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El
constante aumento del interés mundial por
el uso de GAS NATURAL COMPRIMIDO (GNC) y/o GAS
LICUADO como combustibles alternativos de la GASOLINA,
GAS OIL ó FUEL OIL es debido a:
1) La necesidad de diversificar las fuentes de
suministro, permitiendo a muchos países
el uso de combustible como el GAS.
2) Reducir las emisiones contaminantes, con combustibles
"más limpios".
3) Reducir los costos operativos, a través
menores precios de los combustibles.
4) Aumentar la eficiencia de los motores, permitiendo
menores consumos con mayores potencias.
5) Prolongar la vida útil de los motores
y reducir el mantenimiento.
Esta tendencia, ahora mundialmente generalizada,
originó en BASSO S.A. hace ya muchos años
un programa de investigación y desarrollo
para ofrecer válvulas aptas para el uso
con GAS NATURAL COMPRIMIDO o LICUADO. Esto concretó
en 1991 con el lanzamiento de la línea
"EXTRA GAS" en Argentina para los motores
locales, sumándose a las válvulas
de exportación para motores FORD, GM, DODGE
y otros, convertidos a uso con combustibles gaseosos
en varios países del mundo.
¿Cuáles son las características
del GAS como combustible, que obligan a fabricar
válvulas, casquillos y otros elementos
especiales?.
CARACTERÍSTICAS
EL GAS NATURAL es una mezcla de hidrocarburos
gaseosos, (principalmente Metano en un 85 a 90%)
y otros, como Propano, Butano, Dióxido
de Carbono, Nitrógeno, etc.
Se obtiene de los yacimientos petrolíferos
asociados al petróleo, o bien en formaciones
que contienen solamente gas. Se debe comprimir
a altas presiones (200 kgs/cm2) para poder acumular
cantidades significativas en espacios reducidos.
El GAS LICUADO de petróleo (LIQUIFIED PETROLEUM
GAS o L.P.G.) es una mezcla de dos hidrocarburos
gaseosos, Propano, Butano, que se obtiene como
un subproducto de los procesos de las refinerías
de petróleo, ó bien por separación
( a muy bajas temperaturas) del GAS NATURAL. Se
puede mantener en estado líquido a temperatura
ambiente y a presiones relativamente bajas.
Las características que afectan o influencian
el diseño de la cámara de combustión,
válvula y guías, son las siguientes:
1) La primera característica importante
es la de no poseer plomo, ó sea es un combustible
"LEAD FREE" o "LIBRE DE PLOMO"
Hace algunos años a las gasolinas convencionales
"CON PLOMO" se agregaba un compuesto
llamado Tetraetilo de Plomo para poder mejorar
sus condiciones antidetonantes, es decir, poder
usarse en motores más "comprimidos"
sin riegos de detonación obteniéndose
más potencia con menor consumo.
El plomo agregado a la gasolina se depositaba
sobre los asientos en la tapa de cilindros, protegiendo
a éstos del desgaste al funcionar como
un "LUBRICANTE SOLIDO" que se interpone
entre la válvula y su asiento. En el GAS,
la no existencia de esta "capa" protectora
puede provocar un desgaste por abrasión
al ir girando la válvula durante las sucesivas
aperturas y cierres. Si el asiento ó casquillo
no es del tipo endurecido, va perdiendo material,
lo que se llama "HUNDIMIENTO" del asiento.
Hasta producir una falla grave en le conjunto
asiento-válvula ya sea por quemado, rotura
por fatiga, pérdida de sellado, etc.
En general este mecanismo de falla se produce
en las válvulas de escape, ya que deben
trabajar en el ambiente corrosivo y de muy altas
temperaturas (hasta 870ºC) de los gases quemados.
Recordemos que además soportan los enormes
esfuerzos de la presión de combustión
y del cierre violento contra su asiento muchas
veces por segundo (a una velocidad de motor de
3000 R.P.M., una válvula abre y cierra
25 veces por segundo).
Asimismo, la presencia del plomo ayudaba a lubricar
las guías de válvulas, interponiéndose
como lubricante sólido entre el vástago
y la guía.
2) Otra característica muy importante y
que no ha sido correctamente valorada en los primeros
desarrollos de motores "convertidos"
a GAS, es que éste quema más lentamente
y con mayores dificultades para iniciar la combustión
que los combustibles líquidos convencionales.
Al mismo tiempo, la leva de escape del motor fue
diseñada para que la válvula correspondiente
esté asentada un cierto tiempo, evacuando
así el calor de la explosión anterior.
Cuando vuelve a abrirse, los gases quemados del
interior, ya deben haber bajado su temperatura
lo suficiente como para no superar los límites
aceptables para el material.
