Gracias a su alta concentración de energía, el gas natural comprimido (GNC) es muy adecuado para su uso como combustible para la industria automotriz. El GNC tiene un octanaje de aproximadamente 120, frente al de la gasolina premium que tiene un octanaje de 91. Este mayor octanaje permite un aumento en la compresión del motor y una mayor eficiencia de la combustión.

Además, la combustión de GNC produce significativamente menos emisiones de CO2 que la combustión de gasolina, por ejemplo. Y debido a que el GNC es un combustible particularmente rentable en muchos mercados, los fabricantes están mostrando un interés creciente en el desarrollo de vehículos que puedan funcionar con esta fuente de combustible alternativa.

El principal desafío para optimizar un motor de combustión interna para que funcione con GNC es regular la presión de inyección en el sistema de combustible.

El CNG se almacena a aproximadamente 200 bar y se inyecta al motor a entre dos y nueve bar. Según los requisitos del motor, se inyectará a baja presión en los rangos de velocidad más bajos para una conducción con un consumo de combustible más eficiente y a presiones más altas cuando se requiere mayor potencia y par motor.

La eficacia de la combustión dentro del cilindro de un motor está fuertemente influenciada por la temperatura y la presión del GNC: un aumento de la presión a un volumen constante dará como resultado una mayor densidad de masa del gas, aumentando así su energía calorífica.

Sin embargo, aunque la temperatura inicial y la presión de inyección pueden variar, si no se calibran con precisión durante la vida del motor, los vehículos de gas natural comprimido pueden sufrir pérdidas de energía y en consecuencia reducir su autonomía.

Inyección de GNC bajo presión

Normalmente, el GNC se alimenta desde un tanque de alta presión a través de un regulador de presión al sistema de combustible. Para una combustión eficiente del combustible, la cantidad de gas natural inyectado debe coincidir siempre con la masa de aire requerida por el motor. Para lograr esto, la gestión electrónica del motor generalmente emplea un medidor de caudal de aire para determinar la cantidad exacta de aire requerida y, posteriormente, la cantidad de GNC que se inyectará.

Con la inyección de punto central (CPI), el CNG se alimenta desde un distribuidor de gas natural (NGD) al colector de admisión. Un transmisor de presión mide la presión y la temperatura en el NGD, lo que permite que los inyectores de gas natural entreguen la cantidad precisa de combustible requerido.

Alternativamente, la inyección también puede implementarse sin el NGD, alineando cada inyector con su cilindro correspondiente. Con esta inyección multipunto (MPI), el gas se inyecta bajo presión en el "corredor" del colector de admisión de cada cilindro, aguas arriba de la válvula de admisión.

Debido a que los cambios en la presión tienen una influencia significativa en el rendimiento del motor cuando funcionan con combustible CNG, el par motor y las emisiones de escape (CO, CO2, NOx e hidrocarburos) deben registrarse durante la prueba del motor.

Optimización de la presión del sistema de combustible para todas las condiciones de conducción.

Para optimizar el sistema de GNC es importante que durante las fases de diseño y prueba la presión dentro del sistema de combustible se mida con precisión en varias aberturas del acelerador y se haga referencia al par del motor y a las correspondientes emisiones de gases de escape. En consecuencia, la mayoría de los ingenieros de desarrollo exigen transmisores de presión de alta calidad, como los que ofrece STS Sensor Technick Sirnach

Es importante que estos sensores brinden lecturas precisas en un amplio rango de presiones, al tiempo que conservan su integridad a temperaturas elevadas (Leer artículo sobre efectos de la temperatura en la precisión de los transmisores de presión).

Hay que tener presente que un aumento en la presión de CNG reduce el CO2, HC y NOx y aumenta el CO en los gases de escape, lo que hace que sea vital registrar con precisión los efectos de la modulación de la presión de inyección de CNG.

En esta prueba, se utiliza un regulador de presión para controlar la presión de inyección, que se mide con un transmisor de presión de alta precisión ubicado en el sistema de combustible, mientras que un medidor de caudal, típicamente con una capacidad de 2,5 m3 / h, se usa para medir y controlar el aire de entrada. Se utiliza un dinamómetro de chasis para registrar el par motor.

Durante la prueba, la temperatura del gas y el caudal se mantienen constantes a 22 ° C y 0.1 SCFH, respectivamente. Se utiliza un ventilador de alta potencia para mantener constante la temperatura del motor. El equipo de análisis de emisiones está conectado a la salida del escape para registrar el contenido de CO, CO2, hidrocarburos y NOx en los gases de escape.

El proceso es bastante complejo y requiere que la presión del sistema de combustible, el par motor y las emisiones se midan en cientos de puntos de apertura del acelerador para crear un mapa efectivo de los requisitos del motor para introducir posteriormente en la unidad de control del motor (ECU).

Medir, registrar e introducir todos estos datos en las tablas relevantes es una tarea que requiere mucho tiempo, por lo que los ingenieros de desarrollo a menudo recurren a herramientas de modelado para acelerar el desarrollo. Estas herramientas comúnmente proporcionan un entorno para la simulación y el diseño basado en modelos para sistemas integrados y dinámicos, lo que reduce la cantidad de versiones de hardware necesarias para diseñar el sistema.

El modelo de simulación se codifica con la información obtenida de las pruebas en tiempo real y luego se integra en un ejecutable utilizando el compilador de C para ejecutarse en un sistema operativo en tiempo real.

Una vez que se capturan los datos de referencia, es posible generar un número infinito de simulaciones en tiempo real para aplicarlas a cualquier faceta del ciclo de diseño, desde el concepto inicial hasta el diseño, prueba y validación del controlador mediante pruebas de hardware en bucle (HIL) .

Un programa de prueba bien desarrollado que utiliza transmisores de presión de alta precisión y un buen equipo de ensayo aumenta el rendimiento y la autonomía de los vehículos alimentados con GNC a niveles comparables a los motores alimentados con combustibles fósiles, al tiempo que ofrece beneficios de menor coste del combustible y menores emisiones.

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