Un motor de gas es un motor de combustión interna que funciona con un gas combustible (un combustible gaseoso ), como gas de carbón , gas de productor , biogás , gas de vertedero , gas natural o hidrógeno . En el Reino Unido y los países de habla inglesa , el término es inequívoco. En los Estados Unidos , debido al uso generalizado de "gas" como abreviatura de gasolina (petrol), a este tipo de motor a veces se lo denomina con un término aclaratorio, como motor alimentado con gas o motor de gas natural .
En general, en el uso moderno, el término motor de gas se refiere a un motor industrial de servicio pesado capaz de funcionar de forma continua a plena carga durante períodos que se acercan a una fracción elevada de 8760 horas al año, a diferencia de un motor de automóvil a gasolina, que es liviano, de altas revoluciones y normalmente funciona durante no más de 4000 horas en toda su vida útil. La potencia típica varía de 10 kW (13 hp) a 4 MW (5364 hp). [1]
Hubo muchos experimentos con motores de gas en el siglo XIX, pero el primer motor de combustión interna alimentado con gas práctico fue construido por el ingeniero belga Étienne Lenoir en 1860. [2] Sin embargo, el motor Lenoir adolecía de una baja potencia de salida y un alto consumo de combustible.
El trabajo de Lenoir fue investigado y mejorado por un ingeniero alemán, Nicolaus August Otto , quien más tarde inventó el primer motor de cuatro tiempos que quemaba combustible de manera eficiente directamente en una cámara de pistón. En agosto de 1864, Otto conoció a Eugen Langen , quien, al tener formación técnica, vislumbró el potencial del desarrollo de Otto y, un mes después de la reunión, fundó la primera fábrica de motores del mundo, NA Otto & Cie, en Colonia. En 1867, Otto patentó su diseño mejorado y recibió el Gran Premio en la Exposición Universal de París de 1867. Este motor atmosférico funcionaba aspirando una mezcla de gas y aire en un cilindro vertical. Cuando el pistón se ha elevado unos veinte centímetros, la mezcla de gas y aire se enciende mediante una pequeña llama piloto que arde en el exterior, lo que empuja el pistón (que está conectado a una cremallera dentada) hacia arriba, creando un vacío parcial debajo de él. No se realiza ningún trabajo en la carrera ascendente. El trabajo se realiza cuando el pistón y la cremallera descienden por efecto de la presión atmosférica y su propio peso, haciendo girar el eje principal y los volantes a medida que caen. Su ventaja sobre la máquina de vapor existente era su capacidad de ponerse en marcha y pararse según la demanda, lo que la hacía ideal para trabajos intermitentes como la carga o descarga de barcazas. [3]
El motor de gas atmosférico fue sustituido por el motor de cuatro tiempos de Otto . El cambio a los motores de cuatro tiempos fue notablemente rápido, y los últimos motores atmosféricos se fabricaron en 1877. Pronto les siguieron los motores de combustible líquido, que utilizaban diésel (alrededor de 1898) o gasolina (alrededor de 1900).
El constructor de motores de gas más conocido en el Reino Unido fue Crossley de Manchester, quien en 1869 adquirió los derechos en el Reino Unido y en todo el mundo (excepto Alemania) de las patentes de Otto y Langen para el nuevo motor atmosférico alimentado con gas. En 1876 adquirieron los derechos del motor Otto de cuatro tiempos, más eficiente.
También había otras empresas con sede en la zona de Manchester . Tangye Ltd. , de Smethwick, cerca de Birmingham, vendió su primer motor de gas, un motor de dos tiempos de 1 caballo de fuerza nominal , en 1881, y en 1890 la empresa comenzó a fabricar el motor de gas de cuatro tiempos. [4]
El Museo de Motores Anson en Poynton , cerca de Stockport , Inglaterra , tiene una colección de motores que incluye varios motores de gas en funcionamiento, incluido el motor atmosférico Crossley en funcionamiento más grande jamás fabricado.
