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sábado, 25 de mayo de 2013

Wartsilla 46: Análisis CFD del periodo de barrido durante el solape de válvulas.

El motor Wärtsilä 46 es un motor diesel de cuatro tiempos diseñado para aplicaciones marinas, bien como motor principal o como generador eléctrico. Cuenta con cilindros de 460mm de diámetro, 580mm de carrera, totalizando una cilindrada unitaria de 96,4 litros, la renovación de la carga se consigue por medio de cuatro válvulas por cilindro, cuenta con un sistema de inyección directa de alta presión, enfriador de aire de barrido por intercambiador aire-agua, sistema Spex para el conducto de gases de escape y además cuenta con un turbocompresor de alta eficiencia. La gama de motores Wärtsilä 46, abarca desde motores de 6 cilindros en línea, hasta los más potentes de 16 cilindros en V.

Figura 1: Corte transversal del motor marino Wärtsilä 46.

El motor marino de cuatro tiempos Wärtsilä 46 ha sido empleado en múltiples buques tales como los atuneros “Albatún 2” y “Panama Tuna”, buque tanque “Sten Idun”, crucero “Oasis of the Seas”, entre otros.

Figura 2: Sala de máquinas del Oasis of the Seas, con Wartsilla 46 como generadores eléctricos.
El periodo de solape de válvulas es durante el cual permanecen abiertas las válvulas de admisión y de escape al mismo tiempo, quedando en comunicación el colector de admisión y el colector de escape y permitiendo que el flujo de gases frescos que impulsa el compresor pase a la turbina. Para comprender mejor en lo que consiste el solape, la Figura 4 muestra el diagrama de distribución del motor marino de cuatro tiempos Wärtsilä 46. Tal y como se puede apreciar en la Figura, existe un solape durante el cual las válvulas de admisión y escape están abiertas al mismo tiempo, en este caso de 94º de ángulo de cigüeñal.


Figura 4: Diagrama de distribución del motor marino Wärtsilä 46.

El solape de válvulas es de crucial importancia en los grandes motores diesel de cuatro tiempos con elevada tasa de sobrealimentación actuales debido a los siguientes motivos:  
-       Permite mejorar la eliminación de los gases quemados expulsándolos hacia el escape, empleando para ello el flujo de aire entrante a elevada presión que es impulsado por el compresor.
-         El flujo de aire entrante por las válvulas de admisión a una temperatura relativamente baja representa una importante contribución en la refrigeración de las paredes de la cámara de combustión, cabeza de pistón y enfriamiento de las válvulas de escape.
-         Los gases frescos que se mezclan con los quemados y salen por los conductos de escape permiten reducir la temperatura de los gases de escape que llegan a la turbina del turbocompresor, evitando que la temperatura en las paletas de la turbina se aproxime a los límites compatibles con la resistencia mecánica.

Es por ello que en este tipo de motores se requiere que el periodo de barrido sea mayor que en otros motores, y para conseguir esto, el tiempo de solape de válvulas de ser particularmente amplio. El valor adecuado para el solape de válvulas es determinado para cada motor concreto en consonancia con los demás parámetros de diseño de ese motor. Como valores de referencia podemos indicar que el motor MAN 40-54 tenía un periodo de solape de 101,62º (54,62º+47º), el MAN 32-40 tiene valores un poco menores 89º (45º+44º),), el MACK 32 tiene un periodo de solape de 90º (45º+45º). Motores antiguos semirrapidos como el  MTU 16V 956 TB91 tiene un periodo de solape menor ya que solo tiene 61º (32º+29º), sin embargo mas moderno MAN 20-27 tiene valores de 100º (50º+50º), el motor rápido MAN D2840 LE tiene un periodo de solape de 51º (24º+27º). En motores de automóvil el periodo de solape tiende a reducirse e incluso a desaparecer con objeto de rebajar los consumos.

A pesar de las ventajas que proporciona un largo periodo de solape, alargarlo demasiado tiene como inconveniente que el barrido resulta defectuoso. Por tanto, es muy importante determinar el tiempo óptimo de solape en motores. Para demostrar una vez más en este blog las ventajas del CFD (Mecánica de Fluidos Computacional), se ha analizado el barrido de gases dentro del motor Wartsila 46, especialmente durante el solape de válvulas. La Figura 5 indica la malla utilizada para simular un cilindro de este motor. En la figura se ve el cilindro, conductos de admisión y escape y válvulas de admisión y escape. Se ha empleado una malla móvil para simular el movimiento del pistón desde 90º hasta 630º de ángulo de cigüeñal. La Figura 2 se refiere a la posición correspondiente a 180º.

Figura 5: Malla computacional del cilindro del Wartsilla 46.
En la Figura 6 se muestran los resultados obtenidos mediante CFD. Para ver con claridad lo que ocurre en el interior del cilindro. Se indica en color azul el aire fresco y en color rojo los gases de escape. Asimismo, las flechas indican la velocidad del flujo. Como se puede observar, la válvula de admisión se abre antes de que los gases de escape abandonen completamente el cilindro, y su considerable velocidad asiste en aspirar carga fresca.


Figura 6: Resultados obtenidos mediante análisis de CFD.


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Con este breve artículo, Tecnología Marítima recalca la importancia del CFD en aplicaciones navales, para estudios tan simples como la resistencia aerodinámica de un casco de un barco hasta simulaciones de cavitación en hélices o flujo en el interior de motores.


Fuentes: Wärtsilä, Grupo de innovaciones Marinas, OpenFOAM, Technical Courses

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