Motor para grupo electrógeno
Seguro que sabes muy bien lo que es un motor diésel y que los hay para coches, camiones y muchas otras aplicaciones más.
Sin embargo, un motor para grupo electrógeno es algo distinto, lo más importante es que trabaja a velocidad fija, pero no es lo único.
Vamos a aprender a continuación cómo funciona un motor y cuáles son las peculiaridades de un motor para generador.
¿Qué sabes de un motor para generador?
El motor diésel es una máquina que quema combustible y convierte energía térmica en energía mecánica, ésta a su vez se convierte en eléctrica por el alternador.
Combustible ⇒ energía térmica ⇒ energía mecánica ⇒ electricidad
Los motores diésel de 4 tiempos se conocen sobre todo por su popularidad en el sector de la automoción, sin embargo, tienen muchas aplicaciones más como la náutica deportiva o comercial, ferrocarril y por supuesto, la generación eléctrica.
A nivel constructivo para grupo electrógeno, la configuración más común en pequeña y mediana potencia es la configuración en línea. La configuración en V es frecuente en motores de mayor potencia, aunque haya excepciones.
Destacar que en todas las potencias se recurre abundantemente a la sobrealimentación, es decir, montan un turbo para poder entregar mayor potencia con la misma cilindrada.
A continuación, expongo en detalle las características más importantes de un motor para grupo electrógeno:
- El tipo de combustible empleado puede ser:
- Gasolina o Diésel.
- Gas Natural o gas licuado del petróleo (GLP).
- Combustibles especiales con Jet (JP8), Aceite Pesado (HFO).
- Bio-combustibles como Biodiesel o Biogas.
- El régimen de rotación o velocidad:
- 1500 o 3000 RPM para generación a 50Hz.
- 1800 o 3600 RPM para generación a 60Hz.
- Otros regímenes menos comunes como 720, 1000 RPM empleados en motores de potencia elevada.
- El tipo de aplicación, Ref. ISO 8528:
- Potencia Principal (PRIME).
- Potencia Continua (CONTINUOUS).
- Potencia de Emergencia (STAND-BY).
- Sistema de refrigeración:
- Agua o Aire.
- Radiador mecánico o eléctrico.
- Radiador acoplado o remoto.
- Torres de refrigeración.
- Tipo de inyección:
- Directa o Indirecta.
- Inyector bomba.
- Bomba inyectora.
- Common-rail.
- Tipo de Aspiración:
- Natural, Turbo o Turbo Posrefrigerado.
Un poco de historia…
Rudolf Diésel deposita en Berlín en 1892 la patente # 67207, pero solo 44 años después, en 1936 se inicia la producción de motores para coches. Será Mercedes Benz quien utiliza este motor para automóviles en grandes series.
Características de un motor para grupo electrógeno
El Combustible
En generación eléctrica el diésel es sin duda el combustible más común, pero también se emplean otros tipos de combustibles.
Veámoslos.
La gasolina sirve sobre todo para generadores de potencia pequeña hasta los 5 kw. Tiene la ventaja que los motores son más económicos y el mantenimiento es más sencillo. Puede ser una buena opción para bricolaje o camping.
El gas natural y LPG se emplean sobre todo en plantas de generación estacionarias y de cogeneración.
El JP8/JET (¡Sí! El de los aviones), lo suelen usar los militares para poder aprovechar las reservas almacenadas en los aeropuertos. En caso de conflicto, es un requisito importante.
Aceites de origen vegetal como el biodiésel se abren camino para casos de generación continuada, pero siguen siendo necesarias algunas adaptaciones al motor para poder garantizar una cierta durabilidad. Estos combustibles suelen ser más agresivos y también requieren un mayor mantenimiento.
El aceite pesado HFO se usa exclusivamente en plantas de generación de potencia elevada, requiere de un sistema de pretratamiento complejo y costoso, aunque el precio del combustible en si sea menor que el diésel u otras opciones.
El ciclo diésel
El funcionamiento del motor diésel se basa en el concepto de que un gas comprimido se calienta. El motor aprovecha esta propiedad y comprime aire a valores tan altos, que ocasiona que el combustible inyectado se encienda espontáneamente.
Esto pasa porque el aire presente durante la compresión alcanza una temperatura superior a la temperatura de encendido del diésel. Por lo tanto, se define ‘encendido espontáneo’, mientras que la gasolina o el gas necesitan un encendido controlado por bujías.
El régimen de rotación o velocidad
El régimen de 1500 Revoluciones por minuto RPM es el más común para generar corriente a 50Hz, 1800RPM corresponden a 60Hz.
También encontramos 3000/3600RPM para motores pequeños de diésel y gasolina. Esto tiene la ventaja de reducir coste y tamaño de motor, pero también reduce la vida útil del mismo.
Para plantas de generación se usan motores de media o baja rotación como 720 o 1000 RPM que reducen los consumos y extienden hasta el doble la vida útil.
