Motor de gas ¿Que es? Características y función

En esta oportunidad te traemos una interesante reseña sobre unos de los motores más interesantes en el área de la mecánica, estamos hablado de los motores a gas, estos motores se caracterizan por ser de alto rendimiento, pudiendo funcionar por periodos de tiempo muy extensos, en este artículo descubriremos conceptos claves sobre los motores de gas, sus características, como funcionan, la historia sobre estos y cuál es la importancia de los mismos, acompáñanos a descubrirlo.

¿Que es un motor de gas?

Un motor de gas se puede definir de manera estricta como un motor de combustión interna que puede funcionar con un combustible de características gaseosas, como por ejemplo el gas de carbón, gas pobre, biogás, gas de vertedero, gas natural entre otros combustibles gaseosos. Su concepto como tal en el Reino Unido, no se considera un término ambiguo, sin embargo en los  Estados Unidos, debido al uso generalizado de “gas” como abreviatura de gasolina, dicho motor también podría denominarse como motor de combustible gaseoso, motor de gas natural o motor encendido por chispa, son motores que se utilizan mayormente en maquinarias industriales.

En términos más generalizados, el concepto de motor de gas puede hacer referencia a un motor en el ámbito de la industria pesada el cual tiene la inmensa capacidad de poder funcionar continuamente a plena carga durante períodos cercanos a las 8.760 horas por año, a diferencia de un motor de automóvil de gasolina, que es ligero, de alta velocidad y generalmente funciona no más de 4.000 horas en toda su vida útil. La potencia típica varía de 10 kW (13 hp) a 4 MW (5.364 hp).1 por lo cual se consideran motores de muy alto desempaño y de resistencia impresionante.

Estos motores de gas o a gas son considerados los equipos con el rendimiento de conversión de energía térmica a eléctrica más elevado en la actualidad como ya lo habíamos mencionado y estos producen mucha menos contaminación de CO2, para ser precisos un 14% menos que los motores a gasolina, por eso ya se usan en las llamadas centrales eléctricas de ciclo combinado y también en los coches de alto rendimiento. En los coches se usa el gas natural vehicular, por lo que se considera una de las alternativas más ecológicas a los motores de gasolina, reduciendo así la contaminación por los combustibles fósiles.

¿Cómo Funcionan los Motores de Gas?

En el mundo actual puede resultar más común encontrarnos a los vehículos con motores a gas en infinidad de sitios, y estos han ganado gran popularidad como una alternativa menos contaminante a comparación de los motores de diésel o gasolina. No obstante, para que podamos entender aún más qué hace a los vehículos con motor a gas tan especiales y eficientes, es importante conocer cómo funcionan:

Funcionamiento de los motores a gas

El motor a gas posee un funcionamiento, al igual que los motores de gasolina y diésel, con un proceso de combustión interna, en el cual se comprimen gases en un espacio reducido para qué exploten y muevan un pistón y así producir energía mecánica. Utiliza gas natural comprimido o vehicular (GNC o GNV) o gas licuado de petróleo (GLP) como fuente de energía, en vez de un combustible líquido como son la gasolina o el diésel.

El proceso empieza cuando este gas natural comprimido se quema dentro de los cilindros del motor moviendo un cigüeñal que hará girar las ruedas del automóvil, pero también puede funcionar sin problemas con gasolina o diésel. En el caso del GLP, se trata de una mezcla de propano y butano, mientras que en el caso del GNC o GNV es gas metano el que realiza la combustión.

De manera común, los motores a gas GNC se suelen usar en los vehículos pequeños y furgonetas, mientras que el gas natural licuado se reserva para camiones, tráileres y motores industriales, los cuales pueden tener un rendimiento de mas exigencia que un motor de automóvil.

En el largo plazo, los motores que utilizan gas natural tienen una vida útil más prolongada y mayor tasa de rendimiento por kilómetro, lo que los hace que una opción más económica que el uso de gasolina o diésel.

Motores de gas vs motores de gasolina o diésel

Existen importantes diferencias que discriminan a los motores a gas y los motores de gasolina o diésel: la primera de todas ellas es que, los ciclos de reacción son más cortos en los motores a gas, esto se debe a que para que un motor a combustión interna inicie su ciclo de arranque al principio, deberá crearse una mezcla entre el aire y el combustible en la recamara. En el caso de los motores a gas, este último ya se encuentra mezclado al llegar a los cilindros, mientras que los combustibles líquidos deben ser inyectados previamente a presión en la cámara de combustión para que se pueda lograr el proceso de encendido.

