Con la aparición de la herramientas de diseño por ordenador (CAD 3D y 2D) y simulación por elementos finitos (CAE y CFD) se ha permitido un gran avance en el proceso de diseño de motores de dos tiempos diesel.

Todos parámetros que determinan la arquitectura de un motor pueden ser optimizados en las búsqueda de un más perfecto funcionamiento. La forma de comprobar y validar esta optimización es por medio de pruebas de funcionamiento. Antiguamente era necesario contruir prototipos de motores donde se analizaba su funcionamiento con las modificaciones implemementadas, lo cual tenía un elavadísimo coste que limitaba el llevar a cabo dichas mejoras. Actualmente contamos con las herramientas CAD, CAE y el CFD, que nos van a permitir optimizar el diseño de un motor antes de contruirlo, por medio del diseño virtual por ordenador y posteriormente las simulaciones, podremos predecir su comportamiento. El ahorro de costes en tiempo y dinero es incomparable, además de la evolución del diseño mucho más rápida.

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.

La figura siguiente muestra el ciclo abierto de un otor de dos tiempos, representado por medio de un diagrama presión-volumen. PMS es punto muerto superior. PMI es punto muerto inferior.

En la siguiente figura, se muestra el esquema de barrido y renovación de la carga del motor MAN S50MC. La circulación de aire (color rojo) y gases de escape (color azul).

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 con OpenFOAM, muestra la distribución de velocidades del flujo en el interior del cilindro durante la renovación de la carga.

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.

Las características técnicas del motor MAN B&W 7S50MC son las siguientes:

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.

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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

La resistencia aerodinámica de un vehículo viene determinado casi totalmente por el SCx, que consiste en la multiplicación de dos factores, el factor de forma Cx y la superficie frontal S (m²). Siendo por tanto el coeficiente Cx la expresión de la resistencia que ofrece un cuerpo a moverse dentro de un fluido por razón de su forma. 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. Este valor es el que determina la resistencia aerodinámica de un vehículo en movimiento.

1- Volkswagen XL1 (0,19 Cx), 2014

El XL1 es un vehículo con una aerodinámica avanzadísima, de hecho ha sido diseñado con el objetivo de ser el vehículo producido en serie con el record en coeficiente aerodinámico y consumo de combustible, aunque para ello tenga que sacrificar otros aspectos como son la funcionalidad. Se trata de un vehículo híbrido de dos plazas, con un consumo homologado de 0.9 l/100 km. Posee una autonomía eléctrica de 50 km y una autonomía total de 499 km. Tiene un motor diésel TDI de dos cilindros de 830 cc, un motor eléctrico de 20 kW y una batería de iones de litio de 5,5 kWh. La velocidad máxima limitada eletrónicamente es de 160 km/h. De 0 a 100 km/h tarda 12,7 segundos. Largo: 3.888 mm / ancho: 1.665 mm / alto: 1.153 mm. Peso: 795 kg.

Aerodinámica: Es un coche muy bajo. Dispone de lamas controladas eléctricamente en el sistema de admisión de aire, en los deflectores delante y detrás de las ruedas. La carrocería se estrecha hacia la parte trasera. Los asientos no se encuentran alienados para reducir la anchura del coche. Así se consigue un área frontal menor: 1,50 m2. Las ruedas traseras están completamente cubiertas para producir un flujo de aire uniforme y menos turbulencias. Los retrovisores exteriores están reemplazados por pequeñas cámaras en las puertas que transmiten lo que ocurre a unas pantallas interiores. El flujo de aire es más suave y no presenta las turbulencias producidas por los retrovisores convencionales.

El Mercedes CLA es en la actualidad uno de los coches más aerodinámicos del mundo. La joya de la corona es el Mercedes CLA 180 BlueEFFICIENCY Edition con un Cx de 0,22 y con un valor de resistencia SCx de sólo 0,49 m². Los motores del CLA van de 122 hp a 360hp, existiendo versiones diesel y gasolina. En el exterior destacan sus proporciones deportivas y su diseño dinámico y contundente. El CLA mide 4.630 mm de longitud, 1.777 mm de anchura y 1.437 mm de altura.

Aerodinámica: La silueta destaca por contar con un techo de línea tendida descendente hacia atrás y el contorno redondeado de la luneta trasera que otorgan al CLA un típico carácter de coupé. Su carrocería destaca por tener gran cantidad de superficies cóncavas y convexas como ocurría con el Concept Style Coupé. El radiador solo se abre cuando el motor necesita enfriarse. El flujo de aire debajo del vehículo ha sido optimizado con un laborioso artesonado de paneles debajo de la carrocería más un revestimiento adicional en la zona media del eje trasero con un silenciador aerodinámicamente optimizado seguido por un difusor. Por otra parte, con ruedas especiales y alerones dentados en las ruedas se has conseguido reducir apreciablemente el flujo de aire alrededor de los neumáticos.

