Serie amarilla Edición 2003
I
Conocimientos técnicos de automoción
I
Control del motor para motores de gasolina
Técnica de gases de escape para motores de gasolina
BOSCH
• Reducción de sustancias nocivas y depuración de "gases de escape • Diagnóstico de a bordo (080) • Legislación sobre gases de escape • Procedimientos de verificación
Técnica del automóvil
4 Fundamentos del motor de gasolina
54 Depuración catalítica de los gases
4 Funcionamiento
de escape
8 Combustión detonante
54 Vista general, catalizador de oxidación
11 Par motor y potencia
55
Catalizador de tres vías
12 Rendimiento del motor
58
Catalizador acumulador de NOx
14 Consumo específico de combustible
60
Circuito de regulación lambda
16 Combustibles para motores de gasolina
62
Calentamiento del catalizador
22 Gestión de funciones del motor
64 Legislación sobre gases de escape
Motronic
64 Vista general
22 Vista general de los sistemas
66
26 Sensores
72 Legislación UE
26 Aplicación en el automóvil
76 Ciclos de ensayos en EE.UU.
27 Sensores de temperatura
78 Ciclo de ensayos europeo
28 Sondas lambda de dos puntos
79 Ciclo de ensayos del Japón
32
Sonda lambda planar de banda
80 Verificación de los gases de escape
ancha LSU4
82 Verificación de pérdidas por
Legislación CARB
70 Legislación EPA
evaporación
34 Diagnóstico electrónico 34
Autodiagnóstico
37
Oiagnóstico de a bordo (OBO)
84 Vista qeneraí
38
Funciones OBO
86 Verificación de unidades de control
84 Técnica de taller
41 Gestión del sistema de diagnóstico
en vehículos
(OSM)
90 92
42 Emisión de gases de escape 42
Vista general
43
Partes integrantes principales
Inspección de gases de escape Principio de la medición de gases de escape
94 índice de vocabulario
44 Partes integrantes secundarias
94 Vocabulario
46
Influencias en las emisiones brutas
97 Abreviaturas
50
Reducción de sustancias nocivas
50 Vista general 51 Tratamiento posterior térmico 52
Realimentación de gases de escape
53
Sistema de retención de vapores de combustible
•
PROCESOS TÉCNICOS FUNDACIÓN UNIVERSITARIA LOS LlBERTADORES BIBLIOTECA CENTRAL HERNANOO SANTOS CASTILLO
PRECIO $
"SO Q O
-COMPRA
V
PROVEEDOR: ~
IECHA
36 f ~1
REGISTRO
CANJE_DONACION
.t e en
1'((;1
'13/ O 1 ( 2 o 15
y ~-O-&1-_
4
Fundamentos del motor de gasolina
Funcionamiento
Fundamentos del motor de gasolina El motor de gasolina de Otto') es un motor de combustión por encendido externo que quema una mezcla de aire y combustible, transformando así la energía química contenida en el combustible en energía cinética. Durante mucho tiempo tuvo el carburador la función de preparar la mezcla de aire y combustible. El carburador forma la mezcla inflamable en el tubo de admisión, que aspira el aire necesario para la combustión. Especificaciones legales para la observancia de valores límite en la emisión de gases contribuyeron al avance de la inyección de gasolina, que hace posible una dosificación más exacta del combustible. En la inyección en el tubo de admisión (SRE), la mezcla de aire y combustible se forma - como en los sistemas de carburador - en el tubo de admisión. El desarrollo de la inyección directa de gasolina (BDE) trajo otras ventajas, particularmente en lo referente al consumo de combustible y al aumento de la potencia. Esta técnica inyecta el combustible en el momento preciso directamente en la cámara de combustión.
Funcionamiento Impelido por la combustión de la mezcla de aire y combustible, el pistón (figura 1, pos. 8) ejecuta en el cilindro (9) un movimiento periódico ascendente y descendente. Este principio de funcionamiento dio a ese motor el nombre de "motor de pistón de movimiento de vaivén" o "motor alternativo". La biela (la) convierte este movimiento de vaivén en un movimiento de rotación del cigüeñal (11). Una masa de inercia dispuesta en el cigüeñal mantiene estable el movimiento. El régimen de giro del cigüeñal se llama también velocidad del motor.
1) En memoria de Nikolaus August Otto (1832 hasta 1891), quien en 1878 presentó por primera vez en la Exposición Universal de Paris un motor de gas a compresión según el principio de trabajo de 4 tiempos.
Proceso de 4 tiempos
La mayor parte de los motores de combustión interna utilizados en automóviles trabajan según el proceso de 4 tiempos. En este proceso, las válvulas del cilindro (5 y 6) regulan el intercambio de gases (cambio de carga). Abren y cierran los conductos de admisión y de escape del cilindro, regulando así la admisión de gases frescos y la expulsión de los gases de escape. 1er tiempo: Admisión Partiendo del punto muerto superior (PMS), el pistón se mueve hacia abajo y aumenta el volumen de la cámara de combustión (7) en el cilindro. De ese modo afluye aire fresco (en el sistema de inyección directa de gasolina) o la mezcla de aire y combustible (en el sistema de inyección en el tubo de admisión) a la cámara de combustión, a través de la válvula de admisión (5) abierta. En el punto muerto inferior (PMI), el volumen de la cámara de combustión ha alcanzado su tamaño máximo (Vh+ Ve). 2' tiempo: Compresión Las válvulas del cilindro están ahora cerradas. El pistón en movimiento ascendente reduce el volumen de la cámara de combustión y comprime la mezcla. En los motores de inyección en el tubo de admisión, la mezcla de aire y combustible se encuentra ya al fin de la carrera de aspiración en la cámara de combustión. En el sistema de inyección directa de gasolina, el combustible no se inyecta según el modo de funcionamiento - hasta el fin del tiempo de compresión.
En el punto muerto superior ha alcanzado el volumen su tamaño mínimo (volumen de compresión Ve).
Fundamentos del motor de gasolina
3er tiempo: Combustión y trabajo Yaantes de que el pistón haya alcanzado el punto muerto superior (PMS), la bujía de encendido (2) inicia en un momento prefijado (ángulo de encendido) la combustión de la mezcla de aire y combustible (encendido externo). Antes de que la mezcla se haya inflamado por completo, ha cruzado el pistón el punto muerto superior. Las válvulas del cilindro siguen estando cerradas. El calor de la combustión que queda libre aumenta la presión en el cilindro y empuja el pistón hacia abajo. 4° tiempo: Escape Yapoco antes del punto muerto inferior (PMI) se abre la válvula de escape (6). Los gases calientes, que se encuentran bajo alta presión, salen del cilindro. El pistón en movimiento ascendente expulsa los residuos restantes. Cada dos vueltas del cigüeñal comienza un nuevo ciclo de trabajo con la carrera de aspiración.
