Todas las ventajas que proporciona la gestión electrónica recientemente introducida en los modernos motores de 2T marinos (motores lentos, Low Speed) se
encuentran limitadas por la física de los elementos mecánicos que
costituyen el propio motor, la capacidad de consumo de aire,
combustible, eficiencia del barrido, capacidad para quemar diferentes
combustibles, temperaturas admisibles en la cámara de combustión,
potencia máxima que puede desarrollar la estructura motor, capacidades
de la turbosoplante etc. Todos estos parámetros se encuentran
determinados por la arquitectura del propio motor, para optimizar el
diseño de un motor antes de contruirlo contamos con las herramientas
CAD, CAE y el CFD, que nos van a permitir construir de forma virtual y
simular su comportamiento, el ahorro de costes en tiempo y dinero es
incomparable, además de que es posible desarrollar y evolucionar mucho
más un determinado diseño.
El cálculo de esfuerzos y la resistencia de los materiales de los elementos que componen el motor son validados por medio de análisis FEM, o cálculo por elementos finitos a partir de los modelos 3D previamente realizados por ordenador, lo que se conoce como CAD 3D, es decir los componentes son creados virtualmente por ordenador a escala real, posteriormente todos estos elementos, ordinariamente compuestos por miles de elementos son ensamblados en conjuntos y subconjuntos, para crear un motor completo realizado por ordenador. Posteriormente se analizan por medio del CAE el comportamiento de estos elementos, se le aplican a las geometrías las propiedades de materiales con las que están fabricados, condiciones de contorno, restricciones y cargas, etc. Se realizan miles de simulaciones FEM para validar el comportamiento de cada uno de los elementos que componen el motor.
A continuación se muestra el comportamiento del cigueñal de un motor sometido a las cargas que recibirá durante su funcionamiento real una vez contruido, el análisis muestra el nivel de tensiones que recibe el material en cada punto de su geometría.
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| Análisis por elementos finitos del nivel de tensiones de un cigueñal de un motor lento de 2T. |
Los motores de dos tiempos en general presentan un inconveniente que
tiene una gran influencia en el desarrollo de su ciclo de
funcionamiento, este problema viene motivado por el hecho de tener que
realizar las cuatro fases del ciclo de funcionamiento (expansión,
escape, admisión y compresión) en una sola vuelta del cigüeñal, por
tanto los periodos necesarios para cada una de las fases son
necesariamente más cortos que en un motor de cuatro tiempos. De todas
ellas, las etapas más críticas son el escape-admisión, que es cuando se
renueva la carga dentro del cilindro, es por ello que en el diseño del
motor es sumamente importante que dichas etapas se lleven a cabo de
forma óptima, para que el motor pueda desarrollar buenas prestaciones.
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| Diagrama presión-volumen de un motor de dos tiempos. |
El proceso de desplazamiento de los gases quemados fuera del cilindro, y
el llenado con carga de aire fresco, recibe el nombre de “barrido”, y
su adecuada realización tiene una influencia decisiva no solo en el
consumo de combustible, sino también en la potencia y en la
contaminación. En la siguiente figura se indica la circulación de aire
(color rojo) y gases de escape (color azul).
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| Esquema de barrido y renovación de la carga del motor MAN S50MC |
Tal y como se puede observar en la figura anterior, el aire entrante se
utiliza para expulsar fuera o barrer los gases de escape y mientras
tanto llenar el espacio con aire fresco. Durante el proceso, una
cantidad de aire externo es usado para limpiar el cilindro de gases de
combustión. El aire entrante a presión dentro del cilindro se llama aire
de barrido, y las lumbreras a través de los que entrase son llamadas
lumbreras de admisión o de barrido. El barrido de los motores de dos
tiempos se caracteriza por dos problemas típicos: las pérdidas por
short-circuit y mixing. Short-circuit (cortocircuito) consiste en
expulsar parte de la carga de aire fresco directamente al escape y
Mixing (mezcla) consiste en que hay una pequeña cantidad de gases
residuales que permanecen atrapados sin ser expulsados, los cuales se
mezclan con parte de la carga de aire fresco. A fin de reducir estos
problemas, el aire de barrido que entra dentro del cilindro a partir de
las lumbreras de admisión debe estar perfectamente dirigido. La
siguiente figura, obtenida mediante un análisis CFD, muestra la
distribución de velocidades del flujo en el interior del cilindro
durante la renovación de la carga.
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| Distribución de velocidades del flujo durante el barrido. Imagen obtenida con OpenFOAM. |
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| Lumbreras de barrido del motor MAN B&W S50MC |
El motor MAN B&W 7S50MC cuenta
con 7 cilindros en línea, con un diámetro de cilindro de 500 mm y una
carrera de 1910 mm, suma una cilindrada total de 375 litros y desarrolla
una potencia máxima de 9.988 kW a 127 rpm. Cada cilindro posee en su
parte baja 16 lumbreras de admisión y en la culata posee una gran
válvula de escape para permitir la exhaustación de los gases quemados.
Parámetro
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Valor
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Tipo de motor
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Diesel, dos tiempos
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Sistema de barrido
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Uniflujo
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Sobrealimentación
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Turbocompresor
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Cilindrada (cm3)
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375.028
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Diámetro (cm)
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500
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Carrera
(cm)
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1910
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Presión media efectiva (bar)
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19
|
Velocidad (rpm)
|
127
|
Número de cilindros
|
7
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Potencia
(kW)
|
9988
|
Por medio del análisis CFD proporciona información completa sobre el
fenómeno en el interior del cilindro y la influencia de multitud de
factores. En el campo de los motores marinos medianas y grandes, el
análisis CFD es especialmente útil porque un prototipo experimental es
extremadamente costoso y la construcción de un modelo a escala a veces
no es suficientemente preciso.
La siguiente figura muestra las fracciones másicas de gases de escape (color azul) y aire (color rojo) para un recorrido desde 90º hasta 270º de ángulo de cigüeñal.
La siguiente figura muestra las fracciones másicas de gases de escape (color azul) y aire (color rojo) para un recorrido desde 90º hasta 270º de ángulo de cigüeñal.
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| Evolución de las fracciones másicas de aire y gases durante el barrido, análisis CFD realizado con OpenFOAM |
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FUENTES:
