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VEHICULO ALIMENTADO POR GAS NATURAL LICUADO

J.M. Arroyo Rosa Página 1

El gas natural comprimido (GNC)

También conocido en algunos países como GNV (gas natural vehicular) se origina bajo condiciones parecidas a las del petróleo y es un producto subsidiario de la explotación petrolífera.

También hay yacimientos específicos de gas natural.

Tal y como sucede con el petróleo y el carbón, el gas natural pertenece a los recursos naturales orgánicos combustibles.

El componente principal del gas natural es el "metano" (CH4) una combinación química del carbono con el hidrógeno.

El gas natural se puede utilizar en motores térmicos, sin tenerse que someter a ningún proceso adicional como se hace con el refinamiento del petróleo para obtener gasoil, gasolina y demás productos derivados.

Nota: No se confunda el gas natural con el LPG - GLP (liquified petroleum gas -gas licuado del petróleo), también llamado autogás o gas licuado, que consta principalmente de propano y butano.

El GLP se obtiene como producto derivado de la destilación en la producción de gasolina, por lo que depende directamente de las reservas de petróleo.

El gas natural, en su condición de gas combustible, es el energético fósil más compatible con el medio ambiente.

Consta, en esencia, de un 80 - 99 % de metano (CH4). El resto está constituido por adiciones de dióxido de carbono, nitrógeno e hidrocarburos menos significantes.

El gas natural se puede utilizar directamente, sin modificaciones químicas, como combustible para motores de combustión interna.

http://www.aficionadosalamecanica.net/gas-natural-comprimido.htm





Esto supone una clara ventaja de coste en comparación con el refinado del petróleo para obtener gasolina y gasoil. Sin embargo, según la procedencia del gas natural, puede ser necesario someterlo a un ciclo de depuración o deshidratación. Por motivos de seguridad se procede a mezclar el gas natural inodoro con un aditivo para que se pueda oler en caso de fuga.

Calidades del gas natural

Dependiendo del yacimiento los proveedores pueden ofrecer una calidad de gas distinta.

Con la interconexión de gaseoductos esta calidad se equilibra.

La diferenciación de las calidades se establece sobre la base del poder calorífico del gas natural.

Según su poder calorífico se diferencia entre: H-Gas (high = alto) y L-Gas (low = bajo). Los diferentes poderes caloríficos de H-Gas y L-Gas se traducen a su vez en diferentes consumos de combustible.

El peso del gas natural guarda una proporción directa con respecto al volumen, en virtud de lo cual se hace la cuenta del repostaje en kilogramos. Un kilogramo de gas natural tiene un volumen de aprox. 6,2 litros.



Emisiones

Una de las ventajas del uso del gas natural es la reducción de emisiones, si lo comparamos con un motor a gasolina.

En el gráfico inferior podemos ver una comparativa para un motor de un vehículo de 2.5L / 85 KW en el ciclo de prueba europeo.

Comparación y disposiciones legales

A continuación se enumeran las ventajas y desventajas del empleo del gas natural como combustible para motores:

Ventajas:

Para personas que hacen muchos kilómetros es una fuente de energía a precio razonable, poco utilizada hasta la fecha.

Dependiendo del país puede tener incentivos fiscales y otras ayudas. Las emisiones contaminantes son marcadamente inferiores a las de la

gasolina y el gasoil



En el proceso de la combustión se produce casi exclusivamente agua. Halla aplicación en los motores convencionales de gasolina, sin

necesitar modificaciones importantes. Idoneidad para la aplicación bivalente (gas - gasolina). Alta resistencia al picado. No implica modificaciones en el seguro del vehículo. Las reservas de los yacimientos de gas natural alcanzan a cubrir un

plazo claramente superior al de las del petróleo crudo. No existen pérdidas por volatilización al repostar. Es más ligero que el aire y se volatiliza hacia arriba. Una combustión «más suave». Gases de escape casi exentos de partículas.

Desventajas:

Una leve pérdida de potencia del motor en comparación con el uso de la gasolina, suponiéndose un motor de gasolina optimizado.

Los depósitos de alta presión implican la observancia de disposiciones especiales sobre montaje, seguridad y vigilancia.