Funcionamiento
5
Fases de distribución por válvulas
Las levas dispuestas en el árbol de levas de admisión (3) y en el árbol de levas de escape (1) abren y cierran las válvulas del cilindro. En los motores con un solo árbol de levas, un mecanismo de balancines transmite el movimiento elevador de las levas a las válvulas del cilindro. Las fases de distribución determinan los tiempos de apertura y cierre de las válvulas con referencia a la posición del cigüeñal. Las fases de distribución se indican por eso en "grados del cigüeñal". Para un mejor llenado y vaciado de la cámara de combustión se aprovechan corrientes y vibraciones de los gases. Por eso se entrecruzan las fases de apertura de las válvulas en un determinado sector del cigüeñal. El cigüeñal acciona el árbol de levas mediante una correa dentada (o una cadena o ruedas dentadas). Un ciclo de trabajo dura en el proceso de 4 tiempos dos vueltas del cigüeñal. El número de revoluciones del árbol de levas es por eso sólo la mitad del número de revoluciones del cigüeñal. La relación de desmultiplicación entre cigüeñal y árbol de levas es por tanto de 2 :1.
Figura 1
Ciclo de trabajo del motor de gasolina de 4 tiempos (tomando como ejemplo un motor de inyección en el tubo de admisión y árboles de levas separados para admisión y escape).
a
Tiempo de admisión
b
Tiempo de compresión
e
Tiempo de combustión
1--------,. 2--, 3
d
Tiempo de escape
1
Arbol de levas de
4
2
Bujia de encendido
3
Arbol de levas de
5---~~ 6------lf-,-2--/
7---r-
escape
PMS
admisión
--1-s
_~~IPMIJ
4
Válvulade inyección
5
Válvulade admisión
6
Válvulade escape
7
Cámara de combustión
8
Pistón
9
Cilindro
10 Biela
10---~--H 11 --------:~=JII\
/
-----~.
. \ t +--+ \ " /
11 Cigüeñal D.. (/)
M
Par motor
a
Angulo de cigüeñal
\fh
Volumen de carrera
.
Carrera del pistón
.
---~/
\fe
Volumende compresión
6
Fundamentos
del motor
de gasolina
Funcionamiento
admisión se abre
Relación entre aire y combustible Para una combustión completa de la mezcla de aire y combustible, las proporciones de la mezcla han de encontrarse dentro de la relación estequiométrica. Este es el caso si para la combustión de 1 kg de combustible haya disposición 14,7 kg de
La válvula de
aire.
admisión se cierra
La relación de aire y combustible}, (lambda) indica hasta qué punto la mezcla de aire y combustible efectivamente existente difiere de la cantidad de aire teóricamente necesaria:
Diagrama de fases de distribución por válvulas de un motor de gasolina de cuatro tiempos. Figura 2 E EO
ES
A AO
Válvula de admisión La válvula de
Válvula de escape La válvula de escape se abre
AS
La válvula de escape se cierra
OT
A
Punto muerto superior (PMS)
ÜOT
Punto muerto superior de cruce
ZOT
(L (f)
Punto muerto superior de encendido
UT
Punto muerto inferior (PMI)
ZZ
Punto de encendido
Los tiempos de apertura y de cierre de las válvulas de admisión y escape están esbozados en el diagrama de las fases de distribución (figura 2).
masa de aire suministrada masa de aire teóricamente necesaria
En el funcionamiento estequiométrico, A tiene el valor de 1,0. Son también otras designaciones de A el coeficiente de aire y la razón de aire. Un enriquecimiento de la mezcla con combustible ocasiona valores A menores de 1. En caso de un empobrecimiento existe aire en exceso, el valor A es mayor de 1.A partir de determinado valor se llega al límite de funcionamiento con mezcla pobre y ésta no es ya inflamable. Distribución de la mezcla en la cámara de combustión
Compresión
Del volumen desalojado por el pistón en su carrera Vh y del volumen de compresión Vc resulta la relación de compresión e = (Vh + Vc)/Vc. La compresión del motor tiene una influencia decisiva en • el par motor generado, • la potencia suministrada, • el consumo de combustible y las • emisiones de sustancias contaminantes. La relación de compresión e en el motor de gasolina es de e = 7 13, según el tipo de construcción del motor y el modo de inyección (inyección en el tubo de admisión o inyección directa). Valores como los del motor diesel (e = 14 24) no son posibles en el motor de gasolina, puesto que a una alta presión de compresión y a la alta temperatura resultante de ella en la cámara de combustión, la mezcla de aire y combustible se enciende por sí misma y sin control a causa del limitado poder antidetonante de la gasolina. De ello se origina la detonación perjudicial para el motor. oo.
oo.
I
=
Distribución homogénea En los motores de inyección en el tubo de admisión, la mezcla de aire y combustible se encuentra distribuida homogéneamente en toda la cámara de combustión con el mismo coeficiente de aire A (figura 3a). También motores de concepto pobre que trabajan con exceso de aire en determinados márgenes de servicio se hacen funcionar con una distribución homogénea de la mezcla. Carga estratificada Una nube de mezcla inflamable deA'" 1 se encuentra en el punto de encendido en la zona de la bujía. El resto de la cámara de combustión está lleno de gas no inflamable sin contenido de combustible o una mezcla de aire y combustible muy pobre. La nube de mezcla inflamable que ocupa sólo una parte de la cámara de combustión se denomina carga estratificada (figura 3b). La mezcla - vista en todo el volumen de la cámara de combustión - es muy pobre (de hasta A""1O). Este funcionamiento con mezcla pobre hace posible valores bajos de consumo de combustible.
Fundamentos del motor de gasolina
La carga estratificada únicamente es posible de modo efectivo con la inyección directa de gasolina. Ella resulta del hecho de inyectarse el combustible directamente en la cámara de combustión sólo poco antes del punto de encendido. Distribución de la mezcla en la cámara de combustión.
-==~
a
I
b
-----
Funcionamiento
7
Encendido de la mezcla e inflamación
La bujía enciende la mezcla de aire y combustible mediante la descarga de una chispa. La inflamación segura después del encendido depende de la relación de aire y combustible A y se encuentra dentro del margen de}, = 0,75...1,3. Con unas condiciones de flujo adecuadas en el lugar de los electrodos de la bujía, se pueden encender también mezclas pobres con A:::; 1,7. A continuación de la inflamación se forma un frente de llamas cuya velocidad aumenta con la creciente presión de la combustión y disminuye de nuevo hacia el fin de ésta. Por término medio tiene lugar una velocidad de las llamas de 15...25 mis. La velocidad de las llamas es la adición de la velocidad de transporte de la mezcla y de la velocidad de combustión. Depende de la relación de aire y combustible A. La velocidad de combustión alcanza su máximo con una mezcla ligeramente enriquecida de l = 0,8 ...0,9. Allí pueden cumplirse aproximadamente las condiciones para el ciclo de Otto ideal (véase el capítulo "Rendimiento del motor"). En virtud de la alta velocidad de combustión se obtiene un buen comportamiento de plena carga a altos números de revoluciones. Se obtienen altos rendimientos termodinámicos a altas temperaturas de la cámara de combustión, que se alcanzan con una relación de aire y combustible de A = 1,05...l,1. Estas condiciones de servicio - altas temperaturas con exceso de aire favorecen la formación de óxidos de nitrógeno (NOJ, que están rigurosamente reglamentados por la legislación sobre gases de escape.
