consideraciones teórico-prácticas sobre el uso de combustibles

CONSIDERACIONES TEÓRICO-PRÁCTICAS SOBRE EL USO DE COMBUSTIBLES
GASEOSOS EN LA ALIMENTACIÓN DE MOTORES DE COMBUSTIÓN
INTERNA DE CICLO OTTO
Marchese, R; Budeguer, M. E..; Bustos, J.; Diaz Botta, C..; Rodero Pérez, A.; Marcoch, A.;.; Lopez, J.
Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología, Universidad Nacional de Tucumán.
Av. Independencia 1800. (4000) Tucumán - Argentina.
e-mail: [email protected]
RESUMEN
Es propósito de este trabajo analizar de manera teórico-práctica el uso de combustibles gaseosos
como sustituto parcial o total de combustibles líquidos en la alimentación de motores de combustión
interna de ciclo Otto.
Se realizan en primer lugar consideraciones teóricas sobre el funcionamiento de motores de
combustión interna de ciclo Otto con combustibles líquidos y gaseosos, y sus consecuencias en el
funcionamiento del motor y su performance. Luego se analiza la utilización práctica de los combustibles gaseosos.
PALABRAS CLAVE
Ciclo Otto - Sustitución – Combustible líquido – Combustible gaseoso
SUMMARY
In this Project we analyze in theoretical and practical ways the substitution (total or partial) of
liquid fuels by gaseous fuels in Otto cycle engines.
We make in first place theoretical considerations about functioning of Otto cycle engines working
with liquid and gaseous fuels, and its consequences over engine performance.
KEY WORDS
Otto cycle – Substitution – Liquid fuel – Gas fuel
INTRODUCCIÓN
Se estudia el caso de los motores Otto que hasta ahora y en su gran mayoría trabajan con combustibles líquidos, cómo y de que forma pueden hacerlo con combustibles gaseosos.
En un primer paso se analiza química y termodinámicamente los combustibles líquidos y gaseosos, para conocer las posibilidades de aprovechamiento de la energía disponible en los mismos,
determinando el poder calorífico del combustible y de la mezcla aire-combustible en ambos casos.
Se estudia así también el comportamiento físico de la combustión, en especial la velocidad del
frente de llama de la mezcla en condiciones de aire calmo y turbulento, y su influencia en los diferentes rendimientos del motor.
Por último se analiza la utilización práctica de los combustibles gaseosos en vehículos, y las modificaciones necesarias del sistema de alimentación y de encendido del motor, lo cual debe permitir
la utilización indistinta de combustible líquido o gaseoso.
En este trabajo analizaremos algunos productos gaseosos, fundamentalmente el gas natural
que es el de mayor difusión en nuestro país, para poder llegar a las conclusiones necesarias en su
uso para motores.
MATERIALES
Bibliografía.
PC con planillas de cálculo y procesador de texto y gráficos.
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MÉTODOS
En base al tratamiento del tema por parte de otros autores se profundiza en el análisis teórico
práctico de la utilización de combustibles gaseosos en motores de combustión interna de ciclo Otto,
especialmente lo que respecta a variación de potencia, velocidad de encendido, rendimientos, etc.
DESARROLLO
LA COMBUSTION MOTRIZ A PARTIR DE COMBUSTIBLES GASEOSOS EN LOS MOTORES
CICLO OTTO
Vamos analizar a continuación el caso de los motores Otto que hasta ahora y en su gran mayoría trabajan con combustibles líquidos, cómo y de que forma pueden hacerlo con combustibles
gaseosos.
No debemos olvidar y haciendo un poco de historia, que el primer motor de N.A.Otto de 4T funcionaba con gas de alumbrado. Este gas de alumbrado similar en su composición al gas de coque,
se obtenía por destilación seca de la hulla a elevada temperatura y fuera del contacto con el aire.
Su composición en volumen era aproximadamente: 14,1% de CO, 50,2% H2, 23% de CH4 (metano),
trazas de O2, 3,1% de CO2 y 9,2% de N2. La densidad media de unos 0,57 [Kg./m3N] y un poder
calorífico de 15.400 [Kj/m3N] o bien puesto en masa 8700 [Kj/Kg.].
Actualmente los gases en uso son principalmente el gas natural extraído de los pozos petroleros, y el propano y butano o la mezcla de ambos, conocidos como gas licuado de petróleo (GLP)
por refinación del petróleo bruto.
Seguidamente analizaremos química y termodinámicamente estos productos gaseosos, fundamentalmente el gas natural que es el de mayor difusión en nuestro país, para poder llegar a las
conclusiones necesarias en su uso para motores.
