ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA CONVERSIÓN DE GRUPOS DIESEL AL GAS NATURALIng. Percy Castillo Nneira PRESENTACIÓN La conversión de la energía química almacenada por la naturaleza en los combustibles fósiles involucra una primera transformación en energía térmica, al producirse la reacción de combustión. El calor contenido en los gases de combustión debe traducirse en energía mecánica en forma de movimiento de un eje que permita a su vez accionar automotores o generar energía eléctrica en un alternador. Los motores de combustión interna efectúan este trabajo utilizando diversos diseños y accionamientos mecánicos, para los cuales resultará muy conveniente la menor presencia posible de impurezas, por lo cual Lla disponibilidad de gas natural representa una oportunidad económica y ecológica ineludible en este campoel sector eléctrico. La conversión de motores del ciclo Otto no representa mayor problema técnico porque el gas natural resulta equivalente a una gasolina de 125 octanos, debido a la excelente capacidad antidetonante del metano, no teniendo problemas para encender por la presencia de la chispa; en el caso de motores diesel, las dificultades técnicas son mayores, pero la conversión sigue siendo atractiva, por lo que al comprimirse solamente aire incombustible. EL GAS NATURAL Y EL CICLO DIESEL Figura 1: Ciclo Diesel . siendo el Indice de Cetano el parámetro que establece la velocidad de ignición. la inyección del combustible se enciende al ponerse en contacto con el aire a presiones y temperaturas elevadas. La principal consecuencia de tal diferencia se traduce en la posibilidad limitada de comprimir la mezcla combustible sin que se produzca la explosión por efecto de la elevación de presión y tenperatura (10 a 1) . permitiendo desarrollar mayores potencias y mejores rendimientos ( 20 a 1) .resultará verdaderamente importante analizar tales proyectos desde el punto de vista termodinámico. en el Diesel se comprime solamente aire y al final de la carrera del pistón no hay chispa. correspondiendo al diesel un valor mayor al 55 %. la relación de compresión es considerablemente mayor. en el caso del diesel . EL GAS NATURAL Y EL CICLO DIESEL La diferencia fundamental entre los motores gasolineros y diesel es que en el primero se comprime la mezcla combustible en el cilindro y el final de la carrera del pistón coincide con la chispa de encendido. produciéndose la explosión a volumen constante. convertir el motor al ciclo Otto. Si inyectamos gas natural en un motor diesel. por constituir una molécula perfecta. siendo el Indice de Cetano el parámetro que establece la velocidad de ignición.En el Diagrama T-S se aprecia la compresión isoentrópica. para su conversión tiene que modificarse la concepción de diseño original. la inyección del combustible se enciende al ponerse en contacto con el aire a presiones y temperaturas elevadas. En el Diagrama PV se aprecia la etapa de compresión adiabática (1-2) y la que corresponde a la combustión que se puede considerar isobárica. interrumpiéndose el ciclo. Para analizar ambas posibilidades. debemos tomar en cuenta la cinética de reacción. . para permitir el encendido del gas debe disponerse de una fuente de ignición. ya que se aleja del diesel al modificarse la presión con la explosión del gas y se aleja del Otto. En la Figura 1 se muestra el Ciclo Diesel. con Gas Natural. y el aporte entálpico a presión constante. la primera representa convertir el motor a operación mixta o dual y la segunda. en el Diesel se comprime solamente aire y al final de la carrera del pistón no hay chispa. existiendo dos posibilidades: Inyectar una determinada proporción de Diesel o instalar un sistema de bujías que provoque una chispa en el momento de inyección. condición previa indispensable para su encendido y reacción (Teoría Inorgánica de la Combustión). elevándose correspondientemente la temperatura. intermedio entre el diesel y el Otto. En la Figura 1 se muestra el funcionamiento del motor y el ciclo diesel. al no haber chispa no enciende. al modificarse el volumen con el pequeño intervalo entre la ignición del diesel y el gas. difícil de encender y fácil de quemar produce un ciclo termodinámico diferente en el reactor. la razón por la que no enciende es precisamente la característica antidetonante del metano. dificultándose su disociación. correspondiendo al diesel un valor mayor al 55 %. CONVERSIÓN PARA OPERACIÓN MIXTA O DUAL La utilización conjunta de