Los motores de
dos tiempos diesel MAN B&W de la serie MC fueron introducidos a principios
de la década de los años 80 del siglo pasado. Su principal aplicación es la
propulsión de todo tipo de buques buques, de tamaños medios y grandes. Éstos
motores también han sido empleados en aplicaciones terrestres, principalmente
en plantas de producción de potencia eléctrica.
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| Sección de un motor de dos tiempos lento MAN B&W |
Una ventaja de
los motores MAN B&W de la serie MC es que incorporan el barrido uniflujo, mucho más eficiente que el que empleaban los antiguos competidores que llevaban
el barrido en lazo o transversal (como
eran los Sulzer RND, MAN KSZ, entre
otros). Otra ventaja es que su válvula de escape le proporciona una
distribución de la carga asimétrica.
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).
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.
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 |
En el motor estudiado, el aire fresco entre
en el cilindro a través de las lumbreras de admisión situadas en la camisa del
cilindro, los gases de escape se eliminan a través de una sola válvula de
escape en la culata de cilindro. Con el sistema de barrido uniflujo, las
pérdidas de cortocircuito son casi insignificantes, pero el problema de la
sustitución completa de los gases quemados por la carga fresca es un parámetro importante
para los ingenieros de diseño de motores.
La principal dificultad para el diseño de un motor es que hay demasiadas variables involucradas: geometría de la cabeza del pistón, y diseño de lumbreras de admisión y escape, tiempos de apertura y cierre de lumbreras, relación de compresión, la composición del combustible, y presiones de aire de barrido y de escape, entre otros. Un estudio detallado es necesario para abarcar todos estos factores. Aunque hoy en día existe una amplia gama de sofisticadas técnicas experimentales para estudiar los motores, la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) ofrece una herramienta alternativa para examinar el proceso de barrido y renovación de la carga en motores de dos tiempos (y también de cuatro tiempos).
El 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 principal dificultad para el diseño de un motor es que hay demasiadas variables involucradas: geometría de la cabeza del pistón, y diseño de lumbreras de admisión y escape, tiempos de apertura y cierre de lumbreras, relación de compresión, la composición del combustible, y presiones de aire de barrido y de escape, entre otros. Un estudio detallado es necesario para abarcar todos estos factores. Aunque hoy en día existe una amplia gama de sofisticadas técnicas experimentales para estudiar los motores, la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) ofrece una herramienta alternativa para examinar el proceso de barrido y renovación de la carga en motores de dos tiempos (y también de cuatro tiempos).
El 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.
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| Evolución de las fracciones másicas de aire y gases durante el barrido, análisis CFD realizado con OpenFOAM |
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
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Velocidad (rpm)
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127
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Número de cilindros
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7
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Potencia
(kW)
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9988
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Para llevar a
cabo el estudio CFD se ha utilizado el 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.
Para conocer con más detalle la realización de un
estudio CFD del sistema de barrido de un motor de dos tiempos lento les
recomendamos que lean el artículo “Computational Fluid Dynamics Analysis of theScavenging Process in the MAN B&W 7S50MC Two-Stroke Marine Diesel Engine”
publicado en la prestigiosa revista norteamericana Journal of Ship Research, una
de las publicaciones con mayor factor de impacto del mundo en su sector, con
una clasificación tipo A según la base de datos JCR (Journal Citation Reports).
Los resultados obtenidos con CFD se muestran en el siguiente vídeo:FORMACION:
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