Veamos el caso del gas natural que esta formado principalmente por metano (CH4) en un 95%
y analizaremos su combustión con el O2:
Se tiene:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
En la ecuación el Nº de átomos debe ser igual para ambos términos.
Ahora bien teniendo en cuenta su masa atómica se puede poner:
(12+4) + (16.2.2) = [12+(16.2)] + (2.2+2.16)
Dividimos ahora por 16 y obtenemos:
1Kg CH4 + 64/16 O2 = 44/16 CO2 + 36/16 H2O
O sea que:
1Kg CH4 + 4Kg O2 = 2,75Kg CO2 + 2,25Kg H2O
Esto finalmente nos indica que por cada Kg de metano se necesitan 4Kg de oxígeno, o bien si la
combustión es con aire y conociendo en que proporción se encuentra aquel en el mismo, llegamos
a la proporción necesaria.
Pero en un motor yo deseo conocer la potencia que es capaz de producir un determinado combustible y como sabemos, ello está en función directa con el poder calorífico de la mezcla Hm.
Para el caso del gas natural de nuestros yacimientos se tienen los siguientes datos:
y la densidad
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Por lo tanto
Lo que hace que
esto en caso de mezcla estequiométrica.
Comparemos ahora con una nafta de
y Lmin ~ 14,7 , nos queda:
Llegamos ahora a las siguientes conclusiones:
Para la combustión completa del metano, es necesario 17,4 Kg de aire por Kg de gas y los poderes caloríficos de las mezclas están en la relación:
Esto hace que las potencias a desarrollar por ambos combustibles en un mismo motor y sin
modificaciones se encuentre en el mismo orden es decir:
Esto es una reducción de un 12% en la potencia cuando utilizamos gas natural. Mediciones
realizadas en banco de pruebas por algunos autores, hablan de reducciones reales de un 11% y
otros de un 13 al 14%
Ahora sabemos porque nuestros automóviles utilizando el GNC, tienen velocidades finales
menores.
Veamos ahora qué ocurre con las temperaturas de encendido espontáneo en comparativa, o
sea la temperatura de encendido de una mezcla de aire-gas y aire-nafta:
Metano puro ———————-
645 ªC
Moto nafta ————————
480-550 ªC
Esto da una idea aproximada del comportamiento al picado de cada combustible y es así que
algunos autores (H. List y otros) le asignan al metano para motores un NO 122, Jost según mediciones de Egloff por el método CFR le asigna al metano puro un NO 125. Nuestras naftas varían entre
NO85 y NO97, y refiriéndonos a la “Súper” o “Premium” un NO95.
Se da entonces la posibilidad de poder trabajar con el motor en una relación de compresión
mayor (εg>εn), pero claro, siempre queda el problema del funcionamiento dual.
Así sería en un motor que trabaja con nafta “Súper” con una relación ?=9,5 podríamos aumentar
este valor por ejemplo a ?=11,5 y con ello una ganancia en el rendimiento térmico ηt que vamos a
considerar:
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Considerando para ambos casos un exponente de la adiabática de 0,40 obtendríamos una ganancia neta de un 5% en el rendimiento térmico trabajando con gas natural. Lógicamente el valor
de la relación de compresión tan elevada que hemos planteado, obligaría a verificar el comportamiento en la práctica del motor en cuestión que como sabemos depende mucho del tipo de cámara
de combustión y otros parámetros constructivos.
La Velocidad de Combustión
Habíamos estudiado que en la mezcla de aire y combustible el frente de llama avanzaba con
velocidades entre 25 a 30 [m/s] y en aire calmo de unos 2,5 [m/s] dependiendo fuertemente de la
turbulencia, todo esto cuando tratábamos con combustibles líquidos. Estudios hechos por Chapman
(List, tomo I Op. Cit.), dan para la combustión del metano puro en aire calmo una velocidad menor a
1 [m/s] y mediciones nombradas en la Obra de Jost, justifican una velocidad máxima de 0,37 [m/s]
para un 10% de gas en aire. Pero con influencia de la turbulencia como ocurre dentro de un motor,
se han medido para los mismos gases velocidades máximas del frente de llama del orden de 15 a
16 [m/s], dependiendo también de la relación de compresión usada, del grado de carga y del factor
de dilución.
Veamos en la siguiente gráfica un estudio realizado por F. Mûller (H.List tomo V Op. Cit.), donde
se han determinado las velocidades de encendido.
