MeM 022: Motor Diesel a Gas M936G
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El desarrollo de motores es un tema fundamental a la hora de reducir las emisiones y economizar combustible. Para ello, Mercedes Benz desarrolla motores que funcionan con GNC (Gas Natural Comprimido) basados en sus motores diésel. Motor diesel a gas
Los responsables en desarrollo de motores diésel en Mercedes Benz, el Dr. Kai Hoffmann y el Ing. Michael Benz, presentaron cómo fue el desarrollo del nuevo motor diésel a gas que cumple con las normas de emisiones Euro VI.
El diseño y desarrollo de camiones Mercedes Benz se realiza en 4 lugares a nivel mundial: San Pablo, Detroit, Portland y Stuttgart. Es este último dónde se ubica la sede central (Mercedes Benz LKW Entwicklung, area de desarrollo de camiones de Mercedes Benz).
La viabilidad de un motor de Gas Natural Comprimido
No cabe duda que el hecho de utilizar un sistema de Gas Natural Comprimido en motores diésel requiere modificaciones y sistemas adicionales a aquel de un motor diésel tradicional. En la mayoría de los motores diésel no sería rentable hacer una modificación de este tipo, y su utilización estaría también muy limitada debido a la infraestructura. Motor diesel a gas
Pese a ello, hay ejemplos claros en los que motores diésel modificados a gas funcionan desde hace mucho tiempo… uno de estos casos son las bombas extractoras en los pozos petroleros.
Motor Diesel a Gas
El principal motivo de su utilización
Si bien son varias las ventajas para hacer este tipo de modificación, Mercedes Benz destacó una como la causa más importante.
Estos motores se utilizan en camiones urbanos dedicados a trabajos comunitarios, como el servicio de recolección de residuos. Motor diesel a gas
El gran inconveniente de utilizar camiones pesados en centros urbanos son las emisiones que éstos generan. La combustión en motores diésel pesados genera muchas sustancias que incrementan los índices de contaminación. Entre ellas se cuentan los NOx, HC sin combustionar y sobre todo los altos niveles de CO2 y partículas.
Lo primero que hay que tener en cuenta es el nivel de CO2 que se produce con los diferentes tipos de combustibles. No hay que olvidar que el CO2 es uno de los índices que se consideran a la hora de homologar un vehículo y que al mismo tiempo es responsable del cambio climático.
Una reducción de casi el 25% de CO2 por el simple hecho de utilizar otra fuente de energía hace que la idea de transformar el motor diésel para ser utilizado con GNC tenga sentido y mucha viabilidad.
Motor Diesel a Gas
La nueva generación de motores
Se trabajó arduamente en el motor M936G, un motor de 222kW de potencia y 1200Nm de par que deriva de la versión original diésel OM936.
Todas las piezas específicas de un motor diésel fueron removidos. Como por ejemplo la bomba de combustible de alta presión, el common rail y los inyectores.
Esto permite reducir costos, ganar espacio y bajar el peso de la unidad de potencia.
Este motor viene equipado con dos tipos de turbo diferentes, de una y dos etapas.
Se utiliza también un sistema de recirculación de gases de escape EGR para reducir las emisiones de NOx y un catalizador de 3 vías para tratar los gases producidos por la combustión.
Este motor se utliza en el camión Econic NGT, presentado en el salón del automóvil de Frankfurt IAA en 2014. Las fotos a continuación son del museo Mercedes Benz en Stuttgart del primer camión de motor diesel a gas.
Un motor mucho más limpio
En primer lugar, hay que destacar que el hecho de tener un motor diésel significa que la relación de compresión es elevada. Termodinámicamente significa que una máquina térmica de estas características tendrá un rendimiento superior al de un motor de gasolina.
Los motores diésel tienen en promedio el doble de relación de compresión que un motor de gasolina.
El GNC tiene la particularidad que soporta altas relaciones de compresión sin combustionar descontroladamente. Es por eso que se lo puede utilizar en motores diésel sin tener problemas de knock (golpe motor).
Es un combustible muy estable, de buenas características y muy abundante.
Quedó atrás la estrategia de Mezcla Pobre (lean-burn mixture)
Hasta ahora, Mercedes Benz utilizaba una mezcla pobre para sus motores de gas (λ>1). Esto requería la utilización de un SCR (Selective Catalytic Reduction) para tratar los NOx como producto de las altas temperaturas de combustión.
El objetivo de este motor era ser homologado para un Standard EURO VI. Para ello, este motor funciona con una relación λ=1.
Es decir, que se utiliza la cantidad de combustible necesaria para la cantidad de aire que ingresa al cilindro.
Por ende la mezcla es “estequiométrica”. Desde el punto de vista de la combustión, esto representa grandes ventajas a nivel de eficiencia y de emisiones.
Una mezcla rica (mayor cantidad de combustible que de aire) genera mucho CO2 y HC, mientras que una mezcla pobre (menos combustible que aire) genera mucho NOx.
Un catalizador de tres vías es suficiente para tratar los productos de la combustión, a lo que se le suma un sistema de recirculación de gases de escape para reducir la temperatura de combustión y así disminuir los NOx de forma efectiva.
3 elementos que garantizan un control eficiente de la combustión Motor diesel a gas
Para controlar la combustión y asegurarse que la cantidad de combustible a inyectar es la correcta, en este caso GNC, se utilizan tres elementos fundamentales:
AIR MASS FLOW: es un sensor que mide la cantidad de aire que ingresa al motor. Este tipo de sensores es generalmente por hilo caliente.
WIDEBAND LAMBDA SENSOR: es lo que se conoce como una sonda lambda universal o de banda ancha.
La misma es capaz de detectar la presencia de O2 para así saber si éste se encuentra o no en exceso. Esto permite determinar si la mezcla es rica, pobre o estequiométrica. Esta sonda se ubica antes del catalizador.
