Tesis:
Diseño y fabricación de un motor de biomasa
- Autor: SUANES FONCEA, Gonzalo
- Título: Diseño y fabricación de un motor de biomasa
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. DE MINAS Y ENERGÍA
- Departamentos: ENERGIA Y COMBUSTIBLES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/84330/
- Director/a 1º: BOLONIO MARTÍN, David
- Director/a 2º: CANTERO OBREGÓN, Antonio
- Resumen: Today's society is dependent on fossil fuels. Basic activities such as food production, transportation... depend on them. The current situation of fossil fuel depletion and climate change urges the development of viable alternatives to petroleum-derived fuels. Biomass from agricultural and forestry waste is a currently untapped source of energy, which can be accumulated in the machine itself easily and safely. However, biomass burns in a solid state, so it cannot be used as fuel in available engines. The development of an engine capable of using biomass as fuel would make it a viable alternative to an important part of the petroleum-based fuels currently consumed. For this reason, it is proposed to design an internal combustion engine that uses solid fuel, which will allow the use of biomass as a fuel and energy source.
Specifically, this thesis has the following objectives:
1.- Evaluate the viability of biomass as an alternative to fossil fuels.
2.- Study the viability of other proposed alternatives to fossil fuels.
3.- Design and manufacture an engine prototype that uses biomass pellets according to UNE-EN ISO 17225-2:2014 as fuel.
4.- Study the impact on society of the use of biomass engines.
5.- Study the possibilities of biomass as a military fuel.
The most important findings of the research carried out have been the following:
1.- Biomass is an energetically viable alternative. The biomass production capacity in Spain is equivalent to 79% of the diesel fuel (A+B) consumed in 2019.
2.- Biomass is an economically viable alternative. The fuel cost of a machine equipped with a biomass engine would be 33% lower than the equivalent diesel machine.
3.- The thermodynamic cycle performed by the proposed engine does not correspond to any of the previously published cycles. A publication has been made on the cycle resolution method and its most important characteristics.
4.- The cycle presents an optimal compression ratio, for which efficiency is maximum.
5.- The cycle is very sensitive to the residual volume left in the cylinder and the grille after compression (dead volume). Reducing dead volume to a minimum should be a priority in engine design.
6.- The biomass-fueled engines must operate according to a two-stroke cycle, exchanging gases through ports located at the base of the cylinder. This is due to the need to reduce the dead volume, the dirt with which the engine will operate, as well as other peculiarities.
Based on these findings, a combustion chamber has been designed and a functional prototype engine has been made. A patent has been applied for on the design of the combustion chamber.
The start-up of the prototype engine demonstrates the technical feasibility of biomass as a fuel for internal combustion engines. Biomass becomes a fully viable alternative to petroleum-based fuels. The adoption of the biomass-fueled engine would have a very positive impact on various aspects of society. Finally, from a military point of view, biomass-fueled engines present an opportunity to develop vehicles more resistant to combat damage, and to reduce energy dependence at both a tactical and strategic level.
RESUMEN
La sociedad actual es dependiente de los combustibles fósiles. Actividades básicas como la producción de alimentos, el transporte dependen de ellos. La situación actual de agotamiento de los combustibles fósiles y cambio climático, urge a desarrollar alternativas viables a los combustibles derivados del petróleo. La biomasa procedente de residuos agrícolas y forestales es una fuente de energía actualmente desaprovechada, que presenta la ventaja de poder ser acumulada en la propia máquina de forma fácil y segura. Sin embargo la biomasa arde en estado sólido, por lo que no puede emplearse como combustible en los motores disponibles. El desarrollo de un motor capaz de utilizar biomasa como combustible, la convertiría en una alternativa viable a una parte importante de los combustibles derivados del petróleo, consumidos en la actualidad.
Por ese motivo se propone diseñar un motor de combustión interna que utilice combustible sólido, lo que permitirá el aprovechamiento de la biomasa como combustible y fuente de energía. En concreto, esta tesis tiene los siguientes objetivos:
1.- Evaluar la viabilidad de la biomasa como alternativa a los combustibles fósiles.
2.- Estudiar la viabilidad de las otras alternativas propuestas a los combustibles fósiles.
3.- Diseñar y fabricar un prototipo de motor que utilice pellet de biomasa según norma UNE-EN ISO 17225-2:2014, como combustible.
4.- Estudiar el impacto en la sociedad de la utilización de motores de biomasa.
5.- Estudiar las posibilidades de la biomasa como combustible militar.
Los hallazgos más importantes de la investigación realizada han sido los siguientes:
1.- La biomasa es una alternativa viable energéticamente. La capacidad de producción de biomasa en España equivale al 79% del gasóleo (A+B) consumido en el año 2019.
2.- La biomasa es una alternativa viable económicamente. El coste de combustible de una máquina dotada de motor de biomasa, serían un 33% menor que la máquina diésel equivalente.
3.- El ciclo termodinámico realizado por el motor propuesto no corresponde con ninguno de los ciclos publicados anteriormente. Se ha realizado una publicación sobre el método de resolución del ciclo y sus características más importantes.
4.- El ciclo presenta una relación de compresión óptima, para la cual el rendimiento es máximo.
5.- El ciclo es muy sensible al volumen residual que queda en el cilindro y la rejilla tras la compresión (volumen muerto). Reducir el volumen muerto al mínimo debe ser una prioridad en el diseño del motor.
6.- Los motores de biomasa deberán funcionar según un ciclo de dos tiempos, realizando el intercambio de gases a través de lumbreras ubicadas en la base del cilindro. Esto se debe a la necesidad de reducir el volumen muerto y a la suciedad con la que trabajará el motor, así como otras particularidades.
A partir de estos hallazgos, se ha diseñado una cámara de combustión y fabricado un motor prototipo funcional. Se ha solicitado patente sobre el diseño de la cámara de combustión.
El arranque del motor prototipo demuestra la viabilidad técnica de la biomasa como combustible para motores de combustión interna. La biomasa se convierte en una alternativa plenamente viable a los combustibles derivados del petróleo. La adopción del motor de biomasa tendría un impacto muy positivo en diversos aspectos de la sociedad. Por último, desde un punto de vista militar, los motores de biomasa presentan una oportunidad para desarrollar vehículos más resistentes a daños en combate y para reducir la dependencia energética tanto a nivel táctico como estratégico.