Artículos Publicados por Norberto Sánchez el jueves, 8 de septiembre de 2011, lunes 12 de septiembre de 2011, miércoles 14 de septiembre de 2011 en http://maquinasdebarcos.blogspot.com
El calentamiento de la atmósfera es el principal desafío medioambiental que hoy afronta la humanidad a nivel mundial.
Entre los problemas que están actualmente en discusión figuran las principales sustancias contaminantes del aire producidas por el transporte marítimo:
Óxidos de azufre (SOx)
Óxidos de nitrógeno (NOx)
Partículas materiales en suspensión
Gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono CO2
Para resolver el tema de las emisiones de los motores diesel marinos los fabricantes de los mismos han estado desarrollando un número de soluciones posibles pero todas ellas se pueden clasificar en estrategias internas o externas.
La adopción de estrategias internas de reducción de emisiones en un motor consisten en la modificación de sus características básicas, totalmente integradas en cualquier motor diesel: Inyección de combustible, sobrealimentación, regulación, “timing” de válvulas, para lograr una temperatura de combustión menor, temperaturas más homogéneas en la cámara de combustión y el enfriamiento del aire de combustión que entra en el cilindro.
Estrategias basadas en el proceso de inyección de combustible
En estas estrategias se modifica algún parámetro o varios simultáneamente, relacionado con el sistema de inyección, que es el encargado de introducir el combustible en el cilindro.
Cómo y cuándo se produce la inyección de combustible determina el desarrollo de la combustión y la formación de emisiones.
La presión de inyección, el instante de inicio de inyección y la duración de la misma son determinantes para la atomización de combustible, el tamaños de las gotas, el proceso de mezcla combustible/aire y el choque del chorro contra las paredes del pistón.
En los sistemas de inyección convencionales la generación de presión, la dosificación del combustible y la distribución van unidas en el mismo dispositivo.
Esto produce que:
- La presión de inyección aumente junto con el Nº de revoluciones y el caudal de inyección.
- Durante la inyección aumente la presión de inyección, pero hasta el final de la inyección disminuye otra vez hasta el valor de la presión de cierre de inyector.
Las consecuencias de ello son:
- Los caudales de inyección pequeños se inyectan con presiones más bajas y la presión punta es más del doble que la presión de inyección media.
- El desarrollo de la inyección es aproximadamente triangular.
En la figura podemos apreciar, en una forma gráfica, lo expresado anteriormente. A bajas revoluciones el motor no desarrolla todo su potencial por tener una baja presión de inyección y altas revoluciones la presión punta de inyección es mayor que la necesaria.
Lo anterior mencionado no sucede con el sistema "Common Rail" ya que en estos sistemas la generación de presión está separada de la dosificación y de la inyección de combustible; esto tiene la ventaja de poder tener una presión de inyección constante que no dependa del Nº de revoluciones.
El sistema "Common Rail" permite:
_ Retrasar en el inicio de inyección
_ Incrementar la presión de inyección
_ Dividir la inyección en diferentes etapas
_ Introducir pre-inyecciones
_ Introducir post-inyecciones
_ Combinar pre-inyecciones y post-inyecciones
Incrementar la presión de inyección
Al aumentar la presión de inyección se incrementa la velocidad de penetración y por tanto el combustible llega antes al dosado estequiométrico (el necesario para la combustión por difusión).
Dividir la inyección en diferentes etapas
El control electrónico de la inyección permite efectuar una pre-inyección, la inyección principal y una post-inyección.
La pre-inyección o Inyección Piloto consiste en inyectar una pequeña cantidad de combustible unos grados antes de la inyección principal que origina un aumento de la temperatura dentro de la cámara de combustión pudiendo mejorar el grado de rendimiento de la combustión y consiguiendo los siguientes efectos:
- La presión de compresión aumenta ligeramente mediante una reacción previa o combustión parcial, con lo cual se reduce el retardo de encendido de la inyección principal.
- Se reduce el aumento de la presión de combustión y las puntas de presión de combustión, dando como resultado una combustión más suave y un menor ruido del motor.
Su efecto sobre las emisiones de los gases de escape es escaso.
La post-inyección consiste en inyectar una pequeña cantidad de combustible unos grados después de que termine la inyección principal.
El combustible inyectado en una post-inyección no se quemará en condiciones óptimas ya que es inyectado bien avanzada la carrera de expansión, aumentando la formación de hollín y el consumo del mismo.
La ventaja es una elevada temperatura de los gases quemados, facilitando la oxidación de los humos en la carrera de expansión.
Modificando la geometría de la tobera
Modificando la disposición y usando los agujeros múltiples para la inyección permite mejorar el proceso de la combustión.
Dentro de las estrategias internas, se pueden mencionar también las modificaciones que se efectúan en los diferentes sistemas que intervienen en el proceso de introducción del comburente (aire) en el interior del cilindro (tumble, swirl, squish band, “timing” de válvulas y sobrealimentación) con el objetivo de aumentar el rendimiento del motor y disminuir las emisiones de gases contaminantes a la atmósfera.
En este caso, las alternativas que parecen más adecuadas son las siguientes:
a) El diseño de los colectores de admisión, la cámara de combustión y la corona del pistón.
b) Modificar la relación de compresión efectiva del motor mediante la modificación del ángulo de cierre de la válvula de admisión.
Esta estrategia es la base del ciclo Miller.
c) Incrementar la presión de sobrealimentación.
