El Motor Wärtsilä 31 4-tiempos, un gran paso adelante en eficiencia

Wärtsilä ha lanzado al mercado un nuevo motor de velocidad media de 4 tiempos, con la tecnología más avanzada, que reduce significativamente las necesidades de mantenimiento,  aumenta la eficiencia, la flexibilidad en el uso de combustibles y la optimización operativa hasta unos niveles totalmente nuevos que están mucho más allá de cualquier otra opción disponible actualmente.

Se puede disponer en tres versiones: Diesel, Dual Fuel (DF) y Gas (SG) y en configuraciones de 8, 10, 12, 14 y 16 cilindros en V. La tecnología permite que el motor pueda funcionar con gas natural, fuel-oil ligero (LFO) o combustible pesado (HFO), entregando la misma potencia, independientemente del combustible utilizado.

El cambio entre combustibles se puede efectuar durante el funcionamiento sin problemas, sin pérdida de potencia o velocidad. Esto garantiza la seguridad de la instalación y la operatividad continua.

Los motores duales o “Dual Fuel” (DF), son motores que pueden funcionar tanto con gas como con combustible líquido. Cuando se opera con gas, los motores utilizan un proceso de combustión en ciclo Otto de mezcla pobre. El gas a baja presión se mezcla con aire antes de las válvulas de admisión y la mezcla de aire-gas se enciende mediante la inyección de una pequeña cantidad de combustible piloto líquido.

Si se interrumpe el suministro de gas a cualquier nivel de carga, el motor pasa inmediata y automáticamente a funcionar con combustible líquido. Al operar con combustible líquido, los motores DF utilizan el ciclo Diesel convencional.

Los motores Wärtsilä SG son motores de gas de ciclo Otto con encendido por bujía y mezcla pobre. El gas a baja presión se mezcla con el aire antes de las válvulas de admisión y durante la etapa de admisión. También se introduce gas en una pequeña precámara donde la mezcla es más rica que en el cilindro. Al final de la fase de compresión, la mezcla de gas y aire en la precámara es encendida por una bujía y las llamas que salen por la boquilla de la precámara producen la combustión de la mezcla aire-gas del cilindro.

Con la combustión de una mezcla pobre, las temperaturas máximas se reducen y se produce menos NOx. A medida que el gas se inyecta a través de la válvula de entrada, el aire y el combustible se mezclan antes de alcanzar la cámara de combustión. Esto significa que los niveles de NOx generados durante la combustión son insignificantes debido a que cada molécula de gas está rodeada por la cantidad óptima de aire.

Cuidado del Medio Ambiente

Utiliza los últimos avances en sistemas de inyección de combustible, sistemas de control y tecnologías de aire de combustión. Las evidentes ventajas medioambientales que permite el funcionamiento a gas son otro factor en el éxito de esta tecnología.

Cuando se opera en modo gas, las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) son al menos un 85 por ciento inferiores a las especificadas en la normativa vigente de la IMO, y las emisiones de CO2 son un 25 por ciento inferiores a las de un motor marino convencional funcionando con combustible diesel. Además, las emisiones de partículas y de óxido de azufre (SOx) son insignificantes rozando el cero por ciento.

Consumo de combustible

La capacidad multi-combustible amplía las posibilidades para que los operadores utilicen combustibles de distintas calidades, desde gasóleo muy ligero hasta fuelóleo muy pesado, así como una gama de diferentes calidades de gas. En su versión diesel su eficiencia consigue un consumo de combustible tan bajo como 165 g/kWh.

Mantenimiento

El amplio trabajo de desarrollo y el diseño modular han hecho posible aumentar los componentes comunes entre los diferentes modelos, lo que permite a este motor satisfacer los requisitos de los más complejos proyectos. Además, se pueden simplificar los procedimientos de mantenimiento mientras que se pueden minimizar los costes y plazos de posibles conversiones.

Los notables aumentos en la eficiencia y flexibilidad en el uso de combustibles son igualados por reducciones significativas en los costes de mantenimiento. Por ejemplo, el primer mantenimiento solamente se requiere después de 8000 horas de funcionamiento, mientras que la alternativa con motores marinos estándar requieren de un mantenimiento tras 2000 horas de funcionamiento.

Utilización en buques

Está diseñado para ser usado como motor principal en petroleros, graneleros y portacontenedores de tamaño pequeño y medio, que requieren de un motor propulsor en el rango de potencias de 4,2 a 9,8 MW.