Esta medición se realizó en un motor lento de gas de alumbrado que tiene una cierta proporción
de metano (23%).
Aquí se pueden comparar algunas cosas. La primera de ellas es que la combustión con gas es
de menor velocidad que la combustión con combustibles líquidos (digamos 17 [m/s] frente a 25 [m/s])
y lo otro es que la campana de variación (curva límite de encendido) es mucho más amplia que para
los combustibles líquidos como la mezcla aire-nafta.
Rixman (H. List Tomo V), ha realizado mediciones en motores de camión de 6 cilindros alimentados con metano para motores y también encontró un comportamiento similar pero esta vez para la
potencia y para grandes variaciones del factor de dilución como podemos ver en la fig. 2, habiendo
sido determinada en banco de ensayo y para la carga máxima.
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Aquí se observa que a pesar de aumentar el factor de dilución a un valor de 1,5, la potencia se
reduce en aproximadamente un 20%. Si este motor hubiese sido alimentado con nafta, no se podría
haber sobrepasado de un valor 1,25 a 1,3 para el factor ë sin fallos notables en el encendido y llegando al valor de 1,4 la combustión no se produciría.
Una conclusión interesante de esto es que podríamos hacer una regulación de la potencia también por calidad o en forma mixta (calidad y cantidad), claro está que con motores mas bien lentos
y con poco cruce de válvulas por el riesgo de retrocesos de llama.
Vemos también que el avance del encendido por esa menor velocidad en el frente de llama,
debe ser mayor que para el caso de funcionamiento con nafta. Una simple comparación nos dice
que el valor sería:
Pero esto debe ser tomado como una aproximación y fijado para cada motor en particular con
ensayos de banco.
Con lo que tenemos hasta ahora podemos analizar que ocurre con los rendimientos, tanto el
térmico ηt como el grado de bondad ηg.
Observando la figura que sigue, diremos que existe una pequeña reducción del rendimiento
térmico, quizás algo menos de lo que se podría ganar aumentando ε, ya que la combustión al ser
mas lenta, tiende mas a una de p=cte que a v=cte.
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Tomando los límites de una y otra, se explica perfectamente.
En cuanto al grado de bondad ηg, al durar más tiempo la combustión, mayor es el tiempo para
la transmisión de calor al medio, empeorando así este rendimiento en un valor que solo es posible
determinar por ensayos. Esto también explica por qué los motores transformados a gas “calientan”
más que cuando funcionan con nafta. Este último problema es solucionable en forma simple y con
el mismo sistema de refrigeración del motor.
Nos quedaría por ver el rendimiento gravimétrico y el mecánico. Como ya sabemos podemos
poner que:
La presión media de rozamiento consta de dos partes a saber: una que depende de la velocidad
n y otra que depende de la presión máxima. Si no cambia la velocidad del motor, la parte correspondiente no varía y si no aumenta la pmax, tampoco aumenta la otra parte, por lo que se puede suponer
con seguridad que el rendimiento mecánico se mantendrá constante mientras no exista una disminución marcada de la presión media indicada.
En cuanto al rendimiento gravimétrico, si el motor funciona solamente con gas, no tendría la
restricción del difusor del carburador pero si la del mezclador, siendo comparable a la de un motor
a inyección de nafta con sistema de medición del caudal por el método de vórtice o de alambre
caliente. Ahora bien, no debemos olvidarnos de que la pulverización de combustible líquido ya sea
por el carburador o por inyección , logra un enfriamiento de la mezcla por evaporación parcial ya en
el tubo de admisión y esto no ocurre con el gas. Lo que sí se logra es una perfecta distribución en
todos los cilindros de la mezcla gas-aire ya que tienen la misma característica (ambos son gases y
con densidades no muy disímiles como en el caso de aire-combustible líquido).
Nos queda finalmente analizar qué ocurre con la presión media efectiva pme utilizando gas natural.
En el desarrollo de la materia “Motores de Combustión Interna” se demuestra que:
Y en deducciones anteriores se llegaba a:
Para combustibles líquidos con
Para el gas natural con
y Lmin=14,5-14,7, la constante K~29 o sea:
y Lmingas=17,4[Kgaire/Kgmetano] esa constante vale:
por lo tanto:
Kgas ~ 24,8
Suponiendo entonces que todos los demás valores permanecen constantes, llegamos a una
expresión parecida a la relación de potencias:
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Esto nos dice que el par motor se vería reducido en un 13% ya que la presión media efectiva
es directamente proporcional a éste. Desde luego que todo esto a verificar con ensayos de banco
que son los que nos dan la última palabra y siempre que los poderes caloríficos sean los indicados
anteriormente. Sabemos que existen algunas variaciones de ellos entre los distintos productos comerciales, así que hay que tomar todos estos valores como una aproximación.