•
Figura 3 a
Distribuciónhomogénea de la mezcla
b
Carga estratificada
8
Fundamentos
del motor de gasolina
Combustión detonante
Combustión detonante En los motores de gasolina se pueden producir en determinadas condiciones fenómenos de combustión anormales, típicamente "detonantes", que limitan un incremento de la potencia del motor y del rendimiento. Este proceso de combustión no deseado se llama "picado". Es la consecuencia de un autoencendido de la nueva mezcla todavía no tomada por el frente de llamas. El pistón, el cojinete, la culata y la junta de culata están expuestos a enormes esfuerzos mecánicos y térmicos, originados por las elevadas puntas de presión y temperaturas producidas por combustiones detonantes. Un picado persistente del motor causa la destrucción de éste, así como p. ej. cabezas de pistón y culatas quemadas, o el gripado de pistones. '.
Formación de combustión detonante
,1: "
o.:
•
La bujía enciende la mezcla de aire y combustible en el tiempo de compresión, poco antes del punto muerto superior (PMS). Hasta la inflamación completa de la mezcla transcurren varios milisegundos en función del número de revoluciones, de modo que el punto esencial de la combustión se encuentra después del PMS. El frente de llamas se propaga partiendo de la bujía de encendido. Además del aumento de la compresión debido al pistón en su carrera ascendente, se produce un aumento de la presión y temperatura debido a la combustión de la mezcla en la cámara de combustión. La mezcla de aire y combustible todavía no quemada se comprime por tanto aún más. La temperatura de la mezcla de aire y combustible comprimida puede subir hasta el punto de encenderse ésta por sí misma en algunas zonas (figura 1). Se produce una combustión explosiva. La velocidad del frente de llamas que parte de esta combustión es aprox. de 10 a 100 veces mayor que la del frente de llamas que parte de la bujía de encendido (aprox. 20 mis). De esta combustión sin control se originan ondas de presión que se propagan esféricamente partiendo del núcleo del encendido. Estas ondas de presión chocan contra las paredes de los cilindros y producen el picado típicamente metálico del motor.
Frentes adicionales de llamas pueden proceder también de puntos muy calientes de la cámara de combustión. Se trata entonces de autoencendidos por incandescencia. Pueden ser causados p. ej. por bujías de encendido de bajo grado térmico, que pueden alcanzar temperaturas inadmisiblemente altas durante el funcionamiento. Estas combustiones originan golpeteos del motor cuando la combustión se inicia ya antes del verdadero punto de encendido. El picado del motor puede producirse en cualquier velocidad de rotación. A altos números de revoluciones no es perceptible ya acústicamente, pues los ruidos de picado quedan encubiertos por los altos ruidos del motor. Influencias sobre la tendencia al picado
Avance del ángulo de encendido: La presión en la cámara de combustión y con ella la subida de la temperatura son tanto mayores cuanto más pronto inicia la bujía el encendido de la mezcla. Alto llenado del cilindro: Cuanto más alto es el par motor exigido, tanto mayor ha de ser el llenado del cilindro (carga del motor). Esoocasiona temperaturas más altas durante la compresión. Clase de combustible: Un combustible con bajo índice de octano presenta una reducida resistencia al picado. Por eso hay que repostar la(s) clase(s) de combustible prescrita(s) por el fabricante del vehículo. Compresión demasiado alta: Si hay montada p. ej. una junta de culata equivocada, demasiado delgada, la compresión resultante es mayor. La mezcla de aire y combustible alcanza presiones y temperaturas más altas al ser comprimida. Un pequeño aumento de la compresión pueden ocasionarlo también incrustaciones formadas en la cámara de combustión (p. ej. debidas a envejecimiento). Refrigeración: Una refrigeración deficiente del motor ocasiona altas temperaturas de la mezcla en la cámara de combustión. Geometría: Una geometría desfavorable de la cámara de combustión, así como una turbulencia deficiente de la mezcla de aire y combustible a causa de una geometría desfavorable del tubo de admisión, puede aumentar asimismo la tendencia del motor al picado.
Fundamentos
del motor de gasolina
Combustión
detonante
Evitación de un picado persistente
Picado del motor, con inyección directa de gasolina
Durante el funcionamiento con mezcla homogénea, el motor de inyección directa de gasolina se comporta, en lo que se refiere al picado, como un motor de inyección en el tubo de admisión. Con el sistema de inyección directa, sin embargo, a causa del calor de evaporación del combustible en el cilindro el aire comprimido es enfriado en mayor grado que con un sistema de inyección en el tubo de admisión. Durante el funcionamiento con carga estratificada se encuentra una mezcla inflamable sólo en la zona de la bujía de encendido. El resto de la cámara de combustión está lleno de aire o gas inerte, no pudiendo tener lugar aquí una inflamación de gases ni, por tanto, picado alguno. Pero tampoco una mezcla muy pobre de aire y combustible, con la que puede estar llena la parte restante de la cámara de combustión, se inflama por sí misma. Para estas mezclas pobres se requiere una energía de encendido considerablemente mayor que la necesaria para mezclas de composición estequiométrica. Por tanto, durante el funcionamiento con carga estratificada no es posible picado alguno.
1
____ Fo_rm_a_c_ió_n d_e_c_om_b_u_st_ion_e_s _de_to_na_n_te_s,
Para evitar con seguridad combustiones detonantes en todos los estados de funcionamiento, en los sistemas de encendido sin regulación contra la detonación se observa para el ángulo de encendido una distancia de seguridad de 5...8 grados del cigüeñal hasta el límite de resistencia a la detonación. En los sistemas con regulación contra la detonación, uno o varios sensores de picado controlan los ruidos del motor. Partiendo de la señal eléctrica de un sensor, la unidad de control del motor identifica combustiones individuales detonantes. Acto seguido varía el ángulo de encendido en dirección hacia "retardo" sólo en el cilindro en el que se ha producido antes el picado y evita así un picado persistente. A continuación se varía elángulo de encendido lentamente de nuevo en dirección hacia "avance". Esto sucede hasta alcanzarse el ángulo de encendido del diagrama característico o detectarse de nuevo una combustión detonante. La variación del ángulo de encendido se realiza de modo selectivo para cada cilindro. Las escasas combustiones insignificantemente detonantes que se presentan también con regulación contra la detonación, no son perjudiciales para el motor. Al contrario: ellas hacen que los residuos depositados en la cámara de combustión (p. ej. junto a las válvulas de admisión y escape), ocasionados por aditivos del combustible y el aceite de motor, se desprendan de nuevo y se quemen o sean expulsados con los gases de escape. Ventajas de la regulación contra la detonación
...
