martes, 27 de septiembre de 2011

El sistema de inyección Common-rail en los motores Wärtsilä de cuatro tiempos

El desarrollo y la aplicación de los sistemas de inyección de combustible conocidos como common-rail es, en la actualidad, el principal objetivo en la industria de los grandes motores diesel.

Siempre que las nuevas tecnologías abren nuevas oportunidades hay varios caminos que se pueden elegir para su implementación. Trataré de explicar los conceptos utilizados por Wärtsilä

Los elementos básicos
El sistema del common-rail (CR) consiste en cuatro partes básicas:

La bomba
El carril común
El inyector
La unidad de control

Los principales objetivos de Wärtsilä en el diseño de estos motores han sido:

_ Niveles bajos de emisión, particularmente valores bajos de humo (ningún humo visible), para todas las cargas y velocidades, incluidas las condiciones transitorias.

_ La aplicabilidad de esta tecnología a los motores existentes, sin un cambio demasiado grande en el diseño de las piezas importantes del motor, evitando grandes inversiones en herramientas utilizadas en la producción y por tanto evitando retrasar su introducción en el mercado.
_ Aplicar el concepto con un alto grado de seguridad y confiabilidad operacional en todas las condiciones de trabajo.
_ Que los costos de producción se encuentren en un nivel comparable al de los motores equipados con los sistemas convencionales de inyección de combustible.

_ Alcanzar una eficacia mecánica en el proceso de la inyección del combustible que sea claramente mejor que en el sistema convencional.

Las razones que se tuvieron en cuenta en el desarrollo de las distintas partes del sistema

La bomba
El propósito de la bomba es llenar el carril común del combustible y mantener la presión en el nivel pedido por la unidad de control.
Esta presión puede variar entre 900-1500 bar dependiendo de cuál es el grado óptimo para cualquier punto de funcionamiento particular.

La tecnología a aplicar aquí está entre dos conceptos principales:

a)    Una sola unidad de la bomba que consiste en varios elementos de bombeo conducidos por el cigüeñal a través de un engranaje.

b)       Con un árbol de levas que mueve la bomba a impulsos, semejantemente a las bombas de inyección convencionales.

Wärtsilä eligió el último concepto (figura 2)


Esta es una tecnología bien conocida que puede ser considerablemente simplificada para su uso en los sistemas de common-rail comparado a las bombas convencionales.

Puesto que la sincronización del bombeo no tiene importancia, la velocidad de bombeo puede ser aumentada empleando dos o más lóbulos en el árbol de leva por cada bomba. De esta manera el tamaño y el número de bombas se pueden reducir perceptiblemente.

La bomba tiene en la descarga una válvula de control de caudal y una válvula de no-retorno del combustible desde el acumulador.

La seguridad operacional está asegurada ya que el motor todavía puede entregar más del 80% de la potencia nominal si una bomba está fuera de operación.

El acumulador
El acumulador (figura 3) es el que almacena el combustible presurizado y es el elemento que le da el nombre al sistema,
common-rail.


La primera idea es que el common-rail sea una tubería que vaya desde el primero hasta el último cilindro. Sin embargo, hay importantes razones para partirlo en varios tramos más pequeños y esto ofrece las siguientes ventajas:

_El volumen del acumulador se puede concentrar cerca de los inyectores, que es una ventaja desde el punto de vista hidrodinámico.

_ Los acumuladores, pueden ser piezas simples, estandarizadas y fáciles de fabricar en acero de alta calidad.

_ Con un acumulador y una bomba por cada dos cilindros el flujo de volumen entre los acumuladores es mínimo y las variaciones de la presión de un cilindro a otro se eliminan.

_Los acumuladores se pueden fijar fácilmente sobre el bloque de motor, lo que elimina el riesgo de vibraciones peligrosas.
 _ Un importante aspecto de la seguridad es que el sistema puede ser fácilmente blindado y cualquier pérdida de combustible se puede recoger fácilmente en un sistema separado de drenaje.

