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Ciclo idealizado de Diesel
•tiempo de admisión: se abre la válvula de admisión y penetra aire a presión constante.
•tiempo de compresión: el aire se comprime adiabáticamente y al final de esta carrera, se introduce el combustible mediante un inyector. La mezcla se incendia sin necesidad de chispa (bujía).
•tiempo de expansión (carrera de trabajo): la expansión de los gases de combustión se lleva acabo primero a presión constante y posteriormente de manera adiabática, empujando el pistón hacia abajo.
•tiempo de escape: al elevarse de nuevo el pistón, se abre la válvula de escape que permite que disminuya la presión dentro del cilindro a volumen constante y que salgan los gases a presión atmosférica
CICLO DE DIESEL
Motor de cuatro tiempos diesel
Rudolph Diesel desarrolló el motor que lleva su nombre y obtuvo la patente alemana en 1892.
Este motor de cuatro tiempos utiliza como combustible diesel y a diferencia del motor de gasolina, sólo succiona aire, lo comprime y entonces le inyecta el combustible. El calor del aire comprimido enciende el combustible espontáneamente.
Ciclo idealizado de Diesel
•tiempo de admisión: se abre la válvula de admisión y penetra aire a presión constante.
•tiempo de compresión: el aire se comprime adiabáticamente y al final de esta carrera, se introduce el combustible mediante un inyector. La mezcla se incendia sin necesidad de chispa (bujía).
•tiempo de expansión (carrera de trabajo): la expansión de los gases de combustión se lleva acabo primero a presión constante y posteriormente de manera adiabática, empujando el pistón hacia abajo.
•tiempo de escape: al elevarse de nuevo el pistón, se abre la válvula de escape que permite que disminuya la presión dentro del cilindro a volumen constante y que salgan los gases a presión atmosférica
EL ENCENDIDO
Para que un motor diésel se encienda no es necesario que se produzca la chispa que se necesita en los motores de gasolina.
La clave se encuentra en la ignición: el encendido del combustible se produce porque se inyecta en la cámara a una presión muy alta por unos orificios muy pequeños, lo que hace que se pulverice al contacto con el aire de la cámara, que también está a muy alta temperatura.
El resultado es que se genera la autoignición, sin necesidad de que haya una chispa.
EL MOVIMIENTOEl movimiento del motor diésel comienza porque:
debido a esta autoignición, se produce la expansión del gas de la cámara de combustible, provocando que el pistón descienda desde el PMS.
Esto, por su parte, da lugar al movimiento de la biela, que transmite el dinamismo al cigüeñal.
BUJÍAS En los motores diésel hay bujías, pero no tienen la misma función que en el motor de gasolina, sino que son bujías de calentamiento.
En los motores diésel más antiguos, las bujías se encargan de calentar las cámaras de combustión de cada cilindro antes del arranque y, también, de mantenerlas calientes durante el arranque.
Sin embargo, en los motores diésel más nuevos no es necesario este precalentamiento, de modo que las bujías sólo cumplen una labor de calentamiento a posteriori, contribuyendo a la reducción de contaminación medioambiental al ayudar a no generar humo negro.
El motor Diesel, es un motor de pistones, generalmente de cuatro tiempos. También es conocido como motor de encendido por compresión o motor de combustión gradual.
En este tipo de motor, a diferencia del de gasolina, el conducto de admisión es libre, por lo que el motor aspira libremente aire del exterior en todos los estados de carga y velocidad.
La potencia entregada por el motor se regula inyectando mas o menos combustible en la cámara de combustión del cilindro de trabajo.
El combustible se inyecta a través de un dispositivo especial conocido como inyector, que pulveriza muy finamente el combustible a muy alta presión dentro de la cámara de combustión.
Esta cámara de trabajo está llena de aire muy caliente, debido a la fuerte compresión realizada por el pistón en la carrera de compresión. El contacto del aerosol de combustible con el aire caliente lo inflama, para producir el trabajo útil.El combustible se inyecta a través de un dispositivo especial conocido como inyector, que pulveriza muy finamente el combustible a muy alta presión dentro de la cámara de combustión.
Esta cámara de trabajo está llena de aire muy caliente, debido a la fuerte compresión realizada por el pistón en la carrera de compresión. El contacto del aerosol de combustible con el aire caliente lo inflama, para producir el trabajo útil.
Como en este motor solo se comprime aire, no se tienen los problemas de auto detonación típica de los motores de gasolina, por lo que la relación de compresión suele ser muy alta (hasta mas de 23 a 1). Esta relación de compresión elevada hace que se logre un mayor rendimiento térmico que con los motores de gasolina. Son en general de construcción mas robusta y pesada que los motores de gasolina debido a que las cargas sobre las piezas en movimiento son, como término medio mas altas. Esta construcción mas pesada hace que en el motor Diesel no puedan alcanzarse las altas velocidades de rotación que se alcanzan en el de gasolina, y estén dotados de un regulador de velocidad máxima.