Gracias a la segura detección de combustiones detonantes, se puede aumentar la compresión de los motores provistos de regulación contra la detonación. Asimismo, en el control previo del ángulo de encendido se suprime la distancia de seguridad hasta el límite de resistencia a la detonación y este control previo se proyecta para el "best case" y no para el "worst case".Eso repercute favorablemente en el rendimiento del motor. La regulación contra la detonación • reduce el consumo de combustible, • aumenta el par motor y la potencia y • permite el funcionamiento del motor para un margen de índices de octano (p. ej. gasolinas super y normal).
9
10
Fundamentos
del motor de gasolina
Consumo de combustible en la práctica
Consumo de combustible en la práctica
.,
Los fabricantes de automóviles están obligados a indicar el consumo de combustible de los vehículos. Este valor se averigua en el test de gases de escape, partiendo de las emisiones de gases. Para este test se recorre un trayecto de características definidas (ciclo de prueba). De ese modo los valores de consumo son comparables para todos los vehículos. Una aportación esencial a la reducción del consumo de combustible la puede efectuar todo conductor mismo, entre otras cosas mediante su modo de conducir. La disminución del consumo de combustible que puede lograr con su vehículo depende de una multiplicidad de factores .
Con las medidas indicadas a continuación se puede reducir en un 20 ...30 % el consumo de combustible de un conductor "ahorrativo" en el servicio cotidiano, comparado con el de un "conductor medio". La reducción del consumo de combustible que se puede obtener mediante las diversas medidas depende de muchos factores, entre otros esencialmente del perfil del trayecto (recorrido por ciudad, recorrido interurbano) y de las condiciones de tráfico. Por eso no es siempre razonable indicar valores para el ahorro de combustible.
"
:.
Influencias positivas en el consumo de combustible •
Presión de inflado de los neumáticos: observar los valores elevados para vehículo completamente cargado (ahorro: aprox. un 5%)
• Acelerar con alta carga y bajo número de revoluciones, cambiar a marcha superior a 2000 rpm • Conducir con la marcha más alta posible: también a números de revoluciones inferiores a 2000 rpm se puede conducir con plena carga •
Evitar frenar y acelerar de nuevo, conduciendo de modo previsor
• Aprovechar el corte de la alimentación de combustible en marcha por empuje • Parar el motor en largas fases de detención, p. ej. delante de semáforos con largas fases en rojo o barreras de paso de nivel cerradas (en 3 minutos de marcha en ralentí se consume tanto combustible como en 1 km de recorrido) •
Empleo de aceites de motor de marcha suave (ahorro de aprox. un 2% según indicación de los productores) R
a Resistencia de~
Influencias negativas en el consumo de combustible •
Peso elevado del vehículo a causa de carga inútil p.ej. en el maletero (adicionalmente, aprox. 0,31/100 km)
• Alta velocidad de marcha •
Elevada resistencia del aire a causa de portaequipajes de techo
• Consumidores eléctricos adicionales, p. B. calefacción de la luneta trasera, faros antiniebla (aprox. 1 1/1kW) • Filtro de aire obturado por suciedad y bujías de encendido quemadas (observar los intervalos de cambio)
Fundamentos
Par motor y potencia La magnitud física "par motor M' es el producto resultante de multiplicar la fuerza Ppor el brazo de palanca s: M=P·s La biela transforma el movimiento de vaivén del pistón en un movimiento de rotación del cigüeñal, por el acodado de éste. La fuerza con que la mezcla de aire y combustible en expansión empuja el pistón hacia abajo es transformada en un par por el brazo de palanca constituido por el acodado. El brazo de palanca activo para el par motor es el componente de la palanca que se encuentra vertical a la fuerza. En el punto muerto superior (PMS) la fuerza y la palanca son paralelas. Por eso el brazo de palanca activo es aquí igual a cero. El ángulo de encendido ha de determinarse de manera que la inflamación de la mezcla tenga lugar en el sector del cigüeñal en que asciende el brazo de palanca (0...90 cig.). Así, el motor puede generar el par máximo posible. El par motor M máximo alcanzable que puede suministrar el motor está determinado por su diseño (p. ej. cilindrada, geometría de la cámara de combustión). La adaptación del par motor a las exigencias de la marcha normal se efectúa en lo esencial regulando la calidad y cantidad de la mezcla de aire y combustible.
del motor de gasolina
11
Par motor y potencia
La potencia P suministrada por el motor aumenta a medida que se incrementa el par motor M y el número de revoluciones n. Tiene validez la relación: P=2·j[·n·M La potencia del motor aumenta, hasta alcanzar al número de revoluciones nominal nnom con la potencia nominal Pnom su valor máximo. A números de revoluciones más altos disminuye de nuevo, ya que el par motor decrece intensamente en este sector. La característica de la potencia y la del par del motor de combustión hacen necesario un cambio de velocidades para la adaptación a las exigencias de la marcha normal.
o
La figura 1 muestra el transcurso del par motor y de la potencia en función del número de revoluciones que es típico para un motor de gasolina de inyección en el tubo de admisión. Estos diagramas se presentan en los informes de pruebas en muchas revistas del automóvil. El par motor aumenta hasta el par máximo Mmax a medida que sube el número de revoluciones. A números de revoluciones muy altos disminuye de nuevo, por ser limitado el llenado de los cilindros a causa del menor tiempo de apertura de las válvulas de admisión. El desarrollo de motores aspira a poner a disposición el par máximo ya a números de revoluciones bajos en el margen de 2000 rpm, puesto que en este margen de régimen el consumo de combustible es el más ventajoso. Los motores de turbosobrealimentación por gases de escape pueden satisfacer estas exigencias.
Transcurso ejemplar del par motor y de la potencia en un motor de gasolina de inyección en el tubo de admisión.
kVVr-~~------------------~ 80I~;;;;;!!.;=~:;::= Cl.,
60
es
q~ 40 Q)
1, I-;;;=!!;;;;;; ••••
¡=op==
~ 20 I==;';;'cfi~¡;;;-
I
1000 N·m
3000
5000
Número de revoluciones del motor n
rpm 1
nnonn
140 ;¿:;
o
'O E
120
(ij a, 100
D(/) O) U) U)
1000
3000
5000
Número de revoluciones del motor n
rpm 1
nnonn
Figura 1 Mm¿, Par motor máximo
o 2' 2'
(/)
Pnom
Potencia nominal
llnom
Número de revoluciones
nominal
12
Fundamentos
del motor de gasolina
Rendimiento del motor
Rendimiento del motor Rendimiento térmico
El motor de combustión no convierte toda la energía ligada químicamente en el combustible en trabajo mecánico. Una parte de la energía invertida se pierde. El rendimiento de un motor es por consiguiente menor del 100 % (figura 1). Un eslabón en la cadena de rendimiento lo constituye el rendimiento térmico. Diagrama de trabajo (diagrama p- V) Las relaciones de compresión y de volumen durante un ciclo de trabajo del motor de cuatro tiempos se pueden mostrar en un diagrama p- V. ':!
