Ciclo diésel.

El ciclo diésel

Un ciclo es una secuencia de eventos. El ciclo diésel se introduce mejor delineando las cuatro etapas de los pistones que se producen cuando se gira un motor a través de dos revoluciones. Un ciclo completo de un motor diésel requiere dos rotaciones completas. Cada rotación requiere girar el motor 360 grados, por lo que un ciclo diésel completo se traduce en 720 grados del cigüeñal. Cada una de las cuatro etapas que conforman el ciclo diésel implica mover un pistón desde la parte superior de su recorrido hasta su punto más bajo de recorrido, o viceversa; por lo tanto, cada etapa del ciclo se traduce en 180 grados del cigüeñal. Las cuatro etapas que componen el ciclo de cuatro tiempos son:

1. Admisión
2. Compresión
3. Potencia
4. Escape

Las cuatro etapas del ciclo diésel se muestran en la figura siguiente :

Figura 1

El ciclo diésel es, por definición, un ciclo de cuatro tiempos. Existen motores diésel de dos tiempos, pero siempre se clasifican como motores diésel de dos tiempos. La mayoría de los motores diésel modernos son motores de ciclo de cuatro tiempos. Esto es necesario para cumplir con las normas de emisiones actuales.

Motor de Inyección Directa y Compresión

Ahora examinaremos más de cerca lo que sucede durante el ciclo diésel de cuatro tiempos. Consulta la Figura para ayudarte a comprender la descripción proporcionada aquí.

  Figura 2 : (A) Carrera de admisión: el aire sobrealimentado se carga en el cilindro del motor. (B) Carrera de compresión: el pistón se impulsa hacia arriba, comprimiendo la carga de aire.

1. Tiempo de Admisión. El pistón está conectado al muñón del cigüeñal mediante un pasador y una biela. El muñón es un punto de apoyo descentrado en el cigüeñal. Por lo tanto, a medida que el cigüeñal gira, el pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) hasta el punto muerto inferior (PMI): mientras el pistón se desplaza hacia abajo, las válvulas de admisión de la culata se mantienen abiertas. El desplazamiento hacia abajo del pistón crea una presión atmosférica más baja en el cilindro y, en un motor de aspiración natural, esto succiona una carga de aire fresco y filtrado hacia el cilindro. Debido a que la mayoría de los motores actuales de camiones y autobuses son turbocargados, el cilindro estará lleno de aire comprimido (con impulso del turbo) cuando las válvulas de admisión se abran y el pistón descienda. Esto significa que al finalizar el tiempo de admisión, cuando las válvulas de admisión se cierran, el cilindro estará lleno de una carga de aire filtrado. La cantidad real de aire en el cilindro dependerá del grado de impulso del turbo. El impulso del turbo varía según el funcionamiento del motor. La Figura 2A ilustra el tiempo de admisión. El aire que se toma en el cilindro es una mezcla de aproximadamente cuatro quintas partes de nitrógeno y una quinta parte de oxígeno. El oxígeno es necesario para la combustión del combustible. Cabe destacar que durante el tiempo de admisión no se introduce combustible en el cilindro del motor. Cuando el aire cargado en el cilindro del motor se comprime mediante un turbocompresor, se puede introducir más oxígeno en el cilindro. Todos los motores diésel están diseñados para funcionar con combustión pobre, es decir, el cilindro estará cargado con mucho más aire del necesario para quemar el combustible. La eficiencia volumétrica en la mayoría de las fases de funcionamiento del motor suele superar el 100% en motores turboalimentados.
2. Tiempo de Compresión. Al finalizar el tiempo de admisión, las válvulas de admisión se cierran, sellando el cilindro del motor. El pistón ahora se mueve hacia arriba desde el PMI hasta el PMS con las válvulas de admisión y escape cerradas. La cantidad de aire en el cilindro no cambia, pero comprimir la carga de aire en el cilindro reduce considerablemente su espacio y lo calienta. Las presiones de compresión en los motores diésel varían entre 400 libras por pulgada cuadrada (psi) (2.750 kiloPascal [kPa]) y 700 psi (4.822 kPa). La cantidad real de calor generada por estas presiones de compresión también varía, pero generalmente supera sustancialmente los valores mínimos de temperatura de ignición del combustible. Las relaciones de compresión utilizadas para lograr la presión de compresión requerida en los motores diésel generalmente varían desde un mínimo de 14:1 hasta un máximo de 25:1. Sin embargo, en los motores diésel modernos de carretera con turbocompresor, las relaciones de compresión suelen ser de alrededor de 16:1 a 17:1. La Figura 2B ilustra el tiempo de compresión.