En el sector offshore, es ideal para buques de apoyo a plataformas, AHTS (remolcador de suministro y manipulación de anclas), de perforación y semi-sumergibles, donde se necesita flexibilidad operativa, alta concentración de potencia, largos intervalos entre revisiones y altos niveles de seguridad.

En el sector de los cruceros y ferrys permite a los armadores y operadores reducir los gastos de combustible manteniendo unos altos estándares medioambientales. 

MAN Diesel&Turbo: Turbocompresores TCT versus TCA

La nueva gama de turbocompresores MAN TCT ha sido diseñada para cumplir con los requisitos de la norma Tier III  de la OMI y será exclusivamente para motores de DOS TIEMPOS.

En comparación con los turbocompresores TCA, los TCT muestran un aumento de la eficiencia del 5% anual y un incremento del 30% en la recuperación de la potencia del calor, gracias al uso de un nuevo compresor y a la geometría de la rueda de la turbina.

Además, también ofrecerán un 10% más de flujo de aire a una presión de sobrealimentación un 25% mayor, mientras que serán un 30% más pequeños, para facilitar su instalación, y un 40% más ligeros que la gama de TCA.

Estos nuevos turbocompresores cubrirán una amplia gama de potencias de motor. Para ello, los fabricantes podrán utilizar un solo tamaño para el diferente número de cilindros del turbocompresor y su adaptación al motor será posible gracias a su variedad de piezas intercambiables.

Turbocompresor TCA de MAN Diesel&Turbo

Por otro lado, se ampliará la vida de las piezas, gracias al uso de componentes de alto rendimiento.

La compañía prevé que llegue al mercado en 2016, después de realizar un extenso programa de validación y varias pruebas de campo.

Óxidos de Azufre en Zonas de Control de Emisiones (Sulphur Emission Control Areas - SECAs)

Desde hace años, existe una comprensible preocupación por los efectos sobre el medio ambiente de las emisiones a la atmósfera de los gases de escape procedente de los motores de los buques, en particular, por las emisiones de óxidos de azufre (SOx).

Los SO_x, se forman debido al contenido en azufre del combustible empleado. Cuando se produce la combustión, dentro del cilindro, el azufre reacciona con el oxígeno formando Óxido de Azufre, que se descargan a la atmósfera con los gases de escape. Cuando entra en contacto con el agua existente en la misma en forma de humedad o lluvia, forma acido sulfúrico.

La lluvia ácida es causa de deforestación, erosión de edificios construidos en piedra caliza y se cree que tiene también un efecto negativo sobre la salud humana.

Con el fin de reducir estas emisiones, la Organización Marítima Internacional y la Unión Europea han introducido nueva legislación para obligar a las navieras a reducir sus emisiones de SO2.

El desarrollo de la normativa sobre seguridad y medio ambiente en el ámbito internacional, se ha encomendado a una agencia dependiente de las Naciones Unidas, la Organización Marítima Internacional (OMI). Sus trabajos para regular las emisiones a la atmósfera procedentes de los buques arrancan en noviembre de 1991, con la adopción de la resolución de la Asamblea A.719(17), sobre Prevención de la contaminación del aire por los buques.

Mediante dicha resolución, se encargó al Comité de Protección del Medio Marino (Marine Environment Protection Committee - MEPC) preparar el proyecto de un nuevo Anexo al Convenio MARPOL 73/78 dirigido específicamente a la prevención de la contaminación atmosférica y que recogiese reglas para limitar y contener la emisión de substancias perjudiciales procedentes de los buques.

Este trabajo se desarrolló a lo largo de los años siguientes y finalmente, en una Conferencia celebrada en septiembre de 1997, se adoptó el Protocolo que incluye el Anexo VI del Convenio MARPOL (Reglas para prevenir la Contaminación Atmosférica ocasionada por los Buques).

Con respecto a los óxidos de azufre, el 1 de enero de 2015 entró en vigor el requisito del Anexo VI de MARPOL que limita al 0,1% el contenido máximo de azufre de los combustibles marinos en las zonas de control de emisiones de azufre (SECAs) (límite hasta fin 2014: 1.0%).

Límites del contenido en azufre de los combustibles por el ANEXO VI de MARPOL

En la figura podemos apreciar los límites de azufre dentro y fuera de las Áreas de Control de Emisiones (ECAs) y señalan la reducción progresiva del contenido máximo de azufre (SOx) del combustible, tal como lo indica la Organización Marítima Internacional (IMO) en MARPOL Anexo VI Reg. 14.

