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Vehículos nuevos con GNC

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Instalación y optimización del GNC en vehículos nuevos , con motor ciclo OTTO. Autor: Prof. Ing. Daniel ZAMBRANO Universidad de Buenos Aires- Facultad de Ingeniería



Instalación y optimización del GNC en vehículos nuevos, con motor ciclo OTTO. . 3

1. Introducción ..................................................................................................... 4 2.Evaluación del vehículo y la alteración de su desempeño................................ 6

Características del motor: ................................................................................ 7 Desempeño del vehículo completo .................................................................. 7

3.Evaluación estructural y rediseño de la plataforma y sistema de sujeción ....... 9 4.Diseño específico de componentes para el sistema de GNC......................... 10 5.Alteración de parámetros funcionales para utilización de GNC...................... 12 6.Medición de las características de comportamiento del motor y vehículo. ..... 14 7.Conclusiones .................................................................................................. 15



Instalación y optimización del GNC en vehículos nuevos, con motor ciclo OTTO. Autor: Prof. Ing. Daniel ZAMBRANO Universidad de Buenos Aires- Facultad de Ingeniería Resumen: Para la implementación de un sistema de GNC, en un vehículo comercial original de fábrica (OEM), cuyo motor fue diseñado originariamente para la utilización de otro combustible (Gasolina), debe realizarse un estudio amplio para encontrar las soluciones óptimas para la aplicación del Gas natural o para GLP. Ello trae como consecuencia una serie de análisis tecnológicos, que implican no solo la Ingeniería del fabricante del vehículo, sino un trabajo conjunto con proveedores, y la asistencia de los centros de desarrollo y aplicación de tecnologías que representan las Universidades. No solo es necesario el estudio y adaptación de las características del motor sino también deben tenerse en cuenta las modificaciones estructurales del vehículo debido a la adición del GNC (tanques, tuberías, boca de carga). Esta tecnología y su aplicación es algo que ya hace mucho años esta siendo desarrollada para su aplicación en el transporte.


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1. Introducción La necesidad de evitar efectos nocivos sobre nuestro planeta, han llevado a la búsqueda de soluciones tecnológicas que permitan disminuir el impacto de la utilización de los recursos naturales y la degradación del ambiente . Es evidente nuestra necesidad de movilizarnos, mediante la utilización automóviles y máquinas que utilizan hidrocarburos , fuente por ahora casi insustituible, por lo menos en el corto plazo, y a un precio razonable, para el transporte individual y colectivo. La mayor parte de estos vehículos utilizan combustibles como la nafta o el Gasoil, y tanto por motivos ecológicos como aspectos estratégicos y económicos, cada nación ha tratado de encontrar la mejor solución aplicable a sus necesidades de transporte. Es por ello que se recurren a distintas alternativas en diversas geografías del planeta, que tienen en cuenta los aspectos nombrados. Basta como ejemplo nombrar algunos ; por ejemplo Brasil y la sustitución de nafta por alcohol, o el Bio- diesel (derivado de aceites vegetales), o el desarrollo de fuentes innovadoras como el hidrógeno, e incluso soluciones mixtas (vehículos híbridos).

En nuestro país y en algunas otras regiones del planeta, hace ya muchos años que se ha desarrollado el Gas Natural Comprimido, como una fuente alternativa posible para la sustitución de combustibles tradicionales.

Argentina35%

Italia19%

Brasil15%

Pakistan9%

USA5%

India4%

Otros2%

Venezuela2%

China2%

Ante estas alternativas debemos preguntarnos

óptima depambiental incluso su

o

Mercado del GNC en el mund

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como llegar a una solución endiendo de todos los factores que hacen a una ecuación económica,

y política que permita el desarrollo de una tecnología local que posibilite exportación.



El GNC es ya no solo una posibilidad, sino que en nuestro país especialmente, y en algunas otras regiones del planeta, es una realidad, que permite vislumbrar un presente y un futuro óptimo. No es la finalidad de este trabajo analizar las ventajas de este combustible , pero si es cierto que un breve recuento de las ventajas y desventajas de éste frente a los combustibles tradicionales , nos indica que estamos en uno de los caminos correctos para la sustitución de las fuentes tradicionales. El presente trabajo estudio, se intentará determinar la lógica a seguir para realizar la conversión y/o adaptación de motores que fueron concebidos originalmente para su funcionamiento según el ciclo OTTO, utilizando un combustible líquido . Estos aspectos pueden resumirse en una serie de pasos a seguir: .- Evaluación inicial del desempeño del vehículo con combustible líquido .- Evaluación y modificaciones de estructura original .-Diseño específico de los componentes para la conversión/adaptación

.-Determinación y programación de nuevos parámetros para GNC.

