Desde sus comienzos, el motor de dos tiempos ha sido ampliamente utilizado en aplicaciones de pequeña y mediana potencias debido a su sencillez, ligereza, tamaño compacto, elevada potencia específica y robustez. Los principales inconvenientes frente al motor de cuatro tiempos son el elevado consumo de combustible y la producción de contaminación. Sin embargo, recientemente mejoras como la incorporación de la inyección directa y la unidad de control por computadora han propiciado el resurgimiento de este tipo de motores.

Es bien conocido que para el buen funcionamiento de un motor, tanto de cuatro como de dos tiempos, el proceso de renovación de la carga de gases frescos es fundamental (Arias-Paz, 2000; Blair, 1996). Un inconveniente general que presentan los motores de dos tiempos se debe a la utilización de un diagrama de distribución simétrico, ya que la renovación de la carga dentro del cilindro es gobernada por el propio pistón al subir y bajar, abriendo y cerrando las lumbreras de transferencia y de escape. Para que no se produzcan retrocesos al cárter, la presión dentro de la cámara debe ser inferior a la de las lumbreras de transferencia.

Para conseguir esto las lumbreras de escape deben ser abiertas antes que las de transferencia, lo cual tiene como consecuencia negativa la pérdida de cierta cantidad de gases frescos por el escape. Otro inconveniente es el cortocircuito, que tiene lugar cuando los gases frescos pasan directamente al escape dejando volúmenes de gases quemados sin ser barridos dentro del cilindro. El arrastre de gases frescos y el cortocircuito constituyen las principales desventajas de los motores de dos tiempos puesto que influyen muy negativamente en el rendimiento, consumo y generación de gases contaminantes.

La principal dificultad que aparece a la hora de diseñar un sistema de barrido eficaz es que son muchas las variables implicadas en el proceso: geometría, diseño de las lumbreras, tiempos de admisión y escape, relación de compresión, dosado, etc., siendo necesario un estudio detallado de cada uno de estos parámetros. Aunque actualmente se dispone de técnicas experimentales muy avanzadas para proporcionar información del flujo en el interior del cilindro, la dinámica de fluidos computacional (CFD) ofrece un método alternativo que permite reducir el coste de dinero y tiempo que supone un montaje experimental. El término CFD proviene de las siglas del inglés “Computational Fluid Dynamics”, lo cual se traduce al castellano como “Mecánica de Fluidos Computacional”. Es una rama de mecánica de fluidos que utiliza procedimientos iterativos para conocer en detalle las características de los flujos. En los últimos años, el avance del CFD y de la computación ha dado lugar a la generalización de uso en la industria.

El motor estudiado en el presente trabajo es monocilíndrico, con tres lumbreras de transferencia de forma rectangular y una lumbrera de escape de forma elíptica. Las características más importantes se enumeran a continuación:

En este trabajo se ha estudiado solamente el proceso de barrido sin considerar la combustión, para lo cual el instante inicial ha tenido que elegirse tal que la combustión se encuentre completada. Concretamente se ha simulado desde 90º de ángulo de cigüeñal hasta 270º, realizándose un total de 180º de recorrido, correspondiendo a 0,005 segundos, debido a que el motor gira a 6.000 rpm.

Fases del análisis:

Todo proceso de análisis CFD se compone de 3 etapas:

-       Preproceso o generación de la malla computacional.

-       Cálculo mediante la solución de las ecuaciones gobernantes.

-       Postproceso o visualización de los resultados.

Malla 3D:

Malla 3D estructurada a partir de elementos hexagonales.

Cálculo CFD:

Las ecuaciones gobernantes son las clásicas de mecánica de fluidos de conservación de la masa, cantidad de movimiento y energía. El proceso se ha modelado como mezcla de dos especies, aire y gases quemados, ambas con comportamiento de gases ideales. Se podrían modelar todos los componentes que intervienen realmente, pero al no estar tratando la combustión, la influencia en los resultados sería prácticamente irrelevante.

En cuanto a turbulencia, se ha empleado el modelo k-ε estandar debido a que tiene la ventaja de ser robusto, computacionalmente económico y lo suficientemente preciso para un amplio rango de casos. El tratamiento en las regiones cercanas a las paredes ha sido mediante las funciones estándar de pared.

Visualización de Resultados:

La siguiente secuencia de imágenes muestra el campo de velocidades durante el proceso de barrido para valores del ángulo de cigüeñal de 92,5º, 190º, 215º y 270º. Se muestra claramente como en las lumbreras de entrada (tranferencia) circulan gases frescos hacia el interior del cilindro y en la lumbrera de escape salen gases quemados. Además, en el interior del cilindro se observa como los gases frescos desplazan a los quemados dentro de la cámara de combustión. Las zonas de color rojo muestran velocidades más elevadas y en azul las velocidades más bajas, la escala no es la misma se va adaptando al rango de valores para cada paso de tiempo.

