ForEl gas natural en los motores DiselEduardo Corrales, Elizabeth Morales, Diego Vargas, Ing. Leonidas QuirozRESUMENLa conversin de la energa !umica almacenada "or la naturaleza en los combustibles#siles involucra una "rimera trans#ormacin en energa trmica, al "roducirse la reaccin decombustin. El calor contenidoenlos gases decombustindebetraducirseenenergamec$nica en #orma de movimiento de un e%e !ue "ermita a su vez accionar automotores ogenerar energa elctrica en un alternador. Los motores decombustininterna e#ect&aneste traba%outilizandodiversos dise'os (accionamientosmec$nicos, "araloscualesresultar$mu(convenientelamenor"resencia"osible de im"urezas, "or lo cual la dis"onibilidad de gas natural re"resenta una o"ortunidadeconmica ( ecolgica ineludible en este cam"o.La conversin de motores del ciclo )tto no re"resenta ma(or "roblema tcnico "or!ue el gasnatural resulta e!uivalente a una gasolina de *+, octanos, debido a la e-celente ca"acidadantidetonante del metano, no teniendo "roblemas "ara encender "or la "resencia de la chis"a.en el caso de motores diesel, las di#icultades tcnicas son ma(ores, "ero la conversin siguesiendoatractiva, "or lo!ueresultar$verdaderamenteim"ortanteanalizartales"ro(ectosdesde el "unto de vista termodin$mico.La termodin$mica re"resenta el #undamento de los motores endotrmicos rotativos (alternativos. El an$lisis e#ectuado"ara incor"orar el gas natural como combustible enmotores diesel "ermite establecer la conveniencia de dise'ar motores es"ec#icamenteadecuados "ara o"erar con gas natural utilizando el ciclo )tto, con relaciones de com"resinm$saltas!uelasnormalmenteutilizadas"aracombustiblel!uidos. Enlamima#orma,"oder o"erar satis#actoriamente con gas natural, motores diesel con chis"a de encendido.GAS NATURAL, CICLO OTTO, CICLO DIESEL, CICLO SABATH,TERMODINAMICADESARROLLOLos motores de combustininterna sonusados desde hace muchotiem"o"ara lageneracin de traba%o /trans#ormando energa !umica en energa mec$nica0 no slo "ara la"ro"ulsindeautomviles, navos, locomotoras, etc., sinotambin"aralageneracindeenerga elctrica. 1in embargo, a&n e-isten diversos temas de investigacin !ue "oco a "ocovan siendo desarrollados "or di#erentes instituciones de educacin e investigacin, adem$sde las industrias, !ue siem"re est$n buscando nuevas tecnologas !ue "uedan incluir en elmercado. El ob%etivo "rinci"al de este traba%o es el estudio del gas natural En los &ltimostiem"osel gasnatural /230est$teniendomuchaim"ortancia, (a!ueest$siendousadocomo combustible alternativo al "etrleo Diesel, debido a !ue "resenta una combustin m$slim"ia/menor emisindegasescontaminantes, contribu(endoas conla"roteccindelmedio ambiente0.4or otro lado, el 23 se encuentra en los cam"os de "etrleo, ( "or esta razn, es usadoen los gru"os Diesel generadores. 