.-Mediciones y evaluaciones comparativas del vehículo.

.-Estandarización de parámetros Debemos destacar que casi todos las grandes marcas de fabricantes de automóviles, cuentan ya, o contaran en un breve plazo , con vehículos concebidos para la utilización de dos combustibles ( Bi-fuel), GNC/Nafta, diseñados, con la última tecnología, y pensando en mercados globales.

Kangoo

Mercedes E-Klasse

Maggiora



2.Evaluación del vehículo y la alteración de su desempeño Antes de iniciar cualquier conversión, debemos analizar las características originales del vehículo en estudio , a fin de tener como objetivo mantener aproximadamente dichas características, luego de realizada la conversión. Es lógico pensar que el usuario solicitará del vehículo una comportamiento similar al que se obtiene utilizando el combustible original. Sin embrago, debemos dejar en claro que desde el punto de vista estrictamente termodinámico, la energía obtenible con GNC en un motor, sin realizar ninguna modificación mecánica, es del 81% de lo que correspondería para la nafta. Esto se debe al siguiente razonamiento: La combustión nafta /aire puede analizarse desde el punto de vista químico como la siguiente reacción:

C7H16, C8H18 + Aire (O2+N2)

para el caso de GNC (Metano) será:

CH4 + Aire

Las relaciones aire combustible desde el punto de vista volumétrico serán:

A/C|v = 9.52 GNC A/C|v = 56 Nafta

por lo tanto la energia por la masa correspondiente a cada una de estas mezclas serán:

Masa GNC= 1mol x 16g/mol / 10.52 Masa Nafta= 1mol x 107g/mol / 57

por ello la relación entre energías será:

EGNC/Enafta =1.521/1.877 =0.81

esto nos muestra que solo podremos obtener un 81% de la energía que obtendríamos con nafta. Debemos entonces, con el fin de disminuir las pérdidas adicionales, realizar el estudio de cada uno de los elementos que componen el sistema de GNC , tanto



desde el punto de vista teórico de los parámetros funcionales del vehículo, así como también verificaciones y mediciones para la obtención de las mejores características funcionales posibles. Para ello deberán evaluarse : Características del motor:

Curvas de potencia Curvas de par Curvas de consumo especifico Curvas a cargas parciales Sistema de combustible (inyección)

Desempeño del vehículo completo

Aceleraciones Pendientes superables Relaciones de caja Relaciones de diferencial Peso máximo de la unidad Peso de la unidad vacía Despeje del piso Gases de escape

Si comenzamos con el análisis de las curvas características es necesario contar con un conjunto completo de datos, que no solo se refieran a plena carga sino el comportamiento del motor a cargas parciales.

Este análisis debe realizarse tanto para las curvas de potencia como las de par y consumo especifico, pero no deben olvidarse otros parámetros como temperaturas de escape y las emisiones antes y después del catalizador. Este estudio previo permitirá la comparación de performances del vehículo con combustible original y luego de la conversión. Evaluación en banco de pruebas de curvas características con el motor original, motor convertido pero utilizando Nafta y motor convertido utilizando GNC



Del estudio de varias conversiones realizadas por proveedores de equipos de GNC, para el caso de fabricantes de automóviles que ofrecen sus vehículos con garantía de fábrica se observa:

Disminución de los valores obtenidos en la potencia tanto a cargas parciales como a plena carga del orden del 12 % a 18%.

Disminución de par motor que influye notablemente en la aceleración del vehículo.

Por efecto de pérdida de rendimiento volumétrico, se produce un corrimiento de las patencias máximas alcanzadas (disminución del 17% a 23 % con GNC) hacia menores vueltas.

El motor convertido, pero funcionando con nafta, muestra disminución de potencia de 5% al 7 %, debido pérdidas introducidas por los mezcladores en la admisión y modificación del sistema de admisión.