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El diseño de la carrocería de un vehículo tiene una importancia decisiva en la calidad de su aerodinámica, cuestiones tales como las prestaciones, la estabilidad, la adherencia al suelo y el consumo de combustible dependen directamente de las formas de la carrocería y de su aerodinámica.

La aerodinámica es la parte de la mecánica de fluidos que se encarga de estudiar los fenómenos que se originan cuando existe movimiento relativo entre un sólido y el fluido gaseoso que lo rodea, determinando las presiones y fuerzas que se van a generar.

Cuando un vehículo se desplaza tiene que apartar un volumen importante de aire para poder avanzar y también facilitar que se rellene el vacío que generan tras de sí. A velocidades bajas, esta fuerza es relativamente pequeña pero a velocidades altas se convierte en la principal resistencia que debe vencer la potencia del motor para conseguir ganar más velocidad.

La magnitud de las fuerzas aerodinámicas que se generan cuando un vehículo se desplaza por la carretera, va a depender de las características del aire (viscosidad y densidad) y del sólido. El sólido, en este caso un automóvil, ha de considerarse su forma, su rugosidad superficial, el área de contacto con el aire y, sobre todo, la velocidad relativa entre éste y el aire.

Todo esto se traduce en que, sobre cada punto de la superficie del automóvil, estén presentes un par de fuerzas, una fuerza de presión, normal a la superficie del cuerpo, debido a la velocidad relativa entre ambos, y una fuerza de rozamiento, tangente a la superficie del cuerpo, debida a la viscosidad del aire.

Si sumamos todas las fuerzas de presión que actúan sobre los diferentes elementos de superficie obtenemos, como resultante, una fuerza neta total, que estará aplicada en un punto imaginario, denominado centro de presiones. Si establecemos la dirección de movimiento del fluido (o automóvil) y descomponemos esa fuerza neta en dos componentes, en la dirección de dicho movimiento y en su perpendicular, tenemos que la primera de esas componentes, llamada fuerza de arrastre (arrastre inducido) se opone al avance del vehículo y la segunda, llamada fuerza de adherencia o sustentación, hace que el vehículo se adhiera o tenga tendencia a separarse del suelo.

Si sumamos todas las fuerzas de rozamiento que actúan en los diferentes elementos de superficie obtenemos una resultante total, aplicada en dicho centro de presiones. Si la descomponemos en las dos direcciones anteriores, obtenemos en la dirección de movimiento del fluido una fuerza de arrastre que se opone al desplazamiento del vehículo.

Dada la complejidad de los efectos del aire sobre el vehículo y con la finalidad de facilitar su estudio, se hace depender dichas relaciones de una única variable, los llamados coeficientes. Estos coeficientes permitirán predecir los efectos aerodinámicos sobre un cuerpo determinado (prototipo) a partir de las mediciones obtenidas sobre el modelo conocido.

Los coeficientes más utilizados en el caso de la aerodínámica de un vehículo, son el coeficiente de arrastre (Cx) y el coeficiente de sustentación (Cz), que se determinan por una simple división entre las fuerzas correspondientes, fuerza de arrastre (Fx) o fuerza de sustentación (Fz), y el producto de la presión dinámica por una superficie de referencia. Valores todos ellos conocidos en ese entorno controlado.

Se llama coeficiente de penetración Cx porque la x indica una dirección en un eje de tres coordenadas; al coeficiente vertical o de elevación se le denomina Cz por la misma causa. Otra forma de referirse al coeficiente de penetración es Cd, donde la d es la inicial de la palabra inglesa «drag»; según esta nomenclatura, el coeficiente de elevación es Cl, por lift.

El coeficiente aerodinámico Cx es la expresión de la resistencia que ofrece un cuerpo a moverse dentro de un fluido por razón de su forma. Se toma como un coeficiente adimensional, a partir de la resistencia que hace una plancha cuadrada de metal, de 1 m de lado. Al coeficiente de la plancha se le atribuye el valor 1, y a otros cuerpos se les atribuye un valor como referencia a ese.

Hasta cierto punto, el Cx es independiente del tamaño del cuerpo y de la velocidad del fluido. A partir de cierto punto, puede haber variaciones en el Cx por cualquiera de las dos causas. Por esta razón, cuando se trabaja con modelos a escala para estudiar la aerodinámica de una forma, esta escala no suele ser menor de 1 a 5.

