— Tutorial nº 96 —
Combustibles de Gas Alternativos para Vehículos
Índice de contenidos:
1- Introducción
2- Tipos de gases combustibles para vehículos
3- Características de uso de los gases combustibles para vehículos
4- Prestaciones de funcionamiento como combustibles de vehículos
5- Configuraciones de los motores de vehículos a gas
6- Principio de funcionamiento de vehículos usando GLP
Anexos y Tablas:
Anexo 1- Reglamentos aplicables a vehículos adaptados
Anexo 2- Ficha de datos de propiedades del Gas Licuado del Petróleo (GLP)
Anexo 3- Tablas con valores del Poder Calorífico de los principales combustibles
DESARROLLO DEL CONTENIDO
1- Introducción
Como consecuencia de una legislación a nivel internacional, que cada vez es más restrictiva en lo que respecta al control de las emisiones contaminantes de los vehículos y de una mayor conciencia ciudadana sobre la necesidad de cuidar el medio ambiente, la industria del automóvil se encuentra inmersa en un continuo proceso de búsqueda de nuevas soluciones, donde la variable medioambiental de los diseños cobra un valor más importante día a día.
Resulta ya sobradamente comprobado, que el uso de los combustibles tradicionales (diesel y gasolina) en la automoción, constituye una de las principales fuentes de contaminación para el medio ambiente. Ello es debido a las emisiones resultantes del proceso de combustión de los motores, que dan lugar a un notable aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera, gas responsable del efecto invernadero, además de contribuir también al aumento de las emisiones de NOx a la atmósfera, responsable de la lluvia ácida.
Como consecuencia inmediata, la industria del automóvil está siendo sometida a un marco legislativo cada vez más restrictivo, con el objetivo de regular y controlar las emisiones contaminantes a la atmósfera. Por ejemplo, en la Unión Europea las sucesivas actualizaciones de las normas EURO fijan el marco legal de emisiones que deben cumplir escrupulosamente cualquier fabricante de automóviles que desee comercializar sus vehículos en Europa.
En el siguiente enlace se puede acceder a las normas EURO actualmente en vigor que regulan las emisiones de los vehículos, así como su eficiencia energética:
›› Normas EURO sobre emisiones de vehículos y eficiencia energética
Toda esta ofensiva legal está obligando a los fabricantes de vehículos a buscar nuevos diseños que mejore la eficiencia de funcionamiento de los motores, de manera que se logre limitar la emisión de contaminantes, o bien, la inclusión de nuevos componentes en el diseño de los vehículos que permitan la limpieza activa de las emisiones ya producidas durante la combustión.
Otra posible respuesta a esta necesidad de reducir las emisiones contaminantes, es usar otros combustibles alternativos que sean menos contaminantes que los combustibles tradicionales. En este sentido, existen reformas que se pueden realizar sobre los vehículos ya fabricados que busquen adaptarlos al uso de estos otros combustibles alternativos menos contaminantes.
2- Tipos de gases combustibles para vehículos
En la actualidad, son dos los tipos de gases combustibles que se emplean principalmente en la automoción: Gas Natural Comprimido (GNC) y Gas Licuado del Petróleo (GLP).
Es IMPORTANTE saber que ambos gases NO son lo mismo, y por tanto, el tipo de reforma a llevar a cabo en los vehículos será distinta según el tipo de gas que se vaya a emplear como combustible.
Las características principales de ambos tipos de gases son las siguientes:
• GNC (Gas Natural Comprimido): el gas natural comprimido está compuesto fundamentalmente por gas metano (CH4), como el que se emplea frecuentemente para uso doméstico en nuestras casas para cocinar o calentar el agua.
El almacenamiento de este gas es necesario hacerlo en depósitos a altas presiones, generalmente entre 200 y 250 bares.
Al ser un gas compuesto fundamentalmente por metano, presenta en su composición un alto porcentaje de átomos de hidrógeno por cada átomo de carbono (en la proporción 4H → 1C). Al contener una menor proporción de átomos de C, durante el proceso de combustión del gas se va a generar menos dióxido de carbono (CO2) por unidad de energía entregada, por lo que va a resultar menos contaminante en comparación con otros hidrocarburos más pesados (que contienen más átomos de carbono en su composición y por tanto, van a generar más CO2 en la combustión).
• GLP (Gas Licuado del Petróleo): el gas licuado del petróleo (también llamado autogás) es una mezcla de butano y propano que proviene del petróleo y que, aunque en condiciones normales de presión y temperatura es gaseoso, es licuable a presiones moderadamente un poco más altas.