"
',", ",
Proceso ideal de cámara homogénea La figura 2 (curva A) muestra los tiempos de compresión y de combustión de un proceso ideal, como se describe según las leyes de Boyle/Mariotte y Gay-Lussac. El pistón se mueve del PMI al PMS (punto 1 hacia 2), la mezcla de aire y combustible se comprime sin aportación de calor (Boyle/Mariotte). A continuación se quema la mezcla aumentando la presión (punto 2 hacia 3), permaneciendo constante el volumen (Gay-Lussac). Del PMS (punto 3) se mueve el pistón en dirección hacia el PMI (punto 4), El volumen de la cámara de combustión aumenta, La presión del gas quemado disminuye sin que se ceda calor (Boyle/Mariotte). A continuación se enfría de nuevo la mezcla quemada permaneciendo constante el volumen (Gay-Lussac), hasta alcanzarse otra vez el estado inicial (punto 1).
Diagrama p- V real Como en el funcionamiento real del motor no se pueden cumplir las condiciones básicas para el proceso ideal de cámara homogénea, el diagrama p- V efectivo (figura 2, curva B) se diferencia del diagrama p- V ideal. Medidas para aumentar el rendimiento térmico El rendimiento térmico aumenta con la compresión de la mezcla de aire y combustible, Con una compresión más alta es mayor la presión en el cilindro al [m de la fase de compresión, aumentando también la superficie abarcada en el diagrama p- V, Esta superficie declara la energía generada por el proceso de combustión. Al fijar la compresión hay que tener en cuenta la resistencia del combustible a la detonación, Los motores de inyección en el tubo de admisión inyectan el combustible delante de la válvula de admisión cerrada, depositándolo por tanto con antelación. Al formarse la mezcla de aire y combustible, se evaporan las finas gotitas de gasolina. Para este proceso se requiere energía, que se retira del aire y de las paredes del tubo de admisión en forma de calor. Con la inyección directa de gasolina se inyecta el combustible en la cámara de combustión, La energía necesaria para la evaporación se retira en este caso del aire encerrado en la cámara de combustión, que entonces se enfría. De ese modo, la mezcla de aire y combustible comprimida tiene una temperatura más baja comparada con la de la inyección en el tubo de admisión y puede ser comprimida en mayor grado, Pérdidas de calor
La superficie limitada por los puntos 1 - 2 - 3 - 4 indica el trabajo conseguido durante un ciclo de trabajo. En el punto 4 se abre la válvula de escape yel gas que se encuentra todavía bajo presión se evade del cilindro, Si el gas se pudiera expandir por completo hasta el punto S, la superficie abarcada por los puntos 1 - 4 - 5 sería energía útil, Con un turbosobrealimentador por gases de escape se puede aprovechar todavía en parte la zona que se encuentra encima de la línea atmosférica (1 bar) (1- 4 - S'),
El calor producido por la combustión calienta las paredes del cilindro. Una parte de la energía térmica es radiada, perdiéndose, En la inyección directa de gasolina la nube de la carga estratificada está rodeada de una envoltura de gases que no participan en la combustión. Esta envoltura de gases impide la transmisión del calor a las paredes del cilindro y reduce de ese modo las pérdidas de calor.
Fundamentos del motor de gasolina
Se producen pérdidas adicionales debidas a la combustión incompleta del combustible condensado en las paredes del cilindro. Por razón del efecto aislante de la envoltura, en el funcionamiento con carga estratificada esas pérdidas son también menores. El calor residual de los gases de escape ocasiona otras pérdidas de calor.
Rendimiento del motor
13
Pérdidas por fricción
Se producen pérdidas por fricción a causa del rozamiento de todas las piezas movidas en el motor y en los grupos secundarios, p. ej. por el rozamiento de los aros de pistón en la pared del cilindro, la fricción de los rodamientos, accionamiento del alternador, etc.
Pérdidas con A = 1 El rendimiento del proceso de cámara homogénea aumenta a medida que se incrementa el coeficiente de aire 1 Por disminuir con mezclas pobres la velocidad de inflamación, la combustión transcurre sin embargo para A> 1,1 con lentitud creciente, lo que repercute negativamente en el transcurso del rendimiento del motor de gasolina. En resumidas cuentas, el rendimiento es al fin y al cabo máximo en el margen de}, = 1,1 ... 1,3. Con una formación homogénea de la mezcla de A = 1 el rendimiento es por eso menor que con una mezcla con exceso de aire. Al utilizar un catalizador de tres vías, para una depuración eficaz de los gases de escape es sin embargo absolutamente necesaria una mezcla de
Cadena de rendimiento de un motor de gasolina con }, = 1.
i------;; •• IBI.Traba¡O
útil accionamiento
10% 10% 7%
15% Pérdidas por fricción, grupos secundarios Pérdidas por cambio de carga
45%
Pérdidas por A =1 Pérdidas de calor en el cilindro, por una combustión no ideal y por los gases de escape
A = 1.
a.. Cf)
Pérdidas por cambio de carga
Al efectuarse el cambio de carga, en el primer tiempo de trabajo el motor aspira aire fresco. El caudal teórico de gas fresco es regulado por la apertura de la mariposa. En el tubo de admisión se produce un vacío contra el cual trabaja el motor. La inyección directa de gasolina reduce esas pérdidas por bombeo (pérdidas por estrangulación), ya que la mariposa está ampliamente abierta también en ralentí y a régimen de carga parcial, regulándose el par motor mediante la masa de combustible inyectada. En el cuarto tiempo de trabajo han de expulsarse del cilindro los gases de escape residuales. También eso exige trabajo.
o
Pérdidas termodinámicas en el proceso ideal (rendimiento térmico)
co
o
:::; :::;
Cf)
@
Desarrollo del proceso de trabajo del motor en el diagrama p- \é
t
3
e Gl
","o en e
'0
·00=
2
GlU
cl:Qi Figura 2 A
1 bar -
Proceso ideal de cámara homogénea
5
Vc ~--------------~ Volumen V -
B
Diagrama P: V real
a
Admisión
b
Compresión
e
Trabajo
d
Expulsión de los gases
ZZ Punto de encendido AO Escape se abre
14
Fundamentos del motor de gasolina
Consumo especifico de combustible
Con el aumento del coeficiente de aire disminuye la velocidad de las llamas en la mezcla pobre. El retardo de la inflamación originado por ello ha de ser compensado por un avance del ángulo de encendido. Al seguir aumentando el coeficiente de aire se llega al límite del funcionamiento del motor con mezcla pobre y se producen combustiones incompletas (fallos de la combustión). Esto ocasiona un fuerte aumento del consumo de combustible. El coeficiente de aire al que se encuentra el límite de funcionamiento del motor con carga pobre depende del motor respectivo.