Los numerosos estudios realizados sobre cada una de estas alternativas han demostrado que generalmente las estrategias internas que reducen las emisiones de NOx incrementan las de partículas y viceversa.
Este problema es conocido en el ámbito de la investigación en motores como el dilema Diesel.
El requisito clave para emisiones bajas en NOx es un aumento de la relación de compresión del motor. Hace años, una relación de compresión de 11 a 12 era el estándar.
Para cumplir con las normas IMO Tier I, la relación de compresión se aumentó a 14 ó 15, y para IMO Tier II fue necesario relaciones de compresión de 17.
El otro pilar del concepto es el Ciclo de Miller, es decir, la modificación de la sincronización de válvulas del motor para obtener una combustión más fría.
Para cumplir con las reglamentaciones de IMO Tier I sólo se utilizaba un efecto Miller pequeño de 5%. Sin embargo, IMO Tier II requiere un efecto Miller de 20%.
Éste es un gran reto para el turbocompresor, el cual tiene que proporcionar presiones muy altas de sobrealimentación para mantener los valores actuales de la Presión Media Efectiva.
El diseño de los colectores de admisión, la cámara de combustión y la corona del pistón
Tumble, Swirl y Squish
Las medidas incluyen mejoras de la geometría de la corona del pistón y reducción de la formación de vórtices a la entrada de la cámara de combustión.
Un mayor grado de turbulencia se puede alcanzar con el movimiento en el gas a medida que este se introduce a través de las válvulas por medio de un diseño adecuado de los colectores de admisión y de la cámara de combustión. El efecto que se pretende conseguir es optimizar el aprovechamiento del oxígeno contenido en el gas atrapado en el cilindro.
Las investigaciones confirman que la generación de movimiento en dirección axial paralela al eje del cilindro (tumble) y en dirección tangencial (swirl) durante la carrera de admisión, favorece posteriormente el fenómeno de propagación de la llama tras la carrera de compresión.
En el caso de motores Diesel, es mucho más relevante el movimiento de swirl que el movimiento de tumble.
Squish es el espacio libre existente entre la cabeza del pistón cuando se encuentra en su PMS y la pared inferior de la culata.
El resultado final es un incremento del rendimiento térmico y una reducción importante en las emisiones de CO y HC.
Mencionaremos también dentro de las estrategias internas, a las mejoras utilizando un control electrónico avanzado del motor y una mayor intensificación del Ciclo Miller que ha sido posible con la introducción de los turbosoplantes de dos etapas, que proporcionan relaciones de presión del aire de alimentación de hasta 7:1.
Todas las normas legisladas sobre reducción de emisiones de los motores prestan especial atención a la emisión de los óxidos de nitrógeno (NOx) formados, en más del 90%, por las elevadas temperaturas que se alcanzan durante la combustión.
El objetivo de los constructores es la adopción de sistemas que permitan una temperatura de combustión menor, temperaturas más homogéneas en la cámara de combustión y el enfriamiento del aire de combustión que entra en el cilindro, para lograr motores con emisiones de NOx progresivamente menores.
Ciclo Miller y el “timing” de válvulas
El Ciclo Miller supone el cierre temprano de la válvula de admisión haciendo que el aire que entra en el cilindro se dilate y se enfríe y, consecuentemente, se reduzcan las temperaturas puntas durante la combustión.(ver figura)
Sin embargo, un tiempo de admisión más corto podría conducir a que entre menos aire y por lo tanto menos oxígeno en el cilindro para combinarse con el combustible, lo que resultaría en una menor potencia y par motor.
Con las presiones elevadas de los turbosoplantes de dos etapas se asegura una cantidad de aire igual o incluso mayor que puede entrar en el cilindro en el menor tiempo disponible.
Los datos de la aplicación de estos sistemas sobre un motor MAN con un Ciclo Miller intensivo en condiciones de plena carga y presiones del turbosoplante de 6,5 hasta 7, indican que se han obtenido reducciones de NOx de más del 30%, reducciones en el consumo de combustible de hasta el 8% y un aumento del 15% en el rendimiento de la potencia especifica.
En motores utilizados en la Propulsión Marina, con elevados rangos de potencia y demandas variables de carga, se utiliza una versión del Ciclo Miller con regulación del “timing” de válvulas variable (Variable Valve Timing - VVT) según la carga.
En la figura se puede ver un sistema de este tipo:
La variación en la sincronización y la elevación de la válvula es alcanzada interponiendo un compartimiento de alta presión del aceite en el tren de válvula del motor entre la válvula y su sistema mecánico de la impulsión.
Turbocompresión en dos etapas
La aplicación de estos sistemas requiere una elevada presión de sobrealimentación que es posible por la aplicación de los nuevos turbocompresores de dos etapas con tecnología de área de turbina variable (Variable Turbine Area - VTA).
El segundo turbosoplante, más pequeño, está equipado con el sistema VTA para el control más preciso de la salida del aire de carga.
El VTA es un sistema que realiza la regulación de la salida del turbocompresor por medio de toberas con anillos de álabes regulables en lugar de anillos de álabes fijos.
El ajuste del área de paso por los álabes regula la presión de los gases de escape, obligando a la turbina a variar el flujo de salida del compresor.
Se consigue así optimizar el suministro de aire de carga en todos los puntos en el mapa de rendimiento del motor, permitiendo que la cantidad de aire de carga coincida con más exactitud con la cantidad de combustible inyectada en beneficio de las emisiones, el consumo y la respuesta del motor a cambios de carga.
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