Um engenheiro-chefe operando um conjunto auxiliar de quatro tempos de 6.000 kW tem dois números à sua frente. A gasolina custa cerca de dois terços do óleo combustível com muito baixo teor de enxofre em sua rota, e a cabeça do cilindro que ele acabou de retirar de serviço tem 12.000 horas de funcionamento com assentos de válvula de escape desgastados. Esses dois números explicam quase tudo sobre o motor bicombustível.
A resposta curta é simples. Um motor bicombustível é um motor diesel que pode funcionar com gás como combustível principal, utilizando uma pequena quantidade de combustível líquido como fonte de ignição, e que pode voltar a usar combustível líquido sempre que o operador precisar. A cabeça do cilindro é muito importante porque o modo gás altera a pressão, a liberação de calor e a carga da válvula dentro da câmara de combustão, e é na cabeça que todos os três chegam. O que se segue cobre as duas rotas de combustão, o custo real do combustível piloto, a forma como a taxa de substituição cai com a carga e os detalhes da peça que decidem se um cabeçote de substituição sobrevive ao modo gás.
O que um motor duplo combustível faz de diferente
Um motor bicombustível começa como um motor diesel. O bloco, o virabrequim, as bielas e a potência permanecem na mesma classe, e o motor mantém o princípio de ignição por compressão que tornou o diesel confiável em primeiro lugar. O que muda é o sistema de fornecimento de gás, o design da câmara de combustão, o software de controle e, na maioria das conversões de quatro tempos, o próprio cabeçote do cilindro.
No modo gás, o motor queima gás natural e, em algumas instalações, gás liquefeito de petróleo ou metanol, como principal fonte de energia. Uma pequena quantidade de diesel ou gasóleo marítimo é injetada como combustível piloto e fornece a energia de ignição. Como a chama piloto acende a carga de gás e ar, e não o contrário, o motor mantém a mesma faixa de eficiência da operação a diesel, produzindo quase nenhum óxido de enxofre. Quando o fornecimento de gás é interrompido, ou quando a embarcação está em manobra e o operador deseja uma resposta instantânea, o motor retorna ao modo diesel dentro de alguns ciclos de combustão.
Os operadores escolhem o duplo combustível por três razões práticas. A primeira é a conformidade: o modo gás reduz os óxidos de nitrogênio em aproximadamente 85%, o que atende aos limites Tier III da IMO sem uma unidade de redução catalítica seletiva. O segundo é o custo: em muitas rotas, a diferença de preço entre o gás natural liquefeito e o óleo combustível com muito baixo teor de enxofre cobre o custo de capital mais elevado do motor e do tanque de gasolina dentro de alguns anos. A terceira é a opcionalidade: o mesmo motor pode queimar qualquer combustível que o mercado e os regulamentos tornem mais barato naquele mês.
Para grandes motores principais de dois tempos, uma abordagem amplamente utilizada injeta gás no final do curso de compressão em alta pressão, o que mantém intacto o ciclo de combustão original do diesel e evita a perda de metano não queimado no escapamento.
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Duas rotas de combustão, dois conjuntos de cargas
A maioria das discussões sobre duplo combustível se resume a qual ciclo o motor usa no modo gás, porque essa escolha define a pressão do gás, a quantidade de combustível piloto, o nível de deslizamento do metano e as cargas que atingem o cabeçote do cilindro.
| Parâmetro | Modo de gás de baixa pressão | Modo de gás de alta pressão |
|---|---|---|
| Ciclo de combustão | Otto, carga pré-misturada | Diesel, chama de difusão |
| Pressão de fornecimento de gás | Cerca de 5 a 6 barras | Cerca de 300 a 350 bar |
| Ponto de admissão de gás | Curso de admissão, misturado com ar | Compressão tardia, direta no cilindro |
| Compartilhamento de combustível piloto em plena carga | Cerca de 1 por cento | Cerca de 3 a 5 por cento |
| Deslizamento de metano | Mensurável, maior com carga baixa | Insignificante |
| Taxa de compressão | Inferior, limite de detonação se aplica | Nível padrão de diesel |
| Dever típico | Motores auxiliares de quatro tempos e principais de velocidade média | Grandes motores principais de dois tempos |
| Características principais para verificar | Portas de admissão de gás, assentos reforçados, passagens de resfriamento | Diâmetro do injetor de gás, ajuste da luva, dureza da plataforma contra incêndio |
Nenhuma das rotas é melhor em termos absolutos. A rota de baixa pressão domina os motores auxiliares de quatro tempos e de velocidade média, onde o sistema de gás é mais simples e o espaço de máquinas tem espaço para isso. A rota de alta pressão é usada em grandes motores principais de dois tempos, onde o deslizamento de metano não é aceitável e um compressor de gás já faz parte da instalação.