BINARY LAMBDA SENSOR (O DE 2 PUNTOS): es otro tipo de sonda lambda, que a diferencia de la anterior sólo informa si la mezcla es rica o pobre, pero no informa sobre el nivel de pobreza o riqueza de la misma. Esta sonda va posicionada detrás del catalizador.
Estos tres elementos forman parte de la motrónica del motor, que le permitirá controlarlo de forma rápida y eficiente.
Hay un pre-control de inyección de GNC, un control cerrado (close loop control) para garantizar un funcionamiento estequiométrico (lambda=1) y todo un sistema de diagnóstico de componentes y funcionamiento denominado OBD. Esto es fundamental a la hora de homologar el vehículo.
Sobrealimentación con turbo-compresor asimétrico
El turbo compresor permite aumentar la presión de admisión para el llenado de los cilindros. Esto va acompañado de un aumento de la temperatura del aire, que tiene una gran desventaja.
El ingreso de aire a alta temperatura producirá también altas temperaturas de los gases de escape. Esto disminuirá la vida útil de los componentes del motor, particularmente del turbo.
Para evitar estos inconvenientes se utiliza un intercooler, que es un intercambiador de calor, un radiador por llamarlo de alguna manera. De esta manera, el aire que sale del compresor con mayor presión y temperatura pasa por el intercooler, lo que hace que su temperatura disminuya considerablemente.
Esta disminución de la temperatura tiene otra ventaja más. Reducirá el riesgo de golpe motor, autocombustión o combustión no controlada.
Una estrategia utilizada para reducir la temperatura en la tapa de cilindros fue el uso de un ciclo Miller. Esto consiste en mantener la válvula de admisión abierta durante un período de tiempo más largo que en un motor normal.
De esta forma la carrera de compresión da comienzo cuando las válvulas de admisión están abiertas. Las válvulas de admisión se cierran una vez que el 30% de la carrera de compresión fue realizada.
Parte de la mezcla aire-combustible que comienza a comprimirse vuelve a salir ligeramente del cilindro por lo que no es combustionada, pero aumenta la presión disponible en la admisión para el próximo ciclo.
Los ingenieros hicieron un gran trabajo para optimizar la cavidad en la superficie del pistón. Esto fue necesario para poder hacer un uso eficiente del sistema EGR de recirculación de gases de escape.
Como resultado de esto se obtiene una combustión más estable, y temperaturas de gases de combustión más bajas. Algo fundamental a la hora de asegurar la durabilidad del motor.
Detección y reducción del golpe motor (knock control)
A pesar de que el GNC es capaz de soportar altos niveles de presión sin autocombustionar, el golpe motor puede hacerse presente.
Este inconveniente puede detectarse y corregirse de forma tal que el motor no sufra daños por estar expuesto a picos de presión muy elevados.
Un sensor de golpe motor (knock sensor) es necesario para introducir esta funcionalidad a la motrónica que equipa al M936G.
Este sensor, capaz de medir las vibraciones en tiempo real y compararlas a una base de datos en función de la carga que está sufriendo el motor y su velocidad (rpm), permite detectar si efectivamente la autocombustión está ocurriendo o no.
En caso de que de la autocombustión no esté presente, el motor seguirá funcionando sin ningún tipo de intervención del “knock control”.
Si por algún motivo, se detectara el fenómeno de golpe motor, entonces será necesario retrasar el ángulo de ignición. Esto eliminará este fenómeno no deseado en detrimento de la eficiencia de la combustión y por ende del consumo de combustible en ese momento.
Durabilidad garantizada
La durabilidad del motor resulta ser igual a la de su variante diesel, mientras que la gran ventaja es una reducción considerable de los picos de presión. Esto reduce las vibraciónes y aumenta el confort del vehículo.
Durante la fase de desarrollo se prestó mucha atención al llenado de los cilindros y se desarrolló un sistema de testeo llamado “six pack test”.
Para ello se medía la presión en cada uno de los cilindros y se indicaban aquellos que tenían el mejor y peor llenado. Para evitar irregularidades de marcha cuando el motor este trabajando con grandes cargas, fue necesario reducir esta diferencia de llenado.
Los asientos de válvulas también fueron elementos en los cuales se tuvo que prestar mucha atención.
Se hicieron mediciones extremadamente precisas a determinados intervalos de horas de uso (500hs, 1000hs, 1500hs y 2000hs)
En comparación a su versión diésel OM936, este motor reduce en 5dB el ruido que emite al operar a potencia máxima, haciéndolo mucho más silencioso.
Camiones urbanos con bajos niveles de emisiones. Una realidad
Gracias a esta nueva generación de motores a GNC, Mercedes Benz demuestra una vez más que los camiones pueden ser compatibles con los centros urbanos.
La comparación directa de un motor diesel y este motor a GNC arrojó resultados muy positivos.
Una reducción del 54% en los valores de NOx, 53% menos de PM (particle mass) y al menos 6% menos de CO2 hacen que el GNC sea una alternativa interesante.
El único punto que hasta ahora genera inconvenientes es el suministro de GNC.
La red de distribución es limitada y esto no cambiará en el corto plazo. La eficiencia del motor es un punto fundamental, ya que con una carga de combustible diaria, el camión deberá ser capaz de hacer su recorrido diario.
El próximo paso es homologar este motor en los Estados Unidos y extender así la cultura del GNC como una fuente de energía menos contaminante en los centros urbanos.
Muy buen informe. Dejame agregar que el aire cuando pasa por el intercooler, hace que se enfrie, por lo cual, su densidad varia haciendo que entre mas masa de aire; lo cual es algo muy bueno para el rendimiento y potencia.