1. Combustibles Marinos
Concepto y naturaleza: Se denominan así a los hidrocarburos empleados en buques para propulsar la nave y generar energía. No son sustancias químicamente puras; su estructura molecular y composición varían constantemente.
Clasificación
Marine Fuel Oil (MFO): Engloba una amplia variedad de productos destilados y residuales. Se categoriza según su contenido de azufre y viscosidad en Fuelóleo Pesado (HFO) y Ligero (LFO). Es más espeso que el diésel, por lo que necesita ser filtrado y calentado antes de su uso. Se usa sobre todo en generadores y motores de dos tiempos.
Marine Gas Oil (MGO): Es una fracción más liviana y de superior calidad, con menor contenido de azufre y una excelente capacidad de ignición, ideal para motores de alta velocidad. Es similar al diésel terrestre pero con especificaciones para el ámbito marino.
Gas Natural (LNG/CNG): Se utiliza en estado gaseoso (licuado o comprimido). Destaca por ser más limpio, emitiendo menos CO2 y casi nada de azufre.
Proceso de Refino
- Destilación Atmosférica: El petróleo se calienta en una torre; los componentes ligeros suben y se recolectan en bandejas superiores, mientras los pesados quedan en la base.
- Unidad de Vacío: Los residuos pesados se calientan y se separan de nuevo aprovechando la baja presión.
- Craqueo Térmico: Las cadenas largas de hidrocarburos se rompen mediante calor (500 °C) para obtener productos más útiles.
- Craqueo Catalítico: El gasoil pesado resultante se mezcla con fondos de vacío para producir el fuel oil comercial.
2. El Sistema de Inyección Diésel
Condiciones necesarias: Para una buena inyección se requiere dosificación exacta, control del gradiente, pulverización en gotas finas, penetración profunda en la cámara, difusión homogénea y una regulación precisa del momento.
Componentes Clave
Bombas de inyección: Elevan la presión y regulan la cantidad de combustible. Pueden ser de bloque (para potencias medias, con regulador de velocidad y presión integrado) o individuales (una por cilindro en motores grandes, accionadas por el árbol de levas).
Inyectores: Válvulas situadas en la culata que atomizan el combustible en forma de aerosol a través de orificios microscópicos.
Fases de la Inyección
- Pre-inyección: Pequeña carga inicial para suavizar la combustión y bajar el ruido.
- Principal: Se inyecta el grueso del combustible cuando el pistón está cerca del PMS (Punto Muerto Superior).
- Post-inyección: Sirve para limpiar la combustión (quemar restos) y bajar emisiones.
BLOQUE 3: Avance a la Inyección y Rendimiento
Avance a la Inyección: Es el ajuste del momento de entrada del combustible respecto al ciclo de compresión. Es vital para compensar retrasos mecánicos y de encendido, mejorando la potencia y reduciendo el ruido y las emisiones de NOx.
Métodos para Lograr el Avance
- Mecánico: Mediante la configuración de levas o sistemas centrífugos en la bomba.
- Electrónico (ECU): La computadora ajusta el momento ideal basándose en sensores de carga y temperatura en tiempo real.
- Common Rail: Mantiene combustible a alta presión en un riel común, permitiendo un control total e independiente del tiempo de inyección.
5. Sobrealimentación y Rendimiento
La sobrealimentación busca incrementar la potencia específica del motor sin aumentar significativamente su tamaño, lo que reduce el coste por unidad de potencia. En el ámbito marino, se realiza mediante turbosoplantes que aprovechan la energía de los gases de escape.
Métodos Principales
Por Impulsos: Utiliza conductos estrechos para aprovechar las ondas de presión de los gases. Requiere un diseño complejo para evitar que la descarga de un cilindro interfiera con el barrido de otro.
A Presión Constante: Los gases se acumulan en un colector grande que estabiliza la presión antes de la turbina. Es menos eficiente aprovechando picos de energía, pero garantiza un barrido uniforme en todos los cilindros.
Diferencia de conceptos
El rendimiento volumétrico mide la capacidad del motor para mover aire hacia dentro y fuera, mientras que el índice de exceso de aire compara el aire real frente al estequiométrico necesario para la combustión. Ambos conceptos son relevantes para el funcionamiento y la eficiencia de los motores, pero están relacionados con aspectos diferentes de la combustión y la operación del motor.
6. Ley de Semejanzas en Motores
Esta herramienta analiza cómo cambian los parámetros de un motor según su tamaño o cilindrada (lambda):
- Para el mismo número de cilindros: El par motor crece con la cilindrada, pero la potencia por litro y el régimen de giro disminuyen a medida que el motor se hace más grande.
- Para distinto número de cilindros: A igualdad de cilindrada, más cilindros equivalen a más potencia. Si la potencia es fija, un motor con menos cilindros necesitará una cilindrada mayor.
7. Sistemas de Arranque
Existen varios métodos, desde manuales (manivela) hasta eléctricos (comunes en vehículos) o por inercia. Sin embargo, en grandes motores marinos predomina el Arranque por Aire Comprimido a 30 bar. El aire empuja el pistón en la carrera de expansión hasta que el motor alcanza velocidad suficiente para inyectar combustible.