1.   Figura 3 : (C) Carrera de potencia: se inyecta combustible en el cilindro y la expansión del gas resultante impulsa el pistón hacia abajo. (D) Carrera de escape: el pistón se impulsa hacia arriba, desplazando el gas residual a través de las válvulas de escape.

2. Tiempo de Potencia. Poco antes de finalizar el tiempo de compresión, se introduce combustible atomizado directamente en el cilindro del motor mediante un conjunto de boquillas de múltiples orificios. El combustible sale de los orificios de la boquilla a presiones muy altas y en estado líquido. Las gotas líquidas emitidas por el inyector deben tener el tamaño adecuado para la ignición y combustión. Una vez expuestas a la carga de aire caliente en el cilindro, estas gotas de combustible se vaporizan primero (cambian su estado de líquido a gas) y luego se encienden. El punto de ignición del combustible generalmente está diseñado para ocurrir justo antes de que el pistón se posicione en el PMS. Se puede comparar el punto de ignición del combustible diésel en el cilindro con el encendido en un motor de gasolina. Sin embargo, en el motor diésel, las presiones del cilindro resultantes de la combustión del combustible en el cilindro se pueden gestionar con más precisión que en los motores de gasolina de inyección indirecta. Esto se debe a que el combustible se puede inyectar a altas presiones en el cilindro durante la combustión. La Figura 3C ilustra el tiempo de potencia. Durante el tiempo de potencia, la presión en el cilindro resultante de la combustión del combustible actúa sobre el pistón impulsándolo hacia abajo a través de su carrera descendente. El pistón se mueve linealmente, es decir, en línea recta. Está conectado al muñón del cigüeñal que gira. De esta manera, las presiones del cilindro se convierten en una fuerza de torsión conocida como par motor. Debido a que el muñón del cigüeñal está descentrado con respecto al eje central del cigüeñal, actúa como una palanca. Por esta razón, al administrar el tiempo de potencia, es deseable que haya poca presión actuando sobre el pistón en el PMS, ya que no tiene palanca en esta ubicación específica. A medida que el pistón se mueve hacia abajo, la palanca aumenta incrementalmente hasta que el ángulo entre el muñón del cigüeñal y la biela sea de 90 grados (máxima palanca). Al combinar la presión del cilindro (controlada por el sistema de combustible) y la palanca del muñón (un valor fijo que depende de la posición de rotación del motor), es posible entregar un par relativamente constante desde aproximadamente 15 grados después del punto muerto superior (DPMS) hasta 90 grados DPMS. Esta relación entre presión y palanca del muñón ayuda a transmitir la energía producida en el cilindro del motor de la manera más suave posible hacia el volante de inercia (Figura ).
3. Tiempo de Escape. En algún momento después de los 90 grados DPMS durante el tiempo de expansión, la mayoría de la energía térmica que puede convertirse en energía cinética se ha convertido y las válvulas de escape se abren. Los productos de la combustión en el cilindro se conocen como gases de escape. El proceso de escape de los gases de escape de la combustión ocurre en cuatro fases distintas y comienza hacia el final del tiempo de potencia, cuando el pistón se desplaza hacia abajo (Figura 3D):

