TEMTICA DE GAS NATURAL COMPRIMIDO EN MOTORES DIESEL

FORO DE DEBATE SOBRE GNC

Arvalo Carlos, Correa Aarn, Lpez Mena Angel.

RESUMEN

El siguiente documento contiene informacin detallada sobre la temtica a

discutirse en el foro sobre GNC que se llevar a cabo entre los alumnos de

noveno nivel de la carrera de Ingeniera Automotriz de la Universidad de las

Fuerzas Armadas Espe Extensin Latacunga, se detallan diferentes aspectos de

funcionamiento y anlisis tcnico del uso de gas natural comprimido GNC en

motores disel, anlisis termodinmico, impacto medio ambiental, procesos

duales y electrnica aplicada a sistemas de alimentacin GNV en vehculos de

5ta generacin.

Palabras clave: anlisis termodinmico GNC disel, emisiones contaminantes,

combustin GNC disel, conversin reversible, conversin no reversible,

electrnica GNV, sistemas de alimentacin GNV, conversin de motor disel.

1.1. ANLISIS TERMODINMICO DE LA CONVERSIN DEL MOTOR

DIESEL A GAS NATURAL

CONSIDERACIONES PARA EL ANLISIS

Se contempla el uso de un modelo de motor de combustin interna disel

con conversin exclusiva a gas natural comprimido.

Una parte de la implementacin del sistema requiere el cambio o

maquinado de las piezas originales del motor.

Estos cambios obedecen a que el motor deja de tener encendido por

compresin para tener encendido por chispa.

Se obtiene un comportamiento cercano al motor original y se presenta una

mayor economa de combustible.

Las emisiones contaminantes son menores respecto a CO, al evitar un alto

ngulo de traslape despus de modificar el rbol de levas.

Se reduce el ngulo de retraso de cierre (RCE) de la vlvula de escape, lo

que a bajas revoluciones representa una potencial reduccin de gases

NOx emitidos al ambiente.

La relacin de compresin se reduce a la del motor original debido a la

menor capacidad antidetonante de la mezcla aire/combustible que se est

comprimiendo en relacin al disel.

La temperatura de combustin es menor debido a que el gas natural tiene

un menor poder calorfico que el disel y a la vez el frente de llama es

ms lento.

La combustin del gas natural es ms lenta en comparacin al disel, esto

provoca que exista un mayor tiempo de contacto de los gases calientes

con las partes internas del motor, esto produce una mayor transferencia

de calor al medio refrigerante para que sea disipado en el sistema de

refrigeracin.

HIPOTESIS PARA EL MODELO DE ANLISIS

Se considera un sistema cerrado sin fugas por los anillos de pistn. Inicia

el momento en que se cierra la vlvula de admisin hasta el momento en

que la vlvula de escape se abre.

Se desprecia el flujo de gases de admisin y escape.

Con el criterio de conservacin de energa se separa la energa total en 3

partes:

Una parte de calor se transforma en trabajo til.

Otra parte es transferida a las paredes del cilindro al sistema de

enfriamiento por conveccin.

El resto se convierte en energa interna de los gases producto de la

combustin

La cmara de combustin ser modelada como un cilindro perfecto.

La mezcla AC ser considerada en primer lugar como gas ideal y despus

como gas real.

La mezcla AC es homognea y se distribuye uniformemente en toda la

cmara, considerando que la combustin ocurre simultneamente en

todos los puntos.

La cmara de combustin es perfectamente hermtica, no habiendo fugas

por los anillos del pistn.

No se considera los efectos de turbulencia de los gases.

La presin y la temperatura son uniformes en toda la cmara.

El clculo de las propiedades termoqumicas de la mezcla no considera

residuos de combustin, siendo slo funcin de los reactantes.

La temperatura de la pared se considera constante, pero con valores

diferentes para cada condicin de operacin.

La eficiencia de la combustin se asume igual a 98%

PROCESO DE COMBUSTIN

Tabla 1. Proceso de combustin ideal y real

Fuente: Fuente: Ramrez R. (2012). Comportamiento termodinmico de un grupo

disel generador convertido para uso exclusivo de gas natural. Tesis de Ingeniera

Naval. Universidad Nacional de Ingeniera de Per.

IDEAL REAL

Combustin instantnea a

volumen constante.

(Desplazamiento de pistn

despreciable).

Combustin progresiva a travs de

la totalidad del volumen de mezcla.

(Se considera el desplazamiento del

pistn)

Velocidad de llama

despreciable

Se necesita saber la velocidad de

propagacin de la llama, asi se

conoce el tiempo de suministro de

energa al sistema

Figura 1. Comparacin entre ciclo Ideal y ciclo real

Fuente: Ramrez R. (2012). Comportamiento termodinmico de un grupo disel generador convertido para uso exclusivo de gas natural. Tesis de Ingeniera Naval.

Universidad Nacional de Ingeniera de Per.

ECUACIN DE WIEBE

Esta ecuacin modela la fraccin de masa de combustible quemado en la

cmara de combustin. Se desarroll de forma que pueda ser usada para

diferentes formas de cmara de combustin.