El peso adicional y la disminución de par, perjudica la performance para el vehículo vacío, entre un 10% a 25%, sobre todo si se tiene en cuenta la partida con vehículo detenido, y afecta notablemente la máxima pendiente superable.

El consumo específico comparado , aumenta entre un 5% a 15 %. Control inestable de emisiones sobre todo a regímenes variables, debido a

las modificaciones de la mezcla aire/GNC Emisiones de NOx variables según régimen ( promedio -5% a +17%). Los

menores valores se producen en marcha lenta. El control de esta emisión es muy variable según cada tipo de motor. En algunos casos se observó una pequeña disminución de la emisión.

Aumento de emisión THC en promedio 200% si consideramos el Metano (CH4)

Disminución del 25% al 50% de CO. En caso de utilización de tanques de GNC colocados en la parte inferior del

vehículo, se disminuye peligrosamente el despeje mínimo (200mm)



En algunos casos, sobre todo para vehículos utilitarios, es conveniente la

elección de otra relación de engranajes en el diferencial, para mejorar la performance a bajas velocidades ( mejorar el par de “salida”)

Curvas de motor que muestran la disminución de potencia y par , y perdidas del rendimiento volumétrico

3.Evaluación estructural y rediseño de la plataforma y sistema de sujeción En especial para el caso de vehículos utilitarios, deberíamos conservar dentro de lo posible el volumen y su capacidad de carga. Para conservar el volumen de carga , en muchos vehículos se recurre al montaje de los tanques por debajo del chasis o plataforma, siempre que ello no implique

una drástica reducción del ángulo de despeje mínimo. Debe estudiarse entonces la posibilidad de este montaje mediante soportes adecuados, muy distintos a los utilizados normalmente para la sujeción de los tanques en vehículos medianos y pequeños, normalmente en el sector del interior del baúl portaequipaje. Para ello es necesario diseñar estos soportes, utilizando las técnicas de dibujo asistido (CAD) y

verificación por algún método de elementos finitos (FEM).



s o

Este diseño debe corroborarse mediante ensayos, y dado que es necesario acortar estos tiempos de evaluación, pueden realizarse ensayos acelerados de fatiga en máquinas que permitan someter a esfuerzos alternativos (fatiga) la estructura completa , o por lo menos los anclajes. El anclaje de los tanques trae como consecuencia una nueva exigencia

estructural sobre la plataforma existente, por lo que también deberá estudiarse los puntos de unión y de ser necesario el refuerzo de la estructura básica del vehículo. Esto se lleva a cabo mediante cálculos y la verificación mediante cálculo por elementos finitos, que permiten determinar la magnitud de las tensiones, y de ser necesario los puntos que deben modificarse, para compatibilizar el nivel

de los esfuerzos con los materiales utilizados para la plataforma y los elementos de anclaje.

4.Diseño específico de componentes para el sistema de GNC Uno de los aspectos más importantes de la conversión, es la concepción y utilización de mezcladores diseñados específicamente para el motor que se desea convertir. En un estudio que ha sido realizado se han comparado los distintos mezcladores

difusores, que utilizan los proveedores de equipos de GNC, y pudo notarse una dispersión muy grande en cuanto a sus características de diseño fluidodinámico, y su comportamiento en la mezcla obtenida. Esto e, para distintos mezcladores para un mismvehículo pero de distintos proveedores. Estas diferencias llegan al 40 %.

Para optimizar esto es necesario contar con un diseño adecuado desde el punto de vista fluidodinámico, teniéndose en cuenta las características propias del GNC (CH4) ya que difiere fundamentalmente de las condiciones en que se produce la mezcla para combustibles líquidos u otros gases con distintas densidades o pesos específicos (GLP, Butano, Propano puro, etc).



Es por ello necesario un cuidadoso desarrollo del mezclador, teniendo en cuenta las características del Venturi su posición en la vena fluídica de admisión , su

cercanía a la mariposa, y las consecuencias de las pérdidas de carga que implica su interposición en la admisión del motor. Para obtener las mejores características se realiza un estudio previo según las características del motor , tratándose de optimizar su performance para la máxima potencia, cuidándose una adecuada distribución de la entrada del gas, que permita una homogeneización de la mezcla. Se utilizan para ello programas computacionales específicos que permiten predecir el comportamiento y la formación de la mezcla.