un diesel 2 con alto índice de Cetano y fácilmente inflamable. En el Diagrama PV se aprecia la compresión adiabática (1-2) y la isobara de expansión por efecto de la combustión (2-3). Al no poder operar el motor diesel solamente con gas natural. mecánica de fluidos y su termodinámica en el interior de los cilindros . produciéndose la explosión a volumen constante. El ciclo resultante se denomina Sabathé y lo podemos apreciar en los Diagramas PV y TS de la Figura 2.La diferencia fundamental entre los motores gasolineros y Diesel es que mientras que en el primero se comprime la mezcla combustible en el cilindro y el final de la carrera del pistón coincide con la chispa de encendido. que pudiendo ser diferente a la mostrada en el diagrama PV. al producir un incremento del área por ensanchamiento de presión y volumen. presentándose primero la parte isobárica y luego la explosión del gas a volumen constante. El Ciclo Sabathé.Figura 2 CICLO SABATHÉ En el tramo 1-2 se produce la compresión del aire en el cilindro. incrementa el trabajo obtenido y permite alcanzar mejores rendimientos. las inyecciones del diesel en 23 y gas en 3-4 producen una evolución parcialmente isócora e isobárica. . como se puede apreciar en la Figura 3. con las mismas relaciones de compresión del diesel y las condiciones de explosión del Ciclo Otto. Sin descartar la posibilidad de que pueda desarrollarse un sistema que permita una ignición adecuada del gas natural por chispa en motores. En el diseño de los inyectores se puede y debe aprovechar la energía cinética del gas natural para favorecer la formación de llama y turbulencia en el interior del cilindro. lo que resulta una ventaja para la conversión de los motores diésel para operar en forma mixta con gas natural. CONVERSIÓN AL CICLO OTTO Podríamos considerar que resultaría suficiente reemplazar la inyección de diesel como detonador de la combustión del gas natural por una chispa generada por una bujía. inyectando gas natural con el aire de admisión y disponiendo la incorporación de una chispa de encendido. a relaciones de compresión similares resulta más eficiente que el Diesel. podemos convertir los motores diesel al ciclo Otto. En la gráfica se observa que en el ciclo Sabathé. normalmente el rendimiento de los motores diesel es algo mayor al de los gasolineros.Figura 3 Comparación rendimientos ciclos termodinámicos Tomando en cuenta que el ciclo Otto desarrolla mayores presiones y temperaturas. pero como al comprimir aire la relación de compresión que se puede manejar es mayor. similar a la de los motores gasolineros. La operación mixta tiene la desventaja de tener que disponer de instalaciones para almacenar ambos combustibles cuando se trata de automotores. . pero la sincronización entre la inyección del GN y la chispa resulta complicada por encontrarse separados combustible y comburente. que representa el reactor o cámara de combustión. el rendimiento resultante es mayor. motores diesel con chispa de encendido. El desarrollo de modelos mecánicos que permitan convertir en realidad diseños termodinámicos. permitirá operarlos con mayores relaciones de compresión. con relaciones de compresión más altas que las normalmente utilizadas para combustible líquidos. representa el campo de investigación aplicada con mejores posibilidades de éxito técnico. poder operar satisfactoriamente con gas natural.Figura 4 Motores alternativos de encendido espontáneo y por chispa Como se pudo apreciar en la Figura 3. Los sistemas modernos de control monitorizado de inyección secuencial de combustible a cada cilindro individual (quinta generación). el rendimiento de motores del ciclo Otto resulta limitado por la relación de compresión máxima admisible con combustibles líquidos con capacidad antidetonante limitada. COMENTARIO FINAL La termodinámica representa el fundamento de los motores endotérmicos rotativos y alternativos. En la mima forma. obteniendo niveles de rendimiento similares a los obtenidos con el ciclo diesel. económico y ecológico. La posibilidad de operar estos motores con gas natural. . permitirán mantener un excelente control operativo de motores diesel convertidos al ciclo Otto para operar con gas natural. El análisis efectuado para incorporar el gas natural como combustible en motores diesel permite establecer la conveniencia de diseñar motores específicamente adecuados para operar con gas natural utilizando el ciclo Otto.
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