La regulación de velocidad se delega a un sistema de control independiente. Puede ser un control mecánico que actúa por masas e inercias, o un sistema electrónico. Dentro de los sistemas electrónicos tenemos varias opciones.
Controladores que actúan sobre levas que simplemente ‘meten’ más o menos gasoil por medio de un actuador y una bomba en línea, o sistemas totalmente electrónicos como el Common-rail.
En los modernos motores Common-rail, la velocidad se regula con un módulo electrónico. Se llaman ECM -Engine Control Module- o ECU – Engine Control Unit- y son pequeños ordenadores que miden todos los paramentos de funcionamiento del motor, a la vez que establecen cuándo y cuánto combustible vaporizar en los cilindros.
La cantidad de combustible se define por mapas.
Los mapas, simplificando, son tablas en las que tras oportunas pruebas, están establecidas las cantidades exactas de combustible en función del esfuerzo y las revoluciones. En un mismo motor podemos tener mapas para calibrar más o menos potencia y más o menos contaminación.
El tipo de aplicación. ISO 8528
Todo grupo electrógeno se puede dimensionar para trabajar en regímenes distintos: Potencia Principal (PRIME); Potencia Continua (COP); Potencia de Emergencia (LTP y ESP).
Cuando empleamos un motor diésel disponemos de cierta cantidad de potencia. Dependiendo de las variaciones de intensidad y la duración del esfuerzo, determinaremos su vida útil.
Por ello, aunque se trate del mismo equipo tenemos distintas formas de medir la potencia. Para profundizar este tema te remito a otra entrada del blog Gensets para dummies/La potencia de un grupo electroógeno donde se explica detenidamente la diferencia entre las distintas definiciones de potencia.
Sistema de refrigeración
La refrigeración de un motor para grupo electrógeno se puede hacer de varias formas: a través de un radiador, una torre de refrigeración o un intercambiador de placas.
El radiador es el más común.
Se trata de un sistema a circuito cerrado en el que un fluido (agua o agua más glicol) pasa a través de una masa radiante que puede ser de cobre o de aluminio. El radiador puede ser vertical u horizontal, acoplado al motor o separado.
La ventilación es forzada y se hace con un ventilador directamente acoplado al motor, montado sobre poleas y conectado al cigüeñal con correas, o separado y conectado a un motor eléctrico alimentado por el alternador.
El material y tamaño de la masa radiante, la dimensión, el perfil de aspas del ventilador, la potencia y el número de revoluciones, determinan el poder de refrigeración.
Para verificar la refrigeración máxima se suele realizar una prueba ATB. La prueba ATB (Air To Boil) permite averiguar a qué temperatura el motor se calienta y nos confirma si el sistema de refrigeración está correctamente dimensionado.
Para saber más sobre las pruebas ATB puedes consultar este post Gensets para dummies/Pruebas de un grupo electrógeno
Las torres de refrigeración, son sistemas de refrigeración a circuito abierto donde una pequeña parte del agua evapora y en ese proceso se lleva el calor del motor. Tienen el inconveniente de necesitar mantenimiento y un continuo tratamiento del agua para evitar la aparición de hongos y bacterias. También hay que tener en cuenta que hay un desgaste de agua continuo.
En los casos donde no es posible instalar un radiador a una distancia razonable del motor, un generador instalado en un sótano por ejemplo, se recurre a intercambiadores de placas.
Estos nos permiten crear circuitos secundarios fáciles de llevar hasta la azotea o el techo. Este sistema necesita de una ingeniería más detallada y hay que tener mucho cuidado en el caso de motores con intercooler de tipo aire/aire.
Tipo de inyección
Cuando tenemos inyección indirecta, el gasóleo se inyecta en una precámara de combustión que se encuentra en la cabeza del cilindro. En el inyector solo hay un nebulizador y trabaja a una presión de unos 150 bares. En la pre-cámara hay una bujía eléctrica que calienta las paredes metálicas, así como el gasóleo. La bujía sirve para facilitar el arranque y desminuir el retraso en la combustión reduciendo ruido y estrés mecánico.
La inyección indirecta ha sido la única disponible hasta que se han introducido las bombas de alta presión.
Así nació la inyección directa.
Gracias a las bombas de alta presión se han podido eliminar las precámaras. Se han comenzado a emplear juntos con inyectores o multiinyectores. Estos sistemas tenían inconvenientes debidos a la variabilidad de la presión en función del régimen de rotación.
Se pasó entonces a almacenar combustible presurizado: nace el Common-rail.
También se ha utilizado un sistema, el inyector bomba, donde cada inyector tiene su propia bomba de alta presión.
Hay varios sistemas de inyección directa utilizados en los motores diésel.
Inyección directa significa que el combustible entra directamente en la cámara de combustión (sin precámara). En este caso, el sistema de alimentación debe funcionar a presiones mucho más altas del sistema de inyección indirecta (además, los inyectores suelen tener tres o más orificios, de diámetro más pequeño).