El volumen adicional del depósito para la operatividad bivalente tiene que ser alojado en el vehículo.

Los depósitos de acero para gas natural constituyen un lastre adicional en el vehículo; este problema no existe en el caso de los depósitos de material plástico.

La red de estaciones de repostaje en según que países todavía es muy limitada



Mayor precio de adquisición del vehículo

Según los países puede tener unas revisiones técnicas mas frecuentes por parte de la Inspección Técnica de Vehículos (ITV en España) (TÜV en Alemania), lo que trae consigo un mayor gasto de dinero en revisiones.

Una menor autonomía en el modo operativo con gas natural

Los trabajos destinados a la parte de alta presión en el sistema de gas natural únicamente deben ser llevados a cabo por personal correspondientemente preparado y dotado de un certificado de sus conocimientos en la especialidad.

Tecnología de un motor de gas natural y sus elementos auxiliares

Como ejemplo de la aplicación del gas natural a un vehículo vamos a ver como se aplica esta tecnología en el modelo Volkswagen Golf BI FUEL.

El Golf BI FUEL para el funcionamiento en modo bivalente (gas - gasolina) se implanta una sola unidad de control Motronic para ambos modos operativos.

Según el modo operativo del momento, el sistema pone en vigor las correspondientes familias de características y funciones para el funcionamiento



con gasolina o con gas natural. Este vehículo se ofrece exclusivamente con el motor de 2,0 l / 85 kW.



Las diferentes formas de almacenar el gas natural

El gas natural puede ser almacenado de dos diferentes formas:

Almacenamiento CNG = GNC (compressed natural gas = gas natural comprimido)

Almacenamiento LNG = GNL (liquified natural gas = gas natural licuado)

Almacenamiento GNC Para contar con una capacidad de llenado suficiente para la operatividad con gas natural se procede a comprimir con este método el gas natural hasta 200 bares como máximo.

Para este tipo de almacenamiento se necesitan depósitos lo suficientemente resistentes para soportar estas elevadas presiones. Este tipo de almacenamiento es el utilizado por los vehículos propulsados por gas natural.

Almacenamiento GNL En virtud de que el gas natural siempre se encuentra en el estado de agregación gaseoso se procede a enfriarlo intensamente con este método.

El gas natural se licúa a una temperatura de 161 °C bajo cero y se puede almacenar en ese estado.

Para el almacenamiento y transporte se necesitan depósitos frigoríficos especiales.

Este método se aplica principalmente para el almacenamiento del gas natural en estaciones fijas y no para propulsar vehículos.

Depósito de gas natural En Volkswagen se implantan dos diferentes tipos de depósitos para el almacenamiento CNG del gas natural:

Depósitos de acero

Depósitos de CFK para gas natural (depósitos de plástico reforzado con fibra de carbono)

Un depósito de acero (figura inferior) pesa unos 80 kilogramos y tiene una capacidad de aprox. 80 litros.

Un volumen en depósito de 80 litros de gas natural tiene un peso equivalente a unos 12,9 kilogramos.



En la actualidad en vehículos diseñados principalmente para funcionar con gas y que utilizan un pequeño deposito de gasolina para emergencias, los depositos de gas se diseñan y se situan de tal forma que ocupen el menor espacio posible en el habitaculo.

Como podemos ver en la figura inferior, el fabricante Volkswagen en el modelo Caddy instala hasta 4 depósitos.

Los cuatro depósitos de gas natural poseen una capacidad unitaria de 40 litros.

Se instalan dos depósitos delante y dos detrás del eje trasero.

El depósito de gasolina para emergencias se monta entre los dos depósitos anteriores para gas natural y el eje trasero.

Los depósitos de gas natural se sostienen con cintas tensoras bajo la plataforma del piso. Hay una cubierta de material plástico para proteger los depósitos.



El Golf BI FUEL utiliza un depósito de CFK (depósito de plástico reforzado con fibra de carbono).

Se montan dos diferentes depósitos de gas natural en material plástico reforzado con fibra de carbono.

Ambos tienen una capacidad total de 74 litros y suman un peso de 34 kilogramos.

Un volumen en depósito de 74 litros de gas natural tiene un peso de 11,9 kilogramos.

