Expertos de la industria debaten el futuro del propano en los motores de combustión interna

El mes pasado, el Foro de Tecnología de Motores exploró la viabilidad del propano como combustible alternativo en motores de combustión interna (CI) en su seminario web, “Cómo el propano está evolucionando hacia el futuro”.

“El propano como combustible ofrece varias ventajas, como un alto octanaje y una amplia disponibilidad a través de más de 3500 distribuidores”, declaró el Foro de Tecnología de Motores en un comunicado de prensa posterior al evento. “Generalmente, presenta menores emisiones en comparación con la gasolina o el diésel, y estas emisiones se pueden controlar de forma rentable mediante el uso de un catalizador de emisiones de tres vías similar al de la gasolina”.

Diferencias en el postratamiento

Gavin Hale, director de desarrollo de productos y generación de energía del Consejo de Educación e Investigación sobre Propano (PERC), abordó las diferencias entre los sistemas de postratamiento de diésel y propano durante el seminario web, y dijo que la mayor oportunidad para los fabricantes de motores y los OEM de vehículos con respecto al propano está relacionada con el postratamiento simplificado de los gases de escape.

Cargando combustible a un camión de reparto de propano. (Foto: Consejo de Educación e Investigación sobre el Propano)

“Consiguen reducir las emisiones con un combustible disponible y conservar la mayor parte del contenido de diseño del camión”, dijo, “lo cual es clave, porque muchas otras fuentes de energía alternativas suponen un gran gasto para los fabricantes de equipos originales”.

Al describir la tecnología actual de postratamiento de motores diésel, Hale citó un sistema SCR de Bosch para motores diésel de servicio pesado con bajas emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx), publicado en un informe de junio de 2020 por la Junta de Recursos del Aire de California (CARB). Señaló que los componentes de dicho sistema de postratamiento incluyen catalizadores de oxidación diésel (DOC) primarios y secundarios, reducción catalítica selectiva (SCR), catalizadores de deslizamiento de amoníaco (ASC), quemadores de combustible, sensores de NOx y un filtro de partículas diésel (DPF).

«El postratamiento es mucho más complejo que el motor, en realidad», dijo. «Se convierte en el factor dominante».

Por el contrario, Hale dijo que el postratamiento de un motor de combustión interna alimentado con propano es considerablemente más simple.

Con el propano actual, solo se necesita un convertidor catalítico de tres vías, similar a los que se usan en los coches actuales. Para la normativa de 2027, probablemente se necesiten dos convertidores catalíticos.

Agregó que los límites de GEI de la Fase 3 podrían requerir ligeras modificaciones.

“Esta sigue siendo la fórmula clave, con la posible incorporación de SCR en el postratamiento de los gases de escape”, dijo Hale. “Pero eso depende del equilibrio tecnológico que podamos implementar en el cilindro para lograr la máxima eficiencia en el motor, en lugar de depender del postratamiento para absorber todo”.

Examen de la inyección directa

Según Allen Schaeffer, director ejecutivo del Foro de Tecnología de Motores, la innovación también es clave para que el propano sea viable como combustible alternativo en aplicaciones dentro y fuera de carretera. Una de estas innovaciones es la inyección directa (ID) de propano. En el comunicado de prensa, afirmó que la tecnología de inyección directa tiene el potencial de ser revolucionaria para expandir el uso de la tecnología del propano a más aplicaciones.

La empresa de fabricación, ingeniería y pruebas Katech Engineering y el especialista en sistemas de combustible Stanadyne se asociaron para explorar la inyección de propano DI en motores de combustión interna. Presentaron sus hallazgos durante el seminario web.

Eric Suits, ingeniero jefe de Katech, afirmó que valía la pena explorar la inyección directa de propano por varias razones. Señaló que, en lo que respecta a los motores de gasolina, la inyección directa representa una gran parte del mercado de vehículos ligeros, con el 73 % de los vehículos del año modelo 2023 utilizando esta tecnología, según un informe del 24 de febrero del Departamento de Energía de EE. UU.

"Ya es ampliamente aceptado y tiene sus beneficios naturales, eficiencia y emisiones mejoradas, por lo que los porcentajes de fabricantes de equipos originales (OEM) que lo utilizan actualmente siguen aumentando", dijo Suits, y agregó que cuando se combina con el alto índice de octano del propano (105) y las bajas emisiones, "unir esas dos tecnologías era un área obvia".

Sin embargo, hubo obstáculos que superar. Uno de ellos es el bloqueo de vapor, ya que el propano puede existir en forma gaseosa o líquida, dependiendo de la temperatura y la presión, explicó Suits. Si, durante el trayecto hacia la bomba de combustible, el propano se calienta hasta cierto punto y no se produce un aumento de presión correspondiente, se vaporizará y provocará un bloqueo de vapor.