Los fabricantes de motores de gas incluyen Hyundai Heavy Industries , Rolls-Royce con Bergen-Engines AS , Kawasaki Heavy Industries , Liebherr , MTU Friedrichshafen , INNIO Jenbacher , Caterpillar Inc. , Perkins Engines , MWM , Cummins , Wärtsilä , INNIO Waukesha , Guascor Energy, Deutz , MTU, MAN, Scania AB , Fairbanks-Morse , Doosan, Eaton (sucesor de otro antiguo gran accionista de mercado, Cooper Industries ) y Yanmar . La potencia varía desde unos 10 kW (13 hp) de microcombinación de calor y electricidad (CHP) hasta 18 MW (24.000 hp). [5] En términos generales, el motor de gas de alta velocidad moderno es muy competitivo con las turbinas de gas de hasta unos 50 MW (67.000 hp) dependiendo de las circunstancias, y los mejores son mucho más eficientes en términos de combustible que las turbinas de gas. Rolls-Royce con los motores Bergen, Caterpillar y muchos otros fabricantes basan sus productos en un bloque de motor diésel y un cigüeñal. INNIO Jenbacher y Waukesha son las dos únicas empresas cuyos motores están diseñados y dedicados exclusivamente al gas.
Las aplicaciones típicas son los esquemas de generación de carga base o de alta demanda, incluyendo calor y electricidad combinados (para cifras de rendimiento típicas, consulte [6] ), gas de vertedero , gas de minas , gas de boca de pozo y biogás , donde el calor residual del motor puede usarse para calentar los digestores. Para parámetros de instalación de motor de biogás típicos, consulte. [7] Para parámetros de un gran sistema de cogeneración con motor de gas, tal como se instala en una fábrica, consulte. [8] Los motores de gas rara vez se utilizan para aplicaciones de reserva, que siguen siendo en gran medida el dominio de los motores diésel. Una excepción a esto es el pequeño generador de emergencia (<150 kW) que a menudo se instala en granjas, museos, pequeñas empresas y residencias. Conectados al gas natural de la empresa de servicios públicos o al propano de tanques de almacenamiento en el sitio, estos generadores pueden configurarse para que se pongan en marcha automáticamente en caso de corte de energía.
Los motores de gas natural licuado (GNL) se están expandiendo en el mercado marino, ya que el motor de gas de combustión pobre puede cumplir con los nuevos requisitos de emisiones sin ningún tratamiento adicional del combustible o sistemas de limpieza de escape. El uso de motores que funcionan con gas natural comprimido (GNC) también está creciendo en el sector de los autobuses . Los usuarios en el Reino Unido incluyen Reading Buses . El uso de autobuses a gas cuenta con el apoyo de la Gas Bus Alliance [9] y los fabricantes incluyen a Scania AB . [10]
Dado que el gas natural , principalmente el metano , ha sido durante mucho tiempo un combustible económico y de fácil acceso, muchos motores industriales están diseñados o modificados para utilizar gas, a diferencia de la gasolina . Su funcionamiento produce una contaminación de hidrocarburos menos complejos y los motores tienen menos problemas internos. Un ejemplo es el motor de gas licuado de petróleo , principalmente propano , que se utiliza en un gran número de carretillas elevadoras . El uso común en los Estados Unidos de "gas" para significar "gasolina" requiere la identificación explícita de un motor de gas natural. También existe algo llamado "gasolina natural", [11] pero este término, que se refiere a un subconjunto de líquidos de gas natural , se observa muy raramente fuera de la industria de refinación.
Un motor de gas se diferencia de un motor de gasolina en la forma en que se mezclan el combustible y el aire. Un motor de gasolina utiliza un carburador o inyección de combustible , pero un motor de gas a menudo utiliza un sistema Venturi simple para introducir el gas en el flujo de aire. Los primeros motores de gas utilizaban un sistema de tres válvulas, con válvulas de entrada separadas para el aire y el gas.