5hora, "ara !ue motores !ue traba%an originalmente con"etrleo Diesel "asen a utilizar gas natural,deben "asar "or un "roceso de conversin (ada"tacin a"ro"iada. Debemos saber !ue des"us del "roceso de conversin, el motor debe"oseer caractersticas ( com"ortamiento seme%antes a cuando o"eraba con "etrleo Diesel. ANLISISTERMODINMICODELACONVERSINDELMOTORDIESEL AGAS NATURAL El gas natral ! "l #$#lo %$"s"l La di#erencia #undamental entre los motores gasolineros ( diesel es !ue en el "rimero secom"rime la mezcla combustible en el cilindro ( el #inal de la carrera del "istn coincide conlachis"adeencendido, "roducindoselae-"losinavolumenconstante, enel Diesel secom"rime solamente aire ( al #inal de la carrera del "istn no ha( chis"a. la in(eccin delcombustibleseenciendeal "onerseencontactoconel airea"resiones (tem"eraturaselevadas,siendoel 6ndice deCetanoel"ar$metro!ueestablecela velocidaddeignicin,corres"ondiendo al diesel un valor ma(or al ,, 7.La"rinci"al consecuenciadetal di#erenciasetraduceenla"osibilidadlimitadadecom"rimir la mezcla combustible sin !ue se "roduzca la e-"losin "or e#ecto de la elevacinde"resin(tem"eratura/*8a*0. enel casodel diesel, al com"rimirsesolamenteaireincombustible, la relacin de com"resin es considerablemente ma(or, "ermitiendodesarrollar ma(ores "otencias ( me%ores rendimientos /+8 a *0 .9igura *: Ciclo Diesel9uente: C51;ILL) 4En la 9igura * se muestra el #uncionamiento del motor ( el ciclo diesel. En el Diagrama4V se a"recia la eta"a de com"resin adiab$tica /*: ;i"os de encendido9uente: C51;ILL) 4Como se "udo a"reciar en la 9igura =, el rendimiento de motores del ciclo )tto resultalimitado"orlarelacindecom"resinm$-imaadmisibleconcombustiblesl!uidosconca"acidadantidetonantelimitada. La"osibilidaddeo"erarestosmotorescongasnatural,"ermitir$ o"erarlos con ma(ores relaciones de com"resin, obteniendo niveles derendimiento similares a los obtenidos con el ciclo diesel.Los sistemas modernos de control monitorizado de in(eccin secuencial de combustibleacadacilindroindividual /!uintageneracin0, "ermitir$nmantener une-celentecontrolo"erativo de motores diesel convertidos al ciclo )tto "ara o"erar con gas natural.Losmotoresottorizadostambinsonmenoscontaminantes!uelosmotoresdeciclodual, "resentandomenoresemisionesdemon-idodecarbono, (a!ueenel "rocesodetrans#ormacin de los mismos ocurre el cambio del e%e de levas de las v$lvulas, eliminandoas el "roblema causado "or el gran trasla"o de v$lvulas original de los motores Diesel. 4arael "roceso de ottorizacin debemos tener en consideracin los siguientes as"ectos: Estimacin de la relacin 5ire?Combustible 4ara una me%or combustin, es necesario suministrar la mezcla5ire?Combustible /5C0 correcta, "or eso tenemos !ue estimar como va atraba%ar la combustin: con mezcla rica, "obre o este!uiomtrica. La relacin 5ire?Combustible este!uiomtrica es a!uella en la cual lacombustindel combustibleseda"orcom"leto/tericamente0, nohabiendoe-cesodeaire, ni decombustible. Esarelacin"uedeser entrevol&menes/volumtrica0 o entre masas /m$sica o gravimtrica0. La variable @ /relacin dee!uivalencia ocoe#iciente de e-cesode aire0 re"resenta la raznentre larelacin 5ire?combustible real del motor ( la relacin 5ire?Combustibleeste!uiomtrica,donde"arala mezcla"obre tenemos!ue@A* ( "aramezclarica tenemos !ue @ menor a *. Belacin de Com"resin del Motor a 2as 3atural Larelacindecom"resindeunmotor eslarelacinentreel volumendelcilindro cuando el "istn se encuentra en el "unto muerto in#erior, ( el volumendel mismo cuando el "istn se encuentra en el "unto muerto su"erior. En losmotoresDiesel, "or tener encendido"or com"resin, seacostumbraatenerrelaciones de com"resin elevadas /de *+:* a +>:*0, ( "or eso, ma(oresrendimientos. En los motores con ciclo )tto, se com"rime una mezcla 5C /( noslo aire0 en el cilindro. Esa mezcla entonces "uede entrar en combustin #ueradel "unto determinado /autoencendido0, sin el accionamiento de la chis"aelctrica, debido a las altas "resiones ( tem"eraturas alcanzadas en la c$mara decombustin. Este #enmeno "uede com"rometer el desem"e'o ( la durabilidaddel motor. "or esta razn, en los motores ottorizados se disminu(e la relacin decom"resin original, limitada "rinci"almente "or la ca"acidad antidetonante delcombustible !ue est$ siendo com"rimido. En algunos casos de motoresottorizados, la tem"eratura del motor tambines un#actor limitante de larelacin de com"resin. Esto es debido a !ue la combustin del gas natural esm$s lenta ( "or lo tano ha( ma(or tiem"o de contacto entre los gases calientesde la combustin ( las "iezas internas del motor, "roducindose as una ma(ortrans#erencia de calor "ara el agua de en#riamiento, "udiendo, en algunos casos,ocasionar desgaste ( #alla del e!ui"o. 5s, algunos #abricantes o"tan "or utilizarrelaciones de com"resin m$s ba%as "ara disminuir la tem"eratura de la mezcla5C antes de la combustin, haciendo !ue el motor traba%e m$s #ro.Con eso, "ara no a#ectar las "iezas internas del motor ( evitar la detonacin, larelacin de com"resin del motor ottorizado debe disminuirse realizandoensa(ose-"erimentales.5dem$s, debemostenerenconsideracinlas#ormast"icas de la c$mara de combustin "ara motores de encendido "or chis"a dondesedesea!uesugeometraevitela#ormacinde"untoscalientes(dealta"resin. Enla#igura,, se"resentala#ormadel nuevo"istn!uedebeser"re"arado.9igura ,: Ma!uinado "ara nueva razn de com"resin9uente: M5CB) /+88,0 1istemas de 5dmisin ( Esca"e 5l convertirse un motor con ciclo Diesel al ciclo )tto, es #undamental analizarlas "eculiaridades de ambos. El hecho de !ue el motor Diesel admite solamenteaire, mientras !ue el motor con ciclo )tto admite una mezcla 5C, (a vuelve deantemano sus sistemas de admisin ( esca"e inadecuados "ara el uso e-clusivode 23. Esto se re#ierealtiem"ode admisin,al tiem"o deesca"e oalgrantrasla"o de v$lvulas !ue "resenta el motor original, en la con#iguracingeomtricadel e%edelevasdelasv$lvulas. El trasla"oocrucedev$lvulas/overla"0 es el tiem"o en !ue las v$lvulas de admisin ( de esca"e est$n abiertassimult$neamente. Estacaractersticaaumentael rendimientovolumtricodelmotor debido al me%or a"rovechamiento de la inercia de los gases, con el aireadmitidoau-iliandoenla e-"ulsinde los gases de combustindel cicloanterior, "osibilitandoma(or admisindeaireDlim"ioE"aralacombustin.5dem$s, el trasla"o "ermite ma(or re#rigeracin del cilindro ( del sistema deesca"e a travs del "aso de aire directo hacia los ductos de esca"e. Como losmotoresDiesel admitensloaire, ellos"resentanuntrasla"odev$lvulasdegrados elevados, caracterstica !ue "asa a ser indeseable en un motor ciclo )tto.Esto signi#ica !ue si las v$lvulas de admisin ( esca"e est$n abiertassimult$neamente "or mucho tiem"o en un motor con ciclo )tto, habr$ un grandes"erdicio de mezcla 5C #resca /no !uemada0. Este #actor se re#le%a en un granconsumo de combustible ( tambin en un elevado nivel de emisiones dehidrocarburos/enel casodel motor agasnatural, el