En cuanto a la diferencia de uso principal entre ambos tipos de gases, GLP y GNC, es la presión de almacenamiento.
Así, el GNC se suministra en estado gaseoso en los surtidores, pero es necesario que sea almacenado en depósitos a muy altas presiones, con objeto de poder conseguir cierta autonomía en el funcionamiento del motor con este gas, de manera que sea rentable.
Por otro lado, el GLP, debido a sus propiedades químicas, permite que pueda ser suministrado en los surtidores en estado líquido a unas presiones que no serán muy elevadas, en comparación con el GNC. Este hecho es muy importante, dado que el GLP (autogás) podrá ser almacenado en estado líquido a unas presiones moderadas, pero inferiores a las presiones de almacenamiento del GNC.
En la actualidad, el precio de coste de ambos gases resulta más barato que los precios de la gasolina o el diesel, por lo que a las ventajas medioambientales de ser combustibles menos contaminantes, se les une el hecho de ser combustibles también más económicos.
No obstante, los consumos específicos con gas suelen ser mayores. Así, un motor que haya sido adaptado para funcionar con gasolina y GLP indistintamente, suele gastar más volumen de combustible cuando funciona sólo con GLP que cuando emplea sólo gasolina (en torno a un 20% más). No obstante, al ser el GLP un combustible mucho más barato que la gasolina, todavía se compensa sobradamente este mayor consumo de combustible.
3- Características de uso de los gases combustibles para vehículos
Las propiedades químicas de los distintos gases usados como combustibles, en concreto su poder calorífico y su peso molar, van a condicionar las características de su uso como combustible para los vehículos.
En la siguiente tabla se muestran los valores del poder calorífico por unidad de masa y el peso molar del Gas Natural y del Gas Licuado del Petróleo (autogás) en comparación a los valores que se alcanzan en la gasolina:
Combustible |
Poder Calorífico Inferior |
Peso molar |
Gasolina |
10.510 kcal/kg |
114,2 g/mol |
GLP |
10.990 kcal/kg |
49,7 g/mol |
Gas Natural |
11.259 kcal/kg |
18,2 g/mol |
Una primera observación que se puede obtener de la tabla anterior es el bajo valor del peso molar que presenta el Gas Natural. Este hecho va a condicionar la necesidad de tener que comprimir a muy altas presiones al Gas Natural para conseguir niveles similares de autonomía que el Gas Licuado.
En efecto, de la tabla anterior se observa que, aunque el Gas Natural ofrece un alto poder calorífico por unidad de masa, al tratarse de un gas muy volátil y con un peso molar bajo (mucho más bajo que la gasolina o el GLP, que son hidrocarburos más pesados), hace necesario tener que comprimir muchísimo el Gas Natural para conseguir la misma cantidad de masa que la gasolina o el GLP, y así conseguir la misma energía y poder obtener la misma autonomía que el GLP.
Este hecho va a condicionar muchísimo las condiciones de uso y suministro que marca una de las diferencias más importantes entre ambos tipos de gases, como es la presión de almacenamiento.
Así, un tanque que almacene Gas Natural Comprimido (GNC) en estado gaseoso a bajas presiones, tendrá poca masa de combustible debido a su bajo peso molar, y por tanto, poca energía almacenada que hará que el vehículo disponga de poca autonomía. Para subsanar este inconveniente, será necesario comprimir el gas a grandes presiones (en torno a los 200 ó 250 bar), con el objeto de conseguir una mayor cantidad de masa de gas natural almacenada, y así mejorar la autonomía del vehículo.
Por su parte, el Gas Licuado del Petróleo (GLP), debido a sus propiedades químicas, puede almacenarse en estado líquido a presiones más bajas, generalmente en torno a los 7 bar, lo que aumenta la masa acumulada de gas. Como la presión de almacenamiento es baja, los tanques de GLP para vehículos pueden fabricarse de un acero más delgado y manejable, lo que resultan tanques más ligeros y baratos, haciendo más económica la instalación para el uso de GLP.
Por último, en caso que se origine un escape de gas, el Gas Natural es un gas más liviano que el aire, y por tanto, en caso de fuga tenderá a subir en la atmósfera, al contrario del GLP que es un gas más pesado. De este modo, si hay una fuga de gas, el GNC acabará por disiparse en la atmósfera, mientras que el GLP caería al suelo, creando una acumulación de gas en las partes bajas de la instalación.