Consumo específico de combustible El consumo específico de combustible be indica la masa de combustible (en gramos) que necesita un motor de combustión para ejecutar un trabajo determinado (kW' h, kilowatio-hora). Esta magnitud, por tanto, enuncia más sobre el aprovechamiento de la energía del combustible que las indicaciones en l/h o l/lOa km.
..
::1'
.::::
Influencia del coeficiente de aire Distribución homogénea de la mezcla Con una distribución homogénea de la mezcla, el consumo específico de combustible disminuye de momento a medida que aumenta el coeficiente de aire A (figura 1). La disminución en el margen hasta A = 1,0 se explica por el hecho de que, con una mezcla de aire y combustible rica, la combustión se desarrolla de modo incompleto a causa de la falta de aire. Durante el funcionamiento con mezcla pobre (A> 1) hay que abrir aún más la mariposa de aire para poder ajustar un par motor definido. Esta suspensión de la estrangulación y el rendimiento termodinámico más alto durante el funcionamiento con mezcla pobre dan lugar a un menor consumo específico de combustible.
Carga estratificada Los motores de inyección directa de gasolina pueden trabajar en régimen de carga estratificada con altos coeficientes de aire. El combustible se encuentra sólo en la nube de carga estratificada formada alrededor de la bujía de encendido. El coeficiente de aire en la nube de carga estratificada es aproximadamente de A = 1. La parte restante de la cámara de combustión está llena de aire y gas inerte (realirnentación de gases de escape). La suspensión de la estrangulación relacionada con ello origina una reducción de las pérdidas por cambio de carga. Eso y efectos termodinámicos dan lugar a una notable reducción del consumo específico de combustible. Influencia del ángulo de encendido Distribución homogénea de la mezcla Para un punto de trabajo determinado existe en cada caso un punto esencial de la combustión óptimo, del que es propio un ángulo de encendido definido (figura 1). Toda desviación de este ángulo de encendido ocasiona un empeoramiento del consumo específico de combustible.
Influencia del coeficiente de aire }, y del ángulo de encendido a, en el consumo de combustible, con distribución homogénea de la mezcla.
I
9 kW'h ~ 580
~::>
.o
E
8 ID
500
'O
o
.2
gn. 4201=='=io. en
ID
I ~~ I I
340
0-,S----1-,0----1,2---1--',4!
[}¡
L--
Coeficiente de aire A
~ ®
I
Carga estratificada Las posibilidades de variación del ángulo de encendido en motores de inyección directa de gasolina son limitadas al funcionar con carga estratificada. La chispa de encendido ha de tener lugar cuando la nube de la mezcla ha alcanzado la bujía de encendido. El ángulo de encendido óptimo depende esencialmente por tanto del momento de inyección.
Fundamentos
Diagrama característico
del consumo de combustible
del motor de gasolina
Consumo especifico
de combustible
15
Figura 2
de un motor de gasolina, con formación homogénea de la mezcla.
Datos del motor: Motor de gasolina, de 4 cilindros Cilindrada:
VH= 2,31 Potencia: P=110kWa 5400 rpm Par motor máximo: ¡VI= 220 N·m a 3700 ...4500 rpm Presión media efectiva:
"
.
Pme = 12 bares (100%) Cálculo del par motor 1vl y de la potencia P mediante
o
ecuaciones
500
1000
1500
2000
2500 3000 3500 4000 Número de. revoluciones n
4500
5000
5500
6000
rpm
de valores
numéricos: ¡VI= VH"PmeI0,12566
P=M·n/9549 Men N·m
Optimización
del consumo
Al trabajar con mezcla de formación homogénea, los motores de gasolina han de hacerse funcionar con una relación de aire y combustible estequiométrica de A = 1, a fin de que el catalizador de tres vías pueda desarrollar su efecto de limpieza mejor posible. Por eso el consumo específico de combustible no se puede optimizar mediante el coeficiente de aire, sino sólo mediante el ángulo de encendido. Al fijar el ángulo de encendido hay que hallar un compromiso entre un reducido consumo de combustible y reducidas emisiones brutas de gases de escape. Al tener el catalizador la temperatura de servicio prevalece el aspecto del consumo, puesto que en el catalizador se convierten entonces ampliamente las sustancias contaminantes. Diagrama característico
del consumo
El consumo específico de combustible se puede medir en un banco de pruebas de motores en función de la presión media relativa efectiva en el cilindro y el número de revoluciones del motor. Los valores medidos se trazan en el diagrama característico del consumo (figura 2). Los puntos en los que el consumo específico es igual se unen unos con otros, originándose curvas. La imagen resultante tiene cierto parecido a una concha. Por eso las curvas reciben también la designación de curvas concoidales.
El diagrama muestra que el consumo específico mínimo se presenta a una alta presión media efectiva pme en el margen de revoluciones alrededor de 2600 rpm. La presión media efectiva constituye también una medida para el par motor M. Por eso en el diagrama se pueden registrar curvas para la potencia P. Ellas tienen la forma de hipérbolas. Del diagrama se puede desprender que está disponible la misma potencia a un número de revoluciones y par motor distintos (puntos de funcionamiento A y B). El consumo específico de combustible es distinto, sin embargo, en estos puntos de funcionamiento. En el punto B es menor que en el punto A, siendo más bajo el número de revoluciones pero más alto el par motor. La adaptación a este punto de funcionamiento se consigue mediante el cambio de velocidades, eligiendo una marcha más alta.
VH en dm3
Pme en bares n en rpm
Pen kW
16
Fundamentos
del motor
de gasolina
Combustibles
para motores
Combustibles para motores de gasolina Vista general
::::
El portador de energía más importante del que se pueden obtener combustibles es el petróleo. Se ha originado en el transcurso de millones de años por la descomposición de residuos orgánicos de animales y plantas. El petróleo se compone de muchos hidrocarburos, de los cuales no todos son apropiados sin embargo para la producción de gasolinas. El petróleo ha de ser tratado convenientemente por eso en refinerías. A tal efecto se dispone de dos posibilidades: • Mediante destilación o filtrado, se separan los componentes unos de otros. • Mediante transformación (p. ej. crácking, refórming), de los componentes existentes se originan nuevos hidrocarburos con otras propiedades.
