Gas Natural Vehicular (GNV) - Gas Natural Comprimido (GNC)Elgas naturalcomprimido (GNC) tambin conocido en algunos pases como GNV (gas natural vehicular) se origina bajo condiciones parecidas a las del petrleo y es un producto subsidiario de la explotacin petrolfera. Tambin hay yacimientos especficos de gas naturalTal y como sucede con el petrleo y el carbn, el gas natural pertenece a los recursos naturales orgnicos combustibles. El componente principal del gas natural es el "metano" (CH4) una combinacin qumica del carbono con el hidrgeno. El gas natural se puede utilizar en motores trmicos, sin tenerse que someter a ningn proceso adicional como se hace con el refinamiento del petrleo para obtener gasoil, gasolina y dems productos derivados.Nota: No se confunda el gas natural con el LPG - GLP (liquified petroleum gas -gas licuado del petrleo), tambin llamado autogs o gas licuado, que consta principalmente de propano y butano. El GLP se obtiene como producto derivado de la destilacin en la produccin de gasolina, por lo que depende directamente de las reservas de petrleo.El gas natural, en su condicin de gas combustible, es el energtico fsil ms compatible con el medio ambiente. Consta, en esencia, de un 80 - 99 % de metano (CH4). El resto est constituido por adiciones de dixido de carbono, nitrgeno e hidrocarburos menos significantes.El gas natural se puede utilizar directamente, sin modificaciones qumicas, como combustible para motores de combustin interna. Esto supone una clara ventaja de coste en comparacin con el refinado del petrleo para obtener gasolina y gasoil. Sin embargo, segn la procedencia del gas natural, puede ser necesario someterlo a un ciclo de depuracin o deshidratacin.Por motivos de seguridad se procede a mezclar el gas natural inodoro con un aditivo para que se pueda oler en caso de fuga.
Calidades del gas naturalDependiendo del yacimiento los proveedores pueden ofrecer una calidad de gas distinta. Con la interconexin de gaseoductos esta calidad se equilibra.La diferenciacin de las calidades se establece sobre la base del poder calorfico del gas natural. Segn su poder calorfico se diferencia entre: H-Gas (high = alto) y L-Gas (low = bajo).Los diferentes poderes calorficos de H-Gas y L-Gas se traducen a su vez en diferentes consumos de combustible.El peso del gas natural guarda una proporcin directa con respecto al volumen, en virtud de lo cual se hace la cuenta del repostaje en kilogramos. Un kilogramo de gas natural tiene un volumen de aprox. 6,2 litros.
EmisionesUna de las ventajas del uso del gas natural es la reduccin de emisiones, si lo comparamos con un motor a gasolina. En el grfico inferior podemos ver una comparativa para un motor de un vehculo de 2.5L / 85 KW en el ciclo de prueba europeo.Comparacin y disposiciones legalesA continuacin se enumeran las ventajas y desventajas del empleo del gas natural como combustible para motores:
Ventajas: Para personas que hacen muchos kilmetros es una fuente de energa a precio razonable, poco utilizada hasta la fecha. Dependiendo del pas puede tener incentivos fiscales y otras ayudas. Las emisiones contaminantes son marcadamente inferiores a las de la gasolina y el gasoil En el proceso de la combustin se produce casi exclusivamente agua. Halla aplicacin en los motores convencionales de gasolina, sin necesitar modificaciones importantes. Idoneidad para la aplicacin bivalente (gas - gasolina). Alta resistencia al picado. No implica modificaciones en el seguro del vehculo. Las reservas de los yacimientos de gas natural alcanzan a cubrir un plazo claramente superior al de las del petrleo crudo. No existen prdidas por volatilizacin al repostar. Es ms ligero que el aire y se volatiliza hacia arriba. Una combustin ms suave. Gases de escape casi exentos de partculasDesventajas: Una leve prdida de potencia del motor en comparacin con el uso de la gasolina, suponindose un motor de gasolina optimizado. Los depsitos de alta presin implican la observancia de disposiciones especiales sobre montaje, seguridad y vigilancia. El volumen adicional del depsito para la operatividad bivalente tiene que ser alojado en el vehculo. Los depsitos de acero para gas natural constituyen un lastre adicional en el vehculo; este problema no existe en el caso de los depsitos de material plstico. La red de estaciones de repostaje en segn que pases todava es muy limitada Mayor precio de adquisicin del vehculo Segn los pases puede tener unas revisiones tcnicas mas frecuentes por parte de la Inspeccin Tcnica de Vehculos (ITV en Espaa) (TV en Alemania), lo que trae consigo un mayor gasto de dinero en revisiones. Una menor autonoma en el modo operativo con gas natural
Los trabajos destinados a la parte de alta presin en el sistema de gas natural nicamente deben ser llevados a cabo por personal correspondientemente preparado y dotado de un certificado de sus conocimientos en la especialidad.
