Un ingeniero jefe que maneja un grupo auxiliar de cuatro tiempos de 6.000 kW tiene dos números frente a él. La gasolina tiene un precio de aproximadamente dos tercios del fueloil con muy bajo contenido de azufre en su ruta, y la culata que acaba de retirar del servicio tiene 12.000 horas de funcionamiento con asientos de válvulas de escape desgastados. Esos dos números explican casi todo sobre el motor de combustible dual.
La respuesta corta es simple. Un motor de combustible dual es un motor diésel que puede funcionar con gas como combustible principal, utilizando una pequeña cantidad de combustible líquido como fuente de ignición, y que puede volver a utilizar combustible líquido cuando el operador lo necesite. La culata es muy importante porque el modo de gas cambia la presión, la liberación de calor y la carga de la válvula dentro de la cámara de combustión, y la culata es donde llegan los tres. Lo que sigue cubre las dos rutas de combustión, el costo real del combustible piloto, la forma en que la tasa de sustitución cae con la carga y los detalles de las piezas que deciden si un cabezal de reemplazo sobrevive al modo de gas.
Qué hace diferente un motor de combustible dual
Un motor de combustible dual comienza su vida como un motor diésel. El bloque, el cigüeñal, las bielas y la potencia nominal permanecen en la misma clase, y el motor mantiene el principio de encendido por compresión que hizo que el diésel fuera confiable en primer lugar. Lo que cambia es el sistema de suministro de gas, el diseño de la cámara de combustión, el software de control y, en la mayoría de las conversiones de cuatro tiempos, la propia culata.
En el modo gas el motor quema gas natural, y en algunas instalaciones gas licuado de petróleo o metanol, como principal fuente de energía. Se inyecta una pequeña cantidad de diésel o gasóleo marino como combustible piloto y proporciona la energía de ignición. Debido a que la llama piloto enciende la carga de gas y aire en lugar de lo contrario, el motor mantiene el mismo rango de eficiencia que el funcionamiento diésel y casi no produce óxidos de azufre. Cuando se interrumpe el suministro de gas, o cuando la embarcación está maniobrando y el operador desea una respuesta instantánea, el motor vuelve al modo diésel al cabo de unos pocos ciclos de combustión.
Los operadores eligen el combustible dual por tres razones prácticas. El primero es el cumplimiento: el modo de gas reduce los óxidos de nitrógeno en aproximadamente un 85 por ciento, lo que cumple con los límites Tier III de la OMI sin una unidad de reducción catalítica selectiva. El segundo es el coste: en muchas rutas la diferencia de precios entre el gas natural licuado y el fueloil con muy bajo contenido de azufre cubre en unos pocos años el mayor coste de capital del motor y del depósito de gasolina. La tercera es la opcionalidad: un mismo motor puede quemar el combustible que el mercado y la normativa hagan más barato ese mes.
Para motores principales grandes de dos tiempos, un enfoque ampliamente utilizado inyecta gas al final de la carrera de compresión a alta presión, lo que mantiene intacto el ciclo de combustión diésel original y evita la pérdida de metano no quemado en el escape.
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Dos rutas de combustión, dos conjuntos de cargas
La mayoría de las discusiones sobre combustible dual se reducen a qué ciclo utiliza el motor en el modo de gasolina, porque esa elección establece la presión del gas, la cantidad de combustible piloto, el nivel de deslizamiento de metano y las cargas que llegan a la culata.
| Parámetro | Modo de gas a baja presión | Modo de gas a alta presión |
|---|---|---|
| Ciclo de combustión | Otto, carga premezclada | Diésel, llama de difusión. |
| Presión de suministro de gas | Alrededor de 5 a 6 bar | Alrededor de 300 a 350 bar |
| Punto de admisión de gas | Carrera de admisión, mezclada con aire. | Compresión tardía, directa al cilindro. |
| Reparto de combustible piloto a plena carga | Alrededor del 1 por ciento | Alrededor del 3 al 5 por ciento |
| deslizamiento de metano | Medible, mayor con carga baja | insignificante |
| Relación de compresión | Se aplica un límite de detonación inferior | Nivel diésel estándar |
| Deber típico | Motores principales auxiliares y de velocidad media de cuatro tiempos. | Grandes motores principales de dos tiempos |
| Características de la cabeza para verificar | Puertos de admisión de gas, asientos endurecidos, conductos de refrigeración. | Orificio del inyector de gas, ajuste del manguito, dureza de la plataforma contra incendios |
Ninguna ruta es mejor en términos absolutos. La vía de baja presión domina en los motores auxiliares de cuatro tiempos y de media velocidad, donde el sistema de gases es más sencillo y el espacio de maquinaria tiene cabida para ello. La ruta de alta presión se utiliza en grandes motores principales de dos tiempos, donde el deslizamiento de metano no es aceptable y un compresor de gas ya forma parte de la instalación.
