Diseño de Motores 2T diesel marinos, la necesidad de los análisis CAE y CFD

Todas las ventajas que proporciona la gestión electrónica recientemente introducida en los modernos motores de 2T marinos (motores lentos, Low Speed) 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. 

 

El cálculo de esfuerzos y la resistencia de los materiales de los elementos que componen el motor son validados por medio de análisis FEM, o cálculo por elementos finitos a partir de los modelos 3D previamente realizados por ordenador, lo que se conoce como CAD 3D, es decir los componentes son creados virtualmente por ordenador a escala real, posteriormente todos estos elementos, ordinariamente compuestos por miles de elementos son ensamblados en conjuntos y subconjuntos, para crear un motor completo realizado por ordenador. Posteriormente se analizan por medio del CAE el comportamiento de estos elementos, se le aplican a las geometrías las propiedades de materiales con las que están fabricados, condiciones de contorno, restricciones y cargas, etc. Se realizan miles de simulaciones FEM para validar el comportamiento de cada uno de los elementos que componen el motor. 

 

A continuación se muestra el comportamiento del cigueñal de un motor sometido a las cargas que recibirá durante su funcionamiento real una vez contruido, el análisis muestra el nivel de tensiones que recibe el material en cada punto de su geometría.

Análisis por elementos finitos del nivel de tensiones de un cigueñal de un motor lento de 2T.

 

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

FORMACIÓN:

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FUENTES:

 

- Software gratuito para cálculo por Elementos Finitos

- Control de emisiones en motores marinos y métodos para su reducción.

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

 - Mecánica de Fluidos Computacional (CFD). Aplicaciones Navales 

- ANALISIS CFD DEL MOTOR MARINO MAN 7S50MC