Tecnologa de un motor de gas natural y sus elementos auxiliaresComo ejemplo de la aplicacin del gas natural a un vehculo vamos a ver como se aplica esta tecnologa en el modelo Volkswagen Golf BI FUEL.El Golf BI FUEL para el funcionamiento en modo bivalente (gas - gasolina) se implanta una sola unidad de control Motronic para ambos modos operativos. Segn el modo operativo del momento, el sistema pone en vigor las correspondientes familias de caractersticas y funciones para el funcionamiento con gasolina o con gas natural. Este vehculo se ofrece exclusivamente con el motor de 2,0 l / 85 kW.
Las diferentes formas de almacenar el gas naturalEl gas natural puede ser almacenado de dos diferentes formas: Almacenamiento CNG = GNC (compressed natural gas = gas natural comprimido) Almacenamiento LNG = GNL (liquified natural gas = gas natural licuado) Almacenamiento GNCPara contar con una capacidad de llenado suficiente para la operatividad con gas natural se procede a comprimir con este mtodo el gas natural hasta 200 bares como mximo.Para este tipo de almacenamiento se necesitan depsitos lo suficientemente resistentes para soportar estas elevadas presiones. Este tipo de almacenamiento es el utilizado por los vehculos propulsados por gas natural. Almacenamiento GNLEn virtud de que el gas natural siempre se encuentra en el estado de agregacin gaseoso se procede a enfriarlo intensamente con este mtodo. El gas natural se lica a una temperatura de 161 C bajo cero y se puede almacenar en ese estado. Para el almacenamiento y transporte se necesitan depsitos frigorficos especiales. Este mtodo se aplica principalmente para el almacenamiento del gas natural en estaciones fijas y no para propulsar vehculosDepsito de gas naturalEn Volkswagen se implantan dos diferentes tipos de depsitos para el almacenamiento CNG del gas natural: Depsitos de acero Depsitos de CFK para gas natural (depsitos de plstico reforzado con fibra de carbono)Un depsito de acero (figura inferior) pesa unos 80 kilogramos y tiene una capacidad de aprox. 80 litros. Un volumen en depsito de 80 litros de gas natural tiene un peso equivalente a unos 12,9 kilogramos.En la actualidad en vehculos diseados principalmente para funcionar con gas y que utilizan un pequeo deposito de gasolina para emergencias, los depositos de gas se disean y se situan de tal forma que ocupen el menor espacio posible en el habitaculo. Como podemos ver en la figura inferior, el fabricante Volkswagen en el modelo Caddy instala hasta 4 depsitos. Los cuatro depsitos de gas natural poseen una capacidad unitaria de 40 litros. Se instalan dos depsitos delante y dos detrs del eje trasero.El depsito de gasolina para emergencias se monta entre los dos depsitos anteriores para gas natural y el eje trasero. Los depsitos de gas natural se sostienen con cintas tensoras bajo la plataforma del piso. Hay una cubierta de material plstico para proteger los depsitos.