El Sistema de Encendido
La bondad de una temperatura de encendido espontánea notablemente alta comparada con la
de una nafta, tiende a que sea necesaria una mayor energía y mayor tensión en el sistema de encendido del motor. De igual forma, para las bujías es conveniente su reemplazo por unas de grado
térmico inferior (bujías mas frías) y ajustar la distancia entre electrodos a un valor algo menor luego
de ensayos en cada tipo de motor.
Las Equivalencias Energéticas
Veamos ahora las equivalencias energéticas entre 1 [m3N] de gas natural comercial y el volumen
de combustible líquido como el de una moto nafta.
Tomemos para ello una densidad promedio para las naftas de ñn = 0,76 y si
, entonces el litro de nafta tendrá:
Y además decíamos que el metro cúbico de GNC tiene:
Esto supone inmediatamente que:
O sea que 1 [Nm3] de gas natural equivale a 1,2[l] de nafta.
En la práctica, como habíamos dicho que era posible trabajar con mezclas algo pobres sin mucha
influencia en la velocidad de propagación de la llama, podemos tomar esta equivalencia así:
1 [Nm3] de GNC = 1,3[l] de nafta
Nos queda por fin averiguar los productos nocivos de la combustión con gas natural y en este
caso como veremos en estudios realizados con distintas mediciones, arrojan como resultado una
notable disminución de los componentes nocivos en los gases de escape desde el particulado hasta
el CO, pasando por los NOx y los HxCy. La contaminación del aceite también resulta reducida.
Los asientos de válvulas se ven, eso sí, perjudicados al igual que con el uso de naftas sin compuestos de plomo, por lo que deben tomarse las precauciones necesarias como la instalación de
asientos de metal duro (Stellite, etc.) y verificar en forma mas seguida la luz de válvulas.
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Las Instalaciones Actuales Para Motores de Automóviles
Instalaciones Para GNC (Gas Natural Comprimido)
Se ha extendido muchísimo por su bajo precio, el uso del gas natural para los motores en forma
de GNC.
El problema mas serio que tenemos es que el gas natural no se licua a bajas presiones como
lo hacen el gas propano o el butano (estos últimos entre 6 y 8 bar a temperatura ambiente), y por
lo tanto necesitamos grandes presiones para transportarlo en recipientes en estado gaseoso y que
pueda haber una cantidad suficiente para una autonomía lógica.
Lo que se usa es: Presiones del orden de los 200 [bar] para llenar cilindros de distintas dimensiones (volúmenes de 24 [l] hasta 80 [l] o más) o sea capacidades hidráulicas diferentes que a las
presiones de 200 [bar] puedan contener desde 6 hasta 18 [Nm3] de gas. Los hay incluso de mayor
tamaño para el caso de su utilización en camiones u ómnibus.
Normalmente estos recipientes cilíndricos, son de acero al manganeso con una composición
química aproximada de: 0,45% C; 1,2 a 1,7% Mn y 0,10 a 0,35% Si, y de grandes pesos debido al
espesor de sus paredes (aproximadamente 8 [mm]) para soportar las presiones de trabajo.
Presiones de prueba ————
300 [bar]
Presión de trabajo —————
200 [bar]
En el peso y las dimensiones se ubica el mayor problema del sistema GNC. Por ejemplo un
cilindro típico con capacidad para 15 m3 tiene :
Largo ————————————
1,54[ m]
Diámetro ——————————
24,4[ cm]
Peso vacío —————————-
80 [Kg]
Y todo esto equivale a transportar aprox. 18 [l] de nafta.
Comparemos para este ejemplo los volúmenes y peso respectivo de una instalación para nafta
con otra de GNC.
Comparemos ahora lo necesario en un automóvil para tener una autonomía de 400 [Km] y
supongamos que tal vehículo, a velocidad crucero tiene un consumo de 11 [Km/l] o 9 [l/100Km] de
nafta. Debería consumir un total de 36,4 [l] de nafta para recorrer los 400 [Km] y funcionando con
gas, aproximadamente 30 [Nm3]. Esto último significa llevar dos cilindros de 15 [m3] c/u, con un peso
total de 188 [Kg] y un volumen de 120 [l].
Existen en el mercado cilindros de aleaciones livianas o de fibra, pero son bastante mas caros
que los de acero y por ahora su uso no se ha generalizado.
