GNC y Downsizing – más de 30% de reducción en las emisiones de CO2

La combinación del downsizing y de la operación usando gas natural comprimido (GNC) ofrece el potencial de reducir dramáticamente las emisiones de CO2. MAHLE analizó el potencial y los desafíos asociados usando un motor downsized reconfigurado, tanto en pruebas de banco como en vehículos. Con un proyecto optimizado del motor, las emisiones fueron hasta 31% menores.

De distintos fabricantes, vehículos movidos a GNC ya están en el mercado desde hace muchos años. Sus motores fueron originalmente proyectados para funcionar con combustible convencional y, así, utilizan la mayoría del potencial de CO2 meramente sustituyéndose el combustible – lo que puede mejorar las emisiones hasta en 24%. Nuevas optimizaciones debidas al desarrollo específico del GNC se enfrentan con el aún relativamente bajo número de vehículos GNC producidos.

MAHLE ha investigado el potencial para la reducción aún mayor de las emisiones de CO2 con una combinación de downsizing y GNC. En una primera etapa, el bien conocido motor downsizing de MAHLE – un motor a gasolina de 3 cilindros, con turbocompresor de una etapa, inyección directa y desplazamiento de 1,2 litros – fue adaptado para operación dual con gas natural y gasolina. Para eso, la tasa de compresión se aumentó a 12,5:1 y una alimentación adicional de GNC fue implementada en el colector de admisión. El motor fue, entonces, puesto en el banco de pruebas, integrado a un vehículo de prueba y sometido a mediciones. El objetivo de la primera etapa fue demostrar el potencial y los límites de la variante bivalente, determinar el foco de optimización potencial e identificar los desafíos asociados. Los resultados forman la base para la segunda etapa, en la cual se implementará un proyecto optimizado monovalente y la aplicación de los sistemas y componentes de motor necesarios.

La menor susceptibilidad del GNC a la detonación en comparación con la gasolina es fundamentalmente favorable para el abordaje downsizing: un punto de ignición más avanzado es posible, así como un aumento en la tasa de compresión. Las cargas de temperatura y presión sobre los componentes del motor, sin embargo, también aumentan. A fin de atender los requisitos de desempeño de pico, los componentes deben ser adaptados a las condiciones alteradas y las necesarias condiciones de contorno deben ser comprendidas con precisión. Para asegurar que los componentes del motor puedan cumplir los requisitos extremos de resistencia a la presión y difusión térmica, MAHLE planificó el uso de las siguientes técnicas para la variante monovalente:

  • Pistones: el EVOTEC® RSC combina alta estabilidad y refrigeración optimizada debido a su porta aro fundido y a la galería de refrigeración
  • Kit de aros: optimizado en cuanto a las pérdidas por fricción y desgaste, con aro de control del aceite de tres piezas
  • Biela: biela con buje por presión para una mejor disipación de la presión de superficie más elevada.
  • Válvulas: válvulas TopTherm® enfriadas por sodio en los lados de admisión y escape para mayor resistencia a la temperatura, con extremidad inferior reforzada.
  • Pernos de pistón: pernos con revestimiento DLC
  • Cojinetes: cojinetes principales y de las bielas revestidas con polímero

Los resultados de las pruebas del motor MAHLE muestran tres franjas de operación en las cuales el desempeño del motor GNC downsizing es actualmente limitado y pueden ser significativamente mejoradas con medidas precisas.

En la franja de bajas velocidades, el motor presenta problemas de desempeño en el modo gas natural en comparación con los modernos motores a gasolina con inyección directa. La razón para eso es que cuando funciona con gas natural, no es posible realizar un proceso de purgación de combustible («lavado») – o sea, una superposición parcial de los tiempos de apertura de las válvulas de entrada y salida a fin de mejorar la capacidad de respuestas del turbocompresor. El gas natural también desplaza parte de la masa de aire de admisión y, así, reduce la alimentación del cilindro. Este déficit puede ser compensado, por ejemplo, utilizando un turbocompresor con turbina de geometría variable en conjunto con la alimentación de GNC en el conducto de admisión. Alternativamente, se puede utilizar alimentación directa de GNC en combinación con un turbocompresor optimizado de válvula de alivio para mejorar el desempeño en la franja de velocidades que es esencial en la operación real de conducción. MAHLE aplicará y evaluará ambas variantes en el vehículo de prueba.

La franja de velocidades promedios es principalmente dominada por el límite de la presión de pico del cilindro y, por lo tanto, por los límites de las especificaciones de los componentes. Comenzando con 125 bar, se deben enfrentar presiones de pico de hasta 185 bar, lo que es posible utilizando componentes de motor listados por MAHLE.

Las cuestiones de desempeño en la franja de velocidades máximas son principalmente atribuibles a las cargas térmicas sobre las juntas del inyector que realiza la inyección directa y sobre los componentes del cilindro. Si un motor es fabricado para uso exclusivamente monovalente – o sea, funcionando solo con GNC, sin inyección directa de gasolina – y los componentes del motor fuesen optimizados de acuerdo, entonces la franja de operación relevante para la potencia especificada puede ser significativamente mejorada.

Cálculos y simulaciones indican que la resistencia a la presión de pico requerida de 185 bar y límites de temperatura más altos son posibles con mejoras en el motor básico presentado anteriormente. Esto también significa que una potencia específica de 110 kW/L y torque nominal de 270 Nm (por encima de 1.600 rpm) son posibles en la operación monovalente GNC con el motor downsizing de MAHLE. Una van familiar con un peso seco de 1.700 kg puede, así, conseguir emisiones de CO2 de cerca de 106 g/km, un número cerca de 31% por debajo de la variación actual a gasolina, y con desempeño de conducción comparable.

  • El conocido motor downsizing MAHLE fue adaptado para operación dual, con gas natural y gasolina. En el banco de pruebas, el motor fue probado y también integrado a un vehículo de prueba, y así medido.
  • Estos resultados forman la base para el próximo paso, en el cual un proyecto optimizado, monovalente es implementado con sistemas y componentes de motor optimizados.
  • Cálculos y simulaciones ya mostraron que, con mejoras hechas en el motor básico, son posibles resistencia a la presión de pico requerida de 185 bar y límites de temperaturas más altos.
  • Para el motor downsizing, una potencia específica de 110 kilowatts por litro y torque nominal de 270 Newton metros son posibles en la operación monovalente GNC.
  • Con un proyecto optimizado de motor, las emisiones de CO2 en el vehículo de pruebas quedan hasta 31% menores.