4- Prestaciones de funcionamiento como combustibles de vehículos
Con las pruebas realizadas en vehículos que funcionan a gas y de la experiencia de los propios conductores que ya conducen vehículos a gas, se puede asegurar que el sobrecosto que supone reformar un vehículo para adaptarlo al uso de gas se compensa sobradamente con el tiempo. Evidentemente, esto es debido a que los precios tanto del GNC como del GLP, que son inferiores en comparación con los precios actuales de la gasolina y el gasoil, rentabiliza la inversión.
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En cuanto a la autonomía de conducción, con la tecnología actual que se está aplicando, los vehículos funcionando exclusivamente con GNC son algo menores que si se emplean combustibles tradicionales, lo que obligaría a incorporar tanques de almacenamiento algo mayores si se quiere mejorar la autonomía usando GNC.
En cuanto a las prestaciones de potencia del motor, un vehículo funcionando con GLP logra entregar prácticamente la misma potencia que un motor de gasolina, mientras que si se emplea GNC, con la configuración de la mayoría de los motores actuales, se puede perder en torno a un 15% de potencia en comparación con el mismo motor usando gasolina.
Por último, y no menos importante, después de horas de servicios de vehículos adaptados al gas, se ha podido comprobar que los vehículos que se mueven con gas duplican la duración del motor, debido principalmente a un menor desgaste que sufren los cilindros y segmentos del motor.
Esto es debido a que el gas es un combustible más limpio que la gasolina o el gasoil, por lo que deja menos depósitos carbonosos en la combustión y permite que el aceite del motor se mantenga limpio durante más tiempo, lo que repercute en un mejor mantenimiento del motor.
No obstante, el gas no puede ofrecer una lubricación tan buena como la gasolina o el gasoil, por lo que puede generar un desgaste prematuro de ciertos elementos, sobre todo de las válvulas. Por eso se recomienda realizar siempre un buen mantenimiento tanto del motor como del sistema GLP/GNC en los vehículos adaptados.
5- Configuraciones de los motores de vehículos a gas
En función de la tecnología empleada en el motor del vehículo, cabe diferenciar tres grandes tipos de configuraciones de motores adaptados:
a) Motor bifuel:
Se denominan vehículos bifuel, aquellos vehículos que disponen de un motor de encendido provocado o encendido por chispa (es decir, un motor de gasolina), pero que son adaptados para que puedan funcionar también, bien con gas licuado (GLP) o con gas natural comprimido (GNC).
En la actualidad existen multitud de talleres especializados en realizar este tipo de reformas, que por otro lado está muy estandarizada. De hecho, existen kits completos que permiten llevar a cabo de una manera sencilla la adaptación de los vehículos al uso de gas. No obstante, este tipo de reforma sólo debe realizarse en talleres especializados y homologados para tal fin, con objeto de no perjudicar la seguridad del vehículo.
En líneas generales, este tipo de reforma lleva aparejada la necesidad de realizar la instalación de un nuevo sistema de almacenamiento de combustible apto para gas (que será distinto, según sea GLP o GNC) y de un nuevo sistema de alimentación del motor en paralelo al ya existente de gasolina.
Evidentemente, dependiendo de la tecnología del motor del coche (si utiliza carburador, inyección multipunto, mono punto, etc.), el tipo de instalación será distinta. Básicamente, se pueden clasificar en tres tipos de instalaciones diferentes, que coincide con el grado de avance de la tecnología de los motores:
• De lazo abierto: configuración adaptada a vehículos con tecnología de alimentación por carburador e inyección mono punto.
En este sistema es necesario usar un mezclador en la admisión de aire del vehículo para suministrar el gas al motor. El suministro de aire al motor es controlado por una válvula de potencia manual.
• De lazo cerrado: configuración adaptada a vehículos inyectados, que disponen de sensor que regula la cantidad de oxígeno en la alimentación.
Para este sistema se usa también un mezclador en la admisión de aire del vehículo para suministrar gas al motor, pero en este caso, el suministro de combustible es controlado por una central electrónica que toma como referencia la lectura del sensor de oxígeno lambda que dispone el vehículo, con objeto de poder así regular la cantidad de gas en la mezcla.
• De inyección secuencial: es un tipo de configuración que sólo se emplea en vehículos más modernos que disponen de inyección multipunto.