1. Diferencial de presión: En el momento en que las válvulas de escape se abren durante la parte final del tiempo de potencia, la presión en el cilindro es mayor que en el colector de escape. Por lo tanto, los gases de escape a alta presión en el cilindro fluirán hacia la presión más baja en el colector de escape.
2. Inercia: Luego, el pistón se detiene en el PMS al finalizar el tiempo de potencia. Sin embargo, la inercia del gas establecida durante la fase de diferencial de presión hace que los gases de escape continúen fluyendo desde el cilindro hacia el colector de escape mientras el pistón está en estado estacionario o cerca del estado estacionario de movimiento.
3. Desplazamiento: A medida que el pistón se mueve hacia arriba en su carrera, desplaza positivamente los gases de escape de la combustión que se encuentran por encima de él.
4. Barrido: Hacia el final del tiempo de escape, cuando las válvulas de escape comienzan a cerrarse, las válvulas de admisión comienzan a abrirse con el pistón cerca del PMS. La fase de barrido tiene lugar durante la superposición de las válvulas y puede ser muy efectiva para expulsar los gases de escape y proporcionar algo de enfriamiento a la corona del pistón. La eficiencia del proceso de barrido es mayor en motores turboalimentados. La Fotosecuencia 1 muestra los movimientos del pistón y las válvulas en un motor diésel de cuatro tiempos en corte

1 - Carrera de potencia: se inyecta combustible de alta presión en el cilindro del motor. El calor del aire comprimido en el cilindro enciende el combustible. La presión de combustión que actúa sobre el pistón lo empuja hacia abajo a través de la carrera de potencia.

2 - La válvula de escape se abre. Esto desenclava el cilindro del motor. Los gases de escape de mayor presión escapan hacia el sistema de escape a través de la válvula de escape abierta.

3 - Carrera de escape: el pistón es impulsado hacia arriba en el cilindro del motor, desplazando los gases finales hacia el sistema de escape.

4 - Carrera de potencia: se inyecta combustible a alta presión en el cilindro del motor. El calor del aire comprimido en el cilindro enciende el combustible. La presión de combustión que actúa sobre el pistón lo empuja hacia abajo a través de la carrera de potencia.

5 - La válvula de escape se abre. Esto desenclava el cilindro del motor. Los gases de escape de mayor presión escapan hacia el sistema de escape a través de la válvula de escape abierta.

6 - Carrera de escape: el pistón es impulsado hacia arriba en el cilindro del motor, desplazando los gases finales hacia el sistema de escape.

7 - Solapamiento de válvulas: antes de que la válvula de escape se cierre, la válvula de admisión se abre. Esto permite que el aire filtrado del compresor del turbocompresor limpie el cilindro del motor de cualquier gas de escape restante. Esto se conoce como barrido del cilindro.

8 - La válvula de escape se cierra, la válvula de admisión permanece abierta. A medida que el pistón es empujado hacia abajo, el ciclo se repite, con una nueva carga de aire fresco y filtrado siendo forzada dentro del cilindro.

En el ciclo diésel de cuatro tiempos, el tiempo de escape es crucial para eliminar los gases de escape resultantes de la combustión y preparar el cilindro para el siguiente ciclo. Durante el tiempo de escape, se lleva a cabo una serie de procesos para expulsar los gases de escape de manera eficiente y permitir la entrada de aire fresco para el próximo ciclo de admisión.

El primer paso en el tiempo de escape es la apertura de las válvulas de escape, que ocurre después de que el pistón ha pasado el punto muerto superior y ha comenzado su carrera descendente. En este momento, la presión en el cilindro es mayor que en el colector de escape, lo que permite que los gases de escape fluyan desde el cilindro hacia el sistema de escape.

A medida que el pistón se acerca al punto muerto inferior, se produce una fase de inercia en la que los gases de escape continúan fluyendo incluso cuando el pistón se detiene en su posición más baja. Esto se debe al impulso del flujo de gases de escape establecido durante la fase de diferencial de presión.

A medida que el pistón se mueve hacia arriba en su carrera ascendente, positivamente desplaza los gases de escape remanentes en el cilindro, preparando el espacio para el siguiente ciclo de admisión. Es importante que los gases de escape se expulsen por completo para evitar la recirculación de gases no quemados en el cilindro, lo que puede afectar negativamente el rendimiento y la eficiencia del motor.