En el caso estudiado mas arriba, podemos observar que para el funcionamiento con gas, el
peso de la instalación sería el equivalente a transportar mas de 2 personas promedio y ocupando
un espacio que prácticamente eliminaría el uso del baúl.
La Instalación Mecánica
Se muestra a continuación el esquema de un caso típico para motores a carburador.
La parte fundamental es el Reductor, que consta de 3 etapas, dos de reducción y una de regulación del caudal.
Se activa a través de una electroválvula que interrumpe el flujo de gas entre la 2ª y 3ª etapa
comandada por un interruptor que se desconecta a los 2 o 3 segundos de que el motor se detiene
(si permaneciera en contacto). Esto último es indicado por el sensor de pulsos colocado en el cable
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de alta tensión de la bobina de encendido.
La 1ª etapa reduce la presión de 200 [bar] a aproximadamente 3 [bar], y está calefaccionada
mediante una cámara de agua que se conecta al sistema de enfriamiento del motor.
La segunda etapa reduce la presión de 3 a 0,65 [bar] de manera que el flujo no varíe con las
distintas presiones de los cilindros de gas, sobre todo en marcha lenta a fin de un suministro estable
en cualquier condición de carga.
La tercera etapa es la encargada de modular la cantidad de gas adecuada a los distintos regímenes del motor de acuerdo a la succión que se ejerce en el mezclador sobre la salida del reductor.
Dentro de la cavidad de la 3ª etapa existirá una presión igual a la atmosférica con algunas pequeñas
variaciones.
En la 3ª etapa se encuentran los registros de regulación de mínima y de sensibilidad.
En el conducto que va desde el reductor al mezclador se encuentra el registro de regulación
principal o de máxima, donde se regula lo necesario para un afinado óptimo del motor. Normalmente esta regulación debiera hacerse montando el automóvil en un banco de rodillos y con todos los
instrumentos necesarios para una perfecta puesta a punto.
En el caso de vehículos con motores a inyección, es de rigor montar emuladores o simuladores
para cada caso particular y que actúan sobre la CPU simulando el funcionamiento con nafta. Deben
anular el funcionamiento de los inyectores, sonda lambda, etc.
Usualmente es de práctica no producir la desconexión eléctrica de la bomba de nafta, la cual debe
seguir funcionando en el modo gas. Por ello se aconseja mantener el tanque de combustible con una
cierta cantidad mínima que permita la refrigeración de la misma. Recordemos que en los sistemas
de inyección de nafta, la bomba eléctrica provee un caudal varias veces superior al requerido por el
motor, el cual es parcialmente derivado en el regulador de la presión de inyección, al retorno.
Los sistemas variadores de avance del encendido son adoptados universalmente y trabajan en
forma automática cuando se pasa del funcionamiento de uno u otro combustible. En los equipos
convencionales son colocados entre la bobina de A.T. y el distribuidor.
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Se regula el avance óptimo en modo gas y al pasarlo a nafta se retrasa automáticamente al valor
necesario para este último combustible.
En el caso de encendidos electrónicos es a la inversa, y si se trata de encendidos estáticos
comandados por la centralita o CPU, se actúa sobre ella.
Con esto tenemos entonces un panorama mas o menos general sobre el funcionamiento de
nuestros motores Otto con gas.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En el trabajo se analiza detalladamente el uso de combustibles gaseosos en reemplazo de las
naftas para el funcionamiento de motores de ciclo Otto.
En primer lugar, realizando cálculos se puede observar que el poder calorífico de la mezcla de
gas y aire es aproximadamente un 12% menor que el poder calorífico de la mezcla aire-combustible
líquido, lo que automáticamente se traduce en una disminución del mismo orden en la potencia. Por
otro lado se podría mejorar esta situación aprovechando el elevado número octano del gas, con un
incremento de la relación de compresión, pero esto supondría perder la capacidad de usar indistintamente ambos combustibles.
Otro aspecto interesante es que la mezcla aire-gas posee menor velocidad de combustión que
la mezcla aire-nafta, lo cual produce mayor transmisión de calor al medio, lo que trae aparejado una
pequeña disminución en el rendimiento, además de necesitar algunas modificaciones en el sistema
de refrigeración. Por otra parte la menor velocidad de llama implica realizar modificaciones en el
avance de encendido al usar uno u otro combustible.
BIBLIOGRAFÍA
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Técnicas del Automóvil. Inyección de Gasolina y Dispositivos Anticontaminación. J. M. Alonso Pérez. Editorial Paraninfo. Madrid - 1998
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