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O modo gás aumenta a pressão máxima do cilindro e altera a forma da curva de liberação de calor, de modo que a plataforma de incêndio, as sedes das válvulas e as gaiolas das válvulas enfrentam um ciclo mais difícil do que no serviço direto a diesel. Nas conversões de injeção de porta, o cabeçote também carrega válvulas de admissão de gás, o que significa furos adicionais, superfícies de vedação adicionais e um segundo caminho para vazamento. Quem quiser o fundo da própria peça pode ler como uma cabeça de cilindro é construída e o que cada superfície faz .
- Dureza e ângulo da sede da válvula, porque o modo a gás opera válvulas de escape mais quentes com carga parcial.
- A gaiola da válvula e a guia se ajustam, pois as guias desgastadas deixam a válvula desalinhar e destruir a sede.
- Limpeza da passagem de resfriamento, porque uma passagem parcialmente bloqueada se transforma em uma plataforma de incêndio rachada.
- Os furos das válvulas de admissão de gás em motores convertidos devem corresponder às especificações do kit de conversão.
A consequência prática é que um cabeçote de reposição para um motor bicombustível não pode ser comprado apenas com base no diâmetro. A versão do motor, a classificação do modo de gás e o kit de conversão alteram o desenho que o cabeçote deve corresponder.
Compartilhamento de combustível piloto: quanto diesel ainda é necessário
O combustível piloto é a parte da conta de combustível que os operadores esquecem e não é um número fixo. O gráfico abaixo mostra ações piloto típicas para cinco configurações.
O gráfico mostra quanto da energia total ainda deve vir do combustível líquido em cinco configurações comuns. Um motor de quatro tempos de baixa pressão em plena carga precisa de apenas cerca de um por cento de combustível de piloto, razão pela qual os operadores tratam o modo gás como quase totalmente alimentado a gás. Reduza o mesmo motor para um quarto da carga e a participação do piloto sobe para cerca de oito por cento, porque a mistura se torna muito pobre para ter ignição confiável sem mais energia diesel. Os motores de dois tempos de alta pressão funcionam em torno de três por cento em plena carga, e as modernizações de diesel para gás ficam perto de cinco por cento porque seus sistemas de admissão e controle de gás são menos precisos do que os de um motor construído especificamente. Em carga baixa o valor do retrofit pode chegar a quinze por cento, o que é suficiente para alterar o cálculo do custo de combustível de uma embarcação que passa longos períodos manobrando no porto.
A taxa de substituição cai antes que o motor fique sem carga
A taxa de substituição é a proporção de combustível líquido que o gás realmente substitui e não é constante em toda a faixa de carga.
A curva vermelha mostra um motor duplo combustível de baixa pressão construído especificamente para esse fim, mantendo cerca de 40% de substituição em um quarto de carga e atingindo cerca de 95% em plena carga. A curva azul mostra um motor diesel convertido para operação a gás, que começa perto de 25% com um quarto de carga e sobe para cerca de 90% com carga total. A diferença entre as duas curvas é maior em carga parcial, que é exatamente onde as balsas, embarcações portuárias e embarcações de apoio offshore passam a maior parte de suas horas de funcionamento. Uma frota que calcula as economias a partir dos valores da placa de identificação em plena carga irá superestimá-las sempre que o ciclo de trabalho for dominado pela carga parcial. É por isso que o perfil de carga, e não a classificação do motor, deve orientar a escolha entre um motor bicombustível de fábrica e uma conversão.
O que o modo gás faz com as emissões
O modo gás reduz todos os poluentes regulamentados em comparação com a operação com combustível líquido, mas não pela mesma margem.
