viernes, 24 de mayo de 2013

Reducción de Emisiones Contaminantes en Motores Diesel Marinos (I)

Cuando hablamos de las razones del calentamiento de la atmósfera, automáticamente lo asociamos a las sustancias contaminantes del aire producidas por los motores en general y en nuestro caso, por los motores diesel utilizados en los buques.

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.


Los principales problemas que están actualmente en discusión sobre los gases contaminantes son:

Óxidos de azufre (SOx)

Óxidos de nitrógeno (NOx)

Partículas materiales en suspensión

Gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono CO2.

Las soluciones propuestas para reducir la contaminación se pueden clasificar en estrategias internas o externas 

La adopción de estrategias internas de reducción de emisiones en un motor consiste 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.

En este post quiero referirme a las Estrategias basadas en el proceso de la 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 tamaño 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:
a) La presión de inyección aumenta junto con el nº de revoluciones y el caudal de inyección.
b) Durante la inyección aumenta 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:
1) 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.
2) 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 a altas revoluciones la presión punta de inyección es mayor que la necesaria.

Curva de Inyección convencional y Common Rail
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:

a) 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.

b) 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.

La postinyección

 
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. 

Geometría de la tobera


miércoles, 30 de enero de 2013

Sistemas Bosch de Inyección Diesel. Las Toberas

Los motores Diesel son actualmente algo irrenunciable en el mundo moderno.

Se utilizan en vehículos pesados, camiones, autobuses, autos de pasajeros, máquinas agrícolas, barcos y un sinfín de aplicaciones.

El rendimiento fiable y económico de los motores Diesel requiere sistemas de inyección que trabajen con elevada precisión.

Con estos sistemas, se inyecta en los cilindros del motor a la presión necesaria y en el momento adecuado el caudal de combustible requerido para que alcance una determinada potencia.

Para esa finalidad, se utilizan diferentes sistemas de inyección, según sus aplicaciones y necesidades.

 
Características de las toberas

Las toberas son un componente crítico del sistema de inyección. Son responsables de pulverizar finamente el combustible en la cámara de combustión del motor.

Cuanto mejor es la pulverización, mayor será el rendimiento del motor; en consecuencia, se obtiene más economía de combustible con menor emisión de gases contaminantes.

Los modernos motores diesel están equipados con toberas que deben inyectar combustible bajo presiones y temperaturas elevadas, todo para que se obtenga la mayor potencia posible.

Bosch y Zexel son reconocidos fabricantes de sistemas de inyección diesel; con una historia de distinción y excelencia, fabricando toberas con precisión de milésimas de milímetro.

Solamente utilizando correctamente los inyectores, se garantiza perfecta combustión, bajo consumo de combustible, gran performance y total control de emisión de contaminantes.


Algunos datos de las toberas para tener en cuenta

Más de mil millones de carreras de apertura y cierre a las que llega una aguja de inyector durante su vida útil de inyección aseguran la estanqueidad hasta los 2050 bar.

La duración de inyección asciende a 1...2 milisegundos. En un milisegundo una onda acústica consigue alejarse solamente unos 33 cm.

Los caudales de inyección varían entre 1 mm³ (inyección previa) y 50 mm³ (plena carga), para vehículos livianos entre 3 mm³ (inyección previa) y 350 mm³ (plena carga) para camiones.

Los 350 mm³ equivalen a 12 gotas de agua grandes de lluvia, la misma que es obligada a atravesar en apenas 2 ms, los agujeros de las toberas de 0,25mm² de sección; lo cual implica que el combustible sale a velocidades de 2000 km /h.

El juego que tiene la aguja y el cuerpo de la tobera, ascienden a 0,002 mm (2 μm). El diámetro de un pelo humano es 30 veces más grueso (0,06 mm) que esta tolerancia.

Características

• Orificios de atomización precisos.
• Construcción de aleación y acero cromado con tratamiento térmico.
• Espacio de aguja y cuerpo.
• Afinado superficial por medio hidráulico.
• Aguja con diseño de doble ángulo.

Beneficios

• Exactitud en la entrega de combustible, para un óptimo régimen de emisiones y potencia.
• Máxima durabilidad.
• Asegura un rendimiento hidráulico apropiado para una máxima eficiencia de combustible.
• Permite tener una superficie más suave para el paso de combustible, lo que resulta en un mejor rendimiento de la tobera.
• Asegura un punto de contacto preciso para un mejor sellado con el cuerpo de la tobera.

Principales tipos de toberas

Toberas de espiga, para motores de inyección indirecta, donde el combustible es inyectado a la precámara o cámara de turbulencia, haciendo una mezcla con el aire antes de entrar a la cámara de combustión.

Toberas de espiga de estrangulación, donde el control del caudal depende directamente de la carrera de la aguja. Al comienzo la inyección es poca (únicamente un pequeño anillo alrededor de la aguja de inyección) y al final aumenta (cuando libera totalmente el orificio de inyección).

Toberas de orificios, pueden tener entre 4 hasta 8 agujeros y son utilizados en motores con cámara de inyección directa.

En estas toberas una vez que se supera la presión de apertura, la aguja del inyector libera de golpe los orificios de inyección.

Las toberas de orificio, pueden ser de orificio ciego o de orificio de asiento (este último tiene un menor volumen residual de combustible que permanece en la tobera y en consecuencia reduce las emisiones de hidrocarburos en los gases de escape).

Mantenimiento Preventivo de las Toberas

El mantenimiento preventivo de las toberas es extremadamente importante para el buen funcionamiento del motor y para el ahorro respecto a consumo de combustible y costos de reparación. Una tobera en malas condiciones, puede traer pérdidas como por ejemplo:

 
Fuente: Bosch y Zexel

 

jueves, 10 de enero de 2013

Regulación electrónica de la inyección. El sistema Common Rail

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 el auto diagnosis.
 
El último desarrollo para la inyección de combustible en un Motor Diesel es el conocido como Common Rail
 
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.
 
El video, de 30 minutos de duración, nos muestra el funcionamiento del sistema Common Rail de una forma muy clara.