metanono!uemado0.Crecentambinlasemisionesdemon-idodecarbono"aralamezcla!ueacaba siendo !uemada en los ductos de esca"e. CONVERSIONESREVERSIBLES(NOREVERSIBLESDELMOTORDI)SELALIMENTADO CON GNV * SU IM&ACTO MEDIOAMBIENTAL Con+"rs$,n %" Motor D$"s"l a -Motor D"%$#a%o a GNC. Fstassonlassolucionestecnolgicas!ueconsistenb$sicamenteenel C5MGI)DECICL) ;EBM)DI3HMIC), es decir !ue los motores "asar$n de traba%ar con ciclo Diesel"ara "asar al ciclo )ttoEl "rocedimientodeotorizacin , tambindenominadogasi#icacindel motordiesel,desdeel "untodevistatcnico, esunanuevao"cineneta"adedesarrollo. El mismoconsisteenrealizar modi#icaciones estructurales del motor comolamodi#icacindelarelacin de com"resin, !uitar la bomba de diesel ( colocar distribuidor electrnico,modi#icacindelacabezade"istones, introduccindebu%asenlugardelosin(ectores,sustitucin del $rbol de levas, colocar doble em"a!uetadura en la culata (la am"liacin de lac$mara turbo ventilada del "istn. 1eg&n las di#erentes o#ertas, estas conversiones "ueden serreversibles o no, es decir !ue e-isten alternativas donde luego de convertido a ciclo )tto, elmotor "odra eventualmente ser reconvertido al ciclo Diesel original.Enel casodelos motores DdedicadosEel combustibleutilizadoes totalmente2as3atural. Las "rinci"ales venta%as son el menor costo de o"eracin ( los menores ndices deemisiones contaminantes, aun!ue la reconversin de ciclo termodin$mico tendr$ al menos enun "rinci"io, un ma(or costo inicial. El "rinci"io de #uncionamiento es b$sicamente el de unsistema de encendido "or chis"a, lo !ue lo hace sim"le de mantener.E+ala#$,n a/0$"ntal %" la #on+"rs$,n a GNVEl 23V es un combustible #sil !ue no contiene azu#re "or lo !ue su in#luencia sobre ele#ecto contaminante denominado Dlluvia $cidaE es "r$cticamente nula. /La lluvia $cida surgede la interaccin de 3)- /-idos de nitrgeno0 ( 1)- /o-ido de azu#re0 con agua de lluvia.Enlacombustindegasnatural se"roduce3)-, "eronoa"orta1)-. El23V "ermitereducir las emisiones de contaminantes locales /C), 3)-, otros hidrocarburos no !uemados0enm$sdeI87conres"ectoalagasolina. Enlo!uesere#ierealosgasesdee#ectoinvernadero /C)+, CJ>0, la reduccin, es a"ro-imadamente el *,7. El e#ecto de invernadero es un #enmeno natural !ue "ermite !ue la tierra mantenga unatem"eratura relativamente constante /unos *,K en "romedio0. 1e debe al va"or de agua ( alos gases de e#ecto invernadero 2EI Ldi-ido de carbono /C)+0, metano /CJ>0 ( -idos denitrgeno /3)-0. Desde algunas dcadas, la comunidad cient#ica observa un calentamientodel "laneta /M8.,NC aM8.INC desde un siglo0, debido al aumento de los 2EI emitidos en laatms#era como consecuencia, entre otros #actores, de las actividades humanas: "roduccindeenerga, cale#accin(climatizacin, industrias, desechos(trans"orte. Jo(enda, la"roduccinde C)+, rebasa la ca"acidadde absorcinnatural de los ocanos (de lavegetacin. 1e observan #enmenos clim$ticos cada vez m$s e-tremos e ines"erados. 