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El modo de gas aumenta la presión máxima del cilindro y cambia la forma de la curva de liberación de calor, por lo que la plataforma de fuego, los asientos de válvulas y las jaulas de válvulas ven un ciclo más duro que el que tendrían en el servicio diésel puro. En las conversiones de inyección de puerto, el cabezal también lleva válvulas de admisión de gas, lo que significa orificios adicionales, superficies de sellado adicionales y una segunda vía para fugas. Cualquiera que quiera conocer los antecedentes de la pieza en sí puede leer Cómo se construye una culata y qué hace cada superficie. .
- Dureza y ángulo del asiento de la válvula, porque el modo de gas hace funcionar las válvulas de escape más calientes con carga parcial.
- La jaula de la válvula y la guía encajan, porque las guías desgastadas hacen que la válvula se desalinee y destruya el asiento.
- Limpieza del paso de refrigeración, porque un paso parcialmente bloqueado se convierte en una cubierta de fuego agrietada.
- Los orificios de las válvulas de admisión de gas en motores convertidos deben coincidir con las especificaciones del kit de conversión.
La consecuencia práctica es que no se puede comprar un cabezal de repuesto para un motor de combustible dual basándose únicamente en el tamaño del orificio. La versión del motor, la clasificación del modo de gasolina y el kit de conversión cambian el dibujo que debe coincidir con el cabezal.
Participación de combustible piloto: cuánto diésel aún se necesita
El combustible piloto es la parte de la factura de combustible que los operadores olvidan y no es una cifra fija. El siguiente cuadro muestra acciones piloto típicas para cinco configuraciones.
El gráfico muestra cuánta energía total aún debe provenir de combustible líquido en cinco configuraciones comunes. Un motor de cuatro tiempos de baja presión a plena carga necesita sólo alrededor del uno por ciento de combustible piloto, razón por la cual los operadores tratan el modo de gas como casi completamente alimentado por gas. Si se baja el mismo motor a un cuarto de carga, la proporción del piloto aumenta a aproximadamente el ocho por ciento, porque la mezcla se vuelve demasiado pobre para encenderse de manera confiable sin más energía diesel. Los motores de dos tiempos de alta presión funcionan a alrededor del tres por ciento a plena carga, y las adaptaciones de diésel a gasolina se sitúan cerca del cinco por ciento porque sus sistemas de control y admisión de gas son menos precisos que los de un motor especialmente diseñado. Con carga baja, la cifra de modernización puede llegar al quince por ciento, lo que es suficiente para cambiar el cálculo del coste del combustible para un buque que pasa largos períodos maniobrando en el puerto.
La tasa de sustitución cae antes de que el motor se quede sin carga
La tasa de sustitución es la proporción de combustible líquido que el gas realmente reemplaza y no es constante en todo el rango de carga.
La curva roja muestra un motor de combustible dual de baja presión especialmente diseñado que mantiene alrededor del 40 por ciento de sustitución a un cuarto de carga y alcanza aproximadamente el 95 por ciento a plena carga. La curva azul muestra un motor diésel convertido a funcionamiento a gas, que comienza cerca del 25 por ciento con un cuarto de carga y sube hasta aproximadamente el 90 por ciento con carga completa. La brecha entre las dos curvas es más amplia a carga parcial, que es exactamente donde los ferries, las embarcaciones portuarias y los buques de apoyo en alta mar pasan la mayor parte de sus horas de funcionamiento. Una flota que calcula los ahorros a partir de las cifras nominales a plena carga los sobreestimará siempre que el ciclo de trabajo esté dominado por la carga parcial. Es por eso que el perfil de carga, no la potencia del motor, debe impulsar la elección entre un motor de combustible dual de fábrica y una conversión.
¿Qué efecto tiene el modo gas sobre las emisiones?
El modo de gas reduce todos los contaminantes regulados en comparación con el funcionamiento con combustible líquido, pero no por el mismo margen.