3- Audi A2 (0,24 Cx), 2001.

El Audi A2 es el resultado cuando un equipo de ingenieros deciden crear un nuevo vehículo basándose en parámetros metemáticos y sin la intervención de los estilistas y diseñadores, es decir dejando de lado el aspecto estético del nuevo diseño. El A2 se comercializó entre los años 1999 y 2005, es decir durante 6 años, y supso un fracaso comercial. Es un cuatro plazas con motor delantero y tracción delantera. En menos de 4 metros Audi había logrado condensar cuatro plazas (opcional 5), un maletero de 390 litros. El modelo con motor de gasolina, 1,6 litros de cuatro válvulas por cilindro, con inyección directa de combustible, desarrollaba 110 CV que le permitían una velocidad de 202km/h. Las dimensiones exteriores son; largo: 3.825 mm / ancho: 1.675 mm / alto: 1.555 mm, peso 1.070kg. Su carrocería y chasis están construidos en aluminio, lo que lo hace mucho más liviano de lo habitual.

Aerodinámica: Su diseño aerodinámico se estudió siguiendo los principios de las tesis de Kamm (el denominado diseño Kammback), en el que la carrocería se prolonga en forma de lágrima hasta la zaga con una ligera caída del techo que termina en una ruptura hacia una importante caída vertical. Es el diseño que hoy en día emplean algunos híbridos como por ejemplo el Toyota Prius.

4- Tesla Model S (0,24 Cx), 2012.

El Tesla Model S Tesla model S es el vehículo eléctrico más avanzado del mundo. Se trata de un sedán eléctrico de gama alta actualmente en producción desde el año 2012. El modelo base (60 kWh) tiene una autonomía de 370 km y una aceleración de 0 a 100 km/h de 6.2 segundos. Potencia 302 hp (225 Kw). Par motor: 430 Nm de 0-5000 rpm, velocidad máxima: 190 km/h. Las dimensiones exteriores son; largo: 4.976 mm / ancho: 1.963 mm / alto: 1.435 mm, peso 2.108 kg.

Aerodinámica: Las formas de la carrocería son muy similares a las del Jaguar XF, pero mientras este tiene un Cx de 0,29, el Tesla S lo rebaja hasta 0,24. La aerodinámica ha sido estudiada hasta los últimos detalles, por ejemplo los tiradores de las puertas están “incrustados” para evitar perturbar el flujo del aire. También al carecer de un motor convencional de combustión interna no necesita tomas de aire en el frontal para refrigerar el radiador, lo cual mejora su penetración en el aire. Los bajos, como es de esperar, están completamente carenados para optimizar el flujo de aire.

5- Mercedes Clase C (0,24 Cx), 2014.

El nuevo Mercedes Clase C, código interno W205, apareció en el año 2014 y supuso un paso adelante en aerodinámica respecto a la versión anterior. Las formas de la carrocería recuerdan a la de su hermano mayor el Mercedes Clase S (W222), con un capó largo, un habitáculo en posición atrasada y los voladizos cortos que recuerdan a las proporciones clásicas de las grandes berlinas de Mercedes. El W205 ha sido el primero en incorporar la nueva plataforma MRA (Modular Rear-wheel drive Architecture).

La carrocería del Clase C de 2014 mide 4,69 metros de longitud, 1,81 m de anchura y 1,44 m de altura. La distancia entre ejes es 2,84 metros. El volumen del maletero es 480 litros. El peso total el vehículo disminuye en unos 100 kilogramos gracias a la técnica de construcción ligera la carrocería de aluminio. El consumo también disminuye hasta un 20%, conservando su nivel de prestaciones. Al mismo tiempo disminuye la altura del centro de gravedad, lo que le confiere propiedades de conducción sensiblemente más ágiles y deportivas. La gama de motores es muy amplia, van desde los 156cv a los 510 cv. Por ejemplo la versión C 180 con motor de gasolina y 156 cv alcanza una velocidad de 225 km/h fruto de su bien estudiada aerodinámica.

