Gracias a su muy alta densidad energética, el gas natural comprimido (GNC) es muy adecuado para su uso como combustible de automoción. El GNC tiene un octanaje de aproximadamente 120 y un calor de combustión de 9.000 a 11.000 kcal / kg o 38 a 47 MJ / kg.

Además, la combustión de GNC produce significativamente menos emisiones de CO 2 que la combustión de gasolina, por ejemplo. Y debido a que el GNC es un combustible particularmente rentable en muchos mercados, los fabricantes muestran un interés creciente en desarrollar vehículos que sean capaces de funcionar con esta fuente de combustible alternativa.

El desafío principal para optimizar un motor de combustión interna para que funcione con GNC es regular la presión de inyección en el riel de combustible.

Imagen 1: Ejemplo de un sistema de dos combustibles para gasolina y GNC
Fuente de la imagen: Bosch Mobility Solutions

El GNC se almacena a aproximadamente 200 bares y normalmente se inyecta entre dos y nueve bares, según los requisitos del motor: baja presión para una conducción eficiente en el consumo de combustible en los rangos de velocidad más bajos y presiones más altas cuando se requiere mayor potencia y par.

La efectividad de la combustión dentro del cilindro de un motor está fuertemente influenciada por la temperatura y la presión del GNC: un aumento en la presión a volumen constante resultará en una mayor densidad de masa del gas, aumentando así su poder calorífico.

Sin embargo, aunque la temperatura inicial y la presión de inyección se pueden variar, si no se calibran con precisión durante el desarrollo, los vehículos de gas natural comprimido pueden sufrir pérdidas de potencia y mala capacidad de conducción.

Inyectar GNC a presión

Normalmente, el GNC se alimenta desde un tanque de alta presión a través de un regulador de presión al riel de combustible. Para una combustión eficiente del combustible, la cantidad de gas natural inyectada siempre debe coincidir con la masa de aire requerida por el motor. Para lograr esto, la gestión electrónica del motor generalmente emplea un medidor de flujo de aire para determinar la cantidad exacta de aire requerida y, posteriormente, la cantidad de GNC a inyectar.

Con la inyección de punto central (CPI), el GNC se alimenta desde un distribuidor de gas natural (NGD) al colector de admisión. Un sensor de presión media mide la presión y la temperatura en el NGD, lo que permite que los inyectores de gas natural suministren la cantidad precisa de combustible requerida.

Alternativamente, la inyección también se puede implementar sin el NGD, alineando cada inyector con un cilindro correspondiente. Con esta inyección multipunto (MPI), el gas se inyecta bajo presión en el ‘corredor’ del colector de admisión de cada cilindro, aguas arriba de la válvula de admisión.

Debido a que los cambios de presión tienen una influencia significativa en el rendimiento del motor cuando funciona con combustible GNC, el par motor y las emisiones de escape (CO, CO2, NOx e hidrocarburos) deben registrarse durante la prueba del motor.

Optimización de la presión del carril para todas las condiciones de conducción

Para optimizar el sistema de GNC, es importante que durante las fases de diseño y prueba, la presión dentro del riel se mida con precisión en varias aberturas del acelerador y se haga referencia cruzada al par del motor y las correspondientes emisiones de gases de escape. En consecuencia, la mayoría de los ingenieros de desarrollo exigen sensores de presión de alta calidad .

Es importante que estos sensores proporcionen lecturas precisas en una amplia gama de presiones, mientras conservan su integridad a temperaturas elevadas.

Aunque un aumento en la presión de GNC reduce el CO2, HC y NOx, el CO en los gases de escape aumenta, por lo que es vital registrar con precisión los efectos de modular la presión de inyección de GNC.

Durante la prueba, se usa un regulador de presión para controlar la presión de inyección que se mide con un sensor de presión calibrado con precisión ubicado en el riel, mientras que un medidor de flujo analógico, típicamente con una capacidad de 2.5 m3 / h, se usa para medir y controlar el aire de entrada. tasa de flujo. Se utiliza un dinamómetro de chasis para registrar el par motor.

Durante la prueba, la temperatura y el caudal del gas se mantienen constantes a 22 ° C y 0,1 SCFH, respectivamente. Se utiliza un ventilador de alta potencia para mantener la temperatura del motor durante la prueba, y se conecta un equipo de prueba de emisiones a la salida de escape para registrar el contenido de CO, CO2, hidrocarburos y NOx en los gases de escape.

El proceso es bastante complejo y requiere que se midan la presión del raíl, el par motor y las emisiones en cientos de puntos de apertura del acelerador para crear un mapa eficaz de los requisitos del motor para la ECU del motor.

Medir, registrar e ingresar todos estos datos en las tablas relevantes es una tarea que requiere mucho tiempo, por lo que los ingenieros de desarrollo a menudo recurren a herramientas de modelado para acelerar el desarrollo. Estas herramientas suelen proporcionar un entorno para la simulación y el diseño basado en modelos para sistemas dinámicos e integrados, lo que reduce la cantidad de versiones de hardware necesarias para diseñar el sistema.

El modelo de simulación se codifica con la información obtenida de las pruebas en tiempo real y luego se integra en un ejecutable utilizando el compilador C para ejecutarse en un sistema operativo en tiempo real.

Una vez que se capturan los datos de la línea de base, es posible generar un número infinito de simulaciones en tiempo real que se aplicarán a cualquier faceta del ciclo de diseño, desde el concepto inicial hasta el diseño, prueba y validación del controlador mediante pruebas de hardware en bucle (HIL). .

Un programa de prueba bien desarrollado que utiliza sensores de presión de laboratorio y equipos de prueba da rienda suelta al rendimiento y la capacidad de conducción de los vehículos alimentados con GNC que es comparable a los equivalentes de combustibles fósiles, al tiempo que ofrece beneficios de costos y emisiones.