Elementos principales del sistema
- Compresor de Aire: Es responsable de generar aire comprimido a alta presión. Puede ser un compresor independiente o estar accionado por el propio motor.
- Tanque de Almacenamiento: El aire comprimido se almacena en un tanque a alta presión para garantizar una fuente constante de aire en el momento de arranque.
- Distribuidor: Es el encargado de distribuir el aire comprimido al cilindro adecuado.
- Válvula de Liberación: Controla la liberación del aire comprimido desde el tanque hacia el cilindro del motor. Esta válvula es controlada electrónicamente para sincronizar el arranque.
- Válvula de Control del Cilindro: Regula el flujo de aire comprimido hacia el cilindro específico que se desea arrancar.
- Sensor de Posición del Cigüeñal: Monitorea la posición del cigüeñal y envía señales a la unidad de control para coordinar la inyección de aire comprimido y el arranque.
8. Motores Reversibles
Se requieren en sistemas que no usan hélices de paso variable ni reductoras, permitiendo cambiar el sentido de la marcha para maniobras como atracar, desatracar, virar y realizar giros. Problemas: Invertir el giro afecta la lubricación, el enfriamiento y la eficiencia, ya que el motor está optimizado para un solo sentido.
Soluciones específicas para la reversibilidad
- Servomecanismos de inversión para todos los ejes de camones, como en los antiguos motores Sulzer.
- Camones independientes para la marcha avante y atrás, con movimiento axial del eje para llevar a los camones a la posición correspondiente de los rodillos.
- Posicionamiento de las bombas de inyección y haciendo la apertura de las válvulas de escape simétricas (o admitiendo la asimetría para la marcha atrás).
- Instalando distribuidor de aire de arranque en los que la inversión se realiza internamente por el flujo de aire, como en los motores Doxford.
- Instalación de accionamientos como los que se instalan en algunos motores MAN-B&W, donde el empujador se reposiciona relativamente con respecto al eje de camones, calando la bomba adecuadamente para la nueva dirección. La apertura y cierre de la válvula de escape es simétrica para ambos sentidos de giro.
Los diésel-generadores no son reversibles porque su función es producir electricidad a una rotación constante y unidireccional. Para lograr la inversión de dirección en aplicaciones de generación eléctrica, se utilizan soluciones adicionales como sistemas de control y dispositivos electrónicos.
9. Turbinas de Gas vs. Diésel
Ventajas de la Turbina: Mejor relación potencia-peso, arranque rápido, menor mantenimiento y alta eficiencia a máximas revoluciones.
Desventajas: Menos eficientes a cargas parciales, menor par motor a bajas RPM y costes iniciales elevados.
Componentes de las turbinas de gas
- El compresor: Es la primera etapa de la turbina de gas y su función es comprimir el aire atmosférico antes de que entre en la cámara de combustión.
- Cámara de combustión: Se mezcla el aire comprimido con el combustible (generalmente gas natural o queroseno) y se enciende mediante una chispa o un encendido constante.
- Turbina de alta presión: Los gases calientes y de alta presión pasan por esta etapa, que consta de una serie de rotores y estatores, extrayendo energía térmica para convertirla en energía mecánica.
- Turbina de baja presión: Los gases de escape continúan hacia esta etapa, que suele tener una mayor cantidad de etapas para extraer más energía y aumentar la eficiencia general.
Métodos para mejorar el rendimiento termodinámico
- Ciclos de aire combinado: Como el ciclo combinado de gas-vapor, aprovechan el calor residual de los gases de escape para generar vapor y alimentar una turbina de vapor adicional.
- Ciclos de Inyección de Vapor: La inyección de vapor en la corriente de gases de escape puede enfriar los gases y aumentar la masa de gas.
- Enfriamiento del aire de combustión: Incorporar enfriamiento antes de entrar en la cámara de combustión puede reducir las pérdidas térmicas y aumentar la eficiencia del ciclo.
- Turbinas de ciclo combinado avanzadas: Utilizan tecnologías de alta eficiencia, ciclos cerrados y sistemas de recuperación de calor.
- Ciclo cerrado: El fluido de trabajo se calienta y enfría en un bucle cerrado en lugar de entrar en contacto directo con los gases de combustión.
BLOQUE 4: Configuraciones Propulsoras, Reversibilidad y Arranque
Configuraciones Propulsoras
Motor Reversible + Hélice de Paso Fijo: Usado en buques grandes (petroleros) para rutas largas. Son eficientes pero con poca maniobrabilidad. Esta configuración permite que los motores sean de alta potencia, ya que no dañarán los mecanismos de propulsión al contar solamente con el motor, la chumacera de empuje y una hélice de paso fijo.
Motor No Reversible + Reductora + Hélice de Paso Variable: Ideal para buques costeros o pesqueros por su alta maniobrabilidad. Esta configuración permite utilizar el motor a revoluciones óptimas ya sea durante la navegación o durante acciones de pesca, donde la carga y la velocidad requeridas varían, permitiendo que la reductora se adapte.
Motores de media/alta velocidad de baja potencia no reversibles: Acoplados a una reductora y hélice de paso variable. Esta configuración es utilizada en buques de salvamento, empleando dos motores para que, ante una emergencia, si un motor falla, el buque pueda seguir operando.