¿Qué áreas geográficas se ven afectadas?
Las áreas afectadas incluyen el área de Mar del Norte, el área del Mar Báltico, el área del Mar del Caribe, Alrededor de Puerto Rico y de las Islas Vírgenes, y el área que incluye 200 millas náuticas de las costas de Canadá y de los E.E.U.U.

Las zonas marcadas en azul muestran las Áreas de Control de Emisiones (Emission Control Areas (ECAs)), en las cuales los buques deben contar con límites especiales de SOx (Status Nov. 2013).

Los armadores tienen tres opciones para cumplir estas normas:

1) La utilización de combustibles destilados de bajo contenido en azufre (MGO), cuyo precio es un 55% superior al del fuel oil. (fuel oil pesado con un precio aproximado de 565 dólares/tonelada a diesel oil, que cuesta actualmente unos 870 dólares/tonelada).

2) La instalación de depuradores de gases de escape (scrubbers). 

3) La utilización de GNL como combustible.

La primera opción aumentará el costo de combustible, a igualdad de velocidad, aproximadamente en un 55%, por lo que se verán obligados a aumentar sus tarifas.

La compañía Maersk, operador mundial de líneas de portacontenedores, ha anunciado que usará MGO en sus buques debido a que los scrubbers son una tecnología que no está suficientemente desarrollada y el GNL carece de una infraestructura que garantice el suministro de combustible en el norte de Europa.

Maersk, ha anunciado que usará MGO en sus buques y que tendrá que aplicar un recargo de entre 100 y 300 dólares por TEU en sus servicios desde y hacia los principales puertos del norte de Europa y de Norteamérica, dependiendo del tiempo de tránsito en la SECA.

Otras compañías están anunciando aumentos de entre el 5% (por ejemplo, para el transporte de un contenedor Asia-Norte de Europa) y hasta más del 25% (para un servicio ferry rápido que tenga todo su itinerario en la SECA), dependiendo del tipo de servicio, la velocidad del buque y el porcentaje del servicio de transporte que se preste en el interior de la SECA.

En la segunda opción  hablamos de los depuradores de los gases de escape (scrubbers):

Seawater Scrubbing (SWS): Si se ponen en contacto los gases de escape de los motores con agua de mar, se produce una rápida y eficaz reacción entre el SOx y el Carbonato cálcico (CaCO3) contenido en el agua, para formar Sulfato cálcico (yeso) y CO2. Esta reacción neutraliza la acidez del SOx y consume algo de la capacidad neutralizadora del agua de mar. La reacción acaba en un tiempo muy corto, por lo que los equipos para tratar los gases de escape mediante este procedimiento, que se conoce como Seawater Scrubbing (SWS), pueden ser compactos y aún lograr una alta eficacia en la reducción (sobre el 95 %).

Esta depuración cortocircuita todo el ciclo del SOx y retorna el azufre a la mar de una manera segura, rápida y no dañina. Ésta es la principal ventaja medioambiental de este sistema de depuración.

La tercera opción es utilizar gas como combustible:

Al tratarse de una solución bastante reciente, la normativa internacional IMO se encuentra aún en fase de desarrollo a pesar de que las Sociedades de Clasificación ya han establecido sus propias normas basadas en su experiencia.

Un obstáculo para la flota existente es el coste del cambio a motores duales. Esto puede hacerse cambiando los motores o en algunos casos modificando algunas partes de los existentes, si bien los armadores generalmente prefieren el cambio total, porque así el motor que se quita aporta un valor residual. Se estima que esta operación tiene un período de retorno de la inversión de unos 4 años para buques que navegan entre puertos europeos.

Otro  factor que está retrasando el desarrollo del consumo de LNG por los buques es la falta de infraestructura de abastecimiento en los puertos, aunque las empresas proveedoras de gas ya están dedicando importantes inversiones para adaptar las terminales portuarias de los países más desarrollados. En cualquier caso los buques que naveguen por zonas donde no exista garantía de suministro de gas tendrán que seguir consumiendo combustibles líquidos.

Por último no podemos dejar de mencionar el hecho de que todo lo que suena a gas lo consideramos equivalente a riesgo de accidentes. Sin embargo, en el caso del gas natural no debería ser así por el excelente nivel de seguridad que han demostrado los buques metaneros.

Desde el punto de vista del almacenamiento, el LNG precisa mayor espacio que su equivalente en combustible líquido, ya que un litro de LNG viene a ser equivalente a 0,6 litros de gas oil y requiere tripulaciones con formación adecuada.

En la figura se puede ver como se reduce el SOx al utilizar LNG como combustible.