Los depósitos de gas natural del Golf BI FUEL se montan en el maletero. Mediante una cubierta por separado van protegidos contra influencias externas y posibles daños.

El depósito de gas natural del Golf BI FUEL (figura inferior) consta de un cuerpo básico de polietileno, bobinado con varias capas de resina epoxi reforzada con fibra de carbono.

En ambos frentes lleva bridas de empalme en aluminio para alojar el protector térmico y la válvula de cierre del depósito.

Para proteger los frentes del depósito de gas natural se instalan caperuzas de protección en ambos lados. Estas caperuzas constan de una capa exterior de policarbonato y una capa interior de poliestireno.



Los depósitos de gas natural se fijan al vehículo por medio de dos cintas tensoras de acero.

Componentes que forman la instalación para la alimentación de GNC al motor



Dentro de la instalación de alimentación de gas al motor hay dos partes diferenciadas:

Lado de alta presión

Lado de baja presión

Lado de alta presión

En el lado de alta presión podemos encontrar los siguientes componentes:

Empalme de llenado con caperuza, válvula de retención y filtro

Envoltura del tubo estanca al gas en el vehículo

Depósito de gas natural Válvula de retención

Válvula de cierre del depósito con: - válvula de cierre electromecánica - válvula de cierre mecánica - elemento de material fusible - limitador del caudal de paso gas

Protector térmico

Tubo de gas natural a alta presión

Sensor de presión en depósito

Regulador de presión del gas con: - válvula de alta presión para el modo con gas

- filtro - dos etapas de reducción de presión - válvula de descarga



Lado de baja presión

En la parte de baja presión podemos encontrar los siguientes componentes:

Regulador de presión del gas

Tubo flexible de gas natural a baja presión

Regleta distribuidora de gas

Sensor para regleta distribuidora de gas

Válvulas de insuflación de gas

El "intermediario" entre las partes de alta y baja presión está constituido por el regulador de presión de gas.



En el diagrama de flujo que figura más abajo están representados todos los componentes del sistema de gas natural.

En los apartados siguientes se explican con detalle los diferentes componentes del sistema de gas natural.

Todos los componentes están representados en posición de reposo.

Componentes del lado de la alta presión

Empalme de llenado

Se encuentra en la parte trasera derecha del vehículo. Va cubierto por medio de una tapa extraíble.

El empalme de llenado tiene integrados un filtro de partículas y una válvula de retención.



El filtro funciona sin mantenimiento.

Se limpia solo en cuanto se degrada la presión del tubo de alimentación al depósito hacia la pistola del surtidor.

Tubo de gas natural a alta presión

El tubo de gas natural a alta presión es de acero afinado y está diseñado para una presión de unos 200 bares.

Comunica el empalme de llenado con los depósitos y éstos con el regulador de presión del gas.

Va tendido fijamente en la carrocería

. Para establecer una buena estanqueidad al gas se procede a unir los diferentes tramos parciales por medio de un racor con anillo aprisionador doble.

En los bajos del vehículo se tiende el tubo de gas natural a alta presión en disposición paralela a la tubería de gasolina.



Nota:

Los componentes para gas natural pertenecientes al lado de alta presión que se instalan en el habitáculo tienen que estar provistos de una envoltura estanca al gas.

Válvulas 1 y 2 de cierre del depósito N361 y N362

En la parte frontal derecha de cada depósito de gas natural va enroscada respectivamente una válvula de cierre del depósito. Estas válvulas encargan de regular la alimentación de gas natural en el vehículo.

En acción conjunta con los componentes indicados a continuación constituyen respectivamente un equipo de seguridad:

Válvula de cierre electromecánica

Elemento de material fusible

Válvula de cierre mecánica

Válvula de retención (sólo en el depósito de gas natural I) Limitador del caudal de paso



Las válvulas de cierre del depósito tienen una rosca cónica, por lo cual no se las debe desmontar y volver a montar.

Si se suelta una válvula de cierre del depósito es preciso sustituirla por una nueva.

Diagrama de flujo de las válvulas 1 y 2 para cierre del depósito

En el diagrama de flujo de la figura inferior se representan esquemáticamente todos los componentes que pertenecen a la válvula de cierre del depósito. Ambas válvulas de cierre del depósito corresponden a una misma arquitectura:

Válvula de cierre mecánica

La válvula de cierre mecánica se muestra de forma remarcada en el esquema contiguo.