Por cámara de combustión se entiende el volumen cerrado encima del pistón cuando se comienza la inyección de combustible, esto es, cuando el pistón está llegando al punto muerto superior en la carrera de compresión.
En la práctica las cámaras de combustión pueden separarse en dos grupos, cada una de las cuales puede subdividirse en diferentes tipos:
Cámaras separadas, • Celda de energía.
•Precámara.
cámaras divididas
Cámaras de Inyección directa indirecta.
Cámaras de inyección directa .Inyección directa.Cámara MAN o cámara M.Veamos las diferencias básicas de los dos grupos principales, esto es, entre las cámaras de inyección directa y las separadas. En esta cámara ha sido confinado todo el aire que entró al cilindro durante la admisión en forma comprimida y por lo tanto muy caliente. Aquí es donde el inyector suministra el combustible.
En los motores Diesel juega un papel fundamental en el comportamiento y rendimiento del motor la forma y posición de la cámara de combustión.
Cámaras de combustión Diesel
Inyección directaEn la figura de la derecha (figura 1) se muestra un esquema de una cámara de inyección directa con el pistón en la carrera de fuerza.
En este caso el aerosol de combustible pulverizado se inyecta directamente sobre la cabeza del pistón, donde se ha practicado una oquedad de forma especial para producir turbulencia en el aire.
En esta oquedad es donde se acumula casi todo el aire del cilindro cuando el pistón está en el punto muerto superior, por tal razón es común denominarla como cámara de combustión, aunque en realidad la verdadera cámara de combustión es todo el volumen cerrado sobre el pistón.
En el dibujo se ha representado el motor cuando ya el pistón está en la carrera de fuerza; en el punto muerto superior, el pistón está muy cerca de la superficie inferior de la culata o tapa y prácticamente el aire está dentro del hueco del pistón.
En este caso el incremento de presión se produce sobre el pistón, por lo que este recibe toda la fuerza generada por los gases, esto hace que sea un motor de funcionamiento brusco y ruidoso.
Como la cámara de combustión solo tiene una pequeña superficie refrigerada por agua (superficie de la culata) la pérdida de calor del aire comprimido es poca y estos motores tiene una gran facilidad de arranque en frío y son muy eficientes.
Hay dos tipos fundamentales de cámaras de inyección directa.Inyección directa típica
En el esquema que se muestra a la derecha (figura2) aparece un sistema de inyección directa típica. Note la forma de la oquedad practicada en el pistón terminada en una punta en el centro.
Esta punta favorece el arranque en frío ya que se calienta notablemente durante la compresión.
Observe también que los conductos de admisión están construidos para que produzcan un giro el aire de entrada, esto favorece la formación de la mezcla cuando se produce la inyección.
Figura 2. Inyección directa clásica
En este tipo de cámara es muy común que el inyector tenga mas de un agujero de inyección, en este caso 5, para distribuir bien el combustible en la cámara dentro del pistón.
Cámara MAN o MEsta cámara de creación mas reciente es del tipo de inyección directa. Igual que en la inyección directa típica hay una oquedad en el pistón, pero en este caso es de forma esférica con una abertura a la cabeza del pistón. El inyector produce dos chorros de combustible, uno muy fino al centro de la cámara y otro mas grueso desviado dirigido a la pared de esta.
En esta cámara los conductos de admisión están diseñados para producir un fuerte giro del aire de entrada, este aire giratorio entra en la cámara esférica formando un ciclón que distribuye el chorro desviado como una fina capa de combustible en la pared de la cámara. De esta forma, el chorro central inicia la combustión y la pared caliente de la cámara en el pistón evapora rápida pero gradualmente la fina capa combustible al mismo tiempo que el ciclón de aire arrastra los vapores se mezcla con ellos y se inflama.
Inyección indirectaEn el caso de la cámara de combustión separada como la que se muestra la oquedad donde se acumula el aire en la carrera de compresión se ha practicado en la masa metálica de la culata, y la comunicación entre el volumen sobre el pistón y esta cámara es un pasaje relativamente estrecho. Este pasaje estrecho hace que el aire en la carrera de compresión, circule a alta velocidad hacia la cámara en un flujo muy turbulento que favorece la formación de la mezcla del aire y el combustible una vez comenzada la inyección.
Figura 4. Cámara separada
Los gases a elevada presión producto de la combustión también tienen que pasar por este pasaje estrecho, por lo que van a parar a la cabeza del pistón con cierta gradualidad, que hace que las presiones máximas que tiene que soportar el mecanismo pistón-biela-manivela nos sean tal elevadas como en el caso de la inyección directa.
