Motores de Combustible Dual y Sistemas de Sobrealimentación: Funcionamiento y Mantenimiento

Motores de Combustible Dual

Un motor dual, también conocido como motor bicombustible o mixto, es capaz de utilizar dos tipos de combustible, como gas natural y diésel, o gasolina y gas natural. Fueron desarrollados originalmente durante la Segunda Guerra Mundial debido a la disponibilidad de grandes cantidades de gas natural a precios bajos. Su funcionamiento implica comprimir la mezcla de gas y aire en la cámara de combustión hasta alcanzar presiones similares a las de un motor diésel. Para evitar el autoencendido y la detonación, se utilizan mezclas de combustible gaseoso más pobres, con una composición por debajo de los límites de explosión. La potencia generada está limitada por la tendencia a la detonación del combustible gaseoso, que puede ser mayor que en un motor diésel convencional. La capacidad de utilizar dos tipos de combustible ofrece flexibilidad operativa y económica, además de ofrecer la posibilidad de contaminar menos al poder elegir el tipo de combustible.

Conceptos Clave en Motores

• Catalizador: Dispositivo que reduce las emisiones de gases contaminantes mediante reacciones químicas que transforman compuestos nocivos en sustancias menos dañinas. Con el fin de reducir las emisiones, estos se instalan en el escape del motor.
• Combustión estequiométrica: Es un proceso de combustión en el que el combustible se quema completamente en presencia de la cantidad exacta de oxígeno necesaria para una combustión completa. En una mezcla estequiométrica, no queda oxígeno ni combustible sin quemar después de la combustión.
• Poder calorífico: Nos indica la cantidad de calor que libera un combustible o cantidad de energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad de masa de combustible, es la cantidad de calor que entrega un kilogramo de combustible al oxidarse de forma completa (kcal / kg).
• Emisiones NOx: Las emisiones de NOx (óxidos de nitrógeno) son compuestos de nitrógeno y oxígeno que se forman durante la combustión a altas temperaturas. Los dos principales óxidos de nitrógeno son el monóxido de nitrógeno (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2).

Reducción de Emisiones de Azufre en Motores Duales

Los motores duales pueden generar menos emisiones de azufre en comparación con otros tipos de motores. Los motores duales suelen referirse a motores que pueden funcionar con más de un tipo de combustible, es por eso que pueden cumplir con las restricciones del porcentaje de azufre de la OMI y de las zonas ECA con más facilidad, ya que pueden utilizar combustibles menos contaminantes como el gas natural licuado, el cual reduce drásticamente las emisiones de azufre, o LSFO (gasóleos de bajo contenido en azufre) que cumplen la misma función. Es por eso que los motores duales son ideales en esta situación debido a su versatilidad, pudiendo usar varios tipos de combustible, por lo tanto, reducen el porcentaje de azufre emitido, así mismo cumpliendo con la normativa de la OMI y evitando el porcentaje máximo de emisión de azufre, tanto el normal establecido como el de las zonas ECA.

Turbocompresor de Geometría Fija

El turbocompresor de geometría fija consiste en una turbina y un compresor conectados por un eje común. La válvula de descarga wastegate regula la presión de sobrealimentación desviando gases de escape directamente al escape sin pasar por la turbina. La carcasa de la turbina tiene forma de caracol para aumentar la velocidad de los gases, mientras que la del compresor acelera el aire ingresado axialmente. El accionamiento eléctrico es una electroválvula que controla la posición de un émbolo para regular el flujo de gases de escape hacia la turbina.

Ventajas y Desventajas del Turbocompresor de Geometría Fija

• Ventajas:
  • No consume energía en su accionamiento.
  • Fácil localización, sin accionamiento directo del eje del motor.
  • Reducido volumen en relación con el caudal proporcionado.
  • Gran capacidad de comprimir a altos regímenes y altos caudales.
• Inconvenientes:
  • Mala capacidad de respuesta en bajas cargas debido al poco volumen de gases.
  • Retraso en su actuación debido a la inercia de la masa móvil y su aceleración mediante gases.
  • Alta temperatura de funcionamiento al accionarse con gases de escape.
  • Requiere mayores cuidados de uso y mantenimiento.

Problemática de la Sobrealimentación

• Caudal de motor excesivo para la turbina.
• Energía excesiva en la turbina.
• Falta de energía disponible en la turbina.
• Problemática de los transitorios.
• Entrada en bombeo del compresor.
• Entrada en condiciones sónicas del compresor.
• Empleo de recirculación de gases de escape.
• Alta sobrealimentación.

Turbocompresor de Geometría Variable

El turbocompresor de geometría variable es una innovación que supera las limitaciones de los turbocompresores de geometría fija. Funcionamiento y gestión electrónica: Los turbocompresores de geometría variable ajustan la geometría de la turbina según las condiciones del motor, lo que elimina la necesidad de una válvula de descarga. Variación de la sección de paso: La orientación de los álabes móviles varía la sección de paso de los gases de escape, lo que afecta la velocidad de la turbina y la presión de sobrealimentación. Regulación mediante electroválvula: La presión de sobrealimentación se regula mediante una electroválvula controlada por la unidad de control del motor. Esta electroválvula ajusta la posición de los álabes móviles según las necesidades del motor y las condiciones de funcionamiento.

Ventajas de un Turbocompresor Variable sobre uno Fijo

• Mantienen la presión de sobrealimentación casi constante en todos los regímenes de funcionamiento.
• Permiten conseguir un aumento de la potencia y del par entre un 10 y un 20%.
• Mejoran el consumo de combustible y disminuyen la contaminación al tener una combustión más completa en todos los regímenes.
• Consiguen una curva de potencia muy progresiva.
• Consiguen un mayor par motriz a bajos regímenes.
• Consiguen una mayor potencia máxima a altos regímenes.