Os óxidos de enxofre caem cerca de 99 por cento porque o gás natural quase não contém enxofre, o que por si só satisfaz o limite global de 0,50 por cento e os limites de 0,10 por cento dentro das áreas de controlo de emissões. O material particulado cai cerca de 95% e os óxidos de nitrogênio caem cerca de 85%, o suficiente para atingir o Nível III sem qualquer dispositivo de pós-tratamento. O dióxido de carbono cai apenas cerca de 22 por cento, porque essa poupança provém da relação hidrogénio/carbono do combustível e não da tecnologia de combustão. O gráfico também mostra por que o modo gás é frequentemente descrito como uma ferramenta de conformidade e não como uma solução climática: os ganhos de óxido de azoto e de enxofre são grandes e imediatos, enquanto o ganho de carbono é moderado. À medida que as regras de intensidade de carbono se tornam mais rigorosas, a operação com duplo combustível ajuda a frota a manter-se em conformidade, mas por si só não proporciona uma descarbonização profunda.
Motor de duplo combustível especificamente construído ou uma conversão
Ambas as opções funcionam a gás, mas não se comportam da mesma maneira, e a comparação do radar abaixo as pontua de acordo com os seis critérios que os operadores avaliam com mais frequência.
As duas formas são pontuadas de zero a cem em seis critérios, e uma forma maior é melhor. O motor construído especificamente lidera em termos de flexibilidade de combustível, margem de óxido de nitrogênio e benefício de dióxido de carbono, porque sua câmara de combustão, sincronismo de válvula e mapas de controle foram projetados para gás desde o início. A conversão tem uma pontuação mais elevada na facilidade de adaptação, uma vez que mantém um motor existente em serviço em vez de o substituir, e permanece competitiva na poupança de custos de combustível. A área mais fraca para ambos é a vida útil dos componentes de ponta, porque o modo a gás aumenta a pressão de pico e altera a liberação de calor, de modo que as sedes das válvulas, as gaiolas das válvulas e a plataforma de incêndio do cabeçote do cilindro trabalham mais do que no serviço direto a diesel. Uma conversão reduz ainda mais essa margem, razão pela qual os cabeçotes de substituição para motores convertidos devem sempre ser verificados em relação à especificação do modo gás, em vez do desenho diesel original.
Fornecimento de cabeçotes de cilindro para uma frota de combustível duplo
A aquisição de motores bicombustíveis é principalmente um problema de correspondência. A mesma família de motores pode existir nas versões diesel, gás de baixa pressão e gás de alta pressão, e o cabeçote do cilindro difere entre eles em aspectos pequenos, mas críticos: diâmetro da manga do injetor, material da sede da válvula, portas de admissão de gás e layout da passagem de resfriamento. Um cabeçote que se adapta à versão diesel de um motor pode ser fisicamente aparafusado à versão a gás e ainda assim falhar precocemente, porque o material e a dureza da sede nunca foram especificados para o pico de pressão mais alto.
A lista de verificação antes de fazer o pedido é curta. Confirme o modelo do motor e a versão de construção, não apenas o diâmetro. Confirme se o motor funciona no modo de gás de baixa pressão ou de alta pressão. Confirme se o cabeçote precisa de furos para válvula de admissão de gás. Confirme o ângulo da sede da válvula e os requisitos de dureza. Em seguida, confirme o lead time e a posição do estoque, pois um navio aguardando no cabeçote é um navio que não está ganhando.
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A linha completa, incluindo unidades para motores diesel domésticos, está listada no catálogo de peças de reposição de cabeçote , onde cada página indica a família de motores com a qual o cabeçote é compatível.
O número que finalmente decide se o duplo combustível compensa não é a distribuição do combustível por si só, mas o intervalo de manutenção máximo por trás dele. Um motor funcionando a gás por 6.000 horas por ano coloca seu cabeçote em mais ciclos térmicos do que um diesel configurado para a mesma função, e o cabeçote é um consumível nessa aritmética. Planejar as substituições de acordo com a versão do motor, a especificação do modo de gás e o perfil de carga real mantém uma frota de combustível duplo compatível e disponível sem transformar a economia de combustível em uma surpresa de manutenção.