=

=

=

() = ()

=

=

CANTIDAD DE CALOR SUMINISTRADO ()

Eficiencia de combustin para motores disel: 0,95-0,98

Conociendo la razn de Aire/Combustible y haciendo balance de masas en la

reaccin qumica (masa de mezcla, masa de aire y masa de combustible) se

obtiene:

Figura 2. Eficiencia de la combustin en funcin del ngulo de giro del cigeal. Fuente: Ramrez R. (2012). Comportamiento termodinmico de un grupo disel

generador convertido para uso exclusivo de gas natural. Tesis de Ingeniera Naval. Universidad Nacional de Ingeniera de Per.

Esta ecuacin representa el calor total suministrado por la combustin

progresiva de todo el combustible, esta depende el ngulo de giro del cigeal,

de modo que para saber cul es la tasa de calor desprendido por la combustin

es necesario relacionar la ecuacin de Wiebe y la ecuacin anterior.

PERDIDA DE CALOR EN LAS PAREDES DEL CILINDRO

Se presenta como transferencia de calor por conveccin, de esa forma la

energa efectiva en la cmara de combustin (energa aparente) (), puede

ser escrita as:

() =

VOLUMEN DE CONTROL

Figura 3. Volumen de control y flujo de energa Fuente: Ramrez R. (2012). Comportamiento termodinmico de un grupo disel

generador convertido para uso exclusivo de gas natural. Tesis de Ingeniera Naval. Universidad Nacional de Ingeniera de Per.

ECUACIONES DE ESTADO PARA LA MEZCLA

Para el proceso de combustin de los gases en el cilindro se requiere conocer

el comportamiento de los gases, y las propiedades termoqumicas durante el

funcionamiento del motor. Se usa la ecuacin universal de gases ideales y la

ecuacin de gases reales de Van der Waals

1.2. CONVERSIONES REVERSIBLES NO REVERSIBLES DEL MOTOR

DISEL ALIMENTADO CON GNV Y SU IMPACTO MEDIOAMBIENTAL

El principal impacto medioambiental del uso de GNV como combustible para

propulsin de vehculos, es la reduccin sustancial de las emisiones

contaminantes en contraste con los combustibles convencionales. De esta forma

se puede destacar los siguientes puntos:

Figura 4. Emisiones de contaminantes convencionales Fuente: http://www.aoglp.com/index.php?option=com

Menor costo de mantenimiento

El reducido costo de mantenimiento respecto a su contraparte en disel hace

que se requiere de menor cantidad de insumos automotrices como, lquidos y

grasas lubricantes, favoreciendo la economa y el ambiente al reducir la cantidad

de desechos que usualmente terminan en la basura comn.

Mejor vida del lubricante

La vida del lubricante mejora, ya que el GNV no contamina ni diluye el aceite,

a diferencia del disel que debido a su gran cantidad de azufre, degrada muy

rpido el lubricante. Si el lubricante logra durar ms, se reduce la frecuencia de

cambio de aceite, contaminando menos por los residuos y filtro de aceite usado.

Menor desgaste del motor

Los vehculos que se mueven con gas duplican la duracin del motor debido

al menor desgaste de los cilindros y segmentos del motor. El gas es ms limpio,

deja menos depsitos carbonosos en la combustin y permite que el aceite del

motor se mantenga limpio durante ms tiempo.

Mezcla ms eficiente

Gracias a que el GNV es un gas, se mezcla de forma ms eficiente con el aire,

lo que requiere de menor energa para su combinacin, cualquier reduccin de

energa se considera un ahorro y beneficio para el ambiente.

Menos ruido

Menor nivel de ruido, que se reduce en el orden de 5 decibeles. Teniendo en

cuenta la escala logartmica de la medida, equivale a dividir por dos la potencia

sonora emitida por el motor.

Menor toxicidad

Los vapores del gas natural que podran escapar en una fuga carecen de olor

y no son txicos si se respiran. El olor del gas natral que se conoce en realidad

es un odorante aadido al gas como medida de seguridad para detectar una fuga.

A diferencia de la gasolina y disel que contienen inhalantes txicos que son

peligrosos si se respiran o ingieren. Cualquier vapor de combustible que se

acumule en un espacio cerrado puede ocasionar asfixia.

Reduccin de emisiones

Las reduccin en las emisiones de CO y NOx ayudan a mitigar el efecto

invernadero, la habilidad del GNV para lograr este reduccin durante el ciclo de

combustin depende de la fuente del gas natural, su procesamiento y del tipo de

motor donde est funcionando.

Al hablar de las emisiones reguladas, es decir las sometidas a las sucesivas

normas Euro 3, Euro 4 y Euro 5, hay que apuntar que se trata de las emisiones

que son dainas para la salud humana y esto es en contraposicin con el CO2,

que aunque resulta absolutamente inocuo para las personas, sabemos que es

responsable del efecto invernadero.

Tabla 2. Contaminantes producidos por la combustin de GNC Fuente: Moreno J. (2011). Gas natural como combustible alternativo para vehculos. Proyecto final de carrera de Ingeniera Qumica. Universidad Politcnica de Catalua.