Como el gas quema más lentamente que la
nafta, cuando la válvula de escape abre
en un motor transformando a GNC "encuentra"
gases que todavía no se han "enfriado"
lo suficiente y comienza a calentarse de más.
Por otra aparte, al entrar ya como gas a la cámara
de combustión en vez de pequeñas
gotitas de combustible líquido como en
las gasolinas, no existe la absorción de
calor que se produce al vaporizarse esas gotitas
suspendidas en la corriente de aire que ingresa
al cilindro.
Estos dos factores han inducido a muchos usuarios
de Gas Natural a creer que su combustión
es más "CALIENTE" que la de la
gasolina; si bien es un error de concepto, la
consecuencia es que la temperatura de trabajo
de la válvula de escape es mayor, llegándose
a superar la capacidad de sellado de la válvula
y su asiento por falla de material de la cabeza
o del asiento en la tapa. Ello puede deberse a
uno ó más de estos factores:
- Falta de dureza en caliente.
- Inadecuada resistencia a la corrosión.
- Insuficiente resistencia al desgaste.
Para resolver esta situación es necesario
una mejora en el material de la válvula,
o un recubrimiento de alta dureza en la cara del
asiento de la misma, mediante aleaciones especiales
aplicadas por procesos de soldadura por plasma
de última generación, que es el
caso de las válvulas fabricadas por BASSO
S.A. con recubrimiento de "STELLITE"
o similares.
La ventaja principal de estos materiales para
la cara del asiento de la válvula, es el
mantenimiento de una buena dureza en caliente
y excelente resistencia a la corrosión
y al desgaste, gracias a la combinación
de Cobalto, Níquel, Hierro y Cromo en su
aleación.
En el caso de motores grandes, para camiones del
tipo "Heavy Duty" (de servicio pesado),
se recomienda también la modificación
del ángulo de asiento de la válvula
de escape disminuyéndolo de 45º a
30º (o hasta 15º en válvulas
muy comprometidas).
¿Qué se logra con esta práctica?.
En la figura de la página siguiente se
muestra en esquema de las fuerzas actuantes en
la válvula y su asiento, debidas a la acción
del resorte, a las fuerzas de inercia producto
del movimiento alternativo de la válvula
y a las resultantes de la presión de combustión.
Si bien no todas estas fuerzas actúan simultáneamente,
podemos decir que su resultante F actúa
según el eje de la válvula y se
equilibra con las reacciones que actúan
en el asiento de la tapa de cilindros (iguales
y opuestas a f30 o f45 respectivamente).
Se observa del paralelogramo de fuerzas que para
una misma resultante F, las componentes f30 son
menores que las f45 o sea que con solamente el
cambio de ángulo se disminuyen las cargas
actuantes en el asiento, siendo por lo tanto menor
el desgaste en la superficie del mismo.
Angulos menores de 15º no son recomendables
porque se pierde la capacidad "autolimpiante"
del asiento, es decir cualquier partícula
de carbón, residuos de combustión,
etc., pueden quedar atrapados entre la válvula
y su asiento, no deslizando hacia fuera como "pendientes"
(ángulo de asiento) mayores, con el riesgo
de "quemado" de la válvula y/o
asiento.
Esta solución solamente es posible con
un combustible "limpio" como el gas,
no siendo recomendable para cualquier tipo de
combustible líquido, diesel o nafta, por
la presencia de impurezas, partículas,
y residuos "post combustión".
3)
La tercera característica destacable de
Gas como combustible, es su elevado poder antidetonante,
equivalente a una gasolina de 120 / 130 octanos
(sin necesidad del Tetraetilo de Plomo). Esto
permitiría aumentar la relación
de compresión de los motores hasta valores
de 11:1 o 12:1, obteniéndose mayor potencia
con menores consumos .
Sin embargo, en la mayoría de los motores
"convertidos" a Gas, no se aumenta la
relación de compresión, a fin de
mantener el uso dual (Gasolina ó Gas) según
las posibilidades de abastecimiento. En algunos
casos esta operación "dual" ha
provocado fallas de válvulas al operarse
con una puesta a punto del encendido no adecuada
para el gas, es decir apta para la gasolina convencional
pero demasiado "retrasada" para el Gas.
Justamente por su mencionada baja velocidad de
combustión, requiere mayores avances de
chispa que la gasolina, unos 10 y 12 grados más
de avance inicial.
4) Una característica que suele provocar
problemas de desgaste en las guías de válvulas
es la baja capacidad lubricante, por el hecho
mismo de ser un gas. Los ensayos realizados por
BASSO S.A. en vehículos que recorren miles
de kilómetros mensuales en las condiciones
más severas de operación, demuestra
la necesidad del cromado duro de los vástagos
que reduce la fricción con la guía,
aumenta la duración del vástago
y facilita la retención del aceite lubricante
entre vástago y guía.