El inyector
Es la parte más importante de todo el sistema (figura 4a)


Desde el comienzo Wärtsilä tomó dos decisiones:

Decisión 1:
Emplear un sistema servo-hidráulico de aceite, con una válvula piloto, para el control de la inyección, en vez de utilizar directamente el
fuel-oil.
La razón principal de esto es que el sistema está hecho para usar fuel-oil pesados que son calentados a 150°C  o más y pueden limitar el curso de la vida de la armadura del solenoide.

Otra razón es el riesgo del desgaste por erosión y obstrucción de las pequeñas perforaciones esenciales para el control apropiado de la inyección. Es más fácil filtrar el aceite que el fuel-oil pesado.

Decisión 2:
No tener la presión del carril (acumulador) sobre el asiento de la tobera cuando no se está inyectando.
La razón principal de esto es seguridad para el buen funcionamiento en el caso de inyectores que gotean. El período de no-inyección representa más del 95% del total.
Una característica esencial del inyector es que la presión del carril ayuda en el cierre de la aguja.

Desde un punto de vista funcional no es necesaria pero desde la perspectiva de el control de la combustión es crucial (operación sin humo).

El punto es asegurar la apertura rápida de la aguja en el inicio de la inyección y un rápido cierre en el final de la inyección (figura 4b).
Si aplicáramos un sistema convencional no se conseguiría suficientemente rápido. 


La unidad de control
La unidad de control, (figura 5), tiene dos tareas básicas:
En primer lugar, controlar la sincronización y la cantidad del combustible inyectado, y en segundo lugar controlar el relleno y la presión en los acumuladores.


Las unidades de control electrónico se han utilizado en los motores de Wärtsilä, diesel y gas, por muchos años.

Fuente: Wärtsilä

sábado, 24 de septiembre de 2011

Sistemas de inyección de combustible. De Rudolf Diesel a la Regulación Electrónica

Un día de julio de 1893, después de 15 años, que fueron los años que tardó Rudolf Diesel para llegar a construir su primer prototipo, se probaría su primer motor experimental, que supuestamente funcionaría con carbón pulverizado.

Para Diesel la idea nació en una conferencia escuchada en 1878 en la cual se desarrollaba el tema del ciclo termodinámico del Ingeniero francés Sadi Carnot, el cual prometía transformar el 70% de la capacidad calorífica del combustible en trabajo útil.

Por supuesto, los primeros ensayos no fueron satisfactorios. Recién en febrero de 1894 podemos decir que se produce el nacimiento de lo que hoy conocemos como Motor Diesel.
No fue hasta 1897 que Rudolf Diesel logra construir un motor apto para ser utilizado a escala industrial. Este nuevo prototipo tenía 20 litros de cilindrada y desarrollaba una potencia de 20 CV a 170 R.P.M. La máquina superaba en rendimiento a todos los motores de la época, incluyendo a los de vapor.

Las palabras de Diesel en ese momento fueron "Tanto he superado todo lo que existe en la esfera de la construcción de maquinarias que ahora puedo afirmar, con seguridad, que marcho a la cabeza del progreso técnico".

Después de más de 100 años de evolución del Motor Diesel llegamos a la actualidad.

Las crecientes exigencias en los Motores Diesel respecto al incremento de prestaciones, reducción de ruido, disminución del nivel de contaminación y reducción de consumo, llevaron a los constructores de motores a diseñar sistemas de inyección cada vez más sofisticados y eficaces.

A partir del año 1990, después de diferentes análisis, los técnicos encontraron que los sistemas de inyección, utilizados hasta ese momento, no permitían gestionar la presión de inyección de modo independiente respecto al número de revoluciones y a la carga del motor, ni permitían la pre-inyección.

Esta búsqueda llevará, algunos años más tarde, a utilizar sistemas de control de la inyección totalmente electrónicos que permiten adaptar el caudal de inyección y la inyección, a fin de optimizar el funcionamiento y rendimiento.