Electroválvula Reguladora de Presión de la Turbogeometría

En los turbocompresores de geometría variable, la presión de sobrealimentación se ajusta mediante una electroválvula reguladora controlada por la unidad de control del motor. Esta válvula electromagnética recibe señales de voltaje en función de un mapa de curvas preprogramadas, que determina la cantidad de aire que se permite ingresar al motor. Cuando el motor opera a bajas revoluciones, la electroválvula se activa cerrando el conducto que proviene de la admisión (presión atmosférica) y abriendo el de depresión (bomba de vacío). Esto hace que la membrana de la cápsula neumática sea absorbida, actuando sobre las varillas y palancas que controlan los álabes móviles de la turbina. Estos álabes se posicionan de tal manera que se reduce la sección de paso, aumentando así las revoluciones de la turbina y, por ende, la velocidad de los gases de escape que la impulsan. Cuando el motor alcanza altas revoluciones, la electroválvula se desactiva y se cierra el conducto de depresión mientras se abre el conducto de presión del colector de admisión. La presión generada por el propio motor actúa sobre la membrana de la cápsula, desplazando las varillas y palancas en sentido de compresión. Esto posiciona los álabes móviles en una posición que maximiza la sección de paso, reduciendo la velocidad de los gases de escape que ingresan a la turbina y, por consiguiente, disminuyendo la presión de sobrealimentación.

Motores con Turbocompresor y Compresor Volumétrico

Los motores con turbocompresor y compresor volumétrico operan en diferentes modos según el par solicitado, controlados por una unidad electrónica. Fases de Funcionamiento:

• Sin carga: A bajas revoluciones y sin carga, el compresor está desactivado y la mariposa by-pass abierta, permitiendo que el aire entre directamente sin pasar por el compresor.
• Carga baja-media: A bajas y medias revoluciones con carga, el compresor se activa aumentando rápidamente el volumen de aire y rendimiento del motor, mientras la mariposa by-pass se cierra. Al alcanzar mayores revoluciones, el turbocompresor centrífugo toma el relevo.
• Carga media-alta: A altas revoluciones, el turbocompresor proporciona suficiente presión. La unidad de control puede desactivar el compresor y abrir la mariposa by-pass, aunque puede activar el compresor si es necesario.

Elementos Específicos:

• Turbocompresor centrífugo: Funciona con los gases de escape, de geometría fija y válvula de descarga neumática.
• Roots: Arrastrado por una correa desde el cigüeñal, se activa mediante un electroembrague controlado electrónicamente para aumentar el volumen de aire a bajas revoluciones.
• Mariposa by-pass: Desvía el flujo de aire según las necesidades del motor.

Soluciones a la Demora de Respuesta del Turbocompresor

• Turbocompresor de geometría variable: Permite ajustar la geometría de la turbina según las condiciones del motor, lo que mejora la respuesta en diferentes regímenes de funcionamiento.
• Biturbo: Consiste en dos turbocompresores de distintos tamaños.
• Biturbo en paralelo: Utiliza dos turbocompresores pequeños de tamaño idéntico.
• Turbocompresor asimétrico: Se coloca un solo turbocompresor pequeño en una bancada para obtener una respuesta más rápida.
• Biturbo secuencial: Emplea dos turbocompresores idénticos, distribuyendo el volumen de gases de escape.
• Turbocompresor eléctrico: Utiliza un sistema eléctrico complementario.
• Sistema acompañado por un compresor mecánico: Combina un turbocompresor con un compresor mecánico para mejorar las prestaciones y el consumo de combustible.

Compresores Volumétricos

Los compresores volumétricos son impulsados por el cigüeñal del motor. Su funcionamiento se basa en comprimir el aire a una velocidad mayor que la proporcionada por la presión atmosférica, generando una sobrepresión en el colector de admisión. Los Roots consisten en dos rotores con forma de ocho conectados por ruedas dentadas que giran en sentido contrario, bombeando y comprimiendo el aire conjuntamente. A diferencia de los turbocompresores, los compresores volumétricos no tienen válvula de descarga, siendo la velocidad del motor la que controla la sobrealimentación.

Intercooler

El intercooler enfría el aire caliente del compresor antes de que entre en los cilindros del motor, aumentando así la potencia y el par al aumentar la densidad del aire. Reduce el consumo de combustible y las emisiones contaminantes. Puede ser de tipo aire-aire o aire-agua.

Mantenimiento del Turbo

• Evitar arranques en frío bruscos para permitir que la presión de aceite alcance niveles óptimos.
• Después de viajes largos, dejar el vehículo en ralentí durante unos minutos para enfriar el turbo.
• Reducir la carga del vehículo antes de apagarlo para ayudar a enfriar el turbo.
• Cambiar el aceite y el filtro según las recomendaciones del fabricante para prevenir la acumulación de residuos y utilizar aceites sintéticos que mejoran la refrigeración y lubricación.
• Dejar cualquier manipulación del turbo en manos de personal calificado.

Comparativa: Sobrealimentación Mecánica vs. Turbo

• Sobrealimentación mecánica:
  • Comportamiento del compresor poco sensible al régimen, generando un grado de sobrealimentación constante.
  • Respuesta instantánea del compresor a cambios de régimen del motor (ayuda a la aceleración).
  • Potencia absorbida por el compresor reduce el rendimiento global del motor.
  • Volumen y peso del compresor.
• Turbo:
  • Aprovechamiento de parte de la energía de los gases de escape.
  • Mejora del rendimiento global del motor.
  • Peso y tamaño reducido.
  • Acoplamiento fluidodinámico turbogrupo / motor complejo.
  • Respuesta muy variable en función del régimen y de la carga del motor.
  • Mala respuesta en transitorios del motor.