Los óxidos de azufre disminuyen alrededor de un 99 por ciento porque el gas natural casi no contiene azufre, que por sí solo satisface el límite global del 0,50 por ciento y el límite del 0,10 por ciento dentro de las áreas de control de emisiones. Las partículas en suspensión disminuyen aproximadamente un 95 por ciento y los óxidos de nitrógeno disminuyen aproximadamente un 85 por ciento, lo suficiente para alcanzar el Nivel III sin ningún dispositivo de tratamiento posterior. El dióxido de carbono disminuye sólo alrededor del 22 por ciento, porque ese ahorro proviene de la proporción de hidrógeno a carbono del combustible y no de la tecnología de combustión. El gráfico también muestra por qué el modo de gas a menudo se describe como una herramienta de cumplimiento en lugar de una solución climática: las ganancias de óxido de nitrógeno y azufre son grandes e inmediatas, mientras que la ganancia de carbono es moderada. A medida que las normas sobre intensidad de carbono se endurecen, el funcionamiento con combustible dual ayuda a que una flota cumpla con las normas, pero no proporciona por sí solo una descarbonización profunda.
Motor de combustible dual especialmente diseñado o una conversión
Ambas opciones funcionan con gasolina, pero no se comportan de la misma manera, y la comparación de radar a continuación las califica según los seis criterios que los operadores evalúan con mayor frecuencia.
Las dos formas se califican de cero a cien según seis criterios, y una forma más grande es mejor. El motor especialmente diseñado lidera en flexibilidad de combustible, espacio libre de óxido de nitrógeno y beneficio de dióxido de carbono, porque su cámara de combustión, sincronización de válvulas y mapas de control fueron diseñados para gasolina desde el principio. La conversión obtiene una puntuación más alta en cuanto a facilidad de adaptación, ya que mantiene un motor existente en servicio en lugar de reemplazarlo, y sigue siendo competitivo en cuanto a ahorro de costos de combustible. El área más débil para ambos es la vida útil máxima de los componentes, porque el modo de gas aumenta la presión máxima y cambia la liberación de calor, por lo que los asientos de válvulas, las jaulas de válvulas y la plataforma de fuego de la culata de cilindros trabajan más que en el servicio diésel puro. Una conversión reduce aún más ese margen, por lo que los cabezales de repuesto para motores convertidos siempre deben compararse con las especificaciones del modo de gasolina en lugar del dibujo diésel original.
Adquisición de culatas para una flota de combustible dual
La adquisición de motores de combustible dual es principalmente un problema de correspondencia. La misma familia de motores puede existir en versiones diésel, gas de baja presión y gas de alta presión, y la culata difiere entre ellas en aspectos pequeños pero críticos: diámetro del manguito del inyector, material del asiento de la válvula, puertos de admisión de gas y disposición del conducto de enfriamiento. Un cabezal que se adapta a la versión diésel de un motor puede atornillarse físicamente a la versión de gasolina y aun así fallar antes de tiempo, porque el material y la dureza del asiento nunca se especificaron para la presión máxima más alta.
La lista de verificación antes de realizar el pedido es corta. Confirme el modelo del motor y la versión de construcción, no solo el diámetro. Confirme si el motor funciona en modo de gas de baja presión o de alta presión. Confirme si el cabezal necesita orificios para la válvula de admisión de gas. Confirme el ángulo del asiento de la válvula y el requisito de dureza. Luego confirme el tiempo de entrega y la posición de las existencias, porque un barco que espera una cabeza es un barco que no gana.
Zhoushan Putuo Dongfang Machinery suministra repuestos de repuesto de culatas para motores diésel marinos, que abarcan familias de motores auxiliares de cuatro tiempos y de velocidad media que aparecen en proyectos de conversión de gas, así como en servicios diésel convencionales, incluidos 
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La gama completa, incluidas las unidades para motores diésel domésticos, se incluye en la lista Catálogo de repuestos de culatas. , donde cada página indica la familia de motores con la que es compatible el cabezal.
El número que finalmente decide si el combustible dual vale la pena no es el reparto de combustible por sí solo, sino el intervalo de mantenimiento máximo que conlleva. Un motor que funciona con gasolina durante 6.000 horas al año somete su culata a más ciclos térmicos que un motor diésel con el mismo servicio, y la culata es un consumible en esa aritmética. La planificación de reemplazos en función de la versión del motor, la especificación del modo de gasolina y el perfil de carga real mantiene una flota de combustible dual compatible y disponible sin convertir el ahorro de combustible en una sorpresa de mantenimiento.
