Conclusiones clave:

• Los turbocompresores para motores de gas natural han evolucionado significativamente, impulsados por estrictas regulaciones de emisiones y la adopción de la combustión estequiométrica.

• Los turbocompresores de gas natural modernos cuentan con componentes distintos en comparación con sus homólogos diésel.

• Las innovaciones de Cummins en el diseño de turbocompresores de gas natural han mejorado la rentabilidad y el desempeño ambiental de los motores de gas natural.

Hace una década, los turbocompresores para motores de gas natural y diésel no eran muy diferentes. Sin embargo, las nuevas regulaciones sobre emisiones han impulsado el desarrollo de turbocompresores diseñados específicamente para motores de gas natural. Estos turbocompresores están adaptados a condiciones de combustión estequiométricas, donde la mezcla de oxígeno y combustible está equilibrada con precisión. Este equilibrio garantiza una combustión eficiente, sin dejar combustible sin quemar ni exceso de oxígeno.

Los turbocompresores desarrollados para motores modernos de gas natural tienen componentes únicos como un puerto de descarga doble, actuadores más grandes y una carcasa de material compuesto que puede soportar las temperaturas más altas que requiere una combustión estequiométrica.

Cummins lleva décadas desarrollando soluciones innovadoras para motores diésel y de gas natural. Este artículo explora cómo se utilizan diferentes tecnologías de turbocompresores para vehículos a gas natural y cómo han evolucionado para enfrentar los desafíos y demandas de una industria del transporte que busca soluciones más sostenibles.

Diferencias clave entre turbocompresores para motores de gas natural y diésel

Los turbocompresores para motores de gas natural se diferencian de los utilizados en motores diésel debido a las demandas únicas de la combustión de gas natural, como temperaturas de funcionamiento más altas y distintas relaciones aire-combustible. A diferencia de los motores diésel, que funcionan con una combustión pobre y una mayor relación aire-combustible, los motores de gas natural requieren una combustión estequiométrica. Esto significa que la mezcla de oxígeno y combustible se equilibra con precisión (relación aire-combustible de 1:1) para una combustión eficiente, lo que garantiza que no quede combustible sin quemar ni exceso de oxígeno. En consecuencia, los motores de gas natural requieren turbocompresores más pequeños, ya que se necesita menos aire para la combustión estequiométrica en comparación con la combustión más pobre de los motores diésel. Por ejemplo, un motor diésel podría necesitar un turbo HE500, pero un motor de gas natural podría usar un HE300 o HE400 debido a sus menores requisitos de aire.

Lograr esta combustión eficiente ha llevado a modificaciones significativas en muchos componentes del sistema, incluida la incorporación de un puerto de descarga doble para manejar la alta capacidad de derivación necesaria para los turbocompresores de gas natural. Este puerto regula el flujo de escape, controla la presión y evita el sobreimpulso.

Las intensas temperaturas y presiones de los motores de gas natural también influyen en el diseño del turbocompresor. Mientras que los motores diésel dan prioridad a la eficiencia del turbocompresor, los motores de gas natural se centran en lograr el caudal másico requerido y satisfacer las demandas de recirculación de gases de escape (EGR). Como resultado, los turbocompresores para motores de gas natural se construyen con materiales de alta temperatura, particularmente en la etapa de turbina, para resistir la fatiga térmica.

Estos turbocompresores también requieren carcasas de cojinetes refrigeradas por agua para controlar las temperaturas elevadas, lo que requiere tuberías y conexiones adicionales para mantener el flujo de refrigerante.

Materiales de la vivienda:

Cummins emplea materiales avanzados en la construcción de turbocompresores para resistir las altas temperaturas de la combustión estequiométrica en los motores de gas natural. Estos materiales incluyen grafito y acero inoxidable para la carcasa de la turbina, así como aleaciones de mayor calidad como Chrome-Moly, que contiene cromo y molibdeno. Estos materiales permiten que los turbocompresores soporten temperaturas de entrada de la turbina superiores a 760°C, superando con creces las temperaturas de funcionamiento de los turbocompresores de motores diésel, que normalmente permanecen por debajo de 700°C.

Actuadores:

Los turbocompresores para motores de gas natural utilizan actuadores más grandes en comparación con los de los motores diésel. Un turbocompresor de gas natural utiliza un actuador T4, que mide 4 pulgadas cuadradas, mientras que un turbocompresor de motor diésel solo requiere un actuador T2, un componente de 2 pulgadas cuadradas. Este aumento en el tamaño del actuador es esencial para gestionar las mayores capacidades de derivación y las demandas de temperatura de los motores de gas natural.

Modificaciones de motores diésel:

Si bien los motores de gas natural comparten muchos componentes con sus homólogos diésel, se han realizado modificaciones clave en los turbocompresores para adaptarse al uso de combustible gaseoso. Estos cambios abordan las temperaturas más altas y las diferentes características de flujo exclusivas del gas natural, lo que garantiza un rendimiento y una durabilidad óptimos.

La evolución del turbocompresor de gas natural

Hace una década, los turbos de gas natural y diésel eran casi idénticos, pero las estrictas regulaciones de emisiones como Euro 6 y las normas de la EPA han impulsado cambios significativos, incluido el cambio a la combustión estequiométrica, que aumentó las temperaturas de funcionamiento y creó la necesidad de nuevas configuraciones de turbocompresor.

Al cambiar a la combustión estequiométrica, Cummins pudo reducir la necesidad de sistemas de postratamiento como catalizadores de oxidación diésel (DOC) o sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR), que en última instancia redujeron el costo de los motores y turbos.

Como líder en innovación y tecnología de turbocompresores, Cummins se compromete a trabajar con los clientes para brindarles las soluciones adecuadas para sus aplicaciones. Dado que el gas natural es un actor fundamental en la descarbonización del transporte comercial, Cummins continúa optimizando el diseño de los motores de gas natural, mejorando la economía de los sistemas del motor mientras cumple con estrictos estándares de emisiones y hace del gas natural una alternativa competitiva al diésel en muchas aplicaciones.