5 nivelmundial, el sector trans"ortere"resenta a"ro-imadamente el =87 de las emisiones de 2EI (su magnitud no de%a de crecer. El crecimiento demogr$#ico, unido al desarrollo econmico,im"lica necesidades de movilidad cada vez m$s im"ortantes ( una motorizacin creciente.9rente a esta situacin, la comunidadinternacional se est$ movilizandoentornoal aamenazadeuncalentamientodel "laneta, "rovocado"or el aumentodelos2EI. Enloconcerniente al sector trans"orte en el $rea urbana, los gobiernos se es#uerzan "or desarrollardi#erentes acciones "ara abatir las emisiones contaminantes de los vehculos ( limitar esteaumento. La emisin de contaminantes de los vehculos a 23Ves signi#icativamente menora la gasolina, estas ci#ras se a"egan a los valores admitidos internacionalmente corres"ondena valores medios, (a !ue el nivel de emisiones reales de los vehculos #uncionando con 23Vde"endedel estadodel vehculo, delaintensidaddesuutilizacin, del mane%odelosch#eres. Las variaciones de estos "ar$metros "ueden causar hasta =87 de di#erencia en losconsumos(enlasemisionestotalesdeC)+, "ermitiendounareduccinanual de>,*88toneladasdegasesdee#ectoinvernadero, estoes, unahorrode*,7conres"ectoalagasolina.9igura O: Emisin de contaminantes "or ti"o de combustible9uente: 5sociacin Latinoamericana de 23C DEl 23C es una alternativa real "ara combatir la "olucion de las grandes ciudadesE. essinnimo de ecologa en todo lo !ue com"ete a combustibles, mediante la im"lementacindel 23C "ara la "ro"ulsin de vehculos de combustin interna se realiza una contribucin"ara reducir la emisin de mon-ido de carbono, "artculas en sus"ensin ( la ma(ora delos t-icos del aire, "roducidos comoconsecuenciadelacombustindehidrocarburosl!uidos. El ob%etivo "rinci"al de utilizar gas natural como combustible es la im"ortante reduccinde im"acto ambiental res"ecto a los !ue utilizan derivados del "etrleo, gasolina ( gasleo. M"tano s$n #o/0st$onarEl ma(or com"onentedel 23Cesel metano. el mismo!ue"uedeocasionarseriosda'os al no ser combustionado en su totalidad (a !ue es un gas de e#ecto invernadero !uecontribu(e en gran medida al calentamiento global. El metano no es t-ico. 1u "rinci"al "eligro "ara la salud son las !uemaduras !ue "uede"rovocar si entra en ignicin. Es altamente in#lamable ( "uede #ormar mezclas e-"losivascon el aire. El metano reacciona violentamente con o-idantes, halgenos ( algunoscom"uestos halogenados. El metano es un gas de e#ecto invernadero mu( im"ortante en laatms#era de la ;ierra con un "otencial de calentamiento de += sobre un "erodo de *88 a'os.Estoim"lica!uela emisin de una toneladademetano tendr$ += veceselim"acto de laemisin de una tonelada de di-ido de carbono durante los siguientes cien a'os.9igura I: Distribucin del metano en la atms#era9uente: PiQi"edio Es"a'a, +8*,&ROCESODEDOBLECOMBUSTIBLE, MOTORDI)SEL CONGASNATURALCOM&RIMIDOCon+"rs$,n a C$#lo Dal 1D$"s"l2Gas3Laconversinaciclodual esunatecnologa!ueutilizaal "etrleoDiesel (el gasnatural en"ro"orciones variables. Engeneral, el 23sustitu(eal "etrleoDiesel enelintervalo de =8 a R87 en volumen.La conversin dual "resenta la venta%a de no necesitar el cambio de com"onentes delmotor original, lo !ue le "ro"orciona ma(or #le-ibilidad ( menor costo de inversin.Losmotoresdeencendido"orcom"resin"uedenseralimentados"orgasmientrasha(a lain(eccindeuncombustibledeba%atem"eraturadeencendido"arainiciar lacombustin /in(eccin "iloto del "etrleo Diesel0.Cnmotor o"erandoensistemadual as"ira(com"rimeunamezclade5ire?23, lacombustin es iniciada cuando el "etrleo Diesel es in(ectado