Otras de las distinciones es que los motores a gas deben poseer energía externa para producir la reacción de combustión, por lo cual esto es normalmente realizado por una bujía, mientras que en los motores diésel la mezcla se enciende debido a la presión y temperaturas existentes en la cámara de combustión, por lo cual no es necesario una fuente de ignición externa.

Es por esta razón que la ignición por bujía suele ser mucho más rápida que en motores a gasolina, y se produce haciendo uso de un volumen constante, obteniendo un rendimiento mucho más eficaz que los motores a diésel.

Historia del motor de gas

En este apartado repasaremos de manera detallada los fabricantes más significativos en el desarrollo histórico de los motores a gas, veamos cada uno de ellos a continuación:

Lenoir

En un principio, existieron muchos experimentos los cuales se centraban en el desarrollo de motores de gas en el siglo XIX, no obstante a esto, el primer motor de combustión interna con combustible de gas fue construido por el ingeniero belga Étienne Lenoir en 1860. Sin embargo, el motor Lenoir poseía una baja potencia y un alto consumo de combustible, por lo cual era poco eficiente, sin embargo fue un gran avance tecnológico para la época.

Otto y Langen

Después del desarrollo del primer motor a gas gracias al trabajo de Lenoir, este fue investigado y mejorado por el ingeniero alemán Nikolaus August Otto, quien más tarde gracias a esas mejoras  inventaría el primer motor de 4 tiempos para poder quemar los combustible de manera eficiente directamente en una cámara de pistón, muy similar a los motores actuales. Fue entonces que en agosto del año 1864, Otto conoció a Eugen Langen, un técnico muy capacitado que pudo visualizar el potencial del motor desarrollo por Otto, y es por esto que un mes después de la reunión, fundó la primera fábrica de motores del mundo, NA Otto & Cie, en Colonia, Alemania. En el año 1867, Otto precedió a patentar su diseño mejorado y recibió el Gran Premio en la Exposición Mundial de París de 1867.

La característica principal de este motor atmosférico es que funciona mediante un proceso de mezclado de gas y aire en un cilindro vertical. Es por ello que cuando el pistón ha aumentado aproximadamente ocho pulgadas, la mezcla de gas y aire se prende por una pequeña llama piloto que se quema en el exterior, esta acción crea una fuerza al pistón el cual está conectado a una cremallera impulsándolo hacia arriba, este proceso tendera a crear un vacío parcial debajo de él.

No obstante, no se trabaja en el trazo ascendente como los motores modernos, sino que el trabajo se realizará cuando el pistón y la cremallera descienden bajo los efectos de la presión atmosférica y su propio peso, esto hace girar el eje principal y los volantes a medida que caen una y otra vez creando energía mecánica. Su ventaja sobre la máquina de vapor existente era su capacidad para arrancarse y detenerse a voluntad, lo que la hacía ideal para trabajos intermitentes como la carga y descarga de barcazas, un gran avance en el mundo de la mecánica.

El motor de cuatro tiempos

Después de explicar el motor de gas atmosférico es importante aclarar que este fue a su vez reemplazado por el motor de cuatro tiempos de Otto. Este cambio radical a motores de cuatro tiempos fue notablemente rápido para los estándares de la época, siendo fabricados los últimos motores atmosféricos en 1877. Los motores de combustible líquido pronto siguieron usando diesel (alrededor de 1898) o gasolina (alrededor de 1900) los cuales son los motores actuales.

Crossley

No fue hasta un tiempo después que el fabricante más conocido de motores de gas en el Reino Unido, Crossley, una compañía la cual está radicada Mánchester, fue en el año de 1869 que adquirió los derechos de las patentes de Otto y Langden para poder desarrollar el nuevo motor de gas atmosférico tanto en el Reino Unido como en el resto del mundo, exceptuando Alemania. En 1876 también adquirieron los derechos del motor de Otto de cuatro tiempos, mucho más eficiente, realizando así una globalización masiva de los motores a gas a nivel mundial.

Tangye

También habían en existencia otras compañías con sede en el área de Mánchester como Tangye Ltd., de Smethwick, cerca de la ciudad de Birmingham, la cual vendió su primer motor de gas de dos tiempos con 1 caballo de fuerza nominal en 1881. En 1890 la empresa comenzó la fabricación del motor de gas de cuatro tiempos más adelante.

