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 producción , biogás , gas de vertedero , gas natural o hidrógeno . En el Reino Unido y los países de habla inglesa británica , el término es inequívoco. En los Estados Unidos , debido al uso generalizado de "gas" como abreviatura de gasolina (gasolina), este tipo de motor a veces se denomina con un término aclaratorio, como motor de combustible gaseoso o motor de gas natural .
Generalmente en el uso moderno, el término motor de gasolina se refiere a un motor industrial de servicio pesado capaz de funcionar continuamente a plena carga durante períodos cercanos a una elevada fracción de 8.760 horas por año, a diferencia de un motor de automóvil de gasolina, que es liviano, tiene altas revoluciones y Por lo general, no funciona más de 4000 horas en toda su vida útil. La potencia típica oscila entre 10 kW (13 hp) y 4 MW (5364 hp). [1]
Hubo muchos experimentos con motores de gas en el siglo XIX, pero el primer motor práctico de combustión interna a gas 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. consumo.
El trabajo de Lenoir fue investigado y mejorado aún más por el ingeniero alemán Nicolaus August Otto , quien más tarde inventó el primer motor de cuatro tiempos para quemar combustible de manera eficiente directamente en una cámara de pistón. En agosto de 1864, Otto conoció a Eugen Langen , quien, tras recibir formación técnica, vislumbró el potencial de desarrollo de Otto y, un mes después del encuentro, 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 Mundial 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 fuerza al pistón (que está conectado a una cremallera dentada) hacia arriba, creando un vacío parcial debajo de él. No se realiza ningún trabajo en el recorrido ascendente. El trabajo se realiza cuando el pistón y la cremallera descienden bajo los efectos de la presión atmosférica y el propio peso, haciendo girar el eje principal y los volantes al caer. Su ventaja sobre la máquina de vapor existente era su capacidad de arrancar y detener según demanda, lo que la hacía ideal para trabajos intermitentes como carga o descarga de barcazas. [3]
El motor de gas atmosférico fue a su vez sustituido por el motor de cuatro tiempos de Otto . El cambio a motores de cuatro tiempos fue notablemente rápido, y los últimos motores atmosféricos se fabricaron en 1877. Pronto 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 del Reino Unido y del mundo (excepto Alemania) sobre las patentes de Otto y Langen para el nuevo motor atmosférico de gas. En 1876 adquirieron los derechos del motor Otto de ciclo de cuatro tiempos, más eficiente.
También había varias otras empresas con sede en el área de Manchester . Tangye Ltd. , de Smethwick, cerca de Birmingham, vendió su primer motor de gasolina, un tipo de dos tiempos de 1 caballo de fuerza nominal , en 1881, y en 1890 la empresa comenzó a fabricar el motor de gasolina de cuatro tiempos. [4]
El Museo del Motor Anson en Poynton , cerca de Stockport , Inglaterra , tiene una colección de motores que incluye varios motores de gasolina 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 Power , Deutz , MTU, MAN, Scania AB , Fairbanks-Morse , Doosan, Eaton (sucesor de otro antiguo gran poseedor de cuota de mercado, Cooper Industries ) y Yanmar . La producción varía desde aproximadamente 10 kW (13 hp) de calor y energía microcombinados (CHP) hasta 18 MW (24.000 hp). [5] En términos generales, el moderno motor de gas de alta velocidad es muy competitivo con las turbinas de gas de hasta aproximadamente 50 MW (67.000 hp), dependiendo de las circunstancias, y las mejores son mucho más eficientes en combustible que las turbinas de gas. Rolls-Royce con Bergen Engines, 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 únicamente al gas.
Las aplicaciones típicas son esquemas de generación de carga base o de horas altas, que incluyen calor y energía 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 ser Se utiliza para calentar los digestores. Para conocer los parámetros típicos de instalación de motores de biogás, consulte. [7] Para conocer los parámetros de un sistema CHP con motor de gas grande, instalado en fábrica, consulte. [8] Los motores de gasolina rara vez se utilizan para aplicaciones de reserva, que siguen siendo en gran medida competencia de los motores diésel. Una excepción a esto es el pequeño generador de emergencia (<150 kW) que suele instalarse en granjas, museos, pequeñas empresas y residencias. Estos generadores, conectados a gas natural de la empresa de servicios públicos o a propano de tanques de almacenamiento en el lugar, se pueden configurar para que arranquen automáticamente en caso de un corte de energía.