En este caso, los vehículos disponen de una central electrónica ECU, que es programable de acuerdo a las características del vehículo (cilindrada, tipo de inyección, número de cilindros, etc.), la cual controla y acciona la inyección de la gasolina al motor.
Este tipo de vehículos ya dispone de fábrica de inyectores individuales para la alimentación de la gasolina a cada cilindro del motor.
En este caso, el nuevo sistema de alimentación de gas a instalar toma como referencia los parámetros originales del vehículo, es decir, los de funcionamiento con gasolina, para así realizar el control del suministro de gas de una manera más precisa y rápida.
El sistema de alimentación del vehículo siempre iniciará en modo gasolina y se conmutará a gas por tiempo o por temperatura, según la programación realizada en el taller. No obstante, este sistema siempre garantizará una utilización frecuente del combustible original, es decir, gasolina, además de asegurar en todo momento la temperatura adecuada del reductor de presión de gas.
Con este sistema, y gracias a todas las variables electrónicas que maneja, la reducción de emisiones contaminantes que se consigue es mayor que en las demás tecnologías de adaptación de vehículos a gas.
b) Motor mono fuel:
Se denominan vehículos mono fuel, aquellos vehículos que utilizan sólo gas, bien sea gas licuado del petróleo (GLP) o gas natural comprimido (GNC) como carburante.
En este caso, se trata de un motor similar al de la gasolina, con ciclo Otto, que se ajusta específicamente a las condiciones del gas, consiguiéndose rendimientos incluso superiores a los motores bi-fuel.
De hecho, el alto octanaje del GNC, superior a los 115 octanos, le permite a estos motores operar con relaciones de compresión (de 12:1 a 14:1) superiores a los motores de gasolina (<10:1) mejorando, por tanto, el rendimiento térmico del motor.
c) Motor dual fuel:
Los vehículos con motores dual-fuel funcionan simultáneamente con diesel y gas, es decir, es un sistema adaptado a vehículos con motores de encendido por compresión (MEC). Su principio de funcionamiento consiste en poder inyectar a la vez gas y gasóleo en la cámara de combustión del motor, pudiendo llegarse a sustituciones de gasóleo del 80%.
Mediante un nuevo sistema de control electrónico adaptado al vehículo se podrá monitorizar y controlar en todo momento la cantidad adecuada de la mezcla aire + gas que debe inyectarse en la admisión, y que se combinará con el combustible diesel en la cámara de combustión.
En caso de ser necesario, este sistema permite que el motor pueda funcionar sólo con combustible diesel en caso de falta de gas, de manera que se asegura la continuidad de funcionamiento del motor en situaciones de no disponibilidad del combustible principal o cualquier otra razón.
Es un sistema cuya reforma a llevar a cabo no resulta intrusiva, es decir, que no implica realizar modificaciones irreversibles en el motor diesel original, pudiendo hacer que éste funcione de forma normal (sólo con Diesel) o en forma Dual (Diesel + Gas).
6- Principio de funcionamiento de vehículos usando GLP
En este apartado se explicará cómo funcionan los vehículos adaptados al uso de GLP o AutoGas. Es importante señalar que la transformación de vehículos al uso de GLP sólo es posible realizarlo en aquellos vehículos dotados de motor de encendido por chispa, es decir, vehículos de gasolina.
El GLP (Gas Licuado del Petróleo) es una mezcla compuesta mayoritariamente de gas propano (C3H8) en torno a un 60% y de gas butano (C4H10) alrededor del 40%, que proviene como parte del proceso de refino del petróleo, mediante la destilación y condensación del petróleo crudo.
Los componentes necesarios para adaptar un vehículo al uso de GLP es adicional al equipamiento propio que trae de fábrica el vehículo, es decir, no lo sustituye, por lo que el vehículo se convierte en bi-fuel, permitiendo a su usuario utilizar indistintamente gasolina o AutoGas como combustible.
En primer lugar es necesario dotar al vehículo de una válvula situada en el lateral del vehículo, generalmente junto a la boca de llenado de la gasolina, que será utilizada para el llenado con GLP o AutoGas.
El nuevo combustible se almacena en estado líquido en el nuevo depósito de GLP a instalar en el vehículo. Este depósito puede estar situado en la zona de la rueda de repuesto para que no reste espacio en el maletero del vehículo.