CO2 Dixido de carbono

HC Hidrocarburos no quemados

CO Monxido de carbono

NOx xidos de nitrgeno

SOx xidos de azufre

PM Material particulado

Figura 5. Emisiones gaseosas de un vehculo GNC frente a lmites Euro

Fuente: http://www.agas21.com/spa/item/ART00040.html

xidos de nitrgeno (NOx)

Hasta 2006 la norma Euro 3 limitaba las emisiones de NOx a 5 gr/kwh. Euro

4 lo ha reducido a 3,5 gr/kwh. La norma Euro5 lo limita a 2 gr/kwh. La emisin de

NOx en los motores GNC estequiomtricos es de tan solo 0,5 gr/kwh, por lo cual

podemos afirmar que nos encontramos ante la mejor opcin disponible

comercialmente para vehculos pesados de utilizacin urbana.

Este bajsimo nivel de NOx se consigue con la combustin por una parte y

luego por el tratamiento de los gases de escape en el catalizador de tres vas.

Monxido de Carbono (CO)

El CO es un gas altamente venenoso, y que se produce por la combustin

incompleta de algunas fracciones de hidrocarburos en la cmara de combustin.

La ventaja del gas natural frente al CO es que al tener la molcula de metano un

solo tomo de carbono, la produccin de CO (y de CO2) resulta mucho ms

reducida en comparacin con los motores de gasolina y un poco ms alta que en

los motores disel, por su forma de combustin con exceso de aire. En cualquier

caso el nivel de emisiones de CO en un motor estequiomtrico es la mitad de lo

admitido por la norma actual Euro 5, de 3 grs/kwh.

Metano (CH4)

El metano que no se quema es tambin un contaminante limitado a 0,65

gr/kwh por la actual norma Euro 5. En los motores CNG estequiomtricos,

precisamente por funcionar con una relacin aire/combustible exacta, la emisin

de CH4 en el escape es tan baja como 0,006 gr/kwh, es decir prcticamente en

el umbral de la medicin posible.

Hidrocarburos no metnicos

Es obvio que siendo precisamente metano el hidrocarburo introducido, la

presencia de NMHC en el escape se reduce a 0,01 gr/kwh, que resulta

inapreciable frente a los 0,5 gr/kwh admitidos en Euro 5.

Partculas slidas

La emisin de micropartculas slidas (normalmente de carbn) por el escape

es consecuencia de la combustin incorrecta de algunas fracciones de las

macromolculas presentes sobretodo en el combustible diesel. En el caso de la

molcula del metano, que es la ms pequea de todas las molculas de

hidrocarburo, con tan solo un tomo de carbono, la emisin de partculas est por

debajo de la dcima parte de lo que exige la norma Euro 5: 0,0022 grs/kwh, contra

un lmite previsto de 0,03.

A la vista de las emisiones reales de los motores CNG estequiomtricos y la

previsin de lmites para los prximos aos, podemos concluir un hecho de gran

trascendencia medioambiental: los motores de CNG disponibles hoy en da nos

ofrecen los niveles de emisiones que llegarn a ser obligatorios con Euro 6 en el

ao 2013-2015, es decir con varios aos de anticipacin.

Dixido de carbono (CO2)

El CO2 es un gas absolutamente inerte para la salud humana y por ello hay

que comentarlo de manera independiente de las otras emisiones de escape. Los

gases de efecto invernadero tienen un impacto sobre la capa de ozono y, por lo

tanto, afectan a la salud del planeta, no a la de las personas.

Es muy importante esta consideracin porque as como en los mbitos locales

es necesario reducir las emisiones de escape dainas para la salud, el efecto

local del CO2 emitido por los vehculos es nulo para las personas. Por otra parte

hay que dejar claro que la emisin de CO2 es siempre proporcional al consumo

de combustible del motor, al ser el CO2, junto con el vapor de agua, los gases

resultantes de la combustin perfecta de cualquier hidrocarburo.

Un motor que funciona con gasolina por 100 km emite 22 kg de CO2, mientras

que uno equipado con GNV cubriendo la misma distancia solo emite 16,3 kg de

CO2.

1.3 PROCESO DE DOBLE COMBUSTIBLE, MOTOR DISEL CON GAS

NATURAL COMPRIMIDO

Un gas es un hidrocarburo o una mezcla de hidrocarburos y otros gases,

como He, N2 o CO, que a presin y temperatura ambiente se encuentra en

estado gaseoso y tiene un punto de inflamabilidad a una temperatura definida.

Las propiedades fsicas de la mezcla gaseosa determinan si es adecuada para

un motor ME-GI-S o ME-LGI-S. El gas debe seleccionarse en la fase inicial de un

proyecto. Si el gas se puede comprimir a aproximadamente 300 o 400 bares a

45 +/ 10 C y comportarse como una nica fase, el estado gaseoso (es decir,

compresible) es adecuado para un motor disel. Los combustibles gaseosos

como el gas natural y GNL son adecuados para el funcionamiento a las altas

presiones de gas que se alcanzan en la toma de entrada del motor.