Preservación

Por ultimo como dato interesante debemos recordar que el Museo del Motor de Anson en Poynton, cerca de Stockport, Inglaterra, posee una colección de motores que incluye varios motores de gas en funcionamiento, incluido el motor atmosférico más grande jamás creado, desarrollado por Crossley el cual aún funciona.

Constructores actuales de motores a gas.

Podemos resaltar que dentro de los fabricantes de motores de gas en la actualidad cabe destacar las siguientes compañías:

• Hyundai Heavy Industries.
• Rolls-Royce con Bergen-Engines AS.
• Kawasaki Heavy Industries.
• Liebherr, MTU Friedrichshafen.
• GE Jenbacher, Caterpillar Inc.
• Perkins Engines, MWM.
• Cummins, Wärtsilä.
• GE Energy Waukesha.
• Guascor Power, Deutz.
• Fairbanks Morse.
• Doosan y Yanmar.

Es importante destacar que la producción varía de aproximadamente en las medidas técnicas de  10 kW (13 hp) micro CHP [calor y potencia combinados] a 18 MW (24.000 hp). Es por ello que en términos más generalizados, el motor de gas moderno de alta velocidad es muy competitivo incluso con turbinas de gas de hasta 50 MW (67.000 hp) todo esto va a depender de las circunstancias de fabricación, y los mejores son mucho más eficientes en gasto de combustible que las turbinas de gas comunes, las cuales son de uso industrial. Rolls-Royce con los motores Bergen, Caterpillar, y muchas otras compañías desarrolladoras basan sus productos en un bloque de motor diesel y un cigüeñal, como los motores comunes. GE Jenbacher y Waukesha son las dos únicas empresas cuyos motores están diseñados y dedicados exclusivamente al gas, lo cual es un emprendimiento en el ámbito de la ingeniería importante.

Aplicaciones más frecuentes de los motores de gas

Pueden haber distintas aplicaciones en el ámbito de los motores de gas, estas pueden ser;

Estacionarias

En este ámbito los usos que son más frecuentes se basan simplemente en esquemas de carga base o de alta generación, esto quiere decir que son motores de alta potencia que incluyen calor y energía combinados para generar el movimiento. Para poder observar las cifras de rendimiento habituales se debe consultar primero la energía que produce el gas de vertedero, gas de minería, gas de pozos petrolíferos y biogás, es por ello que el calor residual del motor puede usarse para calentar los digestores de manera efectiva. Para que se puedan apreciar los parámetros más comunes en la instalación de un motor de biogás se deben tener en cuenta el tipo de gas que usa. Para los parámetros de un sistema CHP de motor de gas grande, tal como está instalado en una fábrica, los estándares son más amplios ya que se tratan de motores que mueven sistemas completos en las industrias.

Por último, es importante recalcar que los motores de gas rara vez se usan para aplicaciones de reserva, estas actividades aún siguen siendo en gran medida competencia de los motores diesel. Una excepción a esto es el pequeño generador de emergencia (<150 kW) que a menudo se instala en granjas, museos, pequeñas empresas y residencias. Conectado al gas natural de la empresa de servicios públicos o al propano de los tanques de almacenamiento en el sitio, estos generadores se pueden organizar para el arranque automático cuando se produce un fallo de alimentación, por lo cual resulta una opción muy rentable cuando exista una interrupción completa en el suministro eléctrico.

Transporte

En cuanto a las aplicaciones destinadas al transporte podemos decir que los motores de gas natural (GNL) se están volviendo cada vez más comunes en el mercado marino, ya que el motor de gas pobre puede cumplir con los nuevos requisitos de emisiones, destinados a la preservación del medio ambiente, sin ningún tratamiento adicional de combustible o sistemas de limpieza de escape.

En cuanto al uso de motores que funcionan con gas natural comprimido (GNC) también está creciendo en el sector de los autobuses, como por ejemplo los Reading Buses en el Reino Unido. El uso de autobuses de gas es apoyado por la Gas Bus Alliance 9 y por los fabricantes, incluyendo Scania AB, por lo que también se están volviendo una alternativa a los motores a diésel o los motores a gasolina.