El Golf BI FUEL utiliza un depsito de CFK (depsito de plstico reforzado con fibra de carbono). Se montan dos diferentes depsitos de gas natural en material plstico reforzado con fibra de carbono. Ambos tienen una capacidad total de 74 litros y suman un peso de 34 kilogramos. Un volumen en depsito de 74 litros de gas natural tiene un peso de 11,9 kilogramos.Los depsitos de gas natural del Golf BI FUEL se montan en el maletero. Mediante una cubierta por separado van protegidos contra influencias externas y posibles daos.El depsito de gas natural del Golf BI FUEL (figura inferior) consta de un cuerpo bsico de polietileno, bobinado con varias capas de resina epoxi reforzada con fibra de carbono. En ambos frentes lleva bridas de empalme en aluminio para alojar el protector trmico y la vlvula de cierre del depsito.Para proteger los frentes del depsito de gas natural se instalan caperuzas de proteccin en ambos lados. Estas caperuzas constan de una capa exterior de policarbonato y una capa interior de poliestireno.Los depsitos de gas natural se fijan al vehculo por medio de dos cintas tensoras de acero.
Componentes que forman la instalacin para la alimentacin de GNC al motor
Dentro de la instalacin de alimentacin de gas al motor hay dos partes diferenciadas: Lado de alta presin Lado de baja presinLado de alta presinEn el lado de alta presin podemos encontrar los siguientes componentes: Empalme de llenado con caperuza, vlvula de retencin y filtro Envoltura del tubo estanca al gas en el vehculo Depsito de gas natural Vlvula de retencin Vlvula de cierre del depsito con:- vlvula de cierre electromecnica- vlvula de cierre mecnica- elemento de material fusible- limitador del caudal de paso gas Protector trmico Tubo de gas natural a alta presin Sensor de presin en depsito Regulador de presin del gas con:- vlvula de alta presin para el modo con gas- filtro- dos etapas de reduccin de presin- vlvula de descargaLado de baja presinEn la parte de baja presin podemos encontrar los siguientes componentes: Regulador de presin del gas Tubo flexible de gas natural a baja presin Regleta distribuidora de gas Sensor para regleta distribuidora de gas Vlvulas de insuflacin de gas
El "intermediario" entre las partes de alta y baja presin est constituido por el regulador de presin de gas.En eldiagrama de flujoque figura ms abajo estn representados todos los componentes del sistema de gas natural. En los apartados siguientes se explican con detalle los diferentes componentes del sistema de gas natural. Todos los componentes estn representados en posicin de reposo.
Componentes del lado de la alta presin
Empalme de llenadoSe encuentra en la parte trasera derecha del vehculo. Va cubierto por medio de una tapa extrable.El empalme de llenado tiene integrados un filtro de partculas y una vlvula de retencin. El filtro funciona sin mantenimiento. Se limpia solo en cuanto se degrada la presin del tubo de alimentacin al depsito hacia la pistola del surtidor.Tubo de gas natural a alta presinEl tubo de gas natural a alta presin es de acero afinado y est diseado para una presin de unos 200 bares. Comunica el empalme de llenado con los depsitos y stos con el regulador de presin del gas. Va tendido fijamente en la carrocera.Para establecer una buena estanqueidad al gas se procede a unir los diferentes tramos parciales por medio de un racor con anillo aprisionador doble.En los bajos del vehculo se tiende el tubo de gas natural a alta presin en disposicin paralela a la tubera de gasolina.Nota: Los componentes para gas natural pertenecientes al lado de alta presin que se instalan en el habitculo tienen que estar provistos de una envoltura estanca al gas.Vlvulas 1 y 2 de cierre del depsito N361 y N362En la parte frontal derecha de cada depsito de gas natural va enroscada respectivamente una vlvula de cierre del depsito.Estas vlvulas encargan de regular la alimentacin de gas natural en el vehculo.En accin conjunta con los componentes indicados a continuacin constituyen respectivamente un equipo de seguridad: Vlvula de cierre electromecnica Elemento de material fusible Vlvula de cierre mecnica Vlvula de retencin (slo en el depsito de gas natural I) Limitador del caudal de paso
Las vlvulas de cierre del depsito tienen una rosca cnica, por lo cual no se las debe desmontar y volver a montar. Si se suelta una vlvula de cierre del depsito es preciso sustituirla por una nueva.