Designaremos estos tipos de gas como combustibles gaseosos. Si el gas (o la

mezcla de gases) se puede comprimir a unos 35 bares en el intervalo entre 25 y

55 C, y se encuentra en estado lquido (es decir, prcticamente incompresible),

es idneo para un motor disel. Los combustibles gaseosos lquidos como GPL,

DME y metanol son adecuados para el funcionamiento a baja presin de gas en

la entrada del motor. Es importante destacar que la presin y la temperatura

requeridas para el sistema de combustible a baja presin varan ligeramente con

el combustible seleccionado. Utilizaremos la designacin combustible gaseoso

lquido.

Los combustibles lquidos como fueloil, disel, crudo y biocarburante

crudo, son adecuados como Es importante destacar que los motores disel de

dos tiempos de baja velocidad MAN B&W acumulan millones de horas de

funcionamiento con estos tipos de fuel lquido. Historial de desarrollo de los

motores MAN B&W ME-GI-S para aplicaciones con combustible dual La familia

de motores MC-S lleva presente en el mercado desde 1982. Las instalaciones

estticas que funcionan con combustibles lquidos cubren cualquier salida del

motor, desde 4,5 MW hasta ms de 50 MW por unidad, ya se trate de fueloil o

biocarburante. En 1987 se llev a cabo en Japn y Dinamarca la primera prueba

de los principios de la inyeccin de gas en uno de los cilindros de un motor

6L35MC. Tambin en esta ocasin se comprob la combustin de gases

sintticos con un poder calorfico inferior que lleg a descender hasta los 11

MJ/Nm3, como puede apreciarse en la Tabla 3.

Tabla 3. Combustibles gaseosos quemados en motores disel

Fuente: http://powerplants.man.eu/docs/librariesprovider7/technical-papers/5510-0169-

00ppr.pdf?sfvrsn=22 visto:29/072015

La solucin de inyeccin de gas se desarroll paralelamente y se prob

por primera vez a principios de los aos 90. En 1994, el primer motor de dos

tiempos de baja velocidad con inyeccin de gas MAN B&W, el 12K80MCGI-S, se

puso en servicio en una estacin elctrica de Chiba (Tokyo). Este motor acumula

hasta la fecha 20.000 horas de funcionamiento como generador a pleno

rendimiento utilizando gas de alta presin como combustible.

Descripcin tcnica del concepto de inyeccin de gas

Desde el punto de vista tcnico, la diferencia entre los motores de

combustible convencional y los de combustin de gas es mnima. En ambos

casos, el proceso de combustin se ajusta al principio del ciclo disel. En los

motores de combustible convencional, la ignicin del carburante inyectado se

produce porque la temperatura del gas comprimido en el cilindro sobrepasa la

temperatura de ignicin espontnea del combustible que, en el caso de

combustible lquido, es de aproximadamente 210-230 C. La temperatura de

ignicin espontnea de un gas puro, como el metano y el etano, est

comprendida entre 470 y 540 C. Por lo tanto, es necesario inyectar una pequea

cantidad de combustible piloto en el cilindro antes de inyectar el gas, ya que la

temperatura registrada en la cmara de combustin en el momento de la

inyeccin sera insuficiente para la ignicin espontnea del gas. La potencia y la

respuesta bajo carga del motor son las mismas que al utilizar combustible lquido.

Otro aspecto a tener en cuenta es que el rendimiento bruto tambin permanece

constante. El diseo de la lnea de suministro incorpora tubos aireados de doble

pared y sensores de HC (hidrocarburos) para cierre de emergencia. Los sistemas

de control y seguridad de inyeccin de gas se instalan complementariamente a

los sistemas convencionales del motor. Como requisito previo, los motores deben

ser de control electrnico, esto es, con diseo ME. Aparte de estos sistemas

incorporados al motor propiamente dicho, el motor y sus componentes auxiliares

incorporarn una serie de nuevas unidades. A continuacin se enumeran las ms

importantes (aparte del sistema de suministro de gas):

Sistema de ventilacin, para airear el espacio comprendido entre la

tubera interior y exterior del tubo de doble pared.

Sistema de sellado de aceite, que conduce el aceite de sellado hasta las

vlvulas de gases que separan el aceite de control y el gas.

Sistema de gas inerte, para purgar el gas inerte expulsndolo del sistema

de gas.

Sistema de control y seguridad, integrado por un analizador de

hidrocarburos que verifica el contenido en hidrocarburos del aire que

circula por las tuberas de gas de doble pared.

Los sistemas de control y seguridad estn diseados para revertir el

funcionamiento a condiciones seguras en caso de fallo. Si se detecta cualquier

fallo, incluso en el propio sistema de control, durante el funcionamiento con

combustible gaseoso, se detendr o cortar el suministro de combustible

gaseoso y el motor pasar a funcionar exclusivamente con combustible piloto.