Estos motores son en general de un funcionamiento mas silencioso y elástico que los de inyección directa, pero el aumento del área de transferencia de calor (debido a la cámara) al agua de enfriamiento produce pérdidas y la eficiencia es menor así como se dificulta el arranque en frío.Este problema del arranque en frío se resuelve con la utilización de unas resistencias eléctricas especiales colocadas dentro de la cámara de combustión separada, conocidas como bujías de precalentamiento.
Las fronteras entre los diferentes tipos de cámaras de inyeción indirecta no están bien definidos, hay motores donde prácticamente todo el aire termina en la cámara de la culata y la comunicación con la cabeza del pistón es muy estrecha, estos motores son típicamente muy elásticos y suaves en el funcionamiento y se les denomina sin duda motores de precámara.
Hay otros, que la cámara de combustión está parcialmente en la culata y parcialmente en el pistón y el conducto de comunicación es relativamamente grande, aunque la inyección se realiza en la cámara de la culata, en este caso se les llama cámaras de celda de energía.
Puede asumirse entonces que hay diseños de motores que se acercan mas a un tipo que al otro y la denominación es por lo tanto algo ambigua.
GasolinasDurante la destilación fraccionada del petróleo y después de extraídas las fracciones de gases y bencinas se separa la fracción de “Gasolinas” constituida por una mezcla variable de hidrocarburos algo volátiles utilizable para motores de combustión diseñados especialmente para ese combustible.
Esta mezcla no tiene una “fórmula” fija ni predeterminada, si no, unos índices estandarizados (con algunas variaciones de país a país) de modo que puede estar formada por diferentes sustancias en diferentes proporciones, será “gasolina” siempre que cumpla con los estándares adecuados, los índices básicos para una gasolina son:
Valor calórico
El valor calórico es la cantidad de calor generado por unidad de masa del combustible durante la combustión y se mide en Kcal/Kg. Volatilidad
La volatilidad de una gasolina es el rango de temperaturas que inicia cuando comienza a hervir la mezcla hasta que se evapora todo el líquido (normalmente hasta los 200 grados Celsius).
Número de octano (octanaje)Como durante el trabajo del motor una mezcla de aire y vapores de gasolina se comprime y luego quema de manera controlada para sacarle energía mecánica, esta mezcla de gasolina-aire debe resistir determinada compresión sin auto inflamarse, o de lo contrario la combustión será descontrolada e ineficiente y el rendimiento del motor muy bajo, el número de octano mide esa capacidad y se conoce como octanaje de la gasolina, de manera que mientras mayor sea el número de Octano más alta es la capacidad de comprimirse sin auto inflamación.
Las gasolinas obtenidas directamente de la fracción correspondiente al petróleo natural, tienen por lo general un octanaje muy bajo para el uso en los modernos motores de los automóviles, por lo que en la práctica este índice se aumenta agregándole a las gasolinas naturales productos que elevan el octanaje (gasolinas etiladas), como estos productos son más caros que la propia gasolina, el precio de las gasolinas tratadas es mayor a medida que aumenta el octanaje (mas aditivo incorporado).
Existe la equivocada tendencia a pensar que las gasolinas de mayor octanaje son mejores y mas refinadas que las de menos octanaje y esto es un error. Todas las gasolinas tienen la misma “base” a las que se ha agregado más o menos aditivos para darle resistencia a la auto inflamación.En el mercado existen generalmente tres tipos de gasolina de acuerdo a su
octanaje para ser usadas en dependencia de las características técnicas de los motores de serie (unos comprimen más la mezcla que otros), utilizar la gasolina de menor octanaje en motores de alta compresión deteriora el motor prematuramente, pero utilizar gasolinas de octanaje superior al necesario no le da más potencia al motor ni le alarga la vida, y con ello estamos “botando” el dinero, la propaganda de las empresas petroleras coqueteando con el fraude pero sin caer abiertamente en él, incentiva la idea de que
mientras más octanaje en la gasolina mejor para mi motor. Todos los automóviles en el manual del propietario indican el octanaje apropiado de
la gasolina a utilizar.
Contenido de Azufre
Las gasolinas no deben contener azufre ni sustancias sulfurosas en su composición, pero como en los petróleos naturales el azufre está presente
en mayor o menor cantidad, siempre pasarán a la gasolina durante la destilación fraccionada algunos de ellos, de forma tal que todas las
gasolinas tendrán la posibilidad de contener azufre. Lo que establecen los estándares son los límites máximos de estos productos sulfurosos en las gasolinas terminadas, debido a que durante el trabajo normal del motor se forma y escapa entre otras cosas, ácido sulfúrico que es un contaminante
agresivo en la atmósfera y además corroe notablemente el motor.