en el cilindro (, a "artir deeste momento, la combustin se desarrolla de #orma seme%ante a la veri#icada en motores decombustin"or chis"a, conciclo)tto. El ciclotermodin$micodeunmotor !ueutilizaDiesel?23 es un ciclo mi-to, con caractersticas del ciclo Diesel hasta la in(eccin "iloto ( alas caractersticasdelciclo)tto des"usde estain(eccin. En la #iguraO, se"resentalacombustin de la in(eccin "iloto ( las zonas de encendido.9igura R: In(eccin 4iloto9uente: JEB353DES /+88O05lgunos bene#icios de los motores Diesel?23: Desarrollan casi la misma "otencia !ue los motores similares o"erando con "etrleoDiesel con cargas su"eriores a ,87. Me%ora los niveles de emisiones del e!uivalente a "etrleo Diesel. Menor costo de mantenimiento !ue los motores e-clusivamente a 23. En emergencia, se "uede retornar al uso e-clusivo de "etrleo Diesel.ELECTRONICAA&LICADAALOSSISTEMASDEALIMENTACINGNVENVEH4CULOS DIESEL DE 5UINTA GENERACINE6$7os %" 5$nta G"n"ra#$,n 5l igual !ue con la cuarta generacin, es una in(eccin electrnica de gas. La di#erenciaradica en !ue no se agrega una ECC nueva, sino una serie de DtraductoresE de in#ormacin"ara !ue el e!ui"otraba%e conlas lecturas de los sensores originales del motor. Cnain(eccinelectrnica#unciona, de#ormaresumida, enbasealecturas desensores. 4ore%em"lo, la sonda lambda en un sensor de o-geno de gases de esca"e. La ECC recibe elvalor de sonda lambda. 1i considera !ue ha( mucho o-geno, la mezcla es "obre ( corrigeaumentando el monto de in(eccin de combustible. 4or el contrario, si ha( "oco o-geno, lamezcla es rica ( la ECC indica a los in(ectores un monto menor. Luego ha( otros sensores,como tem"eratura de aire, "resinenel m&lti"le de admisin/M540, etc. La !uintageneracinhaceusodeesaslecturas, traduciendolo!uelaECCoriginal ledictaalosin(ectores de na#ta, "ara activar los in(ectores de gas. Los in(ectores de na#ta est$ndesactivados mientras el e!ui"o #unciona a gas, "ero una emulacin le hace creer a la ECC!ueest$nactivos. Deesta#orma, laECCnoin#ormaerrores (sigueinter"retandolaslecturas de los sensores ( enviando "ulsos a los in(ectores. Esos "ulsos son inter"retados "orla electrnica del e!ui"o de !uinta generacin, ( utilizados "ara in(ectar gas. /#oto de ram"a,etc, de!uinta, tambinlinQal artculode,tagen. m$s "ro#undodel moler0 La!uintageneracinesel &ltimodesarrolloene!ui"osde23C. 1olucionamuchos"roblemasdeconversin en automviles nuevos, !ue dada la gran cantidad de sensores !ue incor"oran, sehaca cada vez m$s di#cil lograr una correcta emulacin al instalar e!ui"os de generacinm$s antigua.9igura T: E!ui"o de Quinta 2eneracin 9uente: "roe!ui".com.arREFERNCIAS JEB353DES 4EBEIB5, BIC5BD), +88O. D5valiaUVo E-"erimental e 4revisVo do Desem"enho de Motores Diesel Consumindo 2$s 3aturalE. ;esede D.1c. 4onti#cia Cniversidade Catlica do Bio de Waneiro. Bio de Waneiro < Grasil. M5CB) WC3I)B, LE)35BD), 53IG5L DE 5LMEID5, 1ILVI) C5BL)1, +88,. DConversVo de Motores Diesel "ara 2$s 3aturalE. Cniversidade 9ederal do Bio de Waneiro. Bio de Waneiro < Grasil. C51;ILL) 4, D5nalisis termodin$mico de la conversin de gru"os diesel a gas naturalE PiQi"edio Es"a'a. /*I de 8+ de +8*,0. PiQi"edia la enciclo"edia libre. Becu"erado el ++ de 8+ de +8*,, de htt":??es.XiQi"edia.org?XiQi?Metano