A través de la válvula de cierre mecánica se puede cerrar de forma estanca el depósito de gas natural utilizando una llave de boca.



Por motivos de seguridad no se cierra el empalme del elemento de material fusible, aun estando cerrada la válvula de cierre.

Nota:

Si se produce olor a gas o si se realizan trabajos de reparación es preciso cerrar la válvula de cierre mecánica.

Limitador del caudal de paso

El limitador del caudal de paso es una válvula de seguridad, que se encuentra en la válvula 1 para cierre del depósito.

Impide la salida instantánea, no intencionada, de gas natural del depósito después de haberse producido un daño en las tuberías de gas natural.

El limitador del caudal de paso viene ajustado por medio del muelle de compresión, de modo que cierre al existir una diferencia de presiones de 2 bares.

Funcionamiento

Si se desprende o desgarra el tubo de gas natural o si pierde estanqueidad, la presión en el tubo cae en un tiempo mínimo alrededor de 2 bares.

A raíz de esta caída repentina, la presión en el depósito de gas natural sobrepasa claramente la diferencia de presiones de 2 bares y oprime la bola contra el asiento de estanqueidad, por medio del cuadrado guía.

El depósito de gas natural cierra de esa forma y deja de ser posible la fuga de gas.



Elemento de material fusible

El elemento de material fusible también va montado a la válvula de cierre del depósito.

Evita que el depósito de gas natural pueda reventarse a raíz de un aumento excesivo de la presión como consecuencia de un incendio.

El elemento de material fusible va montado de modo que siempre sea posible una descarga directa de la presión.



Funcionamiento

El punto de fusión del material que integra el elemento de material fusible es de unos 110 °C.

Si a raíz de un incendio, el material fusible alcanza una temperatura de aprox. 110 °C se empieza a fundir.

El material fundido es absorbido en el conglomerado poroso de presión.

El gas natural puede salir del depósito a través de los orificios de salida, procediendo de forma controlada y puede ser quemado correspondientemente.

De esa forma se impide que los depósitos de gas natural revienten en caso de aumentar la presión de forma excesiva.

Nota:

En el funcionamiento normal, el conglomerado poroso de presión impide que el material fusible se fugue bajo la influencia del gas a presión.



Válvula de cierre electromecánica

En la figura inferior se destaca la válvula de cierre electromecánica.

Consta de una válvula electromagnética, es decir, dotada de un electroimán, y de una válvula mecánica.

La válvula electromagnética se encuentra cerrada al no tener aplicada la corriente, con lo cual cierra a su vez el depósito de forma estanca al paso del gas. Funcionamiento

Las válvulas de cierre electromecánicas abren al estar conectado el encendido (borne 15).

A esos efectos, la unidad de control para Motronic J220 se encarga de excitar el relé 1 para válvula de cierre J651.

Estando abiertas las válvulas de cierre electromecánicas se encuentra sometida a presión toda la parte de alta presión del sistema.

En caso de avería si no se excitan las válvulas de cierre electromecánicas, deja de ser posible la función con el uso del gas natural.



Válvula de cierre electromecánica durante el repostaje

Al repostar (figura inferior), el gas natural entra en el sistema del Golf BI FUEL con una presión de 200 bares.

La válvula mecánica en la válvula de cierre electromecánica es abierta mecánicamente contra la fuerza del muelle, por la acción que ejerce la presión del gas natural durante el repostaje.

El gas natural fluye hacia el depósito del vehículo.

Cuando el depósito del vehículo alcanza la presión de 200 bares la válvula mecánica cierra nuevamente por la acción del muelle.

Válvula de cierre electromecánica, eléctricamente abierta

Para que se pueda suministrar el gas al motor en el modo con gas natural es preciso excitar la válvula de cierre electromecánica.



Al aplicarse corriente al electroimán, la válvula electromagnética abre y el gas pasa del depósito de gas natural hacia el motor.

Válvula de retención

La válvula de retención impide el reflujo involuntario del gas natural a través de las tuberías y de la boca de llenado hacia el ambiente.