Aerodinámica: Los Mercedes destacan tradicionalmente por ser vehículos muy estudiados aerodinámicamente, aunque sus proporciones sean similares a otros vehículos convencionales, sus cifras de penetración aerodinámica suelen ser muy buenas. En este vehículo destacan las líneas fluidas, con ángulos y perfiles redondeados para facilitar el flujo laminar del aire. Diversos detalles contribuyen a optimizar el rendimiento aerodinámico, destacan el frontal con un cuidado diseño aerodinámico, además el radiador solo se abre cuando el motor necesita enfriarse, posteriormente un morro relativamente largo y a continuación un parabrisas muy inclinado, con los limpiaparabrisas perfectamente escondidos bajo la tapa del motor. Los espejos retrovisores también cuentan ahora con un diseño más afilado. El techo empieza a descender pronto y continua con una luneta trasera bastante tendida, finalmente está la tapa del maletero muy corta e incorpora al final del mismo una ligera elevación que conforma un pequeño alerón trasero.

6- Opel Calibra (0,26 Cx), 1989.

El Opel Calibra es un coupé de dos puertas basado en la plataforma del Opel Vectra (1ª generacion) y producido entre los años 1989 y 1997. El Calibra es un 2+2 plazas con motor delantero transversal, disponible con tracción delantera o a las cuatro ruedas. Su carrocería coupé tiene un coeficiente aerodinámico de solo 0,26 para el modelo 2.0 de 115cv. Velocidad máxima de 215 km/h. Las dimensiones son; largo: 4.490 mm / ancho: 1.690 mm / alto: 1.320 mm.

Aerodinámica: Su hermosa carrocería era obra de Erhard Schnell. Su cuidado y bello perfil, en el que destacaban sus originales faros elipsoidales de muy poca altura que le permitían tener un frontal muy afilado, todas las zonas del coches etaban optimizadas aerodinámicamente, con sus bordes suavizados, gracias a su buen diseño consiguió un CX de solo 0,26, que era entonces el más bajo del mundo para un automóvil de serie de cuatro plazas.

8-Alpine GTA (0,28 Cx), 1984

El AlpineGTA es un coupé 2+2 producido desde 1984 a 1991, siendo posteriormente sustituido por el Alpine A610. Contaba con una penetrante línea aerodinámica con  coeficiente aerodinámico (CX)  de solo 0,28, una de las más bajas en su momento. El motor iba situado detrás, era el conocido PRV, un motor V6 de 2.5 litros turboalimentado procedente del Renault 25. Contaba además con inyección electrónica y un turbo que trabajaba a 0,65 bares de presión. Todo ello hacía que el motor desarrollara una potencia de 200 CV a 5.750 rpm y un par de 285 Nm a 2.500 rpm. Con este motor el Alpine GTA aceleraba de 0-100 km/h en 7 segundos y su velocidad máxima era de 250km/h.

9-Citroën XM (0,28 Cx), 1989

El Citroën XM es un automóvil de turismo del segmento E producido por el fabricante francés Citroën entre 1989 y 2000. Citroën vendió 330.000 unidades de este modelo durante los 10 años en que fue producido. El XM fue elegido en 1990 como el Coche del Año en Europa. El anguloso pero esbelto y bien proporcionado diseño de Bertone, es el desarrollo del diseño de Marcello Gandini para el BX. Su aspecto se inspiró en gran medida en el Citroën SM de los años 1970, el cual tenía una estética similar, aunque más rica en líneas rectas. Las dimensiones exteriores son; largo: 4.709 mm / ancho: 1.794 mm / alto: 1.392 mm / batalla: 2.850mm.

10-Renault 25 TS (0,28 Cx), 1984

El Renault 25 supuso un importante impulso del fabricante francés dentro del segmento E, apareció en el año 1984 y se mantuvo en producción hasta 1992. El Renault 25 fue un gran paso adelante en casi todos los aspectos del Renault 20/30, modelo al cual reemplazó. Su formato de cinco puertas fue firmado por los diseñadores Gaston Juchet y Robert Porrón (de Citroen y famosos por el SM), configuraban un estilo nada convencional con la ventana trasera envolvente que era su característica más famosa) tenía por objeto dar al coche un look moderno y fuera de lo convencional.

El 25 fue uno de los primeros coches diseñados bajo el principio de eficacia aerodinámica, concretamente el modelo TS mantuvo brevemente el título de "coche más aerodinámico del mundo de producción en serie" con un coeficiente de 0,28.

Todos los modelos Renault 25 fueron de tracción delantera, con motores de cuatro cilindros (2 litros carburado, de inyección de 2,2 litros o 2,1 litros diésel) y de seis cilindros (2,9 litros y 2,4 litros de inyección turbo) montados longitudinalmente por delante del eje delantero. Las prestaciones del 2.2 GTX con 123 CV eran de 205 Km/h.  Las dimensiones exteriores son; largo: 4.623 mm / ancho: 1772 mm/ alto: 1405 mm / batalla: 2723 mm.

