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domingo, 16 de febrero de 2014

Motores de 2T con control electrónico.

Los motores controlados electrónicamente, motores llamados inteligentes se introdujeron en el mercado a partir del año 2002-2003, con las versiones de control electrónico; MAN B&W ME y Sulzer RT-flex, las cuales partían respectivamente de los modelos ya establecidos MAN B&W MC y Sulzer RTA.


Tanto MAN B&W Diesel como New Sulzer Diesel demostraron que el funcionamiento del motor sin árbol de levas era posible, aplicando control electrónico en la inyección de combustible y en los sistemas de actuación de la válvula de escape.

Sulzer RT-Flex, animación.

La continua inversión en I+D dio lugar a una generación de "motores inteligentes" muy fiables, los cuales monitorizan su propia condición de funcionamiento y ajustan los distintos parámetros de trabajo para obtener un rendimiento óptimo en todos los regímenes de funcionamiento, incluida también la optimización del consumo de combustible, así como distintos modos de reducción de las emisiones contaminantes.


Los datos de funcionamiento del motor son constantemente monitorizados y comparados con los valores definidos por los expertos del sistema, si se detectan desviaciones entonces son adoptadas de forma automática medidas correctoras para restablecer la situación a valores normales.

Sulzer RT-Flex engine.Foto: Wartsilla.

Para hacer frente al objetivo de flexibilidad operativa, MAN B&W Diesel, explica que es necesario ser capaz de cambiar los tiempos de la inyección de combustible y de los sistemas de actuación de las válvulas de escape con el motor en marcha. Para lograr este objetivo con el sistema tradicional de árbol de levas supondría una complejidad mecánica que tendría un perjuicio para la fiabilidad del motor. Con un motor sin el árbol de levas tradicional este inconveniente es solucionado. Otras ventajas es que son capaces de monitorizar su propia condición y ajustar los parámetros principales para optimizar el comportamiento en un modo de funcionamiento seleccionado. 

 

También pueden añadirse nuevas características operacionales durante el tiempo de vida en servicio de un buque, mediante la actualización del sistema software, que pretenden incrementar el valor de reventa del buque.

Sección de Motor B&W 6S40ME-B9 (Foto MAN B&W, www.mandieselturbo.com)
Para satisfacer el objetivo de la fiabilidad es necesario disponer de un sistema que pueda proteger de forma activa el motor de daños causados por sobrecarga, la falta de mantenimiento y un mal ajuste. La monitorización del motor permite recoger datos de su estado de funcionamiento en tiempo real, esta información es procesada y analizada por software, activando las medidas correctoras necesarias para salvaguardar la seguridad del motor.


Una condición del sistema de monitorización debe ser utilizada para evaluar el estado general del motor, manteniendo así su funcionamiento y mantenimiento de sus parámetros de funcionamiento dentro de los límites. La condición del sistema monitorización y evaluación es un sistema on-line con muestreo automático de todos los datos de funcionamiento normales del motor, complementados por las mediciones de presión del cilindro. El sistema presentará un informe e intervendrá activamente cuando los parámetros de funcionamiento muestren desviaciones insatisfactorias. Los datos de presión del cilindro entregados por el sistema de medición se utilizan para diversos cálculos:
- La presión media indicada es determinada como un chequeo de la distribución de cargas en el cilindro, así como la potencia total del motor.
- La presión de compresión se determina como un indicador de fugas excesivas causados por, por ejemplo, una válvula de escape quemada o rotura de aros de pistón (la condición es generalmente acompañada por un aumento en la temperatura de los gases de escape del cilindro en cuestión).
- La temperatura de la pared del cilindro es monitorizada como un indicador adicional del estado de los aros del pistón.
- La presión de combustión se determina para controlar los tiempos de la inyección y para el control de las cargas mecánicas.
- La tasa de aumento de presión (dP/dt) y la tasa de liberación de calor son determinados para la evaluación de la calidad de combustión como una advertencia en caso de "malos combustibles" y para indicar cualquier riesgo de problemas en los aros de pistón en caso de altos valores dP/dt.