Motores MAN Diesel & Turbo: Últimas tecnologías en motores duales de dos y cuatro tiempos

En cumplimiento de las nuevas ordenanzas de Marpol y la Organización Marítima Internacional (OMI), debido a la importancia de las emisiones contaminantes de los buques, principalmente óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, partículas y dióxido de carbono, los constructores de motores tratan de implementar soluciones para disminuir la contaminación del ambiente ocasionados por los gases de escape de los mismos.

El gas licuado es una alternativa ecológica amigable con nuestro planeta. Los motores MAN 7G70ME-GI. son los nuevos motores de 2 tiempos de MAN Diesel &Turbo, con tecnología dual y sistemas de reducción de emisiones, de baja velocidad tipo ME-GI (tipo M controlado electrónicamente, GI para inyección de gas), que ofrecen una alta eficiencia de la planta propulsora.

MAN Diesel & Turbo ha comprobado que incluso si se compara con la mejor solución de propulsión para DFDE, el motor ME-GI ofrece un ahorro de combustible de más de 30 toneladas de gas por día operando a velocidad de crucero de 15-17 nudos. Estos motores ofrecen la opción de usar tanto HFO como LNG, predominantemente este último.

Se está desarrollando también el motor ME-LGI que utiliza como combustible LPG (gas licuado de petróleo, propanos y butanos líquidos) y metanol, con menor  punto de inflamación, un concepto totalmente nuevo que amplía enormemente la cartera de dual-fuel de la empresa.

MAN suministrará los motores duales de dos tiempos ME-GI para dos portacontenedores de 3.100 TEU de la naviera estadounidense TOTE. Cada buque estará equipado con el motor de MAN 8L70ME-GI (25.191kW a 104 rpm) y con grupos auxiliares duales MAN L28/32DF.

En consorcio con la compañía Alfa Laval que entregará el sistema Pure SOx de eliminación de óxido de azufre, suministrará al astillero italiano Fincantieri Cantieri Navali Italiani SpA ocho motores para la propulsión diesel eléctrica de dos nuevos cruceros para la compañía Viking Ocean Cruises.

Cada crucero estará propulsado por 2 × MAN 9L32/44CR + 2 × 12V32/44CR que proporcionan una potencia de 23.520 kW.

La combinación de la tecnología common rail de MAN Diesel & Turbo, junto con el sistema de tratamiento de gases de escape PureSOx de Alfa Laval, permitirá a estos buques cumplir -de la forma más económica posible- con los cada vez más estrictos requisitos globales de emisiones de óxido de azufre; especialmente, con los límites más exigentes de 0,1 % de azufre en las Zonas de Control de Emisiones (ECA).

También suministrará 30 motores duales de cuatro tiempos 8L51/60DF al astillero chino Hudong–Zhonghua. Los motores se instalarán en seis buques metaneros de 174.000 m³ con propulsión diesel eléctrica (DFDE).

Cada barco estará equipado con cinco unidades del motor MAN 8L51/60DF cumpliendo con la normativa IMO Tier III de emisiones de NOx cuando operan con gas. Estos motores están dotados con el sistema “Fuel Sharing”, que permite al operador seleccionar la proporción de fuel/gas que se desea utilizar en la operación de los motores duales, proporcionando una total flexibilidad en el uso del combustible (fuel y/o gas).

Así mismo, MAN Diesel & Turbo suministrará 5 unidades del motor dual de cuatro tiempos 8L51/60DF al astillero japonés Kawasaki Heavy Industries. Los motores se instalarán en el buque metanero con propulsión diesel eléctrica (DFDE) que el astillero construirá para el armador japonés K-Line.

En el astillero coreano Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering Co., Ltd. se construyen dos nuevos barcos metaneros. Cada buque de 173.000 m³ estará propulsado por dos unidades del motor MAN 5G70ME-GI por ser significativamente más eficientes que otros motores utilizados en la actualidad en la propulsión de este tipo de buque.

Estos motores se basan en el nuevo concepto de motor de carrera ultra larga y bajas revoluciones, proporcionando una mayor eficiencia global de la planta propulsora gracias, por un lado, a su menor consumo, y por otro, gracias a la posibilidad de acoplar hélices de mayor diámetro. El potencial de ahorro en consumo se estima entre un 4% y un 7%, generándose reducciones equivalentes de emisiones de CO2.

Flexible Dual Future - MAN B&W ME-GI Engine



Norberto Sánchez

El Turbosoplante: ¿Por qué considerarlo como una parte integral del motor?

El motor y turbosoplante son mutuamente dependientes; el turbo fue diseñado en cooperación con el fabricante del motor para adaptarlo a la tarea que éste debe cumplir.