En el Golf BI FUEL se montan dos válvulas de retención.

Una válvula de retención va acoplada directamente al empalme de llenado.

En la válvula 1 para cierre del depósito (depósito de gas natural I) va montada la segunda válvula de retención.

Válvula «abierta» El gas del surtidor, que se encuentra a alta presión durante la operación de llenado, oprime la bola en contra de la fuerza del muelle de compresión, liberándola del asiento de estanqueidad. El gas pasa al depósito.



Válvula «cerrada» Si al término de la operación de repostaje falta la presión positiva en el lado izquierdo de la bola de estanqueidad, la fuerza del muelle y la presión reinante en el depósito se encargan de oprimir nuevamente la bola contra el asiento de estanqueidad. De esa forma se impide el reflujo del gas.

Regulador de la presión del gas

El regulador de la presión del gas va situado en el vano motor y se encarga de reducir la presión del gas natural acumulado en los depósitos, de 200 bares a unos 6 bares.

La reducción de la presión del gas natural se realiza en el regulador de presión, a través de una sola etapa reductora.

El regulador por tanto separa el lado de alta presión del sistema de gas natural con respecto al lado de baja presión.



Arquitectura

El regulador de la presión del gas consta de los siguientes componentes:

Empalmes de líquido refrigerante hacia el circuito de refrigeración del motor

Filtro integrado a la entrada del gas

Sensor de presión en el depósito

Válvula alta presión para operatividad con gas

Etapa reductora de presión

Válvula mecánica de descarga

La etapa reductora de presión en el regulador de la presión del gas consta

la cámara de alta presión con émbolo regulador



la cámara de baja presión con válvula mecánica de descarga

el platillo de diafragma

el muelle

Válvula de alta presión para operatividad con gas

Se monta adosada a un costado del regulador de la presión del gas.

Esta válvula cierra y abre el acceso a la etapa reductora del regulador de la presión del gas.

Con ello interrumpe la comunicación entre los depósitos de gas natural y el motor, representando así un componente más para la seguridad en el sistema de gas natural.

Para cumplir con esta función, la válvula se encuentra cerrada al no tener aplicada la corriente.

En caso de avería, si la unidad de control del motor no puede aplicar corriente a la válvula de alta presión, entraría el modo de emergencia y el motor solo puede funcionar con gasolina.

Sensor de presión en el depósito

Este sensor se atornilla por arriba en el regulador de la presión del gas y sirve para determinar la presión momentánea del gas natural en el lado de alta presión del sistema.



Con este dato, la unidad de control del motor detecta el grado de llenado que tienen los depósitos de gas natural.

Si se ausenta la señal del sensor de presión en el depósito, el indicador de contenido del primer depósito de gas natural pasa a cero.

A pesar de ello, el vehículo sigue operativo con gas natural todo el tiempo que el sensor para el conducto distribuidor de gas tenga aplicada una presión de gas natural de unos 6 bares.

Etapa reductora

En la etapa reductora de presión se procede a regular la presión del gas natural de alta a baja presión.

Funcionamiento

Al ser abierta la válvula de alta presión para operatividad con gas, por intervención de la unidad de control del motor, el gas fluye a alta presión hacia el émbolo regulador en la cámara de alta presión.

El émbolo regulador se encuentra comunicado con la cámara de baja presión a través de un diafragma sometido a fuerza de muelle.

Si la presión del gas en la cámara de baja presión es inferior a 6 bares, el muelle de compresión oprime hacia arriba el diafragma y el émbolo regulador.

El émbolo regulador abre la comunicación hacia la cámara de alta presión. El gas fluye ahora de la cámara de alta presión hacia la de baja presión.



El gas que ingresa produce un aumento de presión en la cámara de baja presión.

Si la presión alcanza 6 bares oprime el diafragma contra la fuerza del muelle hacia abajo.

De esa forma el émbolo regulador, solidario del diafragma, cierra la comunicación hacia la cámara de alta presión.

Si el motor consume gas natural, la presión de éste desciende en la cámara de baja presión.

El muelle oprime entonces el platillo de diafragma hacia arriba, con lo cual abre el émbolo regulador.

Vuelve a fluir gas natural hacia la cámara de baja presión.

