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Avances Recientes en Motores Diesel y Generadores Electricos Diesel
El motor diesel fue desarrollado hace más de un siglo y fue instrumental en la sustitución de la máquina de vapor. Después de la muerte de su inventor, Rudolf Diesel, el motor diesel se sometió a un montón de cambios. Incluso hoy en día tiene un gran potencial de modificaciones para hacerlo más eficiente con respecto a la economía de combustible, energía de salida, y gases de escape más limpios. Aunque los motores de gasolina han superado al motor diesel en popularidad, los últimos avances en tecnología de motores diesel y sistemas de combustible probablemente harán del motor diesel el más deseable para los transportes pesados, agricultura, energía de reserva, y otros sistemas para los próximos años. Cummins, Caterpillar, y otros líderes de investigación de motores diesel y empresas manufactureras están constantemente innovando para desarrollar una tecnología digital innovadora y tratamientos para perfeccionar el motor diesel tradicional.
Con los años, numerosos aspectos de los motores diesel han sido objeto de modificaciones y tratamientos en los intentos de hacer el motor más eficiente. Todos los motores producen energía encendiendo una mezcla de aire y combustible para producir energía. En los motores de gasolina, una bujía de encendido se utiliza para realizar el encendido inicial. Sin embargo, en los motores diesel, el encendido se realiza directamente, sin el uso de una bujía. Inicialmente, el aire se introduce en una cámara de combustión. El aire es entonces altamente comprimido. Este proceso de súper compresión calienta el aire tan alto como 1000 ° F. El combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión a través de una pre-cámara. El calor extremo hace que el combustible se evapore y se encienda. Como el aire es más calentado por ignición, se expande, conduciendo los pistones que trabajan el cigüeñal. La eficiencia de un motor diesel depende de cuán eficientemente se inyecten las gotas de combustible en la pre-cámara. Mientras más pequeñas y más amplia sea la distribución de estas gotitas, mejor será la eficiencia del motor diesel.
En las versiones más recientes de los motores diesel, la pre-cámara y la cámara de combustión se han modificado para máxima combustión y atenuación acústica. El motor es turboalimentado para un máximo rendimiento y salida de energía. Los controles digitales han reemplazado a los tipos tradicionales analógicos para mayor precisión y las tasas de inyección controlada de combustible y los tiempos para mejorar la combustión y reducir los gases de escape. Los humos nocivos de óxido nitroso (NOx) son sometidos a tratamientos de emisión como la recirculación de gases de escape (EGR) y la reducción catalítica selectiva (SCR) para reducir al mínimo las emisiones de diversas maneras.
Echemos un vistazo a estas modificaciones y tratamientos en más detalle a continuación:
- Modificaciones en el motor
Modificaciones de la Cámara de combustión: Los motores diesel más nuevos tienen cámaras de combustión de calibradas y configuradas para lograr tasas de combustión máxima. Cuanto mayor sea la velocidad de combustión, mayor es la potencia de salida y la eficiencia de combustible y más bajas las emisiones de gases de escape.
Atenuación de sonido: La mayoría de la gente asocia el motor diesel con altos niveles de ruido. Este ruido se produce principalmente cuando se inicia un motor diesel, ya que el combustible se inyecta en la pre-cámara de y es forzado a vaporizarse a una temperatura alta. Los avances recientes en materiales y estrategias de atenuación de sonido han permitido a los ingenieros reducir los niveles de ruido en una medida significativa. Esto se hace mediante el ajuste de la pre-cámara con bolsas de atenuación de sonido. Estas bolsas están espaciadas y diseñadas de tal manera que anulan las ondas de detonación causadas durante la combustión. Alternativamente, estas bolsas están llenas de bolitas de cerámica porosa o metálicas, que están recubiertas con platino o rodio. El platino y el rodio actúan como catalizadores para conseguir una combustión completa y las bolitas atenúan los niveles de ruido. Otras modificaciones incluyen la colocación de materiales atenuantes tales como cerámica porosa o metal sinterizado cerca de la desembocadura del pasaje que conecta la pre-cámara a la cámara de combustión.
- Sistemas avanzados de combustible y tratamiento de combustibles
Inyección de combustible avanzada de riel común: El sistema de inyección de combustible de riel común (CRF) es una forma de sistema de inyección directa, que inyecta combustible de un tanque de combustible en cada válvula solenoides o piezoeléctrica individual. El tanque almacena combustible a altas presiones. Se trata de un sistema de inyección controlado electrónicamente, lo que permite un mayor control sobre el tiempo y cantidad de inyección de combustible. El sistema CRF está diseñado para mantener la presión alta, lo que ayuda a homogeneizar la mezcla de combustible y aire permitiendo la vaporización más fina del combustible. Esto allana el camino para una combustión más completa, resultando en una potencia de salida superior y emisiones de gases de escape más bajas. Los recientes avances en este sistema incluyen modificaciones que permiten hasta cinco inyecciones de combustible por ciclo de combustión, mejorando así la economía de combustible. De hecho, los sistemas CRF están asociados con un 20 por ciento de disminución en las emisiones de combustible y el 5 por ciento de mejora en la economía de combustible.
Composición del combustible: el combustible diesel es típicamente alto en contenido de azufre. El diesel produce emisiones altamente particuladas en la combustión, que obstruyen los dispositivos de emisión y obstaculizan el rendimiento del motor. Sin embargo, con los mandatos de la EPA (Environmental Protection Agency, Agencia de Protección ambiental) que entraron en vigor en 2006, una nueva versión de gasóleo se ha formulado con contenido de azufre tan bajo como 15 partes por millón (ppm). Es conocido como Diesel Ultra-bajo contenido de azufre o ULSD y tiene muy bajas emisiones de gases de escape.