Diagrama de flujo de las vlvulas 1 y 2 para cierre del depsitoEn el diagrama de flujo de la figura inferior se representan esquemticamente todos los componentes que pertenecen a la vlvula de cierre del depsito.Ambas vlvulas de cierre del depsito corresponden a una misma arquitectura:Vlvula de cierre mecnicaLa vlvula de cierre mecnica se muestra de forma remarcada en el esquema contiguo. A travs de la vlvula de cierre mecnica se puede cerrar de forma estanca el depsito de gas natural utilizando una llave de boca.Por motivos de seguridad no se cierra el empalme del elemento de material fusible, aun estando cerrada la vlvula de cierre.Nota: Si se produce olor a gas o si se realizan trabajos de reparacin es preciso cerrar la vlvula de cierre mecnica.Limitador del caudal de pasoEl limitador del caudal de paso es una vlvula de seguridad, que se encuentra en la vlvula 1 para cierre del depsito.Impide la salida instantnea, no intencionada, de gas natural del depsito despus de haberse producido un dao en las tuberas de gas natural. El limitador del caudal de paso viene ajustado por medio del muelle de compresin, de modo que cierre al existir una diferencia de presiones de 2 bares.FuncionamientoSi se desprende o desgarra el tubo de gas natural o si pierde estanqueidad, la presin en el tubo cae en un tiempo mnimo alrededor de 2 bares.A raz de esta cada repentina, la presin en el depsito de gas natural sobrepasa claramente la diferencia de presiones de 2 bares y oprime la bola contra el asiento de estanqueidad, por medio del cuadrado gua.El depsito de gas natural cierra de esa forma y deja de ser posible la fuga de gas.
Elemento de material fusibleEl elemento de material fusible tambin va montado a la vlvula de cierre del depsito. Evita que el depsito de gas natural pueda reventarse a raz de un aumento excesivo de la presin como consecuencia de un incendio.El elemento de material fusible va montado de modo que siempre sea posible una descarga directa de la presin.FuncionamientoEl punto de fusin del material que integra el elemento de material fusible es de unos 110 C.Si a raz de un incendio, el material fusible alcanza una temperatura de aprox. 110 C se empieza a fundir.El material fundido es absorbido en el conglomerado poroso de presin.El gas natural puede salir del depsito a travs de los orificios de salida, procediendo de forma controlada y puede ser quemado correspondientemente. De esa forma se impide que los depsitos de gas natural revienten en caso de aumentar la presin de forma excesiva.Nota: En el funcionamiento normal, el conglomerado poroso de presin impide que el material fusible se fugue bajo la influencia del gas a presin.Vlvula de cierre electromecnicaEn la figura inferior se destaca la vlvula de cierre electromecnica. Consta de una vlvula electromagntica, es decir, dotada de un electroimn, y de una vlvula mecnica.La vlvula electromagntica se encuentra cerrada al no tener aplicada la corriente, con lo cual cierra a su vez el depsito de forma estanca al paso del gas.
FuncionamientoLas vlvulas de cierre electromecnicas abren al estar conectado el encendido (borne 15).A esos efectos, la unidad de control para Motronic J220 se encarga de excitar el rel 1 para vlvula de cierre J651. Estando abiertas las vlvulas de cierre electromecnicas se encuentra sometida a presin toda la parte de alta presin del sistema.En caso de avera si no se excitan las vlvulas de cierre electromecnicas, deja de ser posible la funcin con el uso del gas natural.
Vlvula de cierre electromecnica durante el repostajeAl repostar (figura inferior), el gas natural entra en el sistema del Golf BI FUEL con una presin de 200 bares. La vlvula mecnica en la vlvula de cierre electromecnica es abierta mecnicamente contra la fuerza del muelle, por la accin que ejerce la presin del gas natural durante el repostaje. El gas natural fluye hacia el depsito del vehculo.Cuando el depsito del vehculo alcanza la presin de 200 bares la vlvula mecnica cierra nuevamente por la accin del muelle.
Vlvula de cierre electromecnica, elctricamente abiertaPara que se pueda suministrar el gas al motor en el modo con gas natural es preciso excitar la vlvula de cierre electromecnica. Al aplicarse corriente al electroimn, la vlvula electromagntica abre y el gas pasa del depsito de gas natural hacia el motor.