Empalmes de líquido refrigerante

Al rebajarse por regulación la presión del gas natural de 200 bares a 6 bares, el gas se expande.

Esto hace que extraiga energía de calor del entorno, provocando un enfriamiento del gas y su entorno.



Este fenómeno es equivalente al del agente frigorífico en el evaporador de un sistema de aire acondicionado.

Para evitar este fenómeno de enfriamiento (riesgo de congelación), el regulador de presión del gas, se encuentra comunicado con el circuito de refrigeración del motor a través de los empalmes para líquido refrigerante.

Componentes del lado de baja presión

Conducto distribuidor de gas

El conducto distribuidor de gas (rampa de inyección) va montado al elemento superior del colector de admisión.

Lleva cuatro válvulas de insuflado de gas, gestionadas eléctricamente, así como el sensor para el conducto distribuidor de gas.



Válvulas de insuflado de gas

Las válvulas de insuflado de gas van enchufadas en los conductos de admisión de los cilindros.

Son excitadas por la unidad de control del motor mediante una señal modulada en anchura de los impulsos durante la operatividad con gas.



Los tiempos de apertura de las válvulas de insuflado de gas dependen de:

el régimen del motor, la carga del motor, la calidad del gas natural y

la presión del gas natural en el conducto distribuidor.

Con sólo una válvula de insuflado de gas que se averíe, la unidad de control del motor cambia a la operatividad de emergencia con gasolina. Sensor para conducto distribuidor de gas

El sensor para conducto distribuidor de gas determina la presión del gas que se acumula en el.

La unidad de control del motor utiliza la señal del sensor para calcular y gestionar los tiempos de apertura en las válvulas de insuflado

. Si la presión en el conducto distribuidor de gas sobrepasa la marca de 10,5 bares o si se ausenta la señal del sensor el sistema conmuta a la operatividad de emergencia con gasolina. Unidad de control del motor

La unidad de control del motor regula la preparación de la mezcla en operatividad con gas natural o en operatividad con gasolina.



Funciones de la unidad de control del motor en operatividad con gas natural Arranque del motor

Temperatura del líquido refrigerante inferior a 15°C: - Arranque en operatividad con gasolina

Temperatura del líquido refrigerante superior a 15°C: - Arranque en operatividad con gas natural

Condiciones para la operatividad con gas natural:

Temperatura del líquido refrigerante superior a 15°C

Presión del gas natural en el conducto distribuidor de gas: más de 6 bares

Arranque del motor después de repostar gas natural

El arranque es siempre en operatividad con gasolina.



La conmutación a la operatividad con gas natural se realiza con la activación de la regulación lambda o, como muy tarde, al cabo de 3 minutos de marcha del motor.

Regulación lambda en operatividad con gas natural

La composición de la mezcla es regulada por la unidad de control del motor.

En función de la calidad del gas natural repostado (gas high o low) la unidad de control del motor tiene que adaptar la formación de la mezcla.

La sonda lambda mide la composición de los gases de escape y transmite el resultado a la unidad de control en forma de señales.

Con ayuda de las señales, la unidad de control del motor calcula la composición de la mezcla momentáneamente requerida (aire / gas natural).

La unidad de control del motor se encarga de variar los tiempos de apertura de las válvulas de insuflado de gas para gestionar así la composición de la mezcla.

Autoadaptación del gas natural repostado

Después del repostaje de gas natural, la unidad de control del motor tiene que adaptar los tiempos de apertura para las válvulas de insuflación de gas a la calidad del gas repostado.

La unidad de control del motor detecta la operación de repostaje con ayuda del sensor de presión en el depósito.

Si se repostó gas de versión "high", el mayor porcentaje de metano contenido en los gases de escape se traduce en una mezcla rica y correspondientemente en una mezcla pobre si se trata de gas low.

La unidad de control del motor reconoce la composición de la mezcla analizando la calidad de los gases de escape captados por la sonda lambda.

Si la calidad de los gases de escape no corresponde con la composición momentánea de la mezcla, la unidad de control del motor da por supuesto que se ha repostado una calidad de gas natural diferente y adapta los tiempos de apertura para las válvulas de insuflación de gas a la calidad existente.

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