La fase de barrido ocurre hacia el final del tiempo de escape, cuando las válvulas de escape comienzan a cerrarse y las válvulas de admisión se abren. Durante este solapamiento de las válvulas, el movimiento ascendente del pistón ayuda a expulsar los últimos gases de escape y permite que el aire fresco ingrese al cilindro en preparación para el próximo tiempo de admisión. El barrido eficiente es especialmente importante en motores turboalimentados, donde la presión del aire de sobrealimentación puede ayudar a limpiar el cilindro de manera más efectiva.

El tiempo de escape es fundamental para mantener el rendimiento y la eficiencia de un motor diésel. Un adecuado diseño y funcionamiento de las válvulas de escape, así como la optimización del sistema de escape, contribuyen a una expulsión eficiente de los gases de escape y un mejor rendimiento general del motor.

MOTOR DIESEL DE CICLO DE DOS TIEMPOS

El ciclo diésel de dos tiempos es ampliamente utilizado en aplicaciones específicas debido a sus características particulares.

1. Eficiencia de barrido: Una de las principales preocupaciones en los motores de ciclo de dos tiempos es la eficiencia de barrido. Debido al tiempo limitado para la entrada y salida de los gases, es crucial garantizar un barrido efectivo de los gases de escape y una carga adecuada de aire fresco para mantener un rendimiento óptimo.

2. Potencial de potencia: En teoría, los motores de ciclo de dos tiempos tienen el potencial de generar más potencia que los motores de ciclo de cuatro tiempos de igual cilindrada. Sin embargo, la realidad es que la eficiencia de respiración del cilindro y otros factores limitan la capacidad de estos motores para alcanzar ese potencial máximo.

3. Emisiones y regulaciones: Los motores de ciclo de dos tiempos, especialmente en aplicaciones de camiones y autobuses, han enfrentado desafíos para cumplir con las regulaciones de emisiones, especialmente en lo que respecta a los estándares de emisiones nocivas. Esto ha llevado a la necesidad de adaptaciones y actualizaciones tecnológicas para reducir las emisiones y cumplir con las normativas ambientales.

4. Aplicaciones específicas: A pesar de las limitaciones mencionadas, los motores de ciclo de dos tiempos todavía encuentran su lugar en ciertas aplicaciones, como en generadores o en motores marinos, donde pueden proporcionar una potencia compacta y eficiente.

5. Innovaciones tecnológicas: En los últimos años, se han realizado avances significativos en la tecnología de motores de ciclo de dos tiempos, como la incorporación de controles electrónicos y la exploración de nuevos combustibles. Estas innovaciones tienen como objetivo mejorar la eficiencia y reducir las emisiones de estos motores.

El motor de ciclo de dos tiempos elimina las carreras de admisión y escape. Esto significa que en 360 grados de rotación, cada cilindro del motor debe disparar una vez. Teóricamente, el motor diésel de ciclo de dos tiempos debería desarrollar el doble de potencia que un motor de ciclo de cuatro tiempos de la misma cilindrada, pero en realidad esto no se logra principalmente debido a una eficiencia reducida en la respiración del cilindro. El principio del motor diésel de ciclo de dos tiempos se utiliza ampliamente, pero los únicos ejemplos en la industria de camiones y autobuses son fabricados por Detroit Diesel Corporation. Estos motores no han podido cumplir con los estándares de emisiones nocivas de la Agencia de Protección Ambiental (EPA) durante algún tiempo, pero durante más de una generación han sido populares como motores de autobuses: los autobuses pueden tener una vida útil de hasta 30 años, por lo que algunos de estos motores estarán presentes durante algunos años más. Muchos de los motores de ciclo de dos tiempos existentes son controlados electrónicamente; la adaptación de controles electrónicos en algunos motores hidromecánicos de Detroit Diesel puede hacerlos más eficientes en cuanto al consumo de combustible. También se han adaptado para quemar combustibles distintos al diésel con cierto éxito.

Los motores de ciclo de dos tiempos difieren de los motores diésel de ciclo de cuatro tiempos principalmente porque la respiración del cilindro debe ocurrir en menos de una quinta parte del tiempo. Todas las válvulas en la culata del cilindro, generalmente cuatro por cilindro, son válvulas de escape. Después de la combustión, los gases finales del cilindro deben ser expulsados y, para permitir esto, el aire debe ser bombeado a través del cilindro desde una caja de aire cargada por un soplador Roots, a veces ayudado por un turbocompresor. En aplicaciones de camiones y autobuses, debido a las variaciones amplias de velocidad y carga, la respiración del motor requiere el uso de un soplador Roots. Un soplador Roots es una bomba de desplazamiento positivo que funciona eficientemente a todas las velocidades de rotación. Su desventaja es que es impulsado por engranajes y resta potencia al motor.

