm, el combustible 20BDSS tiene 1108 ppm y el combustible 30BDSS tiene 1139 ppm de emisiones de NOx producidas. De la misma manera, al 100% de la condición de carga, el diésel tiene 1258 ppm, la mezcla 10BDSS tiene 1286 ppm, el combustible 20BDSS tiene 1300 ppm y el combustible 30BDSS tiene 1348 ppm de emisiones de NOx producidas. El combustible 30BDSS ha producido más NOx que otros combustibles debido al mayor contenido de oxígeno disponible en el combustible. A cargas más altas, el aumento de la presión conduce al aumento de la temperatura de combustión23. Durante la fase de combustión premezclada, cuanto más calor se genera, mayor es la emisión de NOx16,26.

Influencia de las mezclas de biodiesel en las emisiones de NOx.

La principal influencia en la opacidad del humo por las diversas mezclas de biodiesel y diesel se menciona claramente en la Fig. 8. Al 75% de la condición de carga, el diesel tiene 14,53%, la mezcla 10BDSS tiene 13,39%, el combustible 20BDSS tiene 12,50% y el combustible 30BDSS tiene 11,39%. % de opacidad del humo. A plena carga, el diésel tiene un 18,52%, la mezcla 10BDSS tiene un 17,46%, el combustible 20BDSS tiene un 16,44% y el combustible 30BDSS tiene un 15,38% de opacidad del humo. A partir de estas observaciones se desprende que la opacidad del humo se reduce con cargas menores y aumenta gradualmente con cargas máximas. A mayor carga, el combustible suministrado al sistema es mayor, lo que crea una mezcla rica en la cámara, lo que provoca humo en el tubo de escape21. Debido a la supremacía del contenido de oxígeno en la mezcla 30BDSS se produce una combustión más saludable; estos reducirán la opacidad del humo que otros combustibles considerados10,27.

Influencia de las mezclas de biodiesel en la opacidad del humo.

El efecto más importante sobre las emisiones de CO a través de las diferentes mezclas de biodiesel y diesel con diferentes cargas se menciona claramente en la Fig. 9. Al 75% de la condición de carga, el diesel tiene 0,77%, la mezcla 10BDSS tiene 0,73%, el combustible 20BDSS tiene 0,70% y El combustible 30BDSS tiene un 0,66% de emisiones de CO. De manera similar, al 100% de la condición de carga, el diésel tiene un 0,92%, la mezcla 10BDSS tiene un 0,89%, el combustible 20BDSS tiene un 0,84% y el combustible 30BDSS tiene un 0,81% de emisiones de CO. Estas emisiones de CO creadas por la combustión incompleta debido a la mayor viscosidad, la penetración intempestiva del spray, la temperatura dentro del cilindro, la participación del combustible aplicado y la proporción de hidrocarburos involucrados en la combustión28. La mezcla tiene menos emisiones de CO. Especialmente el 30BDSS tiene las menores emisiones de CO que otros combustibles con la carga más alta. Todo esto se debe a la temperatura de combustión, tasa de masa quemada incompleta en carga máxima22,29.

Influencia de las mezclas de biodiesel en las emisiones de CO.

La Figura 10 expresa notablemente la influencia de las mezclas de biodiesel en la emisión de HC. Al 75% de la condición de carga, el diésel tiene 12 ppm, la mezcla 10BDSS tiene 11 ppm, el combustible 20BDSS tiene 11 ppm y el combustible 30BDSS produce 10 ppm de emisiones de HC. De la misma manera, al 100% de la condición de carga, el diésel tiene 13 ppm, la mezcla 10BDSS tiene 12 ppm, el combustible 20BDSS tiene 12 ppm y el combustible 30BDSS tiene 11 ppm de emisiones de HC producidas. El aumento de la carga conduce a una disminución de las emisiones de HC mediante la mejora de la eficiencia de la combustión con el aumento de la carga. La mezcla 30BDSS tiene menores emisiones de HC que otros combustibles en todas las cargas. La presencia de más biodiesel no afecta mucho las emisiones de HC en el tubo de escape debido a la mejor relación aire-combustible obtenida durante la combustión en la cámara de combustión en el momento de la combustión30. El biodiésel con mayor contenido de ácidos grasos15 tiene más contenido de oxígeno, lo que ayuda a mejorar la combustión con menores emisiones de HC23.

Influencia de las mezclas de biodiesel en las emisiones de HC.

Las siguientes conclusiones son la mezcla del biodiesel de semilla de jaboncillo (10% a 30%) producido a partir del proceso de transesterificación utilizado en un motor CRDI en diferentes condiciones de carga.

La mezcla del biodiésel de las semillas de jaboncillo utilizadas en el motor CRDI es posible con diferentes cargas. El porcentaje de aumento del biodiesel crea una influencia significativa en los resultados experimentales en combustión, rendimiento y emisiones.

El diésel tiene la máxima eficiencia térmica de frenos (30,10%) que otras mezclas.

La mezcla utilizada con un 30% de biodiésel de semillas de jaboncillo (30BDSS) tiene una presión máxima en el cilindro más baja y una tasa de liberación de calor más baja en la combustión que el diésel.

La mezcla utilizada con un 30% de biodiésel de semillas de jaboncillo (30BDSS) tiene las menores emisiones de HC, CO y humo, pero las emisiones de NOx aumentaron.

La mezcla 30BDSS generó mayores emisiones de NOx que otros combustibles.

Los 30BDSS tienen 27,82% de BTE, 1348 ppm de emisión de NOx, 78,93 bar de presión máxima, 61,15 J/grado de HRR con menores emisiones de CO (0,81%), HC (11 ppm) y opacidad de humo (15,38%).

Recomendó que el uso de 30% de biodiesel de mezcla de semillas de jaboncillo en motores CRDI sin ninguna modificación tenga un rendimiento más cercano y menores emisiones que el diésel, excepto NOx.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente y pueden compartirse previa solicitud razonable.

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Los autores extienden su más sincero agradecimiento a la Escuela de Ingeniería Saveetha, Chennai y al Departamento de Tecnología y Gestión de la Construcción de la Universidad Wollega, Etiopía, por proporcionar las instalaciones necesarias para publicar este trabajo de investigación.

Este trabajo de investigación no obtuvo financiación específica de las oficinas de financiación de la sociedad en general, las empresas o el sector no orientado a los ingresos.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Escuela de Ingeniería Saveetha, SIMATS, Chennai, Tamil Nadu, India

Mohammed Owais Ahmed Sajjad y T. Sathish

Departamento de Ingeniería Química, Universidad Annamalai, Annamalai Nagar, 608002, India

M. Rajasimman

Departamento de Tecnología y Gestión de la Construcción, Universidad Wollega, Oromia Occidental, Etiopía

TR Praveenkumar

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MOAS: refinamiento del papel, recursos. TS—Borrador original, revisión gramatical, conceptualización y correspondencia. MR—Ejecución del proyecto. PRT: borrador final.

Correspondencia a T. Sathish o TR Praveenkumar.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Sajjad, MOA, Sathish, T., Rajasimman, M. et al. Evaluación experimental del rendimiento del biodiesel de aceite de semilla de jaboncillo en un motor diésel CRDI. Informe científico 13, 5699 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32424-8

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Recibido: 02 de febrero de 2023

Aceptado: 27 de marzo de 2023

Publicado: 07 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32424-8

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