Los turbos son máquinas tremendamente sencillas, pero que requieren de un gran cuidado en su mantenimiento. En general su peor enemigo es la suciedad, que en la mayoría de los casos es motivada por las pérdidas de gases en los colectores de escape, que son succionados por las turbinas (compresor), o bien por mala combustión, y consecuentemente, depósito carbonoso en los álabes o en las directrices.

Para garantizar que la vida útil del turbo se corresponda con la del motor, deben cumplirse de forma estricta las siguientes instrucciones de mantenimiento del motor que proporciona el fabricante:

• Intervalos de cambio de aceite.
• Mantenimiento del sistema de filtro de aceite.
• Control de la presión de aceite.
• Cambio del filtro de aire en cada cambio de aceite.

No culpe precipitadamente al turbosoplante cuando las cosas andan mal

Si el motor no funciona de forma correcta, no se debe dar por asumido que la falla viene provocada por el turbosoplante.

Muchas veces se desmonta un turbosoplante en perfectas condiciones para repararlo por una sospecha de falla cuando en realidad la falla no se encuentra en éstos, sino en el motor o en la inyección.

Solamente tras verificar todos estos puntos se debe revisar la presencia de fallas en el turbo.

El 90% de todas las fallas que se producen en los turbos se debe a las siguientes causas:

• Penetración de cuerpos extraños en la turbina o en el compresor.
• Suciedad en el aceite.
• Suministro de aceite poco adecuado (presión de aceite/sistema de filtro).
• Altas temperaturas de gases de escape (sistema de arranque/sistema de inyección).

La ingestión de objetos extraños destroza o deforma los álabes de las ruedas de turbina y compresora, ocasionando desbalanceo, inestabilidad rotacional y finalmente averías en los sellos y cojinetes.

El aceite contaminado causará ralladura en el eje y los cojinetes, tapará los orificios de paso del aceite lo que producirá grandes pérdidas de aceite.

La falta de aceite va a aparecer primero como avería de los cojinetes lo que conducirá a rozamiento de la rueda, avería en los sellos y aún rotura del eje.

Siguiendo las instrucciones en el manual de servicio del fabricante del motor en cuanto al mantenimiento de los sistemas de entrada de aire y filtrado de aceite se pueden evitar las averías por ingestión de objetos extraños y aceite contaminado. 

Quería comentar sobre una avería que siempre escuchamos y que pocas veces podemos verla personalmente.

http://maquinasdebarcos.blogspot.com.ar/2009/03/motores-diesel-averia-por.html

En las fotos podremos ver cómo afecta a las paletas de la turbina el desprendimiento de algún trozo de material, que, a través del escape, impacta sobre las paletas del turbosoplante.

 

Ataque las fallas antes de que éstas empiecen

Al notar una pérdida de aceite, una vibración no usual o un sonido no acostumbrado que provenga del turbo, detenga el motor.

El inconveniente puede ser fácil de corregir en ese momento, pero si se permite que continúe, puede llegar a ser necesaria una reparación costosa.

Puesto que el turbosoplante funciona a muy altas velocidades, la más pequeña falla puede ser transmitida a través del conjunto rotante a otras partes, cojinetes, sellos, etc.

El problema puede complicarse aún más cuando se incrementan las velocidades y cargas del motor. A altas velocidades, por ejemplo, un turbosoplante desprovisto de aceite puede sufrir daño en sus cojinetes en solo unos pocos segundos.

En el gráfico podemos ver las fallas más comunes de los turbos, sus causas y soluciones:

   

Norberto Sánchez

El Gas Natural Licuado (LNG) y la Tecnología de los motores Wärtsilä Dual-Fuel (DF)

Según estudios realizados por las sociedades de clasificación para varias categorías de buques, se espera que una gran parte de las flotas de transporte marítimo internacional utilicen gas natural licuado como combustible en motores propulsores de buques de nueva construcción o por la transformación de los ya existentes, como es el caso del buque Bit Viking, siendo este el primer buque cisterna no dedicado al transporte de Gas Natural Licuado (GNL), que utiliza este tipo de gas como combustible.


En este contexto, quiero comentar sobre los motores Dual Fuel (DF) de Wärtsilä que pueden funcionar alternativamente alimentados por gas natural a baja presión o por combustible diesel o fuel-oil y son capaces de cambiar automáticamente de una forma a la otra, manteniendo en todo momento la potencia producida.

Modo de operación:

Funcionan en modo gas de baja presión (5 bar) inyectando un 1% de diesel como piloto para producir el encendido de la mezcla aire /gas o solo en modo diesel utilizando MDO y HFO.