Un turbocompresor puede ser utilizado en aplicaciones como un generador en el cual la carga del motor resultaría en suficiente calor de los gases de escape para impulsar la turbina con eficiencia suficiente para que actúe como una bomba de caja de aire. Los revestimientos del cilindro son mecanizados con puertos diseñados para estar expuestos cuando el pistón se encuentra en la parte inferior de su carrera descendente; cuando estos puertos quedan expuestos a la caja de aire debido al movimiento descendente del pistón, el cilindro se carga de aire para el barrido y la respiración. Los puertos suelen tener un ángulo para fomentar el movimiento del flujo de aire en forma de remolino (ciclónico).

Figura : El ciclo diésel de dos tiempos.

La secuencia del ciclo de dos tiempos comienza con el pistón en el PMS cuando ocurre lo que se denomina barrido del cilindro. En ese momento, el pistón ha expuesto completamente los puertos de admisión inclinados y las válvulas de escape están completamente abiertas. El aire de la caja de aire ingresa rápidamente al cilindro y desplaza los gases de combustión finales, haciéndolos espiralar hacia arriba para salir a través de las válvulas de escape. El aire de la caja de aire continúa cargando el cilindro hasta que el pistón se invierte y su recorrido ascendente cierra los puertos de admisión; las válvulas de escape se cierran casi simultáneamente. Por lo tanto, cada carrera ascendente del pistón es una carrera de compresión. Si todos los gases finales fueran expulsados eficazmente, solo se comprimiría aire; sin embargo, la eficiencia de barrido es un problema en estos motores y cualquier gas residual que quede en el cilindro después del cierre de las válvulas de escape diluirá el cambio de aire entrante.

Poco antes del PMS, la inyección de combustible en el cilindro del motor comienza directamente. Después de un breve retraso, se produce la ignición y los gases de combustión en expansión actúan sobre el pistón y lo impulsan hacia abajo a través de la carrera de potencia. Cada carrera descendente del pistón es una carrera de potencia. Poco antes de que los puertos de admisión del revestimiento sean expuestos por el pistón, las válvulas de escape se abren, dando inicio al proceso de escape, que debe realizarse rápidamente y en dos etapas: diferencial de presión y barrido.

SISTEMAS Y CIRCUITOS DEL MOTOR

Muchos de los componentes en el motor diésel (de encendido por compresión o CI) son idénticos a los del motor de ciclo Otto (de encendido por chispa o SI). Con fines de estudio, los componentes del motor se dividen de la siguiente manera:

1. Componentes del alojamiento del motor: bloque de cilindros, culata(s), cárter de aceite, tapas de balancines, tapas de engranajes de distribución, múltiples y carcasa de volante.
2. Tren de potencia del motor: los componentes directamente responsables de la entrega de potencia al tren de transmisión, incluyendo los conjuntos de pistones, bielas, conjunto del cigüeñal, amortiguador de vibraciones y volante.
3. Conjunto de retroalimentación del motor: los componentes de autogestión del motor también conocidos como conjunto de tren de válvulas. Este término se utiliza para describir el tren de engranajes de sincronización del motor diésel, árbol de levas, trenes de válvulas, válvulas, aparatos de alimentación de combustible y componentes de accionamiento de accesorios.
4. Circuito de lubricación del motor: la bomba de aceite, válvula de alivio, circuito de lubricación, filtro(s) de flujo total, filtros de derivación y intercambiadores de calor.
5. Circuito de enfriamiento del motor: la bomba de refrigerante, termostato(s), camisa de agua, colector de refrigerante, filtro, persianas, conjunto de ventilador, radiador y otros intercambiadores de calor.
6. Sistema de respiración del motor: los componentes del sistema de admisión y escape del motor, incluyendo precleaners, filtros de aire, conductos, turbocompresor, soplador Roots, intercambiadores de calor de aire de carga, ensamblajes de turbina de punta, colectores de admisión y escape, pirómetro, sistema de recirculación de gases de escape (EGR), filtro de partículas diésel (DPF), tuberías de escape, silenciador del motor, convertidor catalítico y otros aparatos externos de control de emisiones.
7. Sistema de gestión de combustible del motor: el almacenamiento, bombeo, medición y control de la cantidad de combustible, que incluye una computadora de gestión, sensores y actuadores, inyectores hidráulicos, inyectores de unidad mecánica (MUI), inyectores de unidad electrónica (EUI), inyectores de unidad electrónica accionados hidráulicamente (HEUI), bombas de unidad electrónica (EUP), inyección de riel común (CR), bombas de inyección hidromecánicas, tanques de combustible, filtros y bombas de transferencia.