Vlvula de retencinLa vlvula de retencin impide el reflujo involuntario del gas natural a travs de las tuberas y de la boca de llenado hacia el ambiente. En el Golf BI FUEL se montan dos vlvulas de retencin.Una vlvula de retencin va acoplada directamente al empalme de llenado. En la vlvula 1 para cierre del depsito (depsito de gas natural I) va montada la segunda vlvula de retencin. Vlvula abiertaEl gas del surtidor, que se encuentra a alta presin durante la operacin de llenado, oprime la bola en contra de la fuerza del muelle de compresin, liberndola del asiento de estanqueidad.El gas pasa al depsito. Vlvula cerradaSi al trmino de la operacin de repostaje falta la presin positiva en el lado izquierdo de la bola de estanqueidad, la fuerza del muelle y la presin reinante en el depsito se encargan de oprimir nuevamente la bola contra el asiento de estanqueidad.De esa forma se impide el reflujo del gas.
Regulador de la presin del gasEl regulador de la presin del gas va situado en el vano motor y se encarga de reducir la presin del gas natural acumulado en los depsitos, de 200 bares a unos 6 bares.La reduccin de la presin del gas natural se realiza en el regulador de presin, a travs de una sola etapa reductora. El regulador por tanto separa el lado de alta presin del sistema de gas natural con respecto al lado de baja presin.
ArquitecturaEl regulador de la presin del gas consta de los siguientes componentes: Empalmes de lquido refrigerante hacia el circuito de refrigeracin del motor Filtro integrado a la entrada del gas Sensor de presin en el depsito Vlvula alta presin para operatividad con gas Etapa reductora de presin Vlvula mecnica de descargaLa etapa reductora de presin en el regulador de la presin del gas consta de: la cmara de alta presin con mbolo regulador la cmara de baja presin con vlvula mecnica de descarga el platillo de diafragma el muelleVlvula de alta presin para operatividad con gasSe monta adosada a un costado del regulador de la presin del gas. Esta vlvula cierra y abre el acceso a la etapa reductora del regulador de la presin del gas. Con ello interrumpe la comunicacin entre los depsitos de gas natural y el motor, representando as un componente ms para la seguridad en el sistema de gas natural. Para cumplir con esta funcin, la vlvula se encuentra cerrada al no tener aplicada la corriente.En caso de avera, si la unidad de control del motor no puede aplicar corriente a la vlvula de alta presin, entrara el modo de emergencia y el motor solo puede funcionar con gasolina.Sensor de presin en el depsitoEste sensor se atornilla por arriba en el regulador de la presin del gas y sirve para determinar la presin momentnea del gas natural en el lado de alta presin del sistema. Con este dato, la unidad de control del motor detecta el grado de llenado que tienen los depsitos de gas natural.Si se ausenta la seal del sensor de presin en el depsito, el indicador de contenido del primer depsito de gas natural pasa a cero. A pesar de ello, el vehculo sigue operativo con gas natural todo el tiempo que el sensor para el conducto distribuidor de gas tenga aplicada una presin de gas natural de unos 6 bares.
Etapa reductoraEn la etapa reductora de presin se procede a regular la presin del gas natural de alta a baja presin.FuncionamientoAl ser abierta la vlvula de alta presin para operatividad con gas, por intervencin de la unidad de control del motor, el gas fluye a alta presin hacia el mbolo regulador en la cmara de alta presin. Elmbolo regulador se encuentra comunicado con la cmara de baja presin a travs de un diafragma sometido a fuerza de muelle.Si la presin del gas en la cmara de baja presin es inferior a 6 bares, el muelle de compresin oprime hacia arriba el diafragma y el mbolo regulador.El mbolo regulador abre la comunicacin hacia la cmara de alta presin. El gas fluye ahora de la cmara de alta presin hacia la de baja presin.
El gas que ingresa produce un aumento de presin en la cmara de baja presin. Si la presin alcanza 6 bares oprime el diafragma contra la fuerza del muelle hacia abajo. De esa forma el mbolo regulador, solidario del diafragma, cierra la comunicacin hacia la cmara de alta presin.Si el motor consume gas natural, la presin de ste desciende en la cmara de baja presin. El muelle oprime entonces el platillo de diafragma hacia arriba, con lo cual abre el mbolo regulador. Vuelve a fluir gas natural hacia la cmara de baja presin.