El proceso de combustión de la mezcla gas y aire se produce en un ciclo Otto, o alternativamente el proceso de combustión de la mezcla diesel y aire en un ciclo Diesel.

Ventajas del motor Dual (DF) frente a motores alimentados solo con LNG en buques:



Se puede ver en la figura las emisiones producidas por los gases de escape de los motores y los objetivos de los fabricantes de los mismos para lograr reducirlas.

Emisiones más limpias consumiendo LNG

Como conclusión podemos afirmar que ya hay suficientes factores que apoyan la adopción del LNG como combustible marino.

La tecnología de los motores Dual Fuel (DF) de Wärtsilä pueden entregar soluciones seguras, integradas, optimizadas y probadas que combinan las ventajas de los combustibles líquidos y gaseosos.

1 Cumple con los futuros requerimientos de emisiones IMO Tier III

2 Utilización de Gas a baja presión (5 bar)

3 Flexibilidad con los combustibles: GAS, MDO y HFO

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Wärtsilä Convierte el Sistema de Propulsión del Buque Tanque “Bit Viking” a LNG


El Gas Natural Licuado (GNL) en la propulsión de buques

Wärtsilä Convierte el Sistema de Propulsión del Buque Tanque “Bit Viking” a LNG

El buque tanque “Bit Viking” fue la primera embarcación modificada por Wärtsila, a la cual se le realizó una conversión del sistema de propulsión que utilizaba petróleo pesado pasándolo a consumir  gas natural licuado (LNG), lo que lo convierte en uno de los buques tanque más amigables con el medio ambiente en el mundo.

La conversión permite que el buque califique para obtener más bajos impuestos por emisión de óxido de nitrógeno (NOx), bajo los parámetros de la norma Noruega de emisiones de gases contaminantes.

Además, al operar con gas natural licuado puede bajar las emisiones de óxido de carbono, y virtualmente eliminar las emisiones de óxido de azufre y de partículas en los gases de escape del motor.

El alcance del paquete de conversión incluye sistemas de combustible a gas montadas en cubierta, cañerías, dos motores Wärtsilä 46 de 6 cilindros convertidos a unidades Wärtsilä 50DF con sistemas de control y todos los ajustes necesarios para la conversión de los sistemas del barco.
 
Los motores están conectados directamente a los ejes de propulsión a través de una caja reductora que permite una mejora significativa en la eficiencia de la propulsión, reduce el consumo de combustible y la correspondiente reducción de las emisiones.

El certificado de clasificación del barco también fue actualizado y es el primer barco alimentado con combustible de gas natural licuado en ser clasificado por la norma Germanischer Lloyd.
 
Nuevo sistema de almacenamiento Gas Licuado Natural

El “Bit Viking” utiliza el nuevo sistema LNGPac de Wärtsilä, lo que permite el almacenamiento a bordo seguro y conveniente de gas natural licuado.

Los dos tanques de 500 metros cúbicos de almacenamiento están montados en la cubierta para facilitar las operaciones de aprovisionamiento de combustible y permitir el abastecimiento de combustible a gas licuado a una velocidad de 430 metros cúbicos por hora.
 

Los tanques de almacenamiento proveen a la embarcación una autonomía de operación de 12 días con un 80 por ciento de carga, con la opción de cambiar a petróleo diesel si es requerido.
 
Cuando visita los puertos de Estados Unidos, los cuales tienen un límite de 0.1 por ciento en emisiones de azufre, la embarcación puede operar con gas.

Las exitosas pruebas marítimas con este barco hacen que el uso de gas natural licuado como el combustible de los motores en los barcos sea hoy una posibilidad cierta en los proyectos de nueva construcción.

El Primer Turbosoplante Híbrido del Mundo colocado en un Motor Diesel MAN de siete cilindros del tipo S65ME-C

Desde que el Dr. Alfred Büchi (de la Compañía Suiza de Motores Sulze) descubriera los principios fundamentales de la sobrealimentación de los motores diesel aprovechando los gases de escape, este sistema ha sido aplicado en casi todos los motores diesel, llegándose, en el momento actual, a una situación en la que no se concibe ni proyecta motor diesel alguno sin su correspondiente sistema de sobrealimentación.

Todos los que trabajamos con motores sabemos de la importancia de la sobrealimentación en los motores diesel y que un turbosoplante utiliza la energía de los gases de escape de los motores para impulsar una turbina colocada en la salida del colector de escape, unida mediante un eje a un compresor que eleva la presión del aire que entra a través del filtro y consigue que mejore la alimentación de aire del motor.