- Controles Digitales versus Analógicos
Tradicionalmente, los controles analógicos se han integrado en los motores diesel para controlar su función. Los controles analógicos funcionan bien para un motor diesel que alimenta aparatos pequeños, como un generador electrico de energía utilizado para respaldo de una instalación pequeña, como un pequeño edificio. Los controles digitales son muy útiles en instalaciones críticas, que requieren sistemas de distribución y de energía de reserva más complejos, con una combinación de requerimientos de carga lineal y no lineal, y que necesitan energía de reserva ininterrumpida.
Los controles digitales están altamente integrados y e informan del estado en tiempo real de todos los aspectos - combustible, niveles de aceite de motor y líquido de refrigeración, temperaturas del motor, estado de la batería, estado del interruptor de transferencia - de los motores diesel, con precisión y de forma simultánea. Esto ayuda a cualquier técnico que monitorea el motor para obtener una visión general de todo el sistema en una pantalla y le ayuda a localizar y resolver cualquier problema rápidamente. Lea Panel de control de generador electrico para una mirada más a fondo en las tecnologías que monitorean y controlan a los generador electricoes electricos de reserva.
Los controles analógicos requieren hacer ajustes físicos y sustituciones a varios resistores y módulos en caso de mal funcionamiento. Los motores controlados por equipos analógicos informan de fallas en el sistema a través luces indicadoras generales o alarmas, que no indican específicamente la falla. En pequeñas instalaciones como centros residenciales, en donde el sistema de energía de reserva no es complejo, el problema puede ser fácilmente detectado y hacer los ajustes necesarios no es difícil. Sin embargo, en grandes instalaciones, a menudo hay cerca de 200 disparadores de alarma. La detección de estos puede ser una tarea laboriosa y consumir mucho tiempo, y cualquier demora en identificar y rectificar el fallo podría dar lugar a enormes pérdidas.
Los controles digitales, por otra parte, muestran el estado y los errores de un generador electrico de energía en un ordenador. Indican con precisión la naturaleza y lugar de la avería, que puede ser corregida por el suministro de entradas desde la computadora misma. La ventaja de esto es que el sistema puede ser conectado a un ordenador remoto, que siempre puede controlar su estado y progreso en un lejano lugar utilizando una red de área local o Internet. Esto también ahorra mucho espacio, ya que un microprocesador digital de control maestro integra todas las funciones del generador electrico de diesel, frente a los controles analógicos, que requieren módulos de control independientes para cada función.
Para instalaciones más grandes con sistemas complejos de energía de reserva, los controles digitales ofrecen una mayor fiabilidad. Tienen redundancia incorporada que permite la función del sistema continuo en el caso de que un componente o una parte de un circuito fallen. Los controles digitales también aumentan la eficiencia de un motor y reducen las emisiones de gases de escape, ya que de forma automática hacen los ajustes necesarios a la tasa entrada de combustible y el tiempo de inyección bajo diferentes condiciones de carga. Esto también ayuda a lograr un voltaje y frecuencia de salida estables.
Proporcionar el tipo de combustible correcto es fundamental para reducir las emisiones de gases de escape. Los motores diesel con controles analógicos que controlan las velocidades del motor tienden a sobre alimentar de combustible el motor durante la puesta en marcha, lo que conduce a los gases de escape negros típicos asociados con los motores diesel. Los controles digitales en cambio, son inteligentes y pueden realizar funciones lógicas como no acelerar el motor a la velocidad nominal, y en lugar de ajustar la tasa de combustible para lograr aceleración gradual. Estos controles ajustar la configuración del regulador basada en la temperatura del motor, haciendo de este modo al motor más estable en la puesta en marcha y responsivo durante la operación.
- Tratamientos de emisión
Recirculación de Gases de Escape (RGE): La combustión de diesel se produce a temperaturas muy elevadas y el NOx se forma como un subproducto. Las emisiones de NOx en ciertos niveles son perjudiciales para la atmósfera y necesitan ser reguladas. RGE es uno de los tratamientos que utilizan los fabricantes de motores diesel para reducir la emisión de NOx. En este tratamiento, parte de los gases de escape se vuelve a circular en el motor y se mezcla con el aire en la cámara de combustión. Este proceso reduce la temperatura de la llama adiabática y e incrementa la capacidad calorífica de la mezcla permitiendo la combustión a una temperatura mucho más baja y reduciendo la formación de NOx, la cual se maximiza a altas temperaturas y en presencia de oxígeno suficiente.
Reducción Catalítica Selectiva (RCS): Este método utiliza un catalizador de reducción, tales como el amoníaco anhidro o acuoso, o urea para convertir el NOx en nitrógeno diatómico y agua. Aunque este método fue patentado en 1957 y ha estado en uso durante mucho tiempo para los sistemas de gestión de residuos y calderas comerciales, su integración con aparatos impulsados por motor diesel, tales como generador electricoes electricos de energía, es un fenómeno reciente. Es conocido por reducir las emisiones de NOx en un rango de 75-95%.
Todos estos son sólo algunos ejemplos de algunos de los nuevos y emocionantes avances que se están aplicando a los motores diésel y grupos electrógenos alimentados por diesel. Con las fuerzas de mercado en constante presión para requisitos más estrictos de motor y generador electrico, debemos continuar viendo mejoras sustanciales en las modificaciones del motor, la eficiencia del sistema de combustible, la ampliación de los controles digitales, los tratamientos de emisiones y más en los próximos años. Todo lo cual debería contribuir a hacer al motor diesel probado y verdadero una materia prima de generación de energía mucho más fuerte para muchos años por venir.