La regulación electrónica del motor permite:
- Regulación óptima del caudal de arranque.
- Regulación del ralentí independiente de la carga.
- Regulación del caudal óptimo de inyección de plena carga.
- Determinación exacta del comienzo de la inyección.
- Regulación de la re-circulación de gases de escape.
- Regulación simplificada del régimen de rotación.
- Interfaz de comunicación para la auto diagnosis.

El último desarrollo para la inyección de combustible en un Motor Diesel es el conocido como Common Rail. Su principal característica es que no dispone de una bomba inyectora distribuidora, sino que la presión (que alcanza valores muy elevados, pudiendo llegar a ser de aproximadamente 1.350 bar), se genera en una bomba sin ningún tipo de sincronismo con el cigüeñal. La sincronización de los inyectores se logra por medios electrónicos (captadores, sondas, actuadores, etc.).

El conducto común, (common rail) es una tubería de la que parte una ramificación para cada inyector. La principal ventaja de este sistema es que la presión con que trabaja es casi independiente de las RPM del motor y de su carga; es decir, que aunque el motor gire despacio, es posible inyectar el gasoil a una presión muy alta y casi constante durante todo el proceso de inyección.

El sistema “common rail” ofrece una serie de ventajas con respecto a los sistemas de alimentación tradicionales, que se traduce en una mayor potencia específica, un menor consumo y menor emisión de gases contaminantes; además, los motores resultan menos ruidosos.
Al no haber un sistema mecánico que rija cuándo se debe inyectar el combustible, se puede elegir libremente cuándo inyectar, incluso realizar varias inyecciones en un mismo ciclo. En los sistemas más avanzados hay hasta 5 inyecciones en vez de solo la pre-inyección y la principal.

El calculador de inyección incorpora los siguientes parámetros:
- régimen motor
- temperatura del agua
- temperatura del aire
- temperatura del combustible
- presión del combustible
- presión atmosférica
- posición del acelerador

Y realiza las funciones siguientes:
- determinar la duración de inyección a partir de la presión de combustible
- gobernar una pre-inyección y la inyección principal
- gobernar el caudal de combustible inyectado

En la actualidad podría ser interminable la lista de aplicaciones en las que se utiliza un Motor Diesel; tantas, que hasta el propio Diesel se asombraría.

Según las estimaciones, el petróleo se agotará. Es decir, que será muy difícil que la tecnología, dependiente del petróleo y sus derivados, logre sobrevivir.
Por lógica, los Diesel tendrán que ir cediendo su espacio a otros tipos de motores, pero no será tan fácil olvidarlos. Mientras que esto suceda, tendremos que seguir con su desarrollo.

martes, 20 de septiembre de 2011

Consideraciones sobre el combustible para Motores Diesel

El combustible, además de crear energía, ejerce influencia en la operación del motor.
Representa también el gasto de operación más alto.
Desafortunadamente, ocurre con frecuencia que al aumentar los costos del combustible, la calidad del combustible disponible disminuye.

Es importante entender los efectos en el motor de un combustible de baja calidad. El uso de combustible inadecuado puede resultar en un desgaste excesivo del motor y quizás en una avería prematura del mismo.

Condiciones que debe reunir un buen combustible:

Debe evaporarse fácilmente y formar una mezcla homogénea con el aire aspirado.

Debe permitir una buena pulverización.

Debe facilitar el arranque rápido y seguro del motor independientemente de la temperatura ambiente.

Debe contribuir a disminuir el desgaste y corrosión de las partes internas del motor.

La combustión debe llevarse a cabo sin la formación de depósitos sobre las paredes de la cámara de combustión.

Las características del combustible deben ser tales que aseguren una combustión completa con la menor emisión de productos contaminantes.

Variables que intervienen en la entrega de potencia

Si la pulverización (como consecuencia de la viscosidad) se ve afectada, se incrementa el humo de escape y los depósitos carbonosos, entrando el motor en un círculo vicioso: a mayores depósitos de carbón, peor pulverización y la consecuente peor combustión, más humo, más carbón y más depósitos carbonosos, etc. etc... 

