Diésel.

Motores Diésel y de Gasolina: Sistemas y Principios Fundamentales

El diseño de motores para vehículos enfrenta múltiples desafíos. Los motores deben ser duraderos, operar en condiciones climáticas extremas, cumplir con normativas ambientales, ser eficientes y económicos de fabricar. Para abordar esta complejidad, los motores se estructuran en sistemas y subsistemas, cada uno con una función específica que contribuye al funcionamiento general.

1. Sistema de motor básico: Comprende los componentes responsables de transformar la presión interna del gas en los cilindros en trabajo útil:

   • Bloque de cilindros, cigüeñal, bielas, pistones, pernos, seguros y aros de pistón.

2. Sistema de inducción: Maneja la mezcla de combustible y aire y la circulación de gases:

   • Filtrado de aire: Filtros y conductos que llevan aire limpio al motor.
   • Admisión: Colector de admisión, conductos en la culata y, en motores diésel, turbocompresor o bombas de barrido.
   • Escape: Colector de escape, tuberías, resonadores y silenciadores.
   • Distribución: Correas, tensores, árboles de levas y válvulas de admisión y escape.
   • Encendido: Sistemas de encendido electrónicos o con distribuidor, con sensores y controles asociados.

3. Sistema de enfriamiento: Elimina el calor generado por la combustión:

   • Líquido refrigerante, radiadores, bombas y ventiladores.
   • Reguladores de temperatura y sellos para prevenir fugas.

4. Sistema de lubricación: Reduce la fricción entre componentes móviles:

   • Lubricante, cárteres, bombas, filtros y radiadores de aceite.

5. Sistema de control de emisiones: Minimiza la contaminación ambiental:

   • Convertidor catalítico, válvulas EGR, sensores de oxígeno y módulos de control.

6. Sistema de accesorios y auxiliares: Incluye componentes adicionales:

   • Generador eléctrico, compresores de aire acondicionado, servofrenos y bombas hidráulicas.

La potencia mide cuánto trabajo realiza un motor en un período de tiempo. En motores de pistón, la potencia aumenta con las revoluciones por minuto (RPM), ya que hay más ciclos de trabajo en menos tiempo. Sin embargo, este incremento tiene limitaciones:

1. Resistencia mecánica: Los componentes deben soportar mayores esfuerzos.
2. Fricción interna: Aumenta con las RPM, reduciendo la potencia neta disponible.

La potencia efectiva que entrega un motor (potencia neta) es la diferencia entre la potencia generada internamente (potencia indicada) y la consumida por fricción interna y bombeo de gases (potencia de fricción). Estas relaciones se expresan como:

• PN = PI - PF (Potencia Neta = Potencia Indicada - Potencia de Fricción)
• MTN = MTI - MTF (Torque Neto = Torque Indicado - Torque de Fricción)

La presión máxima dentro del cilindro debe coincidir con la posición óptima del cigüeñal para maximizar la transferencia de energía al pistón. Esto requiere ajustar el avance de encendido, es decir, el momento en que la chispa enciende la mezcla de aire y combustible.

• A mayores RPM, el avance debe aumentar para compensar la velocidad del pistón.
• Mezclas más pobres requieren más tiempo de combustión, por lo que también necesitan un mayor avance.

La forma de la cámara de combustión y la posición de la bujía influyen en la velocidad de propagación de la llama. Cámaras optimizadas con bujías centradas reducen el tiempo de combustión, aumentando la presión y la eficiencia.

El concepto de swirl (remolino) se refiere al movimiento giratorio de la mezcla dentro del cilindro. Este movimiento mejora la combustión al mezclar mejor el aire y el combustible, lo que resulta en una combustión más rápida y eficiente. Sin embargo, inducir swirl puede reducir la cantidad de mezcla que entra al cilindro, por lo que se debe equilibrar cuidadosamente.

El sistema de distribución controla las fases de admisión y escape del motor mediante válvulas. Las fases del ciclo incluyen:

• AAA: Avance de Apertura de Admisión.
• RCA: Retardo del Cierre de Admisión.
• AAE: Avance de Apertura de Escape.
• RCE: Retardo del Cierre de Escape.

Durante el cruce (overlap), ambas válvulas (admisión y escape) están abiertas simultáneamente, optimizando el flujo de gases en motores de alto rendimiento.

Los motores diésel y de gasolina tienen diferencias clave en su funcionamiento y eficiencia:

1. Motores de gasolina: Utilizan chispa para encender la mezcla de aire y combustible.
2. Motores diésel: La mezcla se comprime hasta alcanzar una temperatura que enciende el combustible, eliminando la necesidad de una chispa.

En ambos tipos, el diseño de la cámara de combustión y el sistema de inyección son fundamentales para optimizar el rendimiento y reducir emisiones.

El rendimiento de los motores está limitado por varios factores:

1. Velocidad de combustión: La combustión no es instantánea; tiene una velocidad de propagación que depende de la mezcla y el diseño de la cámara.
2. Restricciones en la admisión y escape: El aire y los gases no fluyen perfectamente, lo que penaliza la eficiencia.
3. Calor desaprovechado: Parte de la energía generada se pierde como calor no aprovechado.