Seguidamente, se llevar a cabo el soplado y la purga de las tuberas de gas a

alta presin y de todo el sistema de suministro de gas para vaciarlos

completamente. En todos los casos, el cambio al funcionamiento con combustible

lquido se lleva a cabo sin reduccin de la potencia. El gas del suministro de

combustible gaseoso circula por la tubera principal a travs de unas tuberas en

cadena hasta llegar al sistema de bloqueo de vlvula y acumulador de cada

cilindro. Estas tuberas en cadena desempean una misin importante:

Gracias a su diseo de doble pared actan como una junta flexible entre el

sistema principal de tuberas, totalmente rgido, y la estructura del motor,

protegiendo as las tuberas principales y de cadena al amortiguar las fuerzas

originadas por la inevitable dilatacin trmica del sistema de tuberas de gas y la

estructura rgida del motor. El depsito intermedio alberga gas de inyeccin en

una cantidad 20 veces superior a la utilizada en cada recorrido del pistn a

rendimiento mximo continuo, es decir, a una carga del 100 %. Este depsito

tiene dos funciones importantes:

Suministra la cantidad de gas necesaria para la inyeccin a una presin

predeterminada, ligeramente inferior.

Es una parte importante del sistema de seguridad.

El diseo de la tubera de suministro de gas es de tipo common rail, por lo que

se precisa un sistema auxiliar de control de aceite para la vlvula de inyeccin de

gas. A grandes rasgos, este sistema est integrado por el sistema hidrulico de

control de aceite ME y una vlvula ELGI de inyeccin elctrica de gas ELGI

(ELectrical Gas Injection) que suministra aceite de control a alta presin a la

vlvula de inyeccin de gas, regulando as la frecuencia de actuacin y la

apertura de la vlvula de gas.

Como se mencion anteriormente, el funcionamiento con doble combustible

requiere que se inyecte tanto combustible piloto como gaseoso en la cmara de

combustin. Para ello se utilizan diferentes tipos de vlvulas. Hay tres vlvulas

por cilindro para inyeccin de gas y tres para combustible piloto en motores con

un dimetro de cilindro superior a 60 cm. Los medios necesarios para el

funcionamiento con combustibles lquido y gaseoso son los siguientes:

Suministro de combustible gaseoso

Suministro de combustible lquido (combustible piloto)

Suministro de combustible de control para el accionamiento de las vlvulas

de inyeccin de gas

Suministro de aceite de sellado.

El diseo de la vlvula de inyeccin de gas se muestra en la Figura Esta

vlvula se ajusta a los principios tradicionales del diseo compacto.

Figura 6. Vlvula de inyeccin de gas

Fuente: http://powerplants.man.eu/docs/librariesprovider7/technical-papers/5510-0169-00ppr.pdf?sfvrsn=22 visto:29/072015

La admisin del combustible gaseoso hacia la vlvula de inyeccin se

efecta a travs de orificios en la culata del cilindro. Con el fin de evitar fugas de

gas entre la culata del cilindro/vlvula de inyeccin de gas y la carcasa de la

vlvula/gua de la punta del eje, se han instalado anillos de estanqueidad a

prueba de gases y temperaturas elevadas. Las fugas de gas que pudieran

producirse a travs de los anillos de estanqueidad se canalizaran mediante los

orificios de la vlvula de inyeccin de gas al espacio entre las tuberas interior y

exterior de proteccin del sistema de tubera de doble pared. Si se produce una

fuga, los sensores de HC la detectarn. El gas acta de manera continua sobre

el vstago de la vlvula a una presin mxima de 300 bares. Con el fin de impedir

la entrada del gas en el sistema de actuacin del aceite de control a travs del

espacio libre alrededor del vstago, este est sellado con aceite sellante a una

presin superior en 25 a 50 bares a la del gas. La vlvula del combustible piloto

es idntica a una vlvula estndar ME de fueloil excepto en la boquilla. Como

combustible piloto se puede utilizar fueloil, MGO, MDO, crudo y biocarburante

crudo El sistema de seguridad de IG supervisa continuamente la presin del

fueloil para detectar cualquier anomala en el funcionamiento de la vlvula de

fueloil. El diseo de la vlvula de fueloil permite que funcione a un rendimiento

mximo continuo utilizando solo fueloil y una sobrecarga del 10 % cada 12 horas

consecutivas. El motor de gas puede funcionar con fueloil a plena carga y pasar

de gas a combustible en cualquier momento sin interrumpir su funcionamiento.

Figura 7. Sistema de inyeccin dual

Fuente: http://powerplants.man.eu/docs/librariesprovider7/technical-papers/5510-0169-00ppr.pdf?sfvrsn=22 visto:29/072015

Como puede apreciarse en la Figura (Sistema de inyeccin GI), el sistema

de inyeccin ME-GI para motores con dimetros de cilindro de hasta 50 pulgadas

consta de vlvulas de fueloil, vlvulas de combustible gaseoso, ELGI para

apertura y cierre de vlvulas de combustible gaseoso, un FIVA (Fuel Injection

Valve Actuator), o actuador de vlvula de inyeccin de combustible para

controlar, a travs de la vlvula de combustible lquido, el perfil de inyeccin de

combustible lquido y, finalmente, la vlvula ELWI (ELectrical WIndow and gas

shutdown), que controla la posicin de la vlvula de ventanilla como medida

adicional de seguridad para prevenir fugas de gas y garantizar una doble barrera

de cierre de la vlvula a la cmara de combustin. Tambin forma parte del

sistema de inyeccin el amplificador de presin de combustible lquido

convencional, que suministra combustible piloto en el modo de funcionamiento

de combustible dual. El amplificador de presin de fueloil incorpora un sensor de

presin para medir la presin del combustible piloto en la parte de alta presin.

