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Clean Air Power, Inc Application Notes AP-0101

Como y Porque Funciona el Motor Caterpillar de Combustible Dual

MOTOR DIESEL DE ENCENDIDO POR COMPRESION Los motores diesel de encendido por compresin actuales, son altamente sofisticados y mejorados respecto a los de hace algunos aos. Las emisiones y los humos visibles son mucho menores, la potencia es igual o aun mejor y el rendimiento en kilmetros por galn mas altos. No obstante, el nivel de emisiones de estos nuevos motores sigue estando por debajo del estndar de reas pobladas con problemas de humos y otros contaminantes por lo que la necesidad de motores ms limpios que funcionen con Gas Natural es evidente. MOTORES DEDICADOS A GAS NATURAL DE ENCENDIDO POR CHISPA

Hay generalmente dos motores aceptados para funcionar con Gas Natural en aplicaciones vehiculares, Motores Dedicados a Gas Natural de Encendido por chispa (SING) y los Motores de Combustible Dual (D-F). La gran mayora de los fabricantes de motores producen el de encendido por chispa, versin que entrega una reduccin sustancial de las emisiones. El motor de encendido por chispa en una plataforma Diesel requiere grandes modificaciones para alojar las bujas y reducir considerablemente la relacin de compresin entre 14 - 18 a 8 10, esto implica cambios fsicos y reemplazo de los pistones. Un carburador con una mariposa debe ser adicionado para controlar el paso del Gas Natural al motor. Es un gran retrabajo habilitar un motor diesel a Gas Natural Dedicado disminuyendo considerablemente las posibilidades de revertir esta operacin a un Motor Diesel. Es bastante sencillo controlar un motor dedicado a Gas Natural de encendido por chispa (SING) una vez la conversin se ha realizado abrir y cerrar la mariposa del carburador para permitir que la mezcla de aire y combustible entre en el motor. Con un acelerador y una relacin de compresin baja, es difcil para este motor alcanzar la eficiencia del motor Diesel y el rendimiento de combustible decrece significativamente. Un motor SING es aproximadamente 10% menos eficiente a mxima potencia y 30% a 40% menos eficiente a bajas y medias cargas.

MOTOR DE COMBUSTIBLE DUAL El motor Caterpillar de Combustible Dual es bastante sofisticado y ofrece una reduccin sustancial de emisiones comparada con un Diesel siendo comparable a las generadas por los motores SING. No se realizan cambios sobre los motores Caterpillar de produccin nicamente adiciones. Las adiciones consisten en un Mltiple de Admisin de Gas Natural el cual incluye sensores de Actuacin, Presin de Gas, Temperatura del Gas Natural y los inyectores de Gas Natural. El Gas Natural es inyectado directamente sobre la vlvula de admisin de cada cilindro, muy parecido a los sistemas de inyeccin de gasolina en los automviles, diferente al sistema de carburador el cual mezcla el Gas Natural con el aire a travs de un sistema de fumigacin en el mltiple de admisin. El sistema de fumigacin es utilizado en los motores SING y en la

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mayora de los automviles de mediados de los 80s. Una Unidad Electrnica de Control es adicionada al motor para controlar exclusivamente el Sistema Dual de Combustible en el motor. La eficiencia de combustible en el Sistema Dual es muy similar a la producida por los motores Caterpillar de lnea e igualan el rateo de potencia anunciado por Caterpillar de sus motores Diesel con una pequea perdida de potencia en el rango de bajas RPMs. El Sistema Dual de Combustible pasara automticamente a 100% Diesel cuando alguno de los criterios de programacin no se cumplan y sean parmetros controlados por cualquiera de las dos computadoras (ECU DF ECM Diesel). Debido a que las estaciones de tanqueo de Gas Natural no son tan abundantes como las de Diesel, mantener la operatividad en Diesel es una gran ventaja sobre los motores dedicados. Como el sistema Diesel permanece 100% intacto y operativo, la reventa de la unidad ser ms fcil. Cuando se opera el motor Dual de Cat en modo diesel, el motor trabaja igual que uno de lnea inyectando y controlando el Diesel desde el ECM de Cat. Sin embargo, cuando entra a operar en modo Dual los inyectores Diesel reducen significativamente de acuerdo a los requerimientos de potencia del motor. El roco de diesel es esparcido en todo el cilindro antes de comenzar la combustin, generando miles de pequeas llamas o tambin conocido como buja liquida. El cilindro ya lleno con una mezcla precisa de Aire y Gas Natural antes de la inyeccin piloto de diesel. Los miles de pequeas gotas de Diesel se convierten entonces en miles de pequeas bujas que queman con gran eficiencia la mezcla de Aire y Gas Natural. La cantidad de inyeccin piloto es casi siempre la misma que cuando esta el motor en marcha en vaco. A carga completa la cantidad de Gas Natural es aproximadamente 9 veces ms que el Diesel, por lo que la mayor potencia es generada por la combustin del Gas Natural. La mayora de las emisiones provienen de la combustin del combustible Diesel, pero debido a que la cantidad de Diesel que es utilizado en la combustin hay una reduccin significativa de las emisiones. VALVULA DE PASO DEL AIRE DE TURBO Para los motores Diesel Turboalimentados que andan a toda potencia, es frecuente tener una mayor cantidad de aire de la que es necesaria en operacin Dual por lo que es necesario en baja y media carga desechar el exceso de aire a travs de la vlvula TAB dejando pasar la cantidad ideal al motor para garantizar una combustin ideal del Gas Natural. La vlvula TAB es actuada por una vlvula solenoide sobre la lnea de presin del aire de admisin despus del Post Enfriador de Aire y es controlada por la Computadora del Sistema Dual para asegurar la cantidad de aire necesaria para una relacin de aire combustible en el cilindro ideal a la condicin de marcha. En algunas instalaciones este aire que es eliminado de la lnea se reinyecta despus del turbo para iniciar su camino nuevamente, en otros casos donde las condiciones de instalacin son mas difciles por espacio y modificaciones que implica el retornar una lnea de aire al sistema, se ventea a la atmsfera este aire. Esta vlvula no genera ningn problema adverso en la operacin, el motor o rendimiento de la unidad en modo Dual o Diesel. La nica diferencia que el operador encontrara ser un sonido que se genera la expulsar el aire a presin cuando la vlvula TAB abre. Aun cuando se este usando la vlvula TAB para eliminar el exceso de aire, en alguna circunstancias no se alcanza a eliminar lo necesario ya que el turbocargador sigue inyectando constantemente aire a la mezcla de aire y Gas natural. Los motores de encendido por compresin, motores Diesel, no utilizan una mariposa de control, como en los motores de gasolina estndar. La cantidad de aire empujado dentro del cilindro jams ser menor que la que Habr en un motor a gasolina cuando el pedal del acelerador se encuentra al 100%. Esto esta