Variables que intervienen en la calidad de encendido de un motor diesel

· Número cetano (retardo del encendido).
· Tipo y estado del sistema de inyección.
· Temperatura del motor. · Diseño mecánico del motor.
· Viscosidad (afecta la pulverización).
· Composición química del combustible.
· Condiciones ambientales.

De las bombas mecánicas que inyectan a presiones del orden de los 250 kg/cm2 pasamos a los actuales sistemas commonrail o los inyectores-bomba controlados electrónicamente que inyectan a 1200 a 2100 kg/cm2.

La idea básica de estos nuevos sistemas es lograr una pulverización mucho más fina con la suficiente penetración dentro del cilindro, cosa de permitir un mejor contacto entre el combustible y el oxígeno, facilitando así el inicio,  progreso y eficiencia de la combustión y disminuyendo el humo.

Además, al estar la inyección del combustible controlado electrónicamente se puede jugar con pulsos múltiples de inyección y con el ingreso inicial de una pequeña cantidad de combustible (inyección piloto), a los fines de evitar las combustiones y crecimientos de presión bruscos propios de los sistemas convencionales.

La idea es que el encendido del combustible se produzca inmediatamente después de iniciada la inyección, porque si no sucede así se comenzará a acumular combustible pulverizado y cuando se inflame la masa acumulada lo hará de forma explosiva.

El exceso de viscosidad atenta contra la formación de las micro gotas  y por lo tanto afecta desfavorablemente la combustión.

Esta habilidad de encender rápidamente está en buena parte medida por lo que se conoce como Número Cetano. A mayor número cetano mejor inflamabilidad. El diseño de los motores diesel actuales consideran necesariamente un combustible con un número de cetano no menor de 55.

Variables que intervienen en el desgaste del sistema de inyección de combustible 

· Diseño del motor.
· Tipo del sistema de inyección.
· Contenido de azufre.
· Viscosidad (afecta a la lubricación del sistema de inyección).
· Composición química del combustible.
· Presencia de partículas abrasivas.

Las bombas inyectoras y los inyectores están lubricados y enfriados por el propio combustible. Esto es válido tanto para los viejos como para los actuales sistemas.

Ahora la pregunta es:

¿Todos los combustibles diesel tienen naturalmente la misma capacidad para enfriar y lubricar los componentes del sistema de inyección?

La respuesta es que para enfriar son bastante parecidos entre sí, pero para lubricar definitivamente No Lo Son.

Y aquí viene el origen del problema: El Azufre. Por lo general casi todos los petróleos contienen un cierto porcentaje de azufre y ocurre que el principal agente lubricante que puede contener el gasoil es precisamente el azufre.

Los efectos del azufre como contaminante van desde la formación de óxidos de azufre emitidos por el escape que son formadores del smog y de la lluvia ácida, hasta ser formadores de carbón en el interior del motor; empeoran las condiciones de combustión y agotan prematuramente el lubricante al contaminarlo con ácido sulfúrico más allá de la capacidad de control del propio aceite, con las previsibles consecuencias de corrosión interna de varios componentes del motor.

¿Entonces si le quito el azufre, tal como piden las actuales normas de emisión, voy a tener inevitables problemas de desgaste? No si reemplazo el citado azufre por algún otro compuesto o aditivo que cumpla la misma función, pero que además no contamine.

Teniendo en cuenta todo lo anterior nos damos cuenta de la importancia de la decisión al elegir el combustible que alimentará los motores para aumentar la eficiencia energética y la disminución de la emisión de gases contaminantes a la atmósfera.

sábado, 17 de septiembre de 2011

La importancia de la inyección electrónica en el control de la contaminación de la atmósfera.

En el mundo actual, el desarrollo económico lleva implícita la necesidad de usar cantidades crecientes de energía.

Buena parte de la energía consumida actualmente en el mundo se obtiene a través de reacciones de combustión y los combustibles más ampliamente empleados son los llamados combustibles fósiles.

Combustión: Combinación de un combustible con un comburente con desprendimiento de calor. En los motores de combustión interna, esta reacción se provoca para aprovechar la energía que libera.