Empalmes de lquido refrigeranteAl rebajarse por regulacin la presin del gas natural de 200 bares a 6 bares, el gas se expande. Esto hace que extraiga energa de calor del entorno, provocando un enfriamiento del gas y su entorno.Este fenmeno es equivalente al del agente frigorfico en el evaporador de un sistema de aire acondicionado.Para evitar este fenmeno de enfriamiento (riesgo de engelacin), el regulador de presin del gas, se encuentra comunicado con el circuito de refrigeracin del motor a travs de los empalmes para lquido refrigerante.
Componentes del lado de baja presinConducto distribuidor de gasEl conducto distribuidor de gas (rampa de inyeccin) va montado al elemento superior del colector de admisin. Lleva cuatro vlvulas de insuflado de gas, gestionadas elctricamente, as como el sensor para el conducto distribuidor de gas.
Vlvulas de insuflado de gasLas vlvulas de insuflado de gas van enchufadas en los conductos de admisin de los cilindros. Son excitadas por la unidad de control del motor mediante una seal modulada en anchura de los impulsos durante la operatividad con gas.Los tiempos de apertura de las vlvulas de insuflado de gas dependen de: el rgimen del motor, la carga del motor, la calidad del gas natural y la presin del gas natural en el conducto distribuidor.Con slo una vlvula de insuflado de gas que se avere, la unidad de control del motor cambia a la operatividad de emergencia con gasolina.
Sensor para conducto distribuidor de gasEl sensor para conducto distribuidor de gas determina la presin del gas que se acumula en el. La unidad de control del motor utiliza la seal del sensor para calcular y gestionar los tiempos de apertura en las vlvulas de insuflado.Si la presin en el conducto distribuidor de gas sobrepasa la marca de 10,5 bares o si se ausenta la seal del sensor el sistema conmuta a la operatividad de emergencia con gasolina.
Unidad de control del motorLa unidad de control del motor regula la preparacin de la mezcla en operatividad con gas natural o en operatividad con gasolina.Funciones de la unidad de control del motor en operatividad con gas naturalArranque del motor Temperatura del lquido refrigerante inferior a 15C:- Arranque en operatividad con gasolina Temperatura del lquido refrigerante superior a 15C:- Arranque en operatividad con gas naturalCondiciones para la operatividad con gas natural: Temperatura del lquido refrigerante superior a 15C Presin del gas natural en el conducto distribuidorde gas: ms de 6 bares
Arranque del motor despus de repostar gas naturalEl arranque es siempre en operatividad con gasolina. La conmutacin a la operatividad con gas natural se realiza con la activacin de la regulacin lambda o, como muy tarde, al cabo de 3 minutos de marcha del motor.Regulacin lambda en operatividad con gas naturalLa composicin de la mezcla es regulada por la unidad de control del motor.En funcin de la calidad del gas natural repostado (gas high o low) la unidad de control del motor tiene que adaptar la formacin de la mezcla. La sonda lambda mide la composicin de los gases de escape y transmite el resultado a la unidad de control en forma de seales. Con ayuda de las seales, la unidad de control del motor calcula la composicin de la mezcla momentneamente requerida (aire / gas natural). La unidad de control del motor se encarga de variar los tiempos de apertura de las vlvulas de insuflado de gas para gestionar as la composicin de la mezcla.Autoadaptacin del gas natural repostadoDespus del repostaje de gas natural, la unidad de control del motor tiene que adaptar los tiempos de apertura para las vlvulas de insuflacin de gas a la calidad del gas repostado. La unidad de control delmotor detecta la operacin de repostaje con ayuda del sensor de presin en el depsito.Si se repost gas de versin "high", el mayor porcentaje de metano contenido en los gases de escape se traduce en una mezcla rica y correspondientemente en una mezcla pobre si se trata de gas low. La unidad de control del motor reconoce la composicin de la mezcla analizando la calidad de los gases de escape captados por la sonda lambda.Si la calidad de los gases de escape no corresponde con la composicin momentnea de la mezcla, la unidad de control del motor da por supuesto que se ha repostado una calidad de gas natural diferente y adapta los tiempos de apertura para las vlvulas de insuflacin de gas a la calidad existente.