RECOMENDACIONES
Como corolario de esta breve "guía
del gas como combustible", daremos ahora
una serie de recomendaciones útiles en
la conversión de motores a Gas:
A) Para mejorar la transferencia de calor de las
válvulas a la tapa de cilindros, es beneficioso
hacer los asientos de escape de mayor ancho (de
1/16" a 3/32" ó sea 1,60 a 2,40
mm.).
B) No mecanizar los asientos de la tapa de cilindros
con interferencia de ángulos entre válvulas
y asientos, prepararlos con los mismos ángulos.
C) Mantener la concentricidad entre guía
y asiento menor a 0,025 mm.
D) Profundizar más el asiento en la tapa
de cilindros, colocando las válvulas algo
más "hundidas" que lo normal;
no deben quedar los bordes de las válvulas
cerradas asomando dentro de la cámara de
combustión.
E) Usar asientos (o casquillos) endurecidos, con
buenos contenidos de cromo y níquel en
su composición. Los motores modernos traen
asientos sinterizados que ya son aptos para GNC.
Algunas tapas de fundición de hierro suelen
traer los asientos templados por inducción,
esta solución no es aceptable en aplicaciones
de servicio severo o "HEAVY DUTY" simplemente
no soportarán el esfuerzo y se hundirán.
Es necesario "encasquillar".
F) Mantener los huelgos entre válvulas
y guías en los valores originales, excepto
en los casos donde sean reemplazadas válvulas
huecas (rellenas con sodio) por válvulas
macizas, allí será necesario aumentar
los huelgos para compensar la mayor dilatación
de la válvula maciza.
G) No utilizar rotadores de válvulas o
bloquear su giro libre si no hubiera otros platillos
disponibles
H) No rectifique las válvulas usadas, ya
que disminuye su ancho de margen. Use solamente
las mejores válvulas disponibles, recubiertas
de "STELLITE", vástagos cromados
con los mejores aceros inoxidables, como las fabricadas
para este uso por BASSO S.A.
I) Utilizar un corrector de avance al encendido,
que automáticamente adelante 10 a 12 grados
el salto de la chispa al pasarse a GAS.
Recuerde que toda conversión de motores
para GAS natural el colocar válvulas no
adecuadas sólo redundará en problemas
para el usuario y para el rectificador que deberá
realizar el trabajo dos veces por el precio de
uno.
Esperamos que esta guía pueda serle útil
y ayúdenos a difundir su contenido, un
mayor conocimiento de los productos que BASSO
S.A. fabrica le permitirá brindar un mejor
servicio.
VÁLVULAS PARA GNC
1) CARACTERÍSTICAS DEL GAS COMO COMBUSTIBLE
- Falta de plomo.
- Muy baja velocidad de combustión.
- Alto poder antidetonante.
- Corrosividad por compuestos sulfurados.
- Baja lubricidad.
2) PROBLEMAS QUE PUEDEN PRESENTAR EN TAPAS DE
CILINDROS Y VÁLVULAS
- Hundimientos de asientos de tapa.
- Desgaste de guías y vástagos de
válvulas.
- Quemado de asientos de válvulas.
- Fatiga de superficies de asientos.
- Corrosión de cuello por sulfatos.
3) FACTORES AGRAVANTES
- Operación de alta velocidad y alta carga
durante períodos prolongados.
- Avances de encendido aptos para nafta insuficientes
para gas.
- Equipos de gas con deficiente regulación
A/C. Mezcla pobre o muy rica.
- Mala transmisión de calor de inserto
a tapa.
4) REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA TAPA / VÁLVULA
- Insertos de dureza adecuada en tapa, con buena
superficie de contacto en la misma.
- Materiales "Premium" como materiales
base de la válvula.
- Recubrimientos duros en asientos de válvulas
de escape (stellite o similares).
- Proceso de aplicación del recubrimiento
por plasma de última generación.
VÁLVULAS PARA GNC DE BASSO S.A.
* MATERIALES BASE DE ADMISION Y ESCAPE.
* MATERIALES DE RECUBRIMIENTO DE ASIENTOS.
* VÁSTAGOS CROMADOS.
* ENSAYOS REALIZADOS EN DINAMOMETROS Y CIENTOS
DE MILES DE KILÓMETROS EN SERVICIOS SEVEROS
DE FLOTA.
* CONOCIMIENTOS DE INGENIERIA Y MANUFACTURA AL
PRIMER NIVEL MUNDIAL
Preparado por el Ing. Fernando Alberto Curello,
de MOTOR PARTS INTERNATIONAL, Empresa de investigación
y desarrollos especiales del grupo BASSO S.A.
de ARGENTINA.
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