¿A qué me refiero cuando digo Turbosoplante Híbrido?

En este caso, sumado a las funciones básicas, un Turbosoplante Híbrido utiliza la energía rotatoria adicional generada por la turbina para la generación de la energía eléctrica, con un generador acoplado al mismo eje del compresor.

Shin Koho es el primer barco granelero en el mundo con un turbosoplante híbrido, colocado en un Motor Diesel MAN de siete cilindros del tipo S65ME-C, dando a la nave una velocidad aproximada de 15 nudos.

El nuevo Turbosoplante MET83MAG fue desarrollado en común por cuatro compañías: NYK, the Monohakobi Technology Institute (MTI), The Universal Shipbuilding Corporation, y Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.

En el esquema se puede apreciar el funcionamiento:

Principales caraterísticas del MET83MAG hybrid turbocharger

Maximum allowable speed (rpm) 11,300
Maximum allowable gas temp. (oC) 580
Generator type Permanent magnet-type 3-phase synchronous
Number of poles 4
Maximum output (kWmi) 754
Bearings Externally forced lubrication sleeve bearings
Generator Cooling Freshwater, air
 

 El barco puede resolver los requisitos de la energía eléctrica para la operación normal usando un turbosoplante híbrido reduciendo el uso de los generadores diesel, contribuyendo a la reducción de las emisiones de CO₂ a la atmósfera.

La salida de energía máxima del MET83MAG es 754kW a 9.500 rpm.

La corriente generada es una corriente alterna trifásica de alta frecuencia (CA), que primero se rectifica a corriente continua (C.C.) y después se convierte al voltaje y a la frecuencia utilizada a bordo.

Estos elementos pueden funcionar al revés, por consiguiente, la ventaja es que permite que el generador funcione como motor para agregar energía al turbosoplante cuando la velocidad del motor principal es baja, logrando de esta forma mejorar la provisión de aire de admisión en esa condición de trabajo.

Para ver el trabajo completo del desarrollo técnico MET83MAG hybrid turbocharger ir a:

Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 47 No. 3 (September 2010)

Estrategias para reducción de las Emisiones Contaminantes en Motores Diesel Marinos (III)

Continuando con el tema de los post anteriores (ver Post I y Post II) de las estrategias utilizadas por los constructores de motores marinos para reducir las emisiones contaminantes y aumentar la eficiencia de los mismos, hoy me referiré, dentro de las estrategias internas, a las mejoras utilizando un control electrónico avanzado del motor y una mayor intensificación del Ciclo Miller que ha sido posible con la introducción de los turbosoplantes de dos etapas, que proporcionan relaciones de presión del aire de alimentación de hasta 7:1.

Todas las normas legisladas sobre reducción de emisiones de los motores prestan especial atención a la emisión de los óxidos de nitrógeno (NOx) formados, en más del 90%, por las elevadas temperaturas que se alcanzan durante la combustión.

El objetivo de los constructores es la adopción de sistemas que permitan 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, para lograr motores con emisiones de NOx progresivamente menores.

Ciclo Miller y el “timing” de válvulas

El Ciclo Miller supone el cierre temprano de la válvula de admisión haciendo que el aire que entra en el cilindro se dilate y se enfríe y, consecuentemente, se reduzcan las temperaturas puntas durante la combustión.(ver figura)

Sin embargo, un tiempo de admisión más corto podría conducir a que entre menos aire y por lo tanto menos oxígeno en el cilindro para combinarse con el combustible, lo que resultaría en una menor potencia y par motor.

Con las presiones elevadas de los turbosoplantes de dos etapas se asegura una cantidad de aire igual o incluso mayor que puede entrar en el cilindro en el menor tiempo disponible.

Los datos de la aplicación de estos sistemas sobre un motor MAN con un Ciclo Miller intensivo en condiciones de plena carga y presiones del turbosoplante de 6,5 hasta 7, indican que se han obtenido reducciones de NOx de más del 30%, reducciones en el consumo de combustible de hasta el 8% y un aumento del 15% en el rendimiento de la potencia especifica.

En motores utilizados en la Propulsión Marina, con elevados rangos de potencia y demandas variables de carga, se utiliza una versión del Ciclo Miller con regulación del “timing” de válvulas variable (Variable Valve Timing - VVT) según la carga.

En la figura se puede ver un sistema de este tipo:

La variación en la sincronización y la elevación de la válvula es alcanzada interponiendo un compartimiento de alta presión del aceite en el tren de válvula del motor entre la válvula y su sistema mecánico de la impulsión.