Los motores de gas natural licuado (GNL) se están expandiendo en el mercado marino, ya que el motor de gas de mezcla pobre puede cumplir con los nuevos requisitos de emisiones sin ningún tratamiento de combustible adicional ni sistemas de limpieza de gases 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 está respaldado por Gas Bus Alliance [9] y los fabricantes incluyen Scania AB . [10]
Dado que el gas natural , principalmente metano , ha sido durante mucho tiempo un combustible económico y fácilmente disponible, muchos motores industriales están diseñados o modificados para utilizar gas, a diferencia de la gasolina . Su funcionamiento produce una contaminación por hidrocarburos menos compleja y los motores tienen menos problemas internos. Un ejemplo es el gas licuado del petróleo , principalmente propano . Motor utilizado en un gran número de carretillas elevadoras . El uso común en los Estados Unidos de "gas" en el sentido de "gasolina" requiere la identificación explícita de un motor de gas natural. También existe la "gasolina natural", [11] pero este término, que se refiere a un subconjunto de líquidos de gas natural , rara vez se utiliza fuera de la industria del refinado.
Un motor de gasolina 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 gasolina suele utilizar un sistema venturi simple para introducir gas en el flujo de aire. Los primeros motores de gasolina utilizaban un sistema de tres válvulas, con válvulas de entrada separadas para aire y 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 están mucho más calientes para una determinada potencia, y esto limita la potencia. Por lo tanto, un motor diésel de un determinado fabricante normalmente tendrá una potencia máxima mayor que el mismo tamaño de bloque del motor en la versión con motor de gasolina. El motor diésel generalmente tendrá tres clasificaciones diferentes: en espera, principal y continua, también conocida 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 inferior a la clasificación continua diésel.
Se han utilizado varios sistemas de encendido, incluidos encendedores de tubo caliente y encendido por chispa . Algunos motores de gasolina modernos son esencialmente motores de combustible dual . La principal fuente de energía es la mezcla gas-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 del 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 menor (~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 poder calorífico más bajo (LHV) o el poder calorífico más alto (HHV) del gas. Los fabricantes de motores normalmente cotizan eficiencias basadas en el menor poder calorífico del gas, es decir, la eficiencia después de que se ha tomado energía para evaporar la humedad intrínseca dentro del propio gas. Las redes de distribución de gas normalmente se cobrarán en función del mayor poder calorífico del gas. es decir , contenido energético total. La eficiencia de un motor cotizada basada en LHV podría ser, digamos, del 44%, mientras que el mismo motor podría tener una eficiencia del 39,6% basada en HHV con gas natural. También es importante garantizar que las comparaciones de eficiencia se realicen en términos comparables. 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 dando una eficiencia aparente falsamente alta en comparación con los motores de transmisión directa.
El calor rechazado del motor se puede utilizar para calentar edificios o calentar un proceso. En un motor, aproximadamente la mitad del calor residual (de la camisa del motor, del refrigerador de aceite y del postenfriador) se produce en forma de agua caliente, que puede alcanzar hasta 110 °C. El resto se genera como calor a alta temperatura, que puede generar agua caliente a presión o vapor mediante el uso de un intercambiador de calor de gases de escape .
Los dos tipos de motores más comunes son el motor refrigerado por aire o el motor refrigerado por agua . Los refrigerados por agua hoy en día utilizan anticongelante en el motor de combustión interna.
Algunos motores (de aire o de agua) tienen un enfriador de aceite adicional.
Se requiere enfriamiento para eliminar el calor excesivo, ya que el sobrecalentamiento puede causar fallas en el motor, generalmente por desgaste, grietas o deformaciones.
La fórmula muestra el requerimiento de flujo de gas de un motor de gasolina en condiciones normales a plena carga.
dónde:
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