Flujo en torno a la mariposa

Es así como se llega, luego de estos cálculos a un diseño que deberá ajustarse en el motor en un banco de pruebas, que permitirá establecer las dimensiones definitivas. El diseño adecuado permite reducir las pérdidas de rendimiento volumétrico del motor , que aún en los casos más favorables es de 3% al 5%. En conversiones realizadas sin estos estudios pueden observarse pérdidas de hasta un 17%. En este caso la potencia no solo disminuye , sino que se reduce además la flexibilidad del motor, limitando su régimen de funcionamiento. Un problema hallado normalmente en las conversiones realizadas por Proveedores de GNC, en vehículos originales de fábrica y con garantía de estas, es la falta de control sobre

las características propias de estos mezcladores., lo que lleva a que para un mismo modelo de motor se obtengan características funcionales distintas (no existe una estandarización de producto, debe ponerse a”punto cada motor, o sea deben realizarse las calibraciones en cada motor individualmente).

Dosificador con control paso a paso

Además del mezclador otro elemento importante en el sistema

de admisión, es el elemento que se utiliza para dosificar la masa de gas.

Instalación de GNC sin mezclador en admisión



En los equipos de última generación se utilizan válvulas controladas por motores paso a paso, que permiten una dosificación mas estrecha en función de las condiciones de funcionamiento del motor. Esto mejora sustancialmente las emisiones de NOx en marcha lenta, y mejora levemente el funcionamiento en los demás regímenes, cuando el sistema posee un control mediante señal de la sonda Lambda. De todas formas existen pasos calibrados que limitan el máximo pasaje de gas posible, con lo cual estaremos estableciendo la potencia máxima del motor y tipo de mezcla.. En este sentido también esto es un problema ya que esta dosificación se realiza artesanalmente, no pudiendo repetirse la performance para idénticos motores de la misma serie. Por ello también aquí es importante un estudio teórico y una ajuste en banco de prueba, que permita la determinación de un paso calibrado único, para todos los motores de la misma serie.

Actualmente se encuentran en fase de desarrollo final , sistemas que permiten la inyección de GNC, a través de electroinyectores que son manejados electrónicamente, a través de un mapeo, similar a los inyectores utilizados en los motores nafteros.

Inyectores y rampa de inyección para GNC

5.Alteración de parámetros funcionales para utilización de GNC Una de las principales características que alteran el funcionamiento de un motor, y por consiguiente , su performance como ciclo térmico, es lo que denominamos avance al encendido. Los motores actuales, que poseen un control de inyección y encendido en función de parámetros funcionales, permiten la elaboración de “mapas” para la determinación del tiempo de inyección y el avance al encendido , respecto del punto muerto superior del pistón. Por ello, y debido a las características fisicoquímicas del CH4 (mayor temperatura de encendido, menor velocidad de desplazamiento del frente de llama), se debe



iene

alterar fundamentalmente estos mapas que alteran sustancialmente el momento del ignición de la chispa, y de ser posible aumentar la energía entregada por la misma. Esto lleva al estudio de la sustitución de las bujías originales, y su reemplazo teniendo en cuenta la modificación de las características de temperatura de funcionamiento ( determinación del grado térmico), y la longitud de arco eléctrico. A esto se agrega desde el punto de vista estrictamente termodinámico, y con el fin de mejorar el rendimiento del ciclo, la modificación del momento del encendido, que lleva a modificaciones radicales del avance, debido a que el frente de llama generado por el encendido del GNC, tun a velocidad de propagación muy inferior a la mezcla aire/nafta. La modificación del sistema de avance, permite mejoras de hasta 35% de la

performance del motor (sin ninguna variación ) , y evita posibles detonaciones por el encendido de mezcla en la fase de escape.

Avance en función de temperatura y presión en admisión

Debido al poder antidetonante del GNC y las características de su frente de llama es posible lograr avances de 18º a 30º respecto de los utilizados con nafta. En consecuencia en los modernos sistemas de control electrónico del motor, debemos modificar la cartografía, para poder realizar el encendido en el momento adecuado de acuerdo a la carga del motor (posición de mariposa, presión de admisión), número de vueltas, temperatura del aire y del agua, y las condiciones de menor emisión de gases contaminantes. Variación avance en función de

presión de admisión y régimen del motor

Todos estos parámetros funcionales del motor deben ser modificados, mediante el ensayo del motor en banco de pruebas,



requerida, según criterio del fabricante. necesario

para

,

aluaciones

para los distintos regímenes de carga y velocidad. En cada punto se hallara el óptimo avance que estará definido por la mejor condición de potencia, con el compromiso de menor emisión y un consumo adecuado. Es fundamental la elección adecuada del tipo de bujía , generalmente con un rango térmico mas alto (mas fría), y el tipo de electrodo debido a la conductividad del mismo, para lograr estos requisitos.