Motor B&W 6S40ME-B9, análisis FEM de temperaturas en cámara de combustión y pistón (Foto MAN B&W, www.mandieselturbo.com)
Monitorización completa en tiempo real de todos los parámetros de funcionamiento, consumos de combustible, emisiones contaminantes y la gestión enérgética en tiempo real.
El sistema de monitorización de la condición del cilindro tiene por objeto detectar fallas tales como fugas en los aros de pistón, ralladuras en la camisa interior del cilindro y combustión anormal. La detección de anomalías graves por los sistemas integrados da lugar a un cambio en el modo de funcionamiento del motor, pasaría a funcionar en “modo de protección del motor”. El sistema de control contiene los datos para un funcionamiento óptimo en una serie de modos diferentes, como "modo de ahorro de energía”, “modo de control de emisiones” y diversos modos de protección del motor. El limitador de carga del sistema (sistema de cumplimiento del diagrama de carga) tiene por objeto prevenir cualquier sobrecarga del motor en condiciones tales como mar gruesa, casco sucio, navegación en aguas poco profundas, hélice demasiado pesada o potencia excesiva absorbida por el alternador de cola. Estas funciones aparecerán como algo normal en las futuras especificaciones técnicas de compra.

 

El sistema de inyección de combustible funciona sin árbol de levas convencional, utilizando alta presión de aceite hidráulico impulsado por una bomba como fuente de potencia y un servo con control electrónico para controlar la bomba de inyección. Los aspectos positivos del sistema electrónico incluyen una considerable mejora del rendimiento de la combustión, de la eficiencia y, por tanto, de las emisiones contaminantes. 


Otra ventaja de los motores con control electrónico, es posible reducir de manera apreciable la velocidad de funcionamiento lento del motor, que tiene ventajas cuando el buque maniobra en aguas congestionadas, como por ejemplo el Canal de Suez. Por otra parte, la mayor utilización de sensores en los motores abre nuevas posibilidades de tareas adicionales, tales como la monitorización de la condición y la detección temprana de un posible daño. Para estos propósitos hay disponibles muchos más puntos de medida de los que había anteriormente. 

Portacontenedores Maerks Columbine navegando frente a las costas gallegas en Septiembre de 2010.

Tanto Wärtsilä como MAN B&W pretenden una flexibilidad operacional sin precedentes en términos de ahorro de combustible y optimización de las emisiones, una mejora de la fiabilidad y la maniobrabilidad (gracias a modos de velocidad de funcionamiento extremadamente lenta), y costes de funcionamiento más bajos durante el ciclo de vida. También facilitan una operación más sencilla y sin problemas por la tripulación.



La necesidad de los análisis CAE y CFD:
Todas las ventajas que proporciona la gestión electrónica del motor 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.


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.

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).


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.
Distribución de velocidades del flujo durante el barrido. Imagen obtenida con OpenFOAM.
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
Valor
Tipo de motor
Diesel, dos tiempos
Sistema de barrido
Uniflujo
Sobrealimentación
Turbocompresor
Cilindrada (cm3)
375.028
Diámetro (cm)
500
Carrera (cm)
1910
Presión media efectiva (bar)
19
Velocidad (rpm)
127
Número de cilindros
7
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.

Evolución de las fracciones másicas de aire y gases durante el barrido, análisis CFD realizado con OpenFOAM

Para llevar a cabo el estudio CFD de un motor es necesario disponer del sowftware libre OpenFOAM porque al ser un código abierto permite una completa manipulación de las ecuaciones gobernantes. Lo cual es indispensable para llevar a cabo este tipo de análisis de un motor real por ser necesario ajustar multitud de parámetros que definen de forma precisa el funcionamiento del motor, lo cual además sería muy complicado de llevar a cabo con otro tipo de programas comerciales.

Si desea recibir un curso de  formación para aprender a manejar el programa de CFD de uso libre  OpenFOAM, le recomendamos que realice el curso de Technical Courses



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FUENTES:
 
- WOODYARD (Pounder's Marine Diesel Engines And Gas Turbines, 9Th Edition).

- WARTSILLA (http://www.wartsila.com/en/marine-solutions/overview)







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