Como ya se ha mencionado, este sensor supervisa el funcionamiento de la

vlvula de combustible lquido. Si se detecta que la inyeccin se desva de los

valores normales, el sistema de seguridad de IG bloquear la apertura de la

vlvula ELGI para evitar que el combustible de control pase a travs de ella. En

este momento no se produce ninguna inyeccin de gas. Caractersticas de

seguridad Si no se detecta un funcionamiento anmalo de la vlvula de

combustible lquido en condiciones de funcionamiento normales, la vlvula de

combustible gaseoso se abre en el ngulo correcto respecto del cigeal y se

lleva a cabo la inyeccin del combustible gaseoso. El combustible gaseoso se

suministra directamente a un medio en plena combustin. Debido a ello, se

considera que es casi imposible que se filtre gas sin quemar por los segmentos

del pistn y llegue al receptor de aire de recuperacin. Este tipo de riesgo se evita

mediante la supervisin de la presin y el estado de combustin del receptor de

aire de recuperacin. Si se registra una presin de combustin excesiva, el motor

abandona el modo de funcionamiento con combustible gaseoso y vuelve a

quemar nicamente combustible lquido. La finalidad es detectar con suficiente

margen de tiempo si se producen fugas de gas en alguna de las vlvulas de

inyeccin de gases. La vlvula de ventanilla tiene una funcin de seguridad doble

que garantiza que la inyeccin de gas en la cmara de combustin solo puede

efectuarse en el momento adecuado del proceso de inyeccin. En caso de avera

en el sistema de gas, tambin puede bloquear la entrada del gas en la cmara

de combustin, garantizando as que solo entre una cantidad de gas muy

pequea. El sensor de presin est situado entre la vlvula de ventanilla y la

vlvula de inyeccin de gas. El pequeo volumen de gas en la culata de cada

cilindro registra la presin del gas durante un ciclo. Este sistema permite la

deteccin inmediata de flujos de gas anmalos, tanto si se deben a vlvulas de

inyeccin de gas atascadas como a fugas u obstrucciones en las vlvulas de gas.

El suministro de gas se interrumpe y las lneas de gas se purgan con gas inerte.

Tambin en este caso, el motor sigue funcionando exclusivamente con fueloil

lquido sin que en ningn momento se reduzca la potencia. Alta presin, tubera

de doble pared Las tuberas de gas en cadena estn diseadas con doble pared,

de tal modo que la tubera exterior de proteccin impide que el combustible

gaseoso rebose hacia los huecos de la maquinaria en caso de que se rompa la

tubera interior. El espacio de intervencin, que tambin abarca la zona que rodea

a las vlvulas, bridas y otros elementos, est dotado de ventilacin mecnica

independiente con una frecuencia de renovacin de aire de aproximadamente 30

veces por hora. La presin en el espacio de intervencin es inferior a la de la sala

de mquinas con los motores de los ventiladores (de extraccin) situados fuera

de los conductos de ventilacin. El aire de ventilacin de admisin se toma de

una zona libre de riesgo.

La distribucin de las tuberas de gas est concebida para aspirar el aire

que rodea la admisin de la tubera canalizndolo al interior del sistema de

tubera de doble pared. A continuacin, el aire se canaliza hacia los cierres de

control de cada vlvula de gas y se devuelve a las tuberas de cadena, desde

donde se expulsa a la atmsfera. El aire de ventilacin se expele a una zona sin

riesgo de incendio. El sistema de tubera de doble pared est diseado de

manera que todas las piezas tengan ventilacin.

Figura 8. Bloque de control de vlvulas

Fuente: http://powerplants.man.eu/docs/librariesprovider7/technical-papers/5510-0169-00ppr.pdf?sfvrsn=22 visto:29/072015

Todas las uniones selladas que estn en contacto con un volumen de gas

a alta presin estn ventiladas. De este modo, cualquier fuga de gas que pudiera

ocurrir se canalizar a la parte ventilada del sistema de tubera de doble pared y

ser detectada por los sensores de HC. Las tuberas de gas inherentes al

mecanismo del motor se han diseado para una presin superior en un 50 % a

la de funcionamiento normal, y estn debidamente ancladas para evitar

vibraciones mecnicas. Adems, de acuerdo con las pruebas realizadas, son

capaces de soportar una presin 1,5 veces superior a la de funcionamiento

normal. El diseo de tubera en cadena entre los diferentes cilindros garantiza

que existe la flexibilidad adecuada para adaptarse a la dilatacin trmica del

motor al calentarse.

