25 de agosto de 2010

El Efecto del Gas Combustible en el Rendimiento de los Motores de Combustion Interna


Sin duda alguna los motores de combustión interna (MCI) se han convertido en una de las piezas más valiosas del inventario de equipos de cualquier planta productiva. Usualmente utilizado como maquina impulsora (driver) acoplados a bombas, compresores, generadores eléctricos etc. son equipos muy versátiles en lugares remotos donde la electricidad no está disponible, en aplicaciones que requieren altas potencias y donde equipos auxiliares o de emergencia sean necesarios.

Dentro de su clasificación por tipo de combustible, el uso de los MCI a gas se ha incrementado en los últimos años por ser estos más económicos, silenciosos, menos contaminantes y con una vida útil mucho más larga que las de sus hermanos a diesel o gasolina.

Una de las falla más común asociados al uso de gas combustible en los MCI y que limita su operación y rendimiento son las detonaciones o knock, este efecto es una consecuencia de las ondas de choque desordenada, no uniforme y fuera del eje de la bujía producida por una ignición anticipada de la mezcla Aire/combustible después que se genera la chispa en la bujía, esto puede causar fallas catastróficas en elementos de los motores relacionados con la cámara de combustión como: bujías, válvulas de admisión y escape, pistones, cilindros y otros componentes.

El efecto knock normalmente está relacionado con una serie de factores operacionales del motor, pero especialmente con la calidad del gas combustible. Así pues la composición del gas combustible (numero de metano), la relación de compresión, los tiempos de ignición y la temperatura del motor pueden reunirse, todos o algunos, para representar la escena perfecta del efecto knock.

El número de metano, así como el octanaje en la gasolina, representa la resistencia a detonar que tiene el gas al ser comprimido. El número de metano tiene un estricto vínculo con la relación de compresión y las temperaturas de la mezcla aire/combustible en el motor. Cuando se emplean altas relaciones de compresión, la temperatura de la mezcla se puede elevar por encima de la temperatura de auto ignición del combustible, lo que causa un temprano y rápido quemado del mismo, seguido por una combustión casi instantánea del gas remanente, esto impone un límite superior en las relaciones de compresión en los motores a gas y demanda ciertas características del gas combustible a ser utilizado. Así pues, si se tiene un gas con un número de metano alto, la resistencia al knock se incrementa y las relaciones de compresión y las temperaturas en los motores podrían aumentar.

Las Figuras abajo muestra la relación entre el número de metano, la temperatura del aire a la salida del post enfriador (o a la entrada del carburador) y el tiempo de ignición (expresado en grados BTDC o Before Top Dead Center), es fácil observar que para un mismos motor con diferentes relaciones de compresión tenemos curvas diferentes y que al tener una relación de compresión más alta necesitamos un numero de metano alto.

El tiempo de ignición también es un factor importante. Un retraso en el tiempo de ignición puede evitar una detonación. La tendencia a reducir el efecto knock debido al atraso del tiempo de ignición, ocurre por la reducción de la presión en el cilindro, lo cual a su vez reduce los niveles de temperaturas. En las figuras también se muestra el tiempo de ignición (en grados BTDC) requeridos para los motores a determinado número de metano.

Se produce knock cuando la temperatura de la mezcla excede la temperatura de auto ignición del combustible. Al reducir la temperatura de entrada del aire al carburador reducimos la posibilidad de knock por efecto de temperatura, es por eso buena práctica reducir la temperatura del aire de entrada al carburador en los motores que poseen post enfriadores, esto termodinámicamente permite incrementar la eficiencia térmica del gas (ɳTérmica= A1/A1+A2), por efecto del aumento del área (A1) bajo la curva en el diagrama T vs S del ciclo Otto ideal mostrado abajo, la cual representa la relación de calor que entra y sale del sistema. A parte de esto al hacer el aire más “frio” se incrementa la densidad del mismo y por ende aumentar la cantidad de oxigeno que introducimos en la mezcla, lo cual, favorece al proceso de combustión, recordemos que el exceso de aire garantiza una combustión completa del combustible, en otras palabras, con mezclas “ricas” o abundante en oxigeno la tendencia a knock disminuye al igual que los componentes contaminantes en los gases de escape (CO y NOx).

El Lower Heting Value (LHV) es una referencia del poder calorífico del gas combustible y está determinado, al igual que el número de metano, por los componentes condensables y volátiles contenidos en el gas. Un gas combustible con alto LHV requiere menos diferencial de presión entre el aire y el gas que entra al carburador del motor para obtener una determinada potencia del mismo, esto en otras palabras, no es mas que permitir menos entrada de combustible y mayor entrada de aire, para compensar el alto valor energético del gas manteniendo el equilibrio etequiometrico requerido.

La carga del motor también influye. Cuando un motor es operado a baja carga (bajas presiones en los Cilindros) la temperatura producida por la compresión es baja, lo cual incrementa la resistencia al knock, inversamente, altas cargas del motor, producirá un incremento a la tendencia de knock.

Hoy día muchos motores tienen incorporado dispositivos electrónicos de control que censan la presencia de knock en el Motor, estos normalmente funcionan a través de un acelerómetro colocado en las tapas de compresión del motor. El control reacciona al knock retardando el tiempo de ignición del mismo (en algunos casos hasta 6 grado BTDC), si el motor continua presentando detonaciones, el control enviara una señal y el motor se apagara, si las detonaciones desaparecen el control enviara otra señal y comenzara a avanzar el tiempo de ignición a una relación generalmente de un (1) grado por minuto hasta llegar a su valor original.

Igualmente existen software que permiten determinar el número de metano y el LHV de un gas, estos solo requieren como data de entrada los componentes condensables del gas (% Molar), los cuales pueden obtenerse mediante un análisis de la composición del gas a través de una cromatografía del mismo.