Combustible diésel

Es útil conocer un poco sobre el combustible diésel utilizado para alimentar motores de encendido por compresión. El combustible diésel se compone principalmente de hidrocarburos, que son moléculas formadas por carbono e hidrógeno. A diferencia de la gasolina, el combustible diésel es menos volátil y tiene una mayor densidad energética.

El combustible diésel se destaca por su eficiencia y capacidad de generar altos niveles de energía. Además, su bajo punto de inflamación y alta resistencia a la detonación lo hacen adecuado para su uso en motores diésel.

El número de cetano (CN) es una medida de la calidad de ignición del combustible diésel. Cuanto mayor sea el número de cetano, mejor será la calidad de ignición del combustible y más fácil será encenderlo. Un combustible diésel con un alto número de cetano se encenderá de manera más rápida y suave en el motor.

El combustible diésel utilizado en aplicaciones automotrices está sujeto a regulaciones y estándares de calidad para garantizar su seguridad y reducir las emisiones contaminantes. Estos estándares incluyen límites para el contenido de azufre y otros contaminantes.

Además, el biodiésel es una alternativa más limpia y renovable al combustible diésel convencional. Se produce a partir de fuentes vegetales o animales y puede mezclarse con combustible diésel regular para reducir las emisiones y promover la sostenibilidad.

Es importante tener en cuenta que el combustible diésel debe ser almacenado y manejado de manera segura debido a su inflamabilidad. Los procedimientos adecuados de almacenamiento y manipulación son fundamentales para evitar riesgos de seguridad.

En resumen, el combustible diésel es un componente esencial para los motores de encendido por compresión y su calidad y manejo adecuados son importantes para garantizar un rendimiento óptimo y reducir el impacto ambiental.

El combustible utilizado en los motores diésel modernos en las carreteras de América del Norte está compuesto aproximadamente por un 85 por ciento de carbono y un 12 a 15 por ciento de hidrógeno, no muy diferente de la composición química de la gasolina. A diferencia de la gasolina, el combustible diésel no se vaporiza fácilmente a temperaturas ambiente, por lo que es menos probable que forme mezclas combustibles de combustible y aire. El calor requerido para encender el aceite diésel está determinado por las fracciones más volátiles del combustible: esto se determina por el número de cetano (CN) del combustible. La temperatura de ignición del combustible diésel para carreteras suele ser alrededor de 482ºF (250ºC): esto equivale a un CN de alrededor de 45. La temperatura de ignición sería más alta, alrededor de 550ºF (290ºC), al usar el combustible de peor calidad de ignición (calificado con un CN de 40) que puede venderse legalmente para su uso en las carreteras de América del Norte.

Tomando como ejemplo un combustible diésel con un punto de inflamación de 482ºF (250ºC), esto indica la temperatura mínima que debe alcanzarse en el cilindro del motor si se va a encender el combustible. De hecho, las temperaturas reales del cilindro generadas en la carrera de compresión tienden a ser considerablemente más altas que el mínimo requerido para encender el combustible. Cuanto mayor sea la diferencia entre estos dos valores de temperatura, menor será el retardo de encendido. El retardo de encendido es el tiempo entre la entrada de las primeras gotas de combustible en el cilindro del motor y la ignición real que inicia la combustión.