Los motores a gas natural se consolidan como una alternativa eficiente y más limpia en el transporte pesado. Su uso en camiones y autobuses responde a normativas ambientales estrictas y exige comprender sus diferencias técnicas frente a los motores diésel.
Por Francisco Aristizábal, especialista técnico de AERA
Los motores a gas natural (GN) se utilizan cada vez más en aplicaciones no industriales, particularmente en sectores automotrices como camiones y autobuses. Estos motores cumplen con las normas de emisiones Euro V/VI y ofrecen ventajas como bajo nivel de ruido y vibraciones. Cuentan con componentes mejorados para resistir altas temperaturas y, por lo general, tienen cilindradas que van de 4 a 17 litros, entregando hasta 500 kW de potencia. Aunque son estructuralmente similares a los motores diésel, las principales diferencias se encuentran en los sistemas de combustible y de encendido.
Los motores diésel, al igual que los motores a gas natural, funcionan de una manera ligeramente diferente, aunque los cuatro tiempos son los mismos. En el tiempo de admisión, solo se aspira o se fuerza aire hacia la cámara de combustión del cilindro. Durante el tiempo de compresión, el aire se comprime y, por lo tanto, se calienta; justo antes de que el pistón alcance el punto muerto superior, el combustible se inyecta a alta presión. La mezcla aire-combustible se enciende automáticamente al inicio del tiempo de potencia.
Los motores diésel suelen estar limitados por su capacidad para soportar cargas estructurales, con presiones máximas de aproximadamente 1.500 psi. Los motores a gas, por otro lado, están limitados por su capacidad para gestionar cargas térmicas, específicamente las altas temperaturas de escape. Los motores a gas operan con temperaturas de escape más altas porque mantienen una relación aire-combustible constante en cualquier carga. Los motores diésel, en cambio, funcionan con un exceso de aire en todas las cargas; solo la cantidad de combustible quemado aumenta con la carga. Este aire adicional también ayuda a enfriar la carga en los motores diésel.
En cuanto al sistema de combustible, además del mezclador o carburador, un regulador de presión de combustible es un componente principal. Un gobernador (mecánico o electrónico), similar a los utilizados en motores diésel, también es necesario en los motores a gas natural de mayor tamaño, junto con magnetos. Sin embargo, la calidad del gas tiene un impacto significativo en el desempeño del motor. Su composición afecta parámetros como el número de metano y los valores caloríficos (tanto inferior como superior). Esto se vuelve especialmente importante cuando se utiliza gas natural proveniente de campos de exploración.
La detonación, que puede provocar la detención del motor, es un fenómeno indeseable, y sus causas no se limitan al tiempo de encendido. Los hidrocarburos líquidos y otros componentes presentes en la mezcla de combustible gaseoso tienen una influencia importante (ver gráfico).
La detonación produce presiones y temperaturas severas que pueden afectar no solo la temperatura de las bujías, sino también imponer un estrés significativo sobre aisladores, electrodos, pistones, válvulas, cojinetes y otros componentes del motor.
En el sistema de encendido, los sistemas de encendido electrónico fueron diseñados para reemplazar a los sistemas tradicionales de magneto. El encendido electrónico elimina el magneto y otros componentes sujetos a desgaste mecánico, además de proporcionar mayores capacidades de diagnóstico y detección de fallas. Sin embargo, los magnetos todavía se utilizan ampliamente. Un magneto es un generador de corriente alterna que produce energía eléctrica, temporizada con precisión, para motores de encendido por chispa. También son necesarios transformadores de encendido para cada cilindro, con el fin de aumentar el voltaje proveniente ya sea del magneto o del sistema de encendido electrónico, permitiendo que la chispa salte entre los electrodos de la bujía. Aunque las bujías son los componentes más pequeños del sistema, se encuentran entre los más críticos para el desempeño del motor debido a su papel directo en la ignición.
El sistema de encendido debe ser capaz de suministrar el voltaje necesario para crear una chispa entre los electrodos de la bujía. En la práctica, esto requiere una “reserva de encendido” considerable para compensar el desgaste normal de las bujías y otros componentes del sistema de encendido. La reserva de encendido se define como la diferencia entre el voltaje disponible (Va) del sistema de encendido y el voltaje requerido (Vr) por la bujía. Si en algún punto Vr es igual a Va, es probable que ocurra una falla de encendido (ver imagen).
La temperatura y el estado de los electrodos de la bujía son factores clave a considerar en el diseño y la selección de bujías. Los requerimientos de voltaje disminuyen a medida que aumenta la temperatura de los electrodos y aumentan cuando la temperatura desciende. Los electrodos nuevos y afilados concentran el arco de la chispa al proporcionar un camino más fácil para el flujo de corriente. A medida que las bujías nuevas, con electrodos bien definidos, se desgastan, el voltaje requerido para la ignición aumenta. También deben considerarse los cambios en los materiales de los electrodos, que van desde el cobre/níquel tradicional hasta materiales avanzados como platino, iridio y oro-paladio, en orden descendente de requerimientos de voltaje.
Como siempre, esta información está destinada a servir como una guía general. Los detalles específicos pueden variar según el fabricante del equipo y la aplicación. Consulte siempre la documentación del fabricante y otros materiales de servicio del OEM. La línea técnica de AERA también está disponible para ayudar con preguntas sobre estos temas.
Francisco Aristizábal, especialista técnico de AERA
*Este artículo fue publicado originalmente en la revista Engine Professional de AERA, se publica en Aftermarket International, con el permiso del autor.