Características del combustible

Dado que el gas natural, mejor conocido como metano, ha sido durante mucho tiempo un combustible limpio por sus bajas emisiones de Co2, económico y fácilmente disponible, muchos motores industriales han sido diseñados o modificados para usar este tipo de gas en su funcionamiento, en lugar de gasolina. No obstante, la huella de emisión de carbono no difiere significativamente en estos motores, su operación produce una contaminación de hidrocarburos menos compleja y los motores tienen menos problemas internos a la hora de su funcionamiento. Un ejemplo muy útil para explicar estos procesos es el motor de gas licuado de petróleo (propano) utilizado en un gran número de carretillas elevadoras.

El uso común de “gas” en Estados Unidos para referirse a la “gasolina” requiere la identificación explícita de un motor de gas natural. (También existe la “gasolina natural”, pero este término, que se refiere a un subconjunto de condensados de gas natural, rara vez se utiliza fuera de la industria de refinería), por lo que pueden existir confusiones en Norteamérica.

Detalles técnicos de los motores de a Gas

Dentro de los detalles técnicos que hacen funcionar estos motores se encuentran las siguientes:

Mezcla de combustible y aire

Para ser más precisos, un motor de gas tiene una diferencia significativa de un motor de gasolina en la forma en que se mezclan el combustible y el aire en la cámara de ignición. Un motor de gasolina debe usar obligatoriamente un carburador o inyector de combustible para poder mezclar correctamente el aire con la gasolina, en cambio un motor de gas tiende a utilizar un sistema de venturi para introducir gas en el flujo de aire para realizar la ignición de forma eficiente. Los primeros motores de gas usaban un sistema de tres válvulas, con válvulas de entrada separadas para aire y gas, sin embargo no tenían la misma eficiencia que los motores actuales.

Válvulas de escape

Ahora bien, el punto débil de un motor de gas comparado en paralelo con un motor diesel son las válvulas de escape, esto se debe a que los gases de escape del motor de gas están mucho más calientes para una salida dada, por lo que el sistema de gases de escape tiende a ser susceptible a sobrecalentarse, este problema también limita la generación de potencia, Es por esta sencilla razón que, un motor diesel de un fabricante determinado siempre tendrá una potencia máxima más alta que el mismo tamaño de bloque de motor en la versión de motor de gas, todo esto por el sistema de escape.

El motor diesel de manera usual tendrá tres clasificaciones diferentes según sus fabricantes: Standby, Prime y Continuous, (Reino Unido, clasificación de 1 hora, clasificación de 12 horas y clasificación continua), mientras que el motor de gasolina generalmente solo tendrá una clasificación continua, que será menor que la calificación continua de diésel, por lo que tendrá muchas más alternativas para elegir uno según tus necesidades.

Ignición

Este es el proceso de encendido de los gases en la cámara de combustión, por lo que se han utilizado varios sistemas de encendido, incluidos la ignición por tubo caliente y el encendido por chispa muy parecido al sistema de gasolina. La mayoría de los motores de gas modernos son esencialmente motores de combustible dual, por lo cual pueden utilizar gas y gasolina por igual. La principal fuente de energía proviene de la mezcla de gas y aire, pero se enciende mediante la inyección de un pequeño volumen de combustible diésel.

Ventajas y desventajas de tener un motor a gas.

Las ventajas y desventajas de cambiar un vehículo de gasolina a gas son las siguientes:

Ventajas: Este sistema podrá elimina las detonaciones o cascabeleo, y otro dato muy interesante es que aumenta la vida útil del aceite, aumenta la vida útil del motor lo cual es muy significativo, mayor durabilidad de las bujías, menor contaminación, combustible limpio (menos CO2), doble disponibilidad de combustible, ahorro en combustible entre un 40% y 55%, combustible más seguro, períodos de mantenimientos más largos, suelen ser motores mucho más ergonómicos y resistentes.

Desventajas: Dentro de las debilidades de un motor de gas están la pérdida de potencia que llega a ser más apreciable cuanto mayor es el motor, mayor consumo de carburante rondando los 11 litros cada 100 kilómetros es por ello a que pese a que se compensa en parte con el bajo coste, un motor diésel es más potente. Pocas estaciones de servicio en algunos países. Requiera la instalación de un segundo depósito que, normalmente, se sitúa en el espacio que ocupa la rueda de repuesto. Gran tamaño del cilindro de carga.

De esta manera llegamos al final de este interesante articulo en cual pudimos desglosar todas las características de los motores a gas, sus partes y como funcionan, si te interesan este tipo de lecturas puedes leer también como se hace el vidrio o también puedes leer ¿Que es un taladro? Gracias por visitarnos.