Además, Suits afirmó que la inyección directa de propano no se había investigado a fondo. «Se han escrito algunos artículos, pero desde el punto de vista de la viabilidad, nadie había considerado seriamente abordarla».

Pruebas DI

Katech inició el proyecto DI con pruebas sin combustión para comparar los componentes de inyección directa de gasolina (GDI) disponibles en el mercado, como inyectores y bombas, según Suits, y así determinar las deficiencias de dichos componentes al usarlos con propano. Esto dio lugar a pruebas de combustión para comparar la gasolina con el propano, cuyos resultados se entregaron a Stanadyne para que la empresa determinara las características específicas requeridas para su uso con propano.

El motor de prueba General Motors L8T 6.6L GDI se actualizó con componentes Stanadyne y funciona con inyección directa de GLP. (Foto: Stanadyne)

Una vez desarrollados los componentes necesarios para el sistema de combustible, Stanadyne probó el concepto utilizando un motor General Motors L8T V-8 de 6.6L y encendido por chispa como plataforma base, según Srinu Gunturu, ingeniero jefe de Stanadyne. Añadió que Stanadyne solo modificó algunos componentes de hardware para su uso con propano.

“En el motor, solo está la bomba de combustible y el inyector”, dijo, “y el motor se usó tal como estaba”.

Gunturu dijo que Stanadyne tuvo que mejorar la eficiencia volumétrica de la bomba y realizar cambios en el inyector para lograr un mayor flujo de combustible para entregar la cantidad correcta de combustible al motor.

“Agregamos una entrada secundaria para asegurarnos de que no haya bloqueo de vapor dentro de la bomba, especialmente en el émbolo y el área de la manga”, dijo.

Suits dijo que las pruebas del motor se realizaron con un lambda de 1.0 y agregó que era importante desde el punto de vista de las emisiones.

“A partir de las regulaciones de 2027, no se permitirá el enriquecimiento durante las pruebas a gran escala”, dijo. “Y con el propano, podemos hacerlo fácilmente sin límites ni preocupaciones sobre la temperatura de los gases de escape (EGT), y permite que el catalizador funcione correctamente”.

Resultados de la prueba DI

Las pruebas realizadas por Stanadyne y Katech fueron más allá de simplemente examinar el rendimiento del motor y los componentes.

“Probamos el motor con una durabilidad de hasta 250 horas para demostrar que este motor DI es prometedor para los sistemas de propano”, dijo Gunturu.

Suits agregó que las pruebas de durabilidad incluyeron ciclos de pruebas dentro y fuera de carretera, así como ciclos de pruebas de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) y CARB.

Después de la prueba de durabilidad, Stanadyne examinó los componentes de su sistema de combustible.

"En las bombas, no hemos observado ningún cambio en su rendimiento después de 250 horas de funcionamiento con propano", dijo Gunturu. Sin embargo, sí se observó algún cambio en el rendimiento del inyector de combustible, añadió.

“Observamos desgaste debido al cambio de alzada en nuestros inyectores”, dijo. “Y pudimos identificar qué había cambiado, qué causó el cambio de alzada. Pudimos realizar algunas correcciones”.

Gunturu dijo que un examen minucioso reveló desgaste entre la armadura y el retenedor, lo que Stanadyne atribuyó a la disminución de la sustentación.

“Ya implementamos una corrección de diseño para abordar este cambio en la sustentación y el desgaste de la armadura y el retenedor”, dijo. “Además, ya estamos planeando realizar más pruebas”. Stanadyne está trabajando con fabricantes de equipos originales (OEM) para probar estas acciones correctivas, dijo Gunturu.

Suits dijo que en términos del motor, las pruebas de durabilidad no revelaron ningún desgaste mecánico significativo.

“Al principio, quizá la frase —10, 20, 30 años con propano— era que era necesario actualizar los asientos de las válvulas, porque es propano y no pasa líquido por las válvulas”, dijo Suits. “Pero los motores modernos de inyección directa tienen en cuenta eso. Los materiales y las tecnologías para ello han avanzado. Por lo tanto, no hubo recesión de válvulas en ninguna parte del motor mientras funcionaba con propano, ni siquiera en un perfil de prueba bastante riguroso”.

Respecto del bloqueo de vapor, Suits dijo que Katech abordó este problema con éxito como parte del proyecto.

“Una de las principales áreas en las que se centró Katech, con Stanadyne suministrando el hardware, fue construir un sistema de hardware y software que suministrara el propano correctamente a la bomba y nunca permitiera una condición de bloqueo de vapor”, dijo.

Mediante algunas válvulas y sistemas de control, Suits dijo que Katech "pudo suministrar propano líquido a la bomba en todas las condiciones de prueba".

Programa de investigación revela la viabilidad de la inyección directa de GLP en motores de servicio mediano Financiado por PERC y llevado a cabo por Katech Engineering, el proyecto utilizó software y hardware especialmente diseñado por Stanadyne para ayudar a superar el bloqueo de vapor.