El Cx en la mayoría de los coches de producción está entre 0,25 y 0,40; algunos coches experimentales o prototipos bajan de 0,20. El Cx es uno de los datos necesarios para calcular la resistencia aerodinámica Rx. El otro dato es un área de referencia que, en coches de producción, es equivalente a la superficie frontal. La razón por la que se escoge la superficie frontal es que se supone que por detrás del plano de mayor área es donde se produce la separación del flujo aerodinámico de la carrocería; esta separación del flujo es la principal causa de resistencia aerodinámica en coche de producción.

Al multiplicar el coeficiente de penetración Cx, tomado como número adimensional, por la superficie frontal expresada en m², queda un valor de resistencia aerodinámica SCx, expresado en también m².

Por tanto la resistencia aerodinámica Rx depende fundamentalmente de cuatro factores: la densidad del aire, la velocidad al cuadrado, la superficie frontal y el coeficiente de resistencia aerodinámica del vehículo, todo ello multiplicándose y por tanto influyendo en la misma medida. Si dividimos el resultado de esa multiplicación entre dos, tenemos la fórmula completa, pero lo que importa aquí es lo que son y cómo actúan cada uno de esos factores.

Rx = ½ d _x v² _x A _x C_x

Rx= Resistencia aerodinámica (N))
d = Densidad del aire (kg/m3)
v² = velocidad al cuadrado (m²/s²)
A = Superficie frontal (m2)
C_x = Coeficiente de resistencia aerodinámica

¿Cómo evaluar la calidad aerodinámica de un vehículo?

Para evaluar la aerodinámica de un vehículo se realiza generalmente en los túneles de viento, costosas y avanzadas instalaciones que permiten determina de forma experimental el valor de los coeficientes se en un entorno controlado (Cx, Cz, Fx, SCx etc), en los que se puede conocer la velocidad, la densidad del aire, el área de referencia o factor de forma, y el arrastre y la sustentación producida sobre el vehículo.

Para realizar los ensayos en el túnel de viento es necesario contruir un prototipo del vehículo, lo cual es laborioso y muy costoso, sobre todo si se detectan defectos, los cuales es necesario corregir y da lugar a tener que modificar el prototipo. Por ello durante la fase de desarrollo se suelen utilizar mucho los cálculos numéricos con software CFD (Computational Fluid Dynamics), lo cual permite realizar cálculos y estudios muy rápidamente con costes muy bajos comparados con el túnel de viento.

El túnel de viento y el CFD no son más que dos herramientas que se utilizan de forma simultánea para avanzar más rápidamente y obtener mejores resultados en el desarrollo aerodinámico.

Entre los programas que utilizan códigos CFD disponibles en la actualidad y adecuados para realizar análisis aerodinámicos de vehículos, entre otros están los siguientes; CD-Adapco,  Star CCM+, Ansys FLUENT Flow Science y OpenFOAM.

FORMACIÓN:

Los  motores de émbolos opuestos se comenzaron a desarrollar desde principios del siglo XX con el fin de mejorar el rendimiento de los motores de dos tiempos. Han destacado fabricantes como Oechelhaeuser, Junkers, Beardmore, etc. Respecto al ámbito naval, motores de las marcas Fairbanks-Morse, Napier Deltic, Doxford, etc han estado presentes en cientos de barcos a lo largo de la historia.

Fig.1. Sección del motor de émbolos opuestos Fairbanks-Morse 38D8-1/8 [1]

Sus principales ventajas son el empleo de barrido uniflujo y diagrama de distribución asimétrico, lo cual mejora considerablemente la eficacia del barrido y el rendimiento debido a la optimización de los tiempos de apertura y cierre de las lumbreras. Estas características de los motores de émbolos opuestos hacen que alcancen una eficiencia en consumos de combustible equiparable a la obtenida por los mejores motores diesel de cuatro tiempos, pero con la ventaja de menor complejidad mecánica y menor peso .

Fig.2. Motor de seis cilindros Fairbanks-Morse 38D8-1/8 [1].

Fig.3. Sección del motor Fairbanks-Morse 38D8-1/8 [1].

Los motores de émbolos opuestos se caracterizan por tener dos pistones y una cámara de combustión en cada cilindro, tal y como se indica en la Fig. 3. Los pistones se colocan en posiciones opuestas, es decir, cabeza con cabeza, y el espacio de combustión es el que queda entre ambos. Cuando tiene lugar la combustión, los gases actúan en ambos pistones separándolos, de ahí el nombre de “émbolos opuestos”.