Combustibles fósiles: Sustancias que se han originado por la destrucción o transformación de residuos animales y vegetales de otras épocas geológicas. Petróleo, gas natural y carbón son los combustibles fósiles que se usan en mayor cantidad a escala mundial.

En los compuestos que contienen carbono e hidrógeno, si la combustión es completa, todo el carbono aparece en CO2 y todo el hidrógeno en H2O. Si la reacción es incompleta (porque el oxígeno sea insuficiente o porque el tiempo de reacción haya resultado escaso) aparecen otros productos de oxidación, como CO u otros compuestos de carbono con oxígeno (e hidrógeno).

Por necesidades técnicas, para que la combustión sea realmente completa, hay que aportar más aire del que, teóricamente, según la estequiometría (cantidad de oxígeno, o en su caso aire, que hace falta para quemar una cierta masa de combustible) es necesario; o sea, que en la práctica, con la cantidad teórica de aire no se logra una combustión completa; se requiere un exceso de oxígeno que, aunque quede sin reaccionar, tiene que estar presente. En los motores diesel en general se habla de un 40% de exceso de aire.

La contaminación por NOx

Es bien sabido que los NOx emitidos a la atmósfera pueden causar daños al ecosistema y son especialmente agresivos por su carácter ácido. La creciente contaminación de los NOx ha llevado a las naciones tecnológicas e industrialmente más avanzadas a limitar sus emisiones.

Las técnicas desarrolladas para controlar las emisiones de los NOx se pueden clasificar en dos grupos: aquellas consistentes en modificaciones en la combustión para reducir la formación de los NOx "medidas primarias" o aquellas consistentes en el tratamiento de efluentes para eliminar los NOx "medidas secundarias".

El desarrollo de los diferentes sistemas que utilizan la electrónica para controlar el funcionamiento del motor las podemos involucrar dentro de las medidas primarias.

En este caso me referiré a las tecnologías de los sistemas electrónicos aplicadas por Caterpillar:

(PEEC) Programable Electronic Engine Control. Control Electrónico Programable del Motor.

a) La electrónica reemplaza al regulador de velocidad.
b) Todavía se emplea la bomba de combustible.
c) Varillaje del acelerador sustituido por acelerador electrónico.
d) Control electrónico de la relación aire/combustible.
e) Empleo de censores para monitorización.

(MEUI) Mechanical Electronic Unit Injectors. Inyector Unitario Mecánico Electrónico.

a) Inyector unitario electrónicamente controlado y mecánicamente actuado (árbol de levas de inyección).
b) La bomba de transferencia de combustible reemplaza a la bomba en línea (Bomba de inyección).


Funcionamiento inyector unitario MEUI


(HEUI) Hydraulic Electronic Unit Injectors. Inyector Unitario Hidráulico Electrónico

a) Inyector unitario electrónicamente controlado e hidráulicamente actuado (Se elimina el árbol de levas de inyección).
b) La bomba de transferencia de combustible reemplaza a la bomba en línea (bomba de inyección).
 
De acuerdo con las especificaciones del fabricante, el Motor CAT 3516B operando a 100% de su capacidad le corresponden las siguientes tasas de emisión, expresadas en gramos del contaminante por caballos de fuerza de potencia efectiva por hora:

NOx: 6.9 g/hp-hr
CO: 0.35 g/hp-hr
COV: 0.13 g/hp-hr

Partículas: 0.103 g/hp-hr

Los motores anteriores, de la serie A, tenían inyección de combustible mecánica y producían emisiones de NOx del orden de 12 g/hp-hr.

Este motor de la serie B es una unidad de baja emisión y de mezcla pobre, lo que significa que la proporción del carburante se minimiza respecto de la cantidad de aire en la mezcla aire-combustible.

La tecnología de combustión de mezcla pobre se valió de la inyección electrónica para acercarse al límite de 6.9 g/hp-hr, que es la tasa de emisión de NOx establecida en California para generadores de este tamaño con Motor Diesel.

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas

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