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bien para un motor diesel ya que este podr quemar eficientemente cuando hay exceso de aire, en otras palabras conocido como lean. Sin embargo, la gasolina y el Gas Natural son muy difciles de encender y quema muy lentamente cuando es muy pobre. Esta es la razn por la que en los motores a gasolina se usa un acelerador (mariposa); a baja carga el acelerador se cierra restringiendo la entrada de aire en los cilindros. Entonces menos combustible va a los cilindros pero en ese momento la relacin de aire y combustible es ideal para la combustin de gasolina. El Gas Natural requiere de las mismas condiciones que la gasolina, pero como el Motor de Combustible Dual esta basado en un motor de ignicin por compresin Diesel, no hay mariposa de aceleracin. Una mariposa de aceleracin puede se instalada, pero hay muchas rezones por las que no. La mariposa de aceleracin en un automvil es actualmente una restriccin. Durante la carrera de admisin, el pistn se mueve hacia abajo y succiona aire dentro del cilindro. Si hay restriccin cuando la mariposa esta parcialmente o totalmente cerrada, el motor tendr que hacer mas trabajo para introducir aire. Esto es parecido a cuando tratamos de chupar a travs de un pitillo cuando este esta aplastado en un extremo. Debido a que el motor esta realizando un trabajo adicional para, esta utilizando ms potencia y combustible para poder producir una pequea cantidad de potencia deseada. Este resulta en un decremento en la eficiencia del combustible y en ms dinero gastado durante la vida til del vehculo. La eficiencia del combustible es muy importante para la gran mayora de las flotas con grandes camiones que consumen grandes cantidades de combustible. La perdida de eficiencia de combustible causada por la mariposa del acelerador en los motores de automviles es la razn por la cual un vehculo con motor de cuatro cilindros obtiene mejores rendimiento por kilmetro que uno de ocho cilindros. Cuando dos vehculos van a velocidad de crucero uno al lado del otro consumen aproximadamente 50Hp para mantener esta velocidad. El motor de 4 cilindros talvez tenga 100Hp y la posicin del acelerador estar prcticamente abierto. El motor V8 talvez tenga 250Hp por lo que el acelerador esta parcialmente cerrado. SKIP-FIRE o ENCENDIDO ALEATORIO Para lograr el encendido por compresin, el motor diesel que trabaja con el Sistema Dual incorpora la tecnologa de encendido aleatorio a cambio de utilizar una mariposa de aceleracin a baja potencia. Lo que esta tecnologa hace es, reducir el nmero de cilindros que utiliza cuando la demanda de potencia es baja. Actualmente todos los motores Caterpillar con el Sistema Dual de Combustible son de 6 cilindros en lnea. Sin embargo, si la potencia requerida es pequea, la computadora decidir correr el motor solo con 3 de los 6 cilindros. El aire seguir entrando a los 6 cilindros pero la inyeccin de combustible a los 3 que trabajaran. Si la potencia requerida es mayor a la generada por los tres cilindros, la computadora entregara combustible a un cilindro adicional para completar 4. Tambin podr operar con 5 y finalmente con los 6 cilindros. El nmero de cilindros funcionando es seleccionado por la computadora del Sistema Dual basada en la presin de refuerzo del motor. La computadora determinara cuanto combustible ser necesario entregar (diesel y gas) para generar la potencia demandada. Esta tambin determinara si la cantidad de combustible ser dividida en menos cilindros, que numero de cilindros quemaran y sern seleccionados para lograr la relacin ideal de Aire/Combustible en esos cilindros para lograr una buena combustin del Gas Natural. La vlvula TAB entonces controlara la cantidad ideal de aire que llegara a los cilindros cambiando la relacin Aire/Combustible hasta lograr la combinacin ideal. El ejemplo siguiente es de un motor de 6 cilindros. La primera figura 1 muestra los 6 cilindros con la misma cantidad de combustible (color amarillo) como la segunda figura 1b (color rojo). No obstante, la Figura 1a tiene tan poco

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combustible en cada cilindro que la cantidad de aire (color blanco) por cada uno es excesivo lo cual generara un encendido muy pobre. El resultado ser baja potencia y alta contaminacin. La Figura 1b tiene la cantidad exacta de combustible y aire lo que generara un encendido ideal, bajas emisiones y buen caballaje.

Figure 1a

Figure 1b