Fig.4. Cilindros de motor de émbolos opuestos. Fairbanks-Morse 38D8-1/8 [1]

Los cilindros de estos motores no tienen válvulas, sino lumbreras localizadas en los extremos de los cilindros (lumbreras de escape en la parte inferior del cilindro y lumbreras de admisión en la parte superior). Estas lumbreras son abiertas y cerradas mediante el movimiento de los pistones.

Fig.5. Sala de máquinas de un submarino de la clase Balao, equipada con 2 motores FM 38D8-1/8.

El motor que hemos estudiado es el Fairbanks-Morse 38D8-1/8 es uno de los motores de émbolos opuestos con más éxito de la historia. Fue desarrollado a mediados de los años 30 del siglo XX, entrando en producción regular en 1937. Se empleó en prácticamente todas las clases de submarinos norteamericanos durante la II Guerra Mundial, tales como los de la clase Tambor (1939-1941), Gato (1940-1944), Balao (1942-1946), Tech (1944-1951) y el más reciente de la clase Tang (1949-1952). Posteriormente, el 38D8-1/8 también fue utilizado como generador auxiliar en todas las clases de submarinos nucleares hasta los submarinos de la clase Virginia.

Fig.6. USS Ponpano, submarino de la clase  Porpoise que originalmente incorporaba los nefastos Hooven, Owens, Rentschler, y posteriormente fueron remotorizados con los FM 38D8-1/8.

Fig.7. Submarino USS Bang de la clase Balao transformado a Guppy IIA, que posteriormente fue vendido a España tomando el nombre de Cosme Garcia (S34), fue desguazado en 1983. [6].


Fig.8. Submarino español S35 "NARCISO MONTURIOL", iba propulsado por cuatro motores Fairbanks-Morse 38D8-1/8.

Además de su aplicación inicial en buques de guerra, el 38D8-1/8 se empleó posteriormente en multitud de buques civiles tales como remolcadores, pesqueros, grandes yates y barcos de pequeño y mediano porte en general. En menor medida, otras aplicaciones fueron la propulsión ferroviaria y la producción de energía eléctrica. Su éxito se ha consolidado después de muchas décadas de fabricación y miles de unidades producidas. Increíblemente, más de 80 años después desde la aparición de los primeros prototipos, el 38D8-1/8 todavía continúa en producción en la actualidad como generador diesel dual (gas natural-gasoil).

Fig.9. Motor FM 38D8-1/8 moderno equipado con turbocompresor y quemando GNL.  [2].

El sistema de barrido uniflujo es, sin lugar a dudas, el mejor sistema para un motor de dos tiempos, permitiendo utilizar relaciones carrera/diámetro muy elevadas sin problemas para un barrido eficiente (el 3808-1/8 tiene una relación carrera/diámetro de 2,45). En este sistema, el aire de barrido entra por las lumbreras de admisión y se desplaza en línea recta sin cambios de dirección, empujando como si fuera un pistón a los gases quemados fuera del cilindro a través de las lumbreras de escape, y quedando el cilindro lleno con carga de aire fresco. A pesar de que la máxima eficacia nunca se alcanza, se pueden alcanzar valores muy cercanos al óptimo.

Fig.10. Secuencia del ciclo de un motor de embolos opuestos

La secuencia del barrido y renovación de la carga es la siguiente. Una el vez completada la inyección y realizada la combustión, los pistones se separan en su carrera de trabajo. El pistón inferior (que tiene un er adelanto de 12°) aprovecha la mayor parte de la energía de los gases y, en su desplazamiento hacia abajo, descubre las lumbreras de escape. Esto provoca una caída brusca de la presión residual dentro del cilindro. A continuación, el pistón superior descubre las lumbreras de admisión. Cada cilindro posee 10 lumbreras de escape y 16 lumbreras de admisión. Estas últimas tienen una orientación en sentido randial para forzar al flujo de aire a girar dentro del cilindro en forma de es remolino (fenómeno conocido como swirling). A pesar de la velocidad axial que posee el aire de barrido cuando entra en el cilindro, a medida que la masa de aire fresco va descendiendo en dirección al escape, se va disipando algo su velocidad y se va concentrando cada vez más hacia el centro del cilindro, pudiendo quedar pequeñas porciones de gases residuales en las inmediaciones de las paredes, haciendo que el barrido nunca sea perfecto. Sin embargo, se han hecho muchos esfuerzos para reducir en lo posible este fenómeno. En motores modernos se ha minimizado gracias a los enormes caudales de aire de barrido que producen las turbosoplantes modernas, y que en estos motores con compresor mecánicos no se podrían utilizar debido a la elevada potencia que consumiría el compresor.

Fig.11. Modelo 3D del cilindro del Fairbanks-Morse 38D8-1/8 [4].

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