Turbocompresión en dos etapas

La aplicación de estos sistemas requiere una elevada presión de sobrealimentación que es posible por la aplicación de los nuevos turbocompresores de dos etapas con tecnología de área de turbina variable (Variable Turbine Area - VTA).

Disposición esquemática del motor 6L32/44CR de MAN Diesel – Ciclo Miller Variable con dos turbosoplantes

En este sistema los dos turbocompresores están colocados en serie y con un enfriador de aire de carga intermedio.

El segundo turbosoplante, más pequeño, está equipado con el sistema VTA para el control más preciso de la salida del aire de carga.

El VTA es un sistema que realiza la regulación de la salida del turbocompresor por medio de toberas con anillos de álabes regulables en lugar de anillos de álabes fijos.

El ajuste del área de paso por los álabes regula la presión de los gases de escape, obligando a la turbina a variar el flujo de salida del compresor.

Se consigue así optimizar el suministro de aire de carga en todos los puntos en el mapa de rendimiento del motor, permitiendo que la cantidad de aire de carga coincida con más exactitud con la cantidad de combustible inyectada en beneficio de las emisiones, el consumo y la respuesta del motor a cambios de carga.

Estrategias para reducción de las Emisiones Contaminantes en Motores Diesel Marinos (II)

En el post anterior comentaba, que 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, pero que todas ellas se pueden clasificar en estrategias internas o externas.

El post se refería, dentro de las estrategias internas, a las Estrategias basadas en el proceso de inyección de combustible, en los próximos post trataré de explicar las modificaciones que se efectúan en los diferentes sistemas que intervienen en el proceso de introducción del comburente (aire) en el interior del cilindro (tumble, swirl, squish band, “timing” de válvulas y sobrealimentación) con el objetivo de aumentar el rendimiento del motor y disminuir las emisiones de gases contaminantes a la atmósfera.

En este caso, las alternativas que parecen más adecuadas son las siguientes:

a) El diseño de los colectores de admisión, la cámara de combustión y la corona del pistón.

b) Modificar la relación de compresión efectiva del motor mediante la modificación del ángulo de cierre de la válvula de admisión.
Esta estrategia es la base del ciclo Miller.

c) Incrementar la presión de sobrealimentación.

Los numerosos estudios realizados sobre cada una de estas alternativas han demostrado que generalmente las estrategias internas que reducen las emisiones de NOx incrementan las de partículas y viceversa.

Este problema es conocido en el ámbito de la investigación en motores como el dilema Diesel.

El requisito clave para emisiones bajas en NOx es un aumento de la relación de compresión del motor. Hace años, una relación de compresión de 11 a 12 era el estándar.

Para cumplir con las normas IMO Tier I, la relación de compresión se aumentó a 14 ó 15, y para IMO Tier II fue necesario relaciones de compresión de 17.

El otro pilar del concepto es el Ciclo de Miller, es decir, la modificación de la sincronización de válvulas del motor para obtener una combustión más fría.

Para cumplir con las reglamentaciones de IMO Tier I sólo se utilizaba un efecto Miller pequeño de 5%. Sin embargo, IMO Tier II requiere un efecto Miller de 20%.
Éste es un gran reto para el turbocompresor, el cual tiene que proporcionar presiones muy altas de sobrealimentación para mantener los valores actuales de la Presión Media Efectiva.

El diseño de los colectores de admisión, la cámara de combustión y la corona del pistón

Tumble, Swirl y Squish

Las medidas incluyen mejoras de la geometría de la corona del pistón y reducción de la formación de vórtices a la entrada de la cámara de combustión.

Un mayor grado de turbulencia se puede alcanzar con el movimiento en el gas a medida que este se introduce a través de las válvulas por medio de un diseño adecuado de los colectores de admisión y de la cámara de combustión. El efecto que se pretende conseguir es optimizar el aprovechamiento del oxígeno contenido en el gas atrapado en el cilindro.

Las investigaciones confirman que la generación de movimiento en dirección axial paralela al eje del cilindro (tumble) y en dirección tangencial (swirl) durante la carrera de admisión, favorece posteriormente el fenómeno de propagación de la llama tras la carrera de compresión.

En el caso de motores Diesel, es mucho más relevante el movimiento de swirl que el movimiento de tumble.

Squish es el espacio libre existente entre la cabeza del pistón cuando se encuentra en su PMS y la pared inferior de la culata.

El resultado final es un incremento del rendimiento térmico y una reducción importante en las emisiones de CO y HC.