El punto débil de un motor de gasolina en comparación con un motor diésel son las válvulas de escape, ya que los gases de escape del motor de gasolina son mucho más calientes para una potencia dada, y esto limita la potencia de salida. Por lo tanto, un motor diésel de un fabricante determinado normalmente tendrá una potencia máxima mayor que el mismo tamaño de bloque del motor en la versión de motor de gasolina. El motor diésel generalmente tendrá tres clasificaciones diferentes: de reserva, principal y continua, también conocidas como clasificación de 1 hora, clasificación de 12 horas y clasificación continua en el Reino Unido, mientras que el motor de gasolina generalmente solo tendrá una clasificación continua, que será menor que la clasificación continua diésel.
Se han utilizado varios sistemas de encendido, incluidos los de tubo caliente y el encendido por chispa . Algunos motores de gas modernos son esencialmente motores de combustible dual . La principal fuente de energía es la mezcla de gas y aire, pero se enciende mediante la inyección de un pequeño volumen de combustible diésel .
Los motores de gas que funcionan con gas natural suelen tener una eficiencia térmica de entre el 35 y el 45 % ( base LHV ). [12] A partir del año 2018, los mejores motores pueden alcanzar una eficiencia térmica de hasta el 50 % (base LHV). [13] Estos motores de gas suelen ser motores de velocidad media Bergen Engines La energía del combustible surge en el eje de salida, el resto aparece como calor residual. [8] Los motores grandes son más eficientes que los motores pequeños. Los motores de gas que funcionan con biogás suelen tener una eficiencia ligeramente inferior (~1-2 %) y el gas de síntesis reduce aún más la eficiencia. El reciente motor J624 de GE Jenbacher es el primer motor de gas de 24 cilindros alimentado con metano de alta eficiencia del mundo. [14]
Al considerar la eficiencia del motor, se debe considerar si se basa en el valor calorífico inferior (LHV) o el valor calorífico superior (HHV) del gas. Los fabricantes de motores generalmente cotizan eficiencias basadas en el valor calorífico inferior del gas, es decir, la eficiencia después de que se haya consumido energía para evaporar la humedad intrínseca dentro del propio gas. Las redes de distribución de gas generalmente cobran en función del valor calorífico superior del gas, es decir , el contenido energético total. Una eficiencia de motor cotizada basada en LHV podría ser, por ejemplo, del 44 %, mientras que el mismo motor podría tener una eficiencia del 39,6 % basada en HHV con gas natural. También es importante asegurarse de que las comparaciones de eficiencia se realicen sobre una base equivalente. Por ejemplo, algunos fabricantes tienen bombas accionadas mecánicamente, mientras que otros utilizan bombas accionadas eléctricamente para impulsar el agua de refrigeración del motor, y el uso eléctrico a veces puede ignorarse, lo que da una eficiencia aparente falsamente alta en comparación con los motores de transmisión directa.
El calor residual del motor se puede utilizar para calentar un edificio o un proceso. En un motor, aproximadamente la mitad del calor residual surge (de la camisa del motor, el enfriador de aceite y los circuitos del postenfriador) en forma de agua caliente, que puede alcanzar hasta 110 °C. El resto surge como calor de alta temperatura que puede generar agua caliente presurizada o vapor mediante el uso de un intercambiador de calor de gases de escape .
Los dos tipos de motores más comunes son los refrigerados por aire y los refrigerados por agua . En la actualidad, los refrigerados por agua utilizan anticongelante en el motor de combustión interna.
Algunos motores (de aire o de agua) tienen un enfriador de aceite agregado.
Es necesario enfriar para eliminar el calor excesivo, ya que el sobrecalentamiento puede provocar fallas en el motor, generalmente por desgaste, grietas o deformaciones.
La fórmula muestra el requerimiento de flujo de gas de un motor de gas en condiciones normales a plena carga.
dónde:
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