Estructura
de moléculas
de hidrocarburos
poco resistente
I
Además de los combustibles minerales obtenidos del petróleo, se utilizan en casos aislados también otros combustibles, como p. ej. • alcohol (metanol, etanol), • gas licuado (gas para automóviles) y • gas natural. Actualmente se encuentran en la fase de ensayo motores de gasolina que se hacen funcionar con hidrógeno.
muy resistente
a la detonación
licuado
Constituyente del combustible para motor Otto
I
I
H H H I
Butano
I
I
líquido Constituyentes
I
I
H
I
H
I
H
I
Isoctano Cs H1S
H"C"HH"C"H I
I
H
H
de la gasolina y del gasól
Estructura anular
H H H H H I I I I I H - C-C-C-C-C - H I
I
I
H
C4 HlO
I
H H H H
I
~-~-~-c-~- H
H-
H - C-C-C-C - H I
para combustibles
H
H H H H I
de contraste
H-C-H
I
H H H I
a la detonación
Estructura cateniforme con cadenas laterales
H H H I I I H-C-C-C-H I
La figura 1 ofrece una vista general sobre la estructura de las moléculas más importantes de los hidrocarburos. La estructura puramente cateniforme de las moléculas proporciona una capacidad de inflamación muy buena, aunque también un reducido poder antidetonante. Una estructura cateniforme con cadenas laterales adicionales, así como una estructura anular de las moléculas, suministra componentes del combustible de alto poder antidetonante.
(ejemplos).
Estructura cateniforme · gaseiforme ¡ con presión baja, gas propelente
de gasolina
I
Constituyentes
I
del benzol para motores
H H H H H H
I
H H H H H H J
I
I
I
I
I
Hexano
H - C-C-C-C-C-C - H I
J
I
I
I
C6 H14
I
H H H H H H H H H H H H H I I I I I I I H-C-C-C-C-C-C-C-H I
1
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
Cs H1S
I
I
I
I
I
1
I
I
I
I
H-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-H I
I
I
I
I
I
I
I
Constituyente
H H H H H H H H H H H H H H H H I
C6 H6
H
Octano
H H H H H H H H I
Tolueno
Benceno
Cl H16
H H H H H H H
r
I II H/C"'C/C'H
Heptano
I
H H H H H H H H I 1 I I I I I I H-C-C-C-C-C-C-C-C-H I
H'C,,::,C'C/H
I
I
I
I
I
I
I
I
I
H H H H H H H H H H H H H H H H
Cetano
C16 H34
H H
anular de la gasolina
H
\ /
H
H-'c/C'/_H I I H-C C-H
/ 'c/ \
H
/ \
H
H
H
Ciclohexanol
C6 H12
Cl Hs
Fundamentos
Normas para combustibles
Diferentes normas nacionales determinan los requerimientos mínimos de los combustibles para motores de gasolina. La especificación EN 228 (norma europea) describe la gasolina sin plomo introducida en Europa ("euro-super"). En la edición alemana DIN EN 228 se describen además los combustibles sin plomo normal y "super plus". En los EE.uu. se especifican los combustibles para motores de gasolina según ASTM D4814 (American Society for Testing and Materials). Componentes de combustibles motores de gasolina
para
Los combustibles para motores de gasolina consisten en hidrocarburos que pueden contener aditivos de componentes orgánicos enriquecidos de oxígeno, así como también otros para mejorar sus propiedades. Se hace una distinción entre combustible normal y super. Este último presenta una mayor resistencia a la detonación para el funcionamiento de motores de mayor relación de compresión. Además rigen características de volatilidad diferentes para verano e invierno, así como para distintas regiones. Gasolina sin plomo (EN 228) El empleo de catalizadores para el tratamiento de los gases de escape presupone el servicio con gasolina sin plomo; puesto que el plomo estropearía el recubrimiento de metal noble (p. ej. platino) de los catalizadores, así como las sondas lambda utilizadas para la regulación de la preparación de la mezcla, haciéndolos inactivos. Los combustibles sin plomo forman una mezcla de alto valor y de alto octanaje (p. ej. platformings, alquilatos e isomerizados). Como aditivos exentos de metal para aumentar la resistencia a la detonación pueden usarse con buen resultado éteres (p. ej. metilterciariobutileter MTBE) en concentraciones de 3...15 %, así como mezclas de alcohol (metano12 ...3 %, alcoholes superiores). El contenido de plomo está limitado desde el año 2000 a un máximo de 5 mg/l.
del motor de gasolina
Combustibles para motores de gasolina
Gasolina con plomo Desde el año 2000 no está permitido ya en Europa el uso de combustibles con plomo; su venta está autorizada sólo en casos excepcionales para un período de transición. En algunos países del resto del mundo, sin embargo, hay todavía en el comercio combustibles con plomo. Su porcentaje retrocede empero constantemente. Los alquilatos de plomo contenidos en esta gasolina eran necesarios antes principalmente para lubricar las válvulas de escape. Los motores construidos desde los años 1980 no están supeditados ya a aditivos de plomo. Magnitudes características
Potencia calorífica, poder de combustión La potencia calorífica específica H; (antiguamente denominada "potencia calorífica interior") y el poder de combustión específico H¿ (antiguamente denominado "potencia calorífica superior" o "calor de combustión") son magnitudes que indican el contenido energético de los combustibles. Para los combustibles como la gasolina en los cuales se produce agua como producto de la combustión, sólo tiene importancia la potencia calorífica H; ("agua de la combustión" en forma de vapor). Los componentes del combustible oxigenados, tales como los alcoholes, éteres, ésteres metílicos de ácido graso, tienen una potencia calorífica menor que los hidrocarburos puros, por no tomar parte en la combustión el oxígeno combinado con ellos. Para lograr una potencia comparable con la de combustibles normales, aumenta por tanto el consumo de combustible. Densidad El margen de densidad admisible para combustibles está limitado en la EN 228 a 720...775 kg/rn'. Los combustibles super tienen una densidad más alta que los normales a causa del mayor contenido de aromáticos y en este caso también una potencia calorífica algo mayor.
17
18
Fundamentos
del motor
de gasolina
Combustibles
para motores de gasolina
Resistencia a la detonación El índice de octano señala la resistencia a la detonación de un combustible para motor de gasolina. Cuanto mayor es el índice de octano, tanto más resistente es el combustible a la detonación. Para su determinación se utilizan internacionalmente dos procedimientos diferentes: el índice de octano investigado o método "research" (RON) y el índice de octano según el método de motor (MON). RON,MON Se llama RON (Research Octane Number) al índice de octano investigado. Puede considerarse como indicativo para el picado en la aceleración. Se llama MON (Motor Octane Number) al índice de octano de motor. Describe principalmente las propiedades respecto al picado a altas velocidades.
.1
,""
Propiedades
""
importantes
de combustibles
El método de motor se distingue del método "research" por el precalentamiento de la mezcla, un mayor número de revoluciones y el ajuste variable del punto de encendido, de lo que resulta una mayor solicitación térmica del combustible analizado. Los índices MON son inferiores a los RON. El índice de octano hasta 100 indica el porcentaje en volumen de isooctano CSH1S(trimetilpentano) contenido en una mezcla con n -heptano C7H16,la cual muestra en un motor de ensayo el mismo comportamiento al picado que el del combustible que se analiza. Al isooctano muy antidetonante se le asigna el índice de octano 100 de RON o MON, mientras que al n-heptano de muy alta tendencia al picado se le asigna el índice O.
para motores de gasolina, EN 228 (válido desde 1-1- 2000).
.-.