Cenizas residualesCuando se quema un combustible queda un residuo sólido que conocemos como “ceniza”. Aunque pocas, las gasolinas también tienen cenizas, estas cenizas son fuertemente abrasivas y desgastan el motor rápidamente por eso se limita la cantidad residual de ellas en las gasolinas.
En el oscuro mundo de la publicidad y el mercadeo hay toda clase de “aditivos misteriosos” generalmente bautizados con nombres muy sugerentes para “elevar” la calidad de esta o la otra gasolina, puede que sea cierto o no, pero lo que si es seguro es que nadie puede comercializar gasolina si no cumple con los estándares del país, y estos son suficientes para el uso seguro y duradero del motor, así es que si usted ama el dinero que ganó sudando la camisa cuidado con la publicidad.
Los combustiblesEn la tabla a continuación se listan los enlaces a los temas relativos a combustibles tratados en el portal sabelotodo.org. Puede pulsar sobre el de su interés para entrar al tema correspondiente.
Combustibles
Alcohol
Aceites
Carbón vegetal
Diesel
Gases del petróleo
Gasolina
Petróleo
Queroseno
La figura 1) muestra de manera esquemática como se monta el inyector en el motor Diesel.
Este dispositivo encargado de producir el aerosol de combustible dentro de la cámara de combustión, es un conjunto de piezas dentro de un cuerpo de acero que atraviesa el cuerpo metálico de motor y penetra hasta el interior de la cámara de combustión.
Por el extremo externo se acopla el conducto de alta presión procedente de la bomba de inyección.
Figura 1
MOTOR DIESEL-INYECTOR
El motor Diesel, es un motor de pistones, generalmente de cuatro tiempos. También es conocido como motor de encendido por compresión o motor de combustión gradual.
En este tipo de motor, a diferencia del de gasolina, el conducto de admisión es libre, por lo que el motor aspira libremente aire del exterior en todos los estados de carga y velocidad. La potencia entregada por el motor se regula inyectando mas o menos combustible en la cámara de combustión del cilindro de trabajo.
La figura 2 a la izquierda muestra un montaje real del inyector para el caso de un motor de inyección directa.
El cuerpo del inyector aparece seccionado.
Observe como una pieza en forma de cilindro terminado en punta entra a la cámara de combustión, esta pieza se conoce como tobera y es la encargada de pulverizar el combustible para formar el aerosol.
Para entender el funcionamiento del inyector, en la figura 3 se presenta un inyector de manera esquemática.
Figura 3
El combustible procedente de la bomba de inyección se alimenta a una entrada del inyector, este combustible, a través de conductos perforados en el cuerpo del inyector (señalados en rojo) se conduce hasta una aguja en la parte inferior que obstruye el orificio de salida al ser empujada a través de una varilla por un resorte.
De esta manera el paso del combustible a la cámara de combustión está bloqueado.
Cuando la presión en el conducto de entrada crece los suficiente por el empuje de la bomba de inyección, la presión puede vencer la fuerza del resorte y levantar la aguja, de esta forma se abre el pequeño conducto de acceso a la cámara, y el combustible sale muy pulverizado por el extremo inferior.Observe que la presión del combustible actúa sobre un área pequeña de la parte inferior de la aguja, una vez que la presión vence la fuerza del resorte entra a la cámara donde está la parte cilíndrica de la aguja que tiene mayor área, la fuerza de empuje crece y la aguja es apartada de su asiento de manera abrupta.
Este efecto garantiza que la apertura del inyector de haga muy rápidamente lo que es deseable.
Un tornillo de regulación sobre el resorte permite comprimirlo en mayor o menor grado y con ello establecer con exactitud la presión de apertura del inyector.
Estas presiones en el motor Diesel pueden estar en el orden de hasta mas de 400 Kg/cm².
La figura 4 (derecha) muestra un animado del funcionamiento del inyector.
Observe que cuando la aguja se abre, la elevada presión actúa en el interior de la tobera, para evitar que el combustible pueda pasar por las holguras entre al aguja y el cuerpo de la tobera.
Estas toberas se fabrican con una gran precisión, tanto, que para un mismo lote de ellas las agujas de unas, pueden no entrar en el cuerpo de otras, o el polvo depositado en la aguja puede impedir que se deslice dentro del cuerpo de la tobera, esto hace que cuando se trabaja con toberas de inyección haya que tener mucho cuidado en no intercambiar las piezas y mantener un ambiente muy limpio.
Aun con el gran grado de exactitud con que se fabrican las piezas de la tobera, el combustible poco a poco durante los millones de ciclos de trabajo va pasando lentamente a la cámara encima de la aguja, un conducto de retorno no representado devuelve ese combustible a la entrada de la bomba de inyección.
Abajo pueden apreciarse inyectores y toberas reales, así como la formación del cono del aerosol.
En la figura 5 diferentes tipos de toberas,
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