La inyección directa se hace con diferentes tecnologías, la más popular es la llamada Common rail, pero también hay otras como los inyectores-bomba donde en el mismo inyector hay una bomba que presuriza el combustible.
Una cosa importante es que la inyección se reparte en distintas fases: Pre-inyección, comienza la combustión; Inyección, es la combustión principal; Pos-inyección, para ayudar los sistemas de reducción de contaminantes.
Tipo de Aspiración
La aspiración es la introducción de aire en las cámaras de combustión del motor. Cuanta más potencia necesitamos, más aire se debe introducir.
Los motores de aspiración natural o atmosféricos, están limitados por la presión ambiental pues no hay un sistema que fuerce la entrada de aire. Para motores de aspiración natural solo se puede aumentar potencia aumentando la cilindrada.
Para subir potencia pero sin aumentar cilindrada, se puede recurrir a la aspiración forzada. Esta se realiza con turbocompresores que aprovechan el flujo de gases de escape para mover una turbina que comprime el aire en el circuito de aspiración. De esta forma, tendremos más aire en el mismo volumen a una presión mayor.
A niveles extremos, la compresión introduce un problema de sobrecalentamiento del aire que puede causar varios efectos negativos (detonación, autoencendido, eficiencia, entre otros). La solución a este problema es el inter-cooler que refrigera del aire comprimido optimizando la temperatura y densidad del mismo.
En los motores de grupo electrógeno encontramos el inter-cooler Aire/aire que intercambia calor entre el aire comprimido y el aire externo; y el Aire/agua que intercambian calor entre el aire comprimido y un fluido, normalmente agua, que a su vez se refrigera con un radiador.
Otros Aspectos de un motor para grupo electrógeno
Mantenimiento
Para cualquier motor lo más importante son el cambio de aceite y de filtros, aunque son necesarios más ajustes periódicos. Te remito a la entrada sobre mantenimiento que puedes encontrar aquí Gensets para dummies/Mantenimiento de un grupo electrógeno
Impactos de carga
Un impacto de carga es una subida repentina de carga que le aplicamos al motor.
La respuesta del motor depende en gran mayoría de la cilindrada y de la capacidad de reacción del turbo. En el caso de tener dos motores de igual volumen, responderá mejor el que tenga mayor relación de compresión y Presión Media Efectiva.
Sistema de Escape
Los gases de escape se canalizan en una tubería hasta un silencioso. Esto sirve para reducir el ruido que sale por este medio y, dependiendo del nivel de emisiones, hacen también la función de catalizador. Además, podríamos encontrar filtros de partículas o apaga chispas. Todos estos son accesorios que no dependen directamente del motor sino más bien de la aplicación.
Emisiones
El nivel de emisión de gases y otros contaminantes depende del tipo de inyección y de la regulación. Especialmente, el nivel de NOx y de partículas depende en gran medida de los tiempos de la combustión. Cada motor se ha de ajustar para poder reducir al mínimo estas emisiones.
Además, los motores para grupo electrógeno deben de respetar normativas específicas del sector. En concreto, en los EEUU se debe cumplir con los requerimientos de la Environment Protection Agency EPA, mientras que en Europa es la Comisión Europea quien regula este aspecto.
Te remito a un artículo específico sobre emisiones para una información más exhaustiva sobre la normativa europea: Gensets para dummies/Directiva EU 2016/1628.
Motores Switchables
En algunas situaciones muy concretas se hace uso de motores capaces de trabajar tanto a 1500RPM – 50Hz como 1800RPM – 60Hz.
El cambio de régimen de trabajo se hace normalmente a través de un switch conectado al ECU del motor. A nivel mecánico no hay mayor problema, solo a nivel de homologaciones de niveles de emisiones hay que tener cuidado. Un motor podría estar homologado a 50Hz, pero no a 60Hz.
Esta funcionalidad se usa especialmente en puertos, donde los generadores pueden dar servicio tanto a barco europeos como norteamericanos por ejemplos. Dependiendo de las cargas necesitaremos una u otra configuración de suministro.
Condiciones climáticas
El rendimiento del motor siempre se ve influenciado por las condiciones meteorológicas, de hecho, los valores de potencia se refieren a unas condiciones estandarizadas.
Para proporcionar un arranque óptimo, incluso en condiciones adversas, se utilizan dispositivos que preparan el motor. Por ejemplo, el precalentamiento del refrigerante sirve para minimizar los efectos adversos del frío.
Te aconsejo revisar este artículo para obtener más información sobre las condiciones ambientales: Gensets para dummies/Qué grupo electrógeno necesito en alta montana o cuando hace calor
Para saber más
Hemos mencionado la Agencia de protección medioambiental de los EE. UU., puede resultar interesante visitar su sitio web.
Si quieres entender mejor la mecánica del motor, te recomiendo estas páginas muy didácticas y bien organizadas acerca del Motor diésel y del Turbocompresor.