Términos destacados :

1. AAA (Avance de Apertura de Admisión) (AAA - Intake Valve Opening Advance)
2. AAE (Avance de Apertura de Escape) (AAE - Exhaust Valve Opening Advance)
3. Aire de admisión (Intake Air)
4. Avance de encendido (Ignition Advance)
5. Bloque de cilindros (Cylinder Block)
6. Bombas de combustible (Fuel Pumps)
7. Cárter seco (Dry Sump)
8. Cárter húmedo (Wet Sump)
9. Cámara de combustión (Combustion Chamber)
10. Cebador eléctrico (Electric Choke)
11. Cigüeñal (Crankshaft)
12. Combustión (Combustion)
13. Compresor de aire (Air Compressor)
14. Convertidor catalítico (Catalytic Converter)
15. Cruce de válvulas (Valve Overlap)
16. Depósitos de combustible (Fuel Tanks)
17. Distribución (Valve Timing)
18. Enfriamiento (Cooling)
19. Escape (Exhaust)
20. EGR (Recirculación de Gases de Escape) (EGR - Exhaust Gas Recirculation)
21. Filtro de aire (Air Filter)
22. Filtros de combustible (Fuel Filters)
23. Fricción interna (Internal Friction)
24. Inyección directa (Direct Injection)
25. Inyección monopunto (Single-Point Injection)
26. Inyección multipunto (Multi-Point Injection)
27. Lubricación (Lubrication)
28. Mezcla aire-combustible (Air-Fuel Mixture)
29. Motores diésel (Diesel Engines)
30. Motores de gasolina (Gasoline Engines)
31. Par torsor (Torque)
32. Pistón (Piston)
33. Potencia de fricción (Friction Power)
34. Potencia indicada (Indicated Power)
35. Potencia neta (Net Power)
36. Radiador de aceite (Oil Cooler)
37. RCA (Retardo del Cierre de Admisión) (RCA - Intake Valve Closing Delay)
38. Resistencia mecánica (Mechanical Resistance)
39. Swirl (movimiento de remolino) (Swirl)
40. Tuberías de escape (Exhaust Pipes)

El motor Diesel puede construirse para funcionar mediante el ciclo de cuatro tiempos o mediante el ciclo de dos tiempos, de forma similar a lo que ocurre con el motor de gasolina. Sin embargo, en la práctica, los motores Diesel utilizados en automóviles y maquinaria suelen emplear casi exclusivamente el ciclo de cuatro tiempos debido a su mayor eficiencia, mejor control de la combustión y mayor durabilidad.

El ciclo de cuatro tiempos está compuesto por cuatro etapas sucesivas que se repiten continuamente durante el funcionamiento del motor: admisión, compresión, combustión o expansión y escape. Durante cada una de estas fases el pistón se desplaza entre dos posiciones extremas denominadas punto muerto superior (PMS) y punto muerto inferior (PMI), transformando la energía química del combustible en energía mecánica mediante la rotación del cigüeñal.

En el tiempo de admisión, el pistón comienza a descender desde el PMS hasta el PMI. En ese momento se abre la válvula de admisión mientras la válvula de escape permanece cerrada. El descenso del pistón produce un vacío parcial dentro del cilindro que permite que el aire exterior ingrese impulsado por la presión atmosférica.

A diferencia del motor de gasolina, en el motor Diesel durante esta etapa solo entra aire, ya que el combustible no se mezcla previamente con el aire ni se utiliza carburador. Este aire será posteriormente comprimido para permitir la ignición del combustible inyectado.

Cuando el pistón llega al PMI, la válvula de admisión se cierra y comienza el tiempo de compresión. El pistón asciende nuevamente hacia el PMS, comprimiendo el aire contenido en el cilindro. Debido a esta compresión, el volumen del aire disminuye considerablemente mientras aumentan su presión y su temperatura.

En los motores Diesel la relación de compresión es significativamente mayor que en los motores de gasolina. Mientras que en los motores de gasolina suele variar entre 7,5 y 10 a 1, en los motores Diesel puede alcanzar valores entre 18 y 23 a 1. Esta elevada compresión provoca que la temperatura del aire llegue aproximadamente a 600 °C, creando las condiciones necesarias para la combustión espontánea del combustible.

Cuando el pistón alcanza el PMS se inicia el proceso de combustión. En el motor de gasolina esta combustión se produce por medio de una chispa generada por una bujía que enciende la mezcla aire-combustible.

En el motor Diesel el proceso es diferente. Cerca del final de la compresión se inyecta en la cámara una pequeña cantidad de combustible pulverizado mediante un inyector. Debido a la elevada temperatura del aire comprimido, el combustible se inflama de manera espontánea sin necesidad de chispa.

La combustión genera una gran expansión de los gases, aumentando notablemente la presión dentro del cilindro. Esta presión empuja el pistón hacia el PMI, produciendo el trabajo mecánico que se transmite al cigüeñal y constituye el tiempo útil o de potencia del motor.

El último tiempo del ciclo es el escape. Durante esta fase el pistón vuelve a subir desde el PMI hasta el PMS mientras se abre la válvula de escape. Los gases resultantes de la combustión son expulsados del cilindro hacia el sistema de escape.

Una vez que el pistón llega nuevamente al PMS, la válvula de escape se cierra y se abre nuevamente la válvula de admisión, iniciándose otra vez el ciclo.

En la práctica, los motores suelen disponer de varios cilindros, generalmente cuatro, seis u ocho. Cada cilindro realiza el ciclo en un momento diferente, siguiendo un determinado orden de combustión. De esta manera siempre existe al menos un cilindro en la fase de trabajo, lo que produce un funcionamiento más equilibrado y continuo del motor.

Gracias a esta distribución de los tiempos entre los cilindros y a la acción del cigüeñal y del volante de inercia, el motor mantiene un movimiento uniforme y una entrega constante de potencia durante su operación.