6.Medición de las características de comportamiento del motor y vehículo. Una vez completada la etapa de diseño y evaluaciones para la determinación de parámetros funcionales del motor es necesario realizar las evaluaciones en el vehículo. Para ello se dispone de ensayos en bancos de rodillos y ensayos normales de carretera. Estas evaluaciones nos permitirán ajustar los parámetros (mezcla, avance, pasos calibrados, mezclador, regulador) hasta obtener la performance

Para ello esinstrumentar el vehículodeterminar las características de velocidad, aceleración, consumo, temperaturas de funcionamiento (agua, aceiteescape), y de ser posible medición de par y potenciaefectiva e indicada. Además estas evnos permitirán verificar las fijaciones de las cañerías de GNC de alta presión, los soportes de los tanques, el

montaje y posicionamiento del regulador, la estanqueidad en el sistema de admisión y el funcionamiento del catalizador. Referente a este último, es importante conocer su funcionamiento, ya que los vehículos diseñados originalmente para la utilización de nafta como combustible, poseen catalizadores del tipo 3 vías , pero estos son inadecuados para el GNC, dado que se disminuye en forma apreciable la cantidad de CO presente en los gases productos de la combustión y se produce en general un aumento de NOx y la presencia en exceso de CH4 lo que puede producir un funcionamiento deficiente del sistema y hasta su destrucción. Debemos también evaluar la durabilidad del motor con este combustible (GNC) Para ello debería realizarse un ensayo en banco de pruebas con una duración



mínima de 1000hs, y ensayo en vehículo con una duración mínima de 100.000km. Esto nos permitirá verificar especialmente el comportamiento de los componentes mecánicos , especialmente las válvulas de admisión, que sufren normalmente el desgaste de sus asientos debido el escaso intercambio térmico y al mayor tiempo de combustión que produce el GNC, así como también las válvulas de escape que se encuentran sometidas en general a mayores temperaturas durante más tiempo. Otros componentes como por ejemplo los aros de pistón, donde se acumulan depósitos debido a exceso de cenizas que se aportan a través de los lubricantes. También deben evaluarse detenidamente. El conjunto tapa de cilindros también puede presentar algunos problemas de microfisuras debido a temperaturas localizadas, y el sistema de escape por el exceso de agua y NOx puede presentar corrosión.

7.Conclusiones Como se ha observado del análisis de resultados obtenidos con distintas conversiones de vehículos nuevos que salen de las terminales para su uso bi-combustible (nafta/GNC) , se concluye que los efectos adversos pueden minimizarse realizando un cuidadoso proyecto que contemple el desarrollo de cada componente especifico y su adaptación y puesta a punto siguiendo los lineamientos que la ingeniería debe aportar. Para poder entonces cumplir con las exigencias de los usuarios, y los estándares que rigen en la industria , es necesario definir en la etapa de proyecto los parámetros funcionales del motor luego de la conversión. Deben seguirse las etapas mencionadas en el presente trabajo, desde la toma de datos iniciales del motor con el combustible convencional, el diseño de los componentes específicos (mezclador, “distribuidor”, inyectores), la elaboración de los parámetros de control del motor (mapeo), su verificación en banco de pruebas, bancos de rodillo, y en el rodaje normal de un vehículo. Paralelamente deben desarrollarse los sistemas de sujeción y el ruteo de las cañerías de alta presión, la verificación de la carrocería por elementos finitos , y la verificación de otros parámetros funcionales (despeje al piso, aumento de peso, etc). Teniendo en cuenta el procedimiento establecido, y aprovechando la sinergia producida por la estrecha relación entre las terminales automotrices , los proveedores de equipos de GNC y las universidades , será posible la producción de vehículos con características similares a los que utilizan solo los combustibles convencionales.

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