Figura 9. Disel de dos tiempos de baja velocidad y combustible dual MAN B&W,

modo de tipo de combustible Fuente: http://powerplants.man.eu/docs/librariesprovider7/technical-papers/5510-0169-

00ppr.pdf?sfvrsn=22 visto:29/072015

El sistema de tuberas de gas tambin est diseado para evitar

fluctuaciones excesivas de la presin del gas durante el funcionamiento. Con

objeto de purgar el sistema tras el uso de gas, estas tuberas estn conectadas

a un sistema de gas inerte a una presin de aproximadamente 9 bares. En caso

de fallo relacionado con el gas, el sistema de tuberas de alta presin se

despresuriza antes de efectuarse la purga automtica. Durante una detencin

normal del gas, la purga automtica empezar tras un periodo de 30 minutos.

Esto deja un margen de tiempo suficiente para un reinicio rpido en modo de

combustible gaseoso. Combustible gaseoso y uso del combustible con ME-GI-S

El motor MAN B&W ME-GI-S puede funcionar nicamente con combustible

lquido, as como con una mezcla cualquiera de combustible gaseoso y

fueloil/combustible piloto en proporcin 97 %/3 % (Fig. 9). En el caso de

combustibles gaseosos de muy bajo contenido energtico, puede que se precise

una mayor cantidad de combustible piloto.

As pues, por lo general, la estacin generadora deber disponer de un

sistema completo de suministro de fueloil y un sistema de suministro de

combustible gaseoso. La planta de suministro de combustible gaseoso debe

cumplir los requisitos especificados en la figura

Figura 10. Sistema de Fueloil

Fuente: http://www.gnc.org.ar/es/abc-del-gnc.html visto:29/072015

Figura 11. Motor ME-GI-S y gestin del gas

Fuente: http://powerplants.man.eu/docs/librariesprovider7/technical-papers/5510-0169-00ppr.pdf?sfvrsn=22 visto:29/072015

Figura 12. Estacin de suministro de gas, especificacin orientativa

Fuente: http://powerplants.man.eu/docs/librariesprovider7/technical-papers/5510-0169-00ppr.pdf?sfvrsn=22 visto:29/072015

1.4 ELECTRONICA EN VEHCULOS DISEL DE 5 GENERACIN1

Cuarta y quinta generacin, es la opcin ms avanzada, pues la inyeccin

secuencial contiene tecnologa de punta y un funcionamiento ptimo. Este

sistema funciona a travs de una computadora ECU que est conectada con el

tanque y enva las seales adecuadas para que se inyecte la cantidad de gas

necesaria para que el motor funcione de forma ideal y el vehculo desarrolle su

ms alto potencial.

El Sistema inyecta la cantidad exacta de GNC mediante inyectores

comandados por la ECU, en cada cilindro del motor, en el momento exacto

cuando abren las vlvulas de admisin y de un modo secuencial, esto evita la

acumulacin de gas en el mltiple de admisin y en consecuencia, el efecto

siempre latente de una contra-explosin.

El sistema del motor y los distintos sensores se mantienen de su forma

original salida de fbrica lo cual ayuda a evitar el uso de emuladores de

inyectores, sonda Lambda, chips insertados en la ECU original del vehculo, y se

evita la generacin de problemas en el futuro.

Ventajas

Dosificacin ptima del combustible

Mezcla con correcta relacin estequiomtrica

Reduccin de emisiones contaminantes

Optimizacin de las prestaciones

Eliminacin de los sistemas de emulacin de sensores e inyectores

Eliminacin de contra-explosiones

1 http://www.macrogas.com.ar/gnc-quinta-generacion.html

Evolucin del sistema.

El sistema segn ha ido avanzando la tecnologa, tambin ha ido

presentando cambios por la necesidad de ajuste de datos para el funcionamiento

de los distintos modelos de los vehculos, los cambios ms significativos se han

originado en el aspecto de comunicacin:

Sistemas de Inyeccin de Gas sin comunicacin OBD.

Sistemas de Inyeccin de Gas con comunicacin OBD.

Sistemas de inyeccin de Gas con capacidad de integracin CAN BUS

con la ECU original del vehculo.

El uso y aprovechamiento de la ECU original del vehculo es importante debido a

que permite:

El anlisis de los sensores y actuadores dependiendo del tipo de sistema

que se est ocupando en el vehculo.

Ayuda a la reduccin de componentes, debido al aprovechamiento de los

sensores propios del vehculo como: MAP, IAT, etc.

El uso de un nico escner para el anlisis de los sistemas y verificaciones

de DTC.

Existen 4 tipos de ECU disponibles:2

1. Sigas 2.4.

Temperatura de funcionamiento -40C a 105C

Voltaje de operacin 7V a 17V

Diagnstico de sensores y actuadores

Comunicacin con PC con lnea K

Conector de 24 pines (IP67)

Conforme a las normas NAG - R67-10 e R110

Opera con motores de 4 cilindros

Emulacin de inyectores interna, en caso de ser sistema DUAL

Calibracin para emisiones

2 http://www.gnc.org.ar

2. Sigas 3.

Temperatura de funcionamiento -40C to 105C

Voltaje de operacin de 7V a 17V

Diagnstico de sensores y actuadores compatible con OBD.

