Diseño de un sistema de conversión dual (GNL + Diésel) para un motor diésel de Bulldozer D11R

Abstract

La compañía Drummond Ltd. cuenta con una flota de 125 Bulldozers, que operan con combustible diésel. Para garantizar la extracción de carbón, la empresa emplea un consumo de combustible diario de aproximadamente 54.000 galones, lo que genera grandes costos operacionales. Debido al mercado global del carbón y a los altos costos en consumo de combustible, surgió la propuesta de diseñar un sistema de conversión de motor diésel a un motor mixto (Gas Natural Licuado + Diésel) para los Bulldozer. Este sistema sustituye el suministro de diésel por GNL, en ciertos puntos de la operación, con el objetivo de disminuir costos, sin descuidar factores como la potencia, el impacto al medio ambiente y la autonomía operacional.

Para dar solución a esta problemática, se tuvo en cuenta cinco alternativas que cumplen con los requerimientos del sistema de conversión. Luego, se realizó un ajuste y construcción del mapa de iso-consumo de combustible y del ciclo operacional del Bulldozer, basado en mediciones y ensayos de laboratorio. Se seleccionaron los puntos de sustitución de combustible basado en la carga de trabajo y el exceso de aire requerido por el motor. Se hizo énfasis en un diseño detallado de componentes, tales como un mezclador Aire-Gas, bridas, pernos y empaques. También, se conceptualizó el sistema de lazo de control y las emisiones de los gases de escape para garantizar el correcto funcionamiento del sistema de conversión mixto.

Se concluyó que, dentro del proceso de combustión en el motor de un ciclo de 32 puntos de operación, solamente 12 cumplen con las condiciones de un 50% o más de exceso de aire disponible para suministrar gas natural. Por otro lado, se lograron relaciones de sustitución comprendidas entre 82 - 87% de GNL, dando como resultado un ahorro de combustible de un 35%. Este proyecto se considera como la primera etapa de futuras investigaciones en lo que respecta al área de conversión de motores diésel a dual.

Drummond Ltd. company counts on 125 Bulldozers, which operate with diesel fuel. To guarantee the coal extraction, the company uses a daily fuel consumption of approximately 54,000 gallons, which generates high operational costs. Due to the global coal market and the high costs of fuel consumption, we came across with the idea of designing a conversion system from diesel engine to a mixed engine (Liquefied Natural Gas + Diesel) for Bulldozers. This system replaces the supply of diesel with LNG, at certain points of the operation, with the aim of reducing costs, without neglecting factors such as power, impact on the environment and operational autonomy. To solve this problem, we kept in mind five alternatives which meet the requirements of the conversion system. Then, an adjustment and construction of the iso fuel consumption map and the operational cycle of the Bulldozer was carried out, based on measurements and laboratory tests. Fuel substitution points were selected based on the workload and excess air required by the engine. An emphasis was placed on a detailed component design such as air-gas mixer, flanges, bolts, and gaskets. Also, the control loop system and exhaust gas emissions were conceptualized to guarantee the correct operation of the mixed conversion system. We came to the conclusion that, within the combustion process in the engine of a cycle of 32 operating points, only 12 meet the conditions of 50% or more of excess air available to supply natural gas. On the other hand, substitution ratios between 82 - 87% of LNG were achieved, resulting in a fuel saving of 35%. This project was considered as the first stage for future research in the area of diesel-dual engine conversion.