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


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