Los depósitos más usuales que se instalan son los denominados tóricos, con una capacidad de carga media de hasta 57 litros de autogás, lo que le confiere una autonomía aproximada al vehículo de alrededor de 540 km. (suponiendo un consumo medio de 9 l/100 km. y capacidad de llenado del depósito del 85 %). Otros tipos de depósitos, por ejemplo los depósitos cilíndricos, pueden ofrecer mayor capacidad de almacenamiento, llegando incluso hasta los 100 litros.
Desde el depósito de almacenamiento del vehículo, el GLP es conducido, todavía en fase líquida, a un evaporador-regulador de presión a instalar también en el vehículo. A la entrada del evaporador-regulador va instalada una válvula electromagnética de corte de GLP, conectada a un conmutador situado en el tablero de mandos del vehículo.
El GLP llega en fase líquida al evaporador-regulador, como se ha dicho, y a una presión aproximada de entre 3 y 5 kg/cm2. A la entrada del evaporador-regulador, el GLP es expandido con objeto de reducir su presión hasta unos 420 g/cm2, que hace que el GLP se vaporice y pase a fase gaseosa.
Una vez que el GLP se encuentra en el interior del evaporador-regulador en fase gaseosa, este dispositivo dispone en su interior de una serie de compartimentos en los cuales se realizan distintas funciones que permiten regular, vaporizar y dosificar el AutoGas que va a ser aspirado por el motor del vehículo. Además, el evaporador-regulador también incorpora un dispositivo electromagnético que permite al motor funcionar al ralentí, estando el vehículo estacionado.
En todo momento, el GLP va a permanecer en estado gaseoso en el interior del evaporador-regulador, hecho que se consigue manteniendo caliente el interior de dicho componente. Para mantener siempre caliente al evaporador-regulador, se hace circular agua procedente del radiador por el interior del aparato.
Por tanto, el GLP o AutoGas va circulando, al ir siendo aspirado por el motor, por los sucesivos compartimentos del evaporador-regulador, y de aquí, a través de la unidad de mezcla, que va instalada en el colector de admisión, al motor.
La unidad de mezcla es un componente constituido principalmente por un difusor y un soporte de difusor, y cuya función principal es realizar la dosificación de la cantidad de gas y la cantidad de aire que se deben mezclar para una correcta combustión del motor. En los vehículos equipados con inyección, la unidad de mezcla se instala en el colector de admisión, antes de la válvula de mariposa.
Otro componente que será necesario instalar es el conmutador. El conmutador es un dispositivo eléctrico que se incorpora a la instalación para poder efectuar el cambio de combustible a consumir por el motor, es decir, que se permita pasar de usar gasolina a AutoGas, o a la inversa. El conmutador debe ser fijado al tablero de mandos de tal manera que sea visible y fácilmente manipulable desde el puesto del conductor del vehículo.
Se trata de un dispositivo que está diseñado para poder ofrecer un funcionamiento automático, es decir, que aunque esté en posición de GLP, el arranque el vehículo lo realizará siempre en modo gasolina, permitiendo el cambio a GLP de forma automática, cuando el motor alcance un número determinado de revoluciones.
El conmutador trabaja por impulsos del encendido, así que si el contacto de la llave está puesto y el motor parado, el conmutador hará que la electroválvula de gas permanezca cerrada.
Por último, el emulador de inyectores tiene la misión de cortar la corriente a los inyectores de gasolina cuando se funcione a gas, y mandar una señal emulada a la centralita de gasolina para que el sistema de distribución del vehículo siga funcionando correctamente.
ANEXOS Y TABLAS
Anexo 1- Reglamentos aplicables a vehículos adaptados
• Reglamento nº 110 de la Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas (CEPE). Disposiciones uniformes relativas a la homologación de:
I. Componentes específicos de vehículos de motor que utilizan gas natural comprimido (GNC) y/o gas natural licuado (GNL) en sus sistemas de propulsión.
II. Vehículos en relación con la instalación de componentes específicos de un tipo homologado para el uso de gas natural comprimido (GNC) y/o gas natural licuado (GNL) en sus sistemas de propulsión.
Anexo 2- Ficha de datos de Seguridad y Tabla de Propiedades del Gas Licuado del Petróleo (GLP)
Anexo 3- Tablas de poder calorífico de los principales combustibles
Poder calorífico de los principales combustibles
(*) Fuente:
• Fuentes: Eurostat, AIE y Resolución de la Secretaría de Estado de Energía de 27 de diciembre de 2013.
>> FIN DEL TUTORIAL
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Hermenegildo Rodríguez Galbarro
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