Los motores lentos fabricados actualmente se caracterizan por operar en el ciclo de dos tiempos diésel, con barrido uniflujo con válvulas de escape en culata, turbosoplante y enfriador de aire de admisión.
El ciclo de dos tiempos se realiza en dos carreras, es decir cada ciclo dura una vuelta, 360º de giro de cigüeñal, cada vez que el pistón llega al PMS (punto muerto superior) se produce la inyección y combustión en el interior del cilindro, por tanto el árbol de levas que comanda las válvulas de escape y bomba de inyección debe girar a las mismas revoluciones que el cigüeñal.
En los motores modernos la admisión de carga fresca (aire) es por medio de lumbreras localizadas en la parte baja del cilindro, mientras que la evacuación de los gases quemados es por medio de una única, pero de gran tamaño, válvula de escape de accionamiento hidráulico y situada en la culata de cada cilindro, el sistema se conoce como barrido uniflujo y proporciona una buena eficacia de barrido en motores con carreras del émbolo largas y ultra largas. El aire entra por la parte inferior del cilindro, atravesando las lumbreras con una orientación determinada, aplicando al aire una elevada velocidad tangencial que hace que ascienda describiendo una trayectoria helicoidal. De esta forma se llenan muy bien los espacios dentro del cilindro y se evita que queden restos de gases quemados.
El ciclo de dos tiempos diésel en los motores lentos modernos se realiza de la siguiente forma; Comenzando el ciclo con el pistón en el PMI (punto muerto inferior), este inicia su carrera ascendente cerrando primero las lumbreras de admisión de la camisa del cilindro y posteriormente la válvula de escape en culata, empezando la fase de compresión, que se inicia en este punto con una sobrepresión de 2 bar (carga de las turbosoplantes) y finaliza la fase de compresión en las inmediaciones del PMS (punto muerto superior) con una presión de aproximadamente 100 bar (presión de compresión). El aire se calienta por efecto de la compresión desde aprox. 50º C (a la salida del intercooler) hasta 650º C (temperatura final de compresión). Justo antes del PMS comienza la inyección de combustible, que se introduce finamente pulverizado en el interior del cilindro y se inflama al contacto con el aire caliente. Durante la combustión la presión sube aproximadamente a 150 bar (presión máxima de combustión) y la temperatura sube hasta 1500º C (temperatura máxima de combustión). En el curso de la combustión se realiza la carrera de trabajo, y la presión dentro el cilindro empuja el pistón hacia abajo. La presión y temperatura bajan rápidamente conforme se van expansionando los gases dentro del cilindro. Cuando el pistón se aproxima al PMI se abre en primer lugar la válvula de escape, siendo en ese instante la presión dentro del cilindro de aproximadamente 4 bar y los gases han reducido su temperatura a unos 600ºC. Una vez abierta la válvula de escape la presión cae rápidamente empezando la evacuación de los gases de escape, la presión en el colector de escape es de aproximadamente 2 bar y la temperatura 375º C. Mientras tanto el pistón sigue su carrera descendente y descubre las lumbreras de admisión, que permiten que el aire de carga a presión penetre en el interior el cilindro desplazando a los gases quemados en un proceso conocido como barrido. Llegado el pistón al PMI se inicia un nievo ciclo.
El barrido uniflujo es el más eficiente para realizar la renovación de la carga en motores lentos de dos tiempos, minimizando las pérdidas por cortocircuito (short-circuit) y mezclado (mixing). El cortocircuito consiste en que parte de la carga de aire fresco es expulsada directamente al escape dejando volúmenes de gases quemados si barrer dentro del cilindro. El mezclado consiste en que hay una pequeña cantidad de gases de escape residuales que permanecen atrapados sin ser expulsados dentro del cilindro, los cuales se mezclan con parte de la carga de aire fresco. Actualmente, debido a la tendencia de utilizar relaciones carrera/diámetro cada vez más elevadas (valores superiores a 4), se hace indispensable utilizar el método de barrido uniflujo en motores de dos tiempos lentos.
Los motores convencionales con distribución por árbol de levas, como los tipos MAN B&W MC, Wärtsilä-Sulzer RTA y Mitsubishi UEC, cuentan con un diagrama de distribución asimétrico, lo cual se consigue al estar la fase de escape gobernada por una válvula situada en la culata y comandada por un árbol de levas, mientras que la fase de admisión se realiza por medio de las lumbreras de carga, que son gobernadas por el pistón al descubrirlas y cerrarlas, y también por la presencia de válvulas de láminas antirretorno en los conductos de aire de carga.
En motores modernos, del tipo MAN B&W ME y Wärtsilä-Sulzer RT-flex, denominados motores inteligentes o motores controlados electrónicamente, no llevan árbol de levas, ni para el gobierno de las válvulas de escape ni para el sistema de inyección de combustible, lo cual les permite variar tanto el diagrama de distribución como el de inyección de combustible, pudiendo ajustar los tiempos del ciclo de funcionamiento a los que resulten más convenientes para cada condición de funcionamiento.
AUTOR: Carlos Rodríguez Vidal (Maquinista Naval y Doctor en Energía y Propulsión Marina por la Universidad de La Coruña).
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