Comunicacin KWP2000 a travs de la lnea K

Connector de 56 pines water proof (IP67)

Control de emisiones, hasta dos sondas.

Salida auxiliar para variador de avance

3. Sigas 4.4.

Microcontrolador 16bit 38 MHz

Temperatura de funcionamiento -40C a 105C

Voltaje de utilizacin 7V a 17V

Diseo ms compacto

Comunicacin KWP2000 a travs de la lnea K

Diagnstico de sensores y actuadores compatible con OBD

Connector de 64 pines water proof (IP67)

Control de emisiones

Salida para rel adicional de corte bomba de gasolina

TPS / IAT inputs

Funcionamiento.

Las funciones principales que realiza la ECU son las siguientes:

Correccin del tiempo de inyeccin.- lo calcula ciclo a ciclo, teniendo en

cuenta los siguientes factores: Tiempo de inyeccin, seal de los

sensores y ajuste establecido por el fabricante que son:

Ajuste correccin porcentual: agrega un factor proporcional

aproximado de 1ms por cada 10ms de inyeccin de combustible.

Ajuste tiempo de inyeccin en ralent: se expresa en milisegundos

(ms) y consta en mantener una inyeccin igual independientemente

del combustible con el cual funciona el vehculo.

Mapa de correccin: se aplica en condiciones de carga y velocidad.

Lmite del tiempo de inyeccin: depende del rgimen de

funcionamiento del motor.

Ajuste segn aceleracin y desaceleracin: esto es para lograr la

mezcla ideal en distintas condiciones a las cuales se someta al

vehculo.

Ajuste en fro: esto se realiza cuando el vehculo no esta con la

temperatura de funcionamiento adecuada, se realiza correccin

esttica y dinmica.

Modos de funcionamiento:

El conductor puede seleccionar tres tipos de funcionamiento, esto lo

hace con la ayuda de un interruptor colocado en el panel de control del

vehculo.

Automtico: este es sistemas dual, permite un cambio automtico

de combustible, previamente cumplido unos parmetros

establecidos por el fabricante, el vehculo siempre arranca a disel

y pasa a gas. Los parmetros establecidos son: tiempo de paso a

gas, temperatura de agua, estado del sistema, nivel de gas en el

tanque y correcto funcionamiento de inyectores y/o sensores.

Forzado a disel: en este modo el sistema de alimentacin siempre

es a disel.

Forzado a gas: si se selecciona este tipo de funcionamiento la ECU

no tiene en cuenta los parmetros indicados anteriormente, de esta

manera el vehculo se lo puede arrancar con utilizacin de gas.

Caractersticas

Las caractersticas ms importantes de los sistemas de alimentacin

GNC de quinta generacin son los siguientes:

Auto-calibracin

Funcionamiento correcto indistinto de la secuencia de inyeccin.

Lectura simultanea de dos sondas lambda

Autodiagnstico

El autodiagnstico puede detectar anomalas en:

Presin de gas

Temperatura de gas

Temperatura de refrigerante

Voltaje de los inyectores

Voltajes de las electrovlvulas

Adems puede detectar las siguientes fallas:

Circuito abierto de inyectores a gas

Cortocircuito en control de inyectores a gas

Configuracin errnea de inyectores a gas

Componentes del sistema.

Figura 13. Componentes del sistema.

Fuente: http://www.gnc.org.ar

BIBLIOGRAFIA

Ramrez R. (2012). Comportamiento termodinmico de un grupo disel

generador convertido para uso exclusivo de gas natural. Tesis de Ingeniera

Naval. Universidad Nacional de Ingeniera de Per.

Moreno J. (2011). Gas natural como combustible alternativo para vehculos.

Proyecto final de carrera de Ingeniera Qumica. Universidad Politcnica de

Catalua.

Autobuses urbanos de gas natural: Separemos el mito de la

realidad.(27/07/2015). Obtenido de:

http://www.nrel.gov/docs/fy02osti/30238.pdf

Emisiones contaminantes regulados.(27/07/2015). Obtenido de:

http://www.aoglp.com/index.php?option=com_content&view=article&id=98&Item

id=94

GNC y GLP como combustible: Cul es ms conveniente?. (27/07/2015).

Obtenido de:

http://motorfull.com/2013/05/gnc-y-glp-como-combustible

REFERENCIAS:

http://powerplants.man.eu/docs/librariesprovider7/technical-papers/5510-

0169-00ppr.pdf?sfvrsn=22 visto:29/072015

http://www.gnc.org.ar/es/abc-del-gnc.html visto:29/072015

http://www.gnc.org.ar/es/vehiculos-diesel-de-tp-convertidos-a-gnc.html

visto:29/072015

http://www.gnc.org.ar

http://www.gnc.org.ar/tecnologias-basicas-de-conversion-vehicular-a-

gnc.html, ltimo acceso 25-07-2015