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Motores Diesel

El sistema Common-rail en los motores de cuatro tiempos de Wärtsilä

Es siempre aventurado predecir el futuro de acontecimientos o tecnologías específicas pensando que serán más importantes que otros del pasado puesto que el desarrollo es un proceso de la evolución en el cual muchas partes se juntan.

Si la introducción del anti-polishing ring (APR) en la camisa de cilindro era el logro principal de los años 90, no es demasiado previsor predecir que los sistemas de inyección de combustible conocidos como common-rail serán el paso principal en la industria de los grandes motores diesel durante la primera década de este siglo.

Ahora bien, mientras que la idea de APR era más fácil de introducir en el diseño del motor, la implantación del common-rail es mucho más difícil de implementar como característica estándar en un motor de los que se fabrican actualmente.

Siempre que las nuevas tecnologías abren nuevas oportunidades hay muchos caminos a elegir para su implementación. Y éste es el caso, también, al aplicar a los motores el sistema common-rail.

Los elementos básicos

El sistema del common-rail (CR) consiste en cuatro partes básicas:

La bomba

El carril común

El inyector

La unidad de control

Los principales objetivos de Wärtsilä en el diseño de estos motores han sido:

_ Niveles bajos de emisión, particularmente valores bajos de humo (ningún humo visible), para todas las cargas y velocidades, incluidas las condiciones transitorias.

_ La aplicabilidad de esta tecnología a los motores existentes, sin un cambio demasiado grande en el diseño de las piezas importantes del motor, evitando grandes inversiones en herramientas utilizadas en la producción y por tanto retrasar su introducción en el mercado.

_ Aplicar el concepto con un alto grado seguridad y confiabilidad operacional en todas las condiciones de trabajo.

_ Que los costos de producción se encuentren en un nivel comparable al de los motores equipados con los sistemas convencionales de inyección de combustible.

_ Alcanzar una eficacia mecánica en el proceso de la inyección del combustible que sea claramente mejor que en el sistema convencional.

Wärtsilä nos explica brevemente las razones que tuvo en cuenta detrás de las selecciones hechas para sus motores.

La bomba

El propósito de la bomba es llenar el carril común del combustible y mantener la presión en el nivel pedido por la unidad de control. Esta presión puede variar entre 900-1500 bar., dependiendo de cuál es el grado óptimo para cualquier punto de funcionamiento particular.

La opción de la tecnología a aplicar aquí está entre dos conceptos principales:

•  Una sola unidad de la bomba que consiste en varios elementos de bombeo conducidos por el cigüeñal a través de un engranaje.

•  Con un árbol de levas que mueve la bomba a impulsos, semejantemente a las bombas de inyección convencionales.

Wärtsilä eligió el último concepto (figura 2)

Ésta es una tecnología bien conocida que puede ser considerablemente simplificada para su uso en los sistemas de common-rail comparado a las bombas convencionales.

Puesto que la sincronización del bombeo no tiene importancia, la velocidad de bombeo puede ser aumentada empleando dos o más lóbulos en el árbol de leva por cada bomba. De esta manera el tamaño y el número de bombas se pueden reducir perceptiblemente.

La bomba tiene en la descarga una válvula de control de caudal y una válvula de no-retorno del combustible desde el acumulador.

La seguridad operacional esta asegurada ya que el motor todavía puede entregar más el de 80% de la potencia nominal si una bomba está fuera de operación.

El acumulador

El acumulador (figura 3) es el que almacena el combustible presurizado y es el elemento que le da el nombre a todo el concepto, common-rail .

La primera idea es que el common-rail sea una tubería que vaya desde el primero hasta el último cilindro. Sin embargo, hay importantes razones para partirlo en varios tramos más pequeños.

Éste es el concepto elegido para los motores de Wärtsilä y ofrece las siguientes ventajas:

_El volumen del acumulador se puede concentrar cerca de los inyectores, que es una ventaja desde el punto de vista hidrodinámico.

_Los acumuladores, pueden ser piezas simples, estandardizadas y fáciles de fabricar en acero de alta calidad.

_ Con un acumulador y una bomba por cada dos cilindros el flujo de volumen entre los acumuladores es mínimo y las variaciones de la presión de un cilindro a otro se eliminan.

_Los acumuladores se pueden fijar fácilmente sobre el bloque de motor, lo que elimina el riesgo de vibraciones peligrosas.

_ Un importante aspecto de la seguridad es que el sistema puede ser fácilmente blindado y cualquier perdida de combustible se puede recoger fácilmente en un sistema separado de drenaje.

El inyector

Es la parte más importante de todo el sistema (figura 4)

Desde el comienzo Wärtsilä tomó dos decisiones:

Decisión 1:

Emplear un sistema servo-hidráulico de aceite, con una válvula piloto, para el control de la inyección, en vez de utilizar directamente el fuel-oil.

La razón principal de esto es que el sistema está hecho para usar fuel-oil pesados que son calentados a 150 °C o mas y pueden limitar el curso de la vida de la armadura del solenoide.

Otra razón es el riesgo del desgaste por erosión y obstrucción de las pequeñas perforaciones esenciales para el control apropiado de la inyección. Es más fácil filtrar el aceite que el fuel-oil pesado.

Decisión 2:

No tener la presión del carril (acumulador) sobre el asiento de la tobera cuando no se esta inyectando.

La razón principal de esto es seguridad para el buen funcionamiento en el caso de inyectores que gotean. El período de no-inyección representa más el de 95% del total.

Una característica esencial del inyector es que la presión del carril ayuda en el cierre de la aguja.

Desde un punto de vista funcional no es necesaria pero desde la perspectiva de el control de la combustión es crucial (operación sin humo). El punto es asegurar la apertura rápida de la aguja en el inicio de la inyección y un rápido cierre en el final de la inyección (figura 5). Si aplicáramos un sistema convencional no se conseguiría suficientemente rápido.

La unidad de control

La unidad de control, (figura 6), tiene dos tareas básicas:

En primer lugar, controlar la sincronización y la cantidad del combustible inyectado, y en segundo lugar controlar el relleno y la presión en los acumuladores.

Las unidades de control electrónico se han utilizado en los motores de Wärtsilä, diesel y gas, por muchos años.

Esto significa que el hardware electrónico nuevo para la inyección de carburante del CR ha sido accionado más por la tendencia general hacia más de alta calidad, capacidad y costó el hardware eficiente de la electrónica que necesidades específicamente técnicas.

El desarrollo del software tiene que pasar con varias iteraciones paralelamente a la prueba y a la optimización en el motor. La blanco es el software estable y congelado del 100% que es fácil de configurar para las varias necesidades del uso. El mejor, y posiblemente solamente, manera de alcanzar esto está para que el fabricante del motor desarrolle el software mismo. Este acercamiento ha sido elegido por Wärtsilä.

Además de las tareas básicas la unidad de control también toma el cuidado de todas las funciones de la seguridad del comandante, como la pre-circulación, la protección de sobrepresión, la evacuación de la presión en la parada de emergencia etc.

Traducción y resumen de la página oficial de Wärtsilä

http://www.wartsila.com/


Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas

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