Aerodinámica: Aunque a simple vista cualquier profano en la materia no consideraría al R25 un vehículo especialmente aerodinámico, los resultados de las mediciones daban unas cifras espectaculares, esto no sería posible sin un profundo estudio en el túnel del viento. Para llegar a esta cifra de 0,28, que todavía hoy en día sería una cifra muy buena, se recurrieron a todos los trucos habituales, como son los cristales enrasados con la carrocería, eliminación de los vierteaguas, faldón delantero y discreto alerón posterior, carenado inferior de los bajos y protecciones ante las ruedas posteriores. Resulta sorprendente que no se recurriera a esconder los limpiaparabrisas bajo el resalte posterior del capot del motor, solución que en este vehículo se desestimó y que podría ayudarle todavía más en la mejora de su eficiencia aerodinámica. El resultado tan bueno obtenido por este vehículo debe tener su origen, principalmente, en la inversión en horas de trabajo en el tunel del viento, permitiendo detectar y posteriormente solucionar las zonas críticas, hasta conseguir una carrocería que se aproxima a la perfección en terminos de eficacia aerodinámica.

El software Code_Aster está orientado al análisis de elementos finitos y simulación numérica en mecánica estructural y multifísica.

Caracterítiscas del Code_Aster:

- Tipo de FEM: Linear & non-linear static/dynamic, thermal & fluid analysis

- Tipo de Licencia: GPL
- Desarrollador: Electricité de France (EDF)
- Sistema operativo: Linux, Solaris and IRIX 64 bits

- Descarga: Code_Aster

 

 

Una vez analizadas las muestras de aceites lubricantes, los resultados son enviados de vuelta a los técnicos de mantenimiento de la planta, o del buque. En este momento son los miembros del departamento de mantenimiento o de máquinas, los que deben diagnosticar estos resultados y advertir si se está produciendo un mal funcionamiento en los motores relacionado con la lectura de las condiciones en que se encuentra el aceite.

En caso de observar desviaciones importantes en algún parámetro, respecto a los valores considerados como normales o aceptables para ese motor diesel, se deben poner en marcha actuaciones que lleven a corregir este funcionamiento anómalo detectado.

 

Los motores diesel debido a su funcionamiento generan una serie de productos en la combustión, los cuales se combinan entre ellos dando lugar a una serie de compuestos y efectos nada deseables.

 

El siguiente gráfico explica de una manera sencilla y visual estos procesos y sus efectos, contra los que se mantiene una lucha constante siempre enfocada al buen funcionamiento y operatividad de los motores.

 

Estos productos de la combustión afectan en gran medida a los lubricantes empleados, los cuales son los encargados de mitigar sus efectos en la medida de lo posible. Con ello sufren degradación, pérdida o aumento de viscosidad, incremento en la acidez, emulsiones y diluciones debido a presencia de agua o combustible, etc.

 

Gracias a los análisis de aceite y a una correcta y acertada interpretación de los mismos el responsable del mantenimiento de estos equipos y maquinaria podrá “predecir” futuras averías o actuar modificando parámetros para evitarlas.

 

Existe a día de hoy y basada en la experiencia acumulada a lo largo de lo años mucha información sobre la analítica de lubricantes industriales. Como ejemplo se muestra la siguiente tabla, en la que se presentan los valores orientativos de los niveles de contaminación (concentraciones standard de elementos metálicos) de diferentes elementos que podemos encontrar en el aceite. Consultándola podremos determinar el posible origen del problema con una primera aproximación al mismo bastante acertada.

Los efectos que una contaminación excesiva por elementos metálicos en el aceite se traducen como mínimo en desgastes excesivos de cojinetes y elementos entre los que exista una fricción, la cual el efecto del lubricante tiene que disminuir.

El no hacer caso o no darle la importancia necesarias a los análisis de aceites lubricantes puede llevar a consecuencias catastróficas en los motores de combustión interna, provocando en ocasiones la destrucción parcial de los mismos o de elementos vitales.

Es importante mencionar que el laboratorio realiza un análisis del aceite desde el punto de vista químico, pero deben ser los técnicos de mantenimiento o oficiales de máquinas del buque los que deben localizar el origen de esta desviación en los parámetros normales, y actuar en consecuencia para anticiparse a una posible futura avería, que en muchos casos puede ocasionar fallos catastróficos de la máquina.

 

LINKS: 

- INTERPRETACIÓN DE ANÁLISIS LUBRICANTES EN MOTORES DIESEL

- Curso de inspección y mantenimiento predictivo en motores diesel