~~-,
Poder antidetonante
I
Super, mino
ROZ/MOZ
95/85
Nomal, mino 1)
ROZ/MOZ
91/82,5
Super Plus 1)
ROZ/MOZ
98/88
[D:~~~~ -__
kg/m3
720 ...775
Azufre, máx.
mg/kg
150
Benzol, máx.
% en vol.
Plomo, máx.
mg/I
5
Presión de vapor en verano, min./máx.
kPa
45/60
Presión de vapor en invierno, min./máx.
kPa
60/90')
Cantidad
evaporada a 70°C en verano, mín./máx.
% en vol.
20/48
Cantidad
evaporada a 70°C en invierno, mín./máx.
% en vol.
22/50
Cantidad
evaporada a 100°C, mín./máx.
% en vol.
46/71
Cantidad
evaporada a 150°C, mín.lmáx.
% en vol.
75/-
°C
210
~=1 ---1
Volatilidad
Tabla 1
máx.
Tiempo de transición 1) Valores nacionales
VU3), máx. ')
alemanes,
') VU = Vapour Lock Index,
3) Primavera y otoño.
J
!
----~ -
Fin de ebullición,
...
11501)
- ~----~-~-
--- ------- ---
Fundamentos
Incremento de la resistencia a la detonación La gasolina normal, de destilación directa, posee una baja resistencia a la detonación. Unicamente mezclando diferentes componentes de refinería resistentes al picado se obtiene un combustible de suficiente índice de octano. En este proceso ha de existir un alto nivel de índice de octano lo más alto posible en todo el intervalo de ebullición. Los hidrocarburos de estructura molecular anular (aromáticos) y cadenas ramifica das (isoparafinas) son más resistentes a la detonación que los de moléculas de cadena lineal (n-parafinas). Las adiciones de componentes oxigenados (metanol, etanol, metilbutiléter terciario) actúan positivamente sobre el índice de octano, pero estos alcoholes elevan la volatilidad y pueden crear problemas en los materiales. Volatilidad Para garantizar un buen funcionamiento, las características de volatilidad de los combustibles para motores de gasolina han de cumplir altos requerimientos. Por un lado deben contener componentes suficientemente volátiles para garantizar un arranque en frío seguro. Por otro lado no deben ser demasiado volátiles para no provocar problemas a temperaturas altas en los arranques en caliente ni problemas de marcha ("traba de vapor"). Además, para proteger el medio ambiente, las pérdidas por evaporación deben mantenerse a un mínimo. Hay diferentes valores indicativos para describir la volatilidad. En la especificación EN 228 figuran 10 clases diferentes de volatilidad, que se diferencian en presión de vapor, transcurso de ebullición y el índice de traba de vapor VLI (Vapour-LockIndex). Las distintas naciones pueden adoptar en sus normas particulares algunas de estas clases según las condiciones climáticas. Transcurso de ebullición Para el comportamiento en el motor son importantes algunas zonas de la curva de ebullición, que se caracterizan por la fracción evaporada a tres temperaturas. El volumen evaporado hasta 70 e debe ser grande para arrancar fácilmente el motor en frío, pero no demasiado grande para evitar burbujas de vapor con el motor caliente. La fracción de combustible evaporada a 100 "C determina, además del comportamiento durante el calenta0
del motor de gasolina
Combustibles para motores de gasolina
miento, ante todo la disponibilidad de servicio y reacción a las aceleraciones del motor caliente. El volumen evaporado hasta 150 e no debe ser demasiado pequeño, para evitar una dilución del aceite lubricante, especialmente con el motor frío. 0
Presión de vapor La presión de vapor de los combustibles medida a 38°e (100 °P) según la especificación EN 13016-1 es ante todo una magnitud característica de seguridad para el almacenamiento en el depósito del vehículo. Otro procedimiento para medir la presión de vapor es el de Reid. La presión de vapor se limita en todas las especificaciones, p. ej. en Alemania en verano es de 60 kPa y en invierno de 90 kPa como máximo. Sin embargo, para describir defectos de funcionamiento a consecuencia de burbujas de gas en los motores de inyección es más importante conocer la presión de vapor a temperaturas más elevadas (de 80 ... 100 e). Para ello se han desarrollado métodos de determinación; está en preparación una norma. Especialmente la adición de metanol al combustible aumenta considerablemente la presión de vapor a temperaturas elevadas. 0
Proporción vapor-líquido Esta magnitud es indicativa de la tendencia de un combustible a la formación de burbujas. Es el volumen de vapor producido por una unidad de combustible a una contrapresión definida y a una temperatura determinada. Si baja la contrapresión (p. ej. en rutas de montaña) y sube la temperatura, entonces aumenta la proporción vapor-líquido, lo cual lleva a mayores defectos de funcionamiento. En la ASTM D4814, p. ej., se especifica una relación entre vapor y líquido como requerimiento de los combustibles para motores de gasolina.
19
20
Fundamentos
del motor de gasolina
Combustibles para motores de gasolina
lndice de traba de vapor (VLI) Esta magnitud característica es la suma determinada por cálculo de la presión de vapor (en kPa x 10) y de siete veces la cantidad de combustible evaporada a una temperatura de 70°C (a lo largo del transcurso de ebullición), siempre en valores absolutos. El VLI describe mejor las propiedades del combustible, en cuanto al comportamiento de arranque en caliente y de marcha en caliente, que otras magnitudes convencionales. El VLI Yla proporción vapor-líquido muestran una buena correlación para combustibles sin adiciones de alcohol. ',:'
'.:
Contenido de azufre El azufre se fija en forma de sulfatos en el catalizador acumulador de Ox, que en el sistema de inyección directa de gasolina cuida del tratamiento catalítico de los gases de escape, e inactiva de ese modo el revestimiento catalítico. La sulfatación se puede anular de nuevo calentando el catalizador, lo que sin embargo repercute negativamente en el consumo de combustible. Por eso, así como también por la disminución deseada de las emisiones de S02, hay que seguir reduciendo el contenido de azufre en los combustibles futuros. Son necesarios contenidos de azufre menores de 10 ppm. Aditivos Los aditivos determinan, junto con la composición de los hidrocarburos (componentes de refinería), esencialmente la calidad de los combustibles. En su composición entran generalmente conjuntos de sustancias de diferentes efectos. Los aditivos han de estar muy bien comprobados y ajustados entre sí en su concentración, sin tener efectos secundarios negativos. Por eso son dosificados y mezclados por el fabricante del combustible, efectuándose ello de modo específico según la marca al llenar el camión cisterna en la refinería. No debe realizarse ninguna adición posterior de aditivos en el depósito del vehículo por parte del usuario.
Protección contra el envejecimiento Los productos protectores contra el envejecimiento adicionados a los combustibles aumentan su estabilidad para el almacenamiento, en especial al usar componentes de crácking. Impiden la oxidación por el oxígeno del aire e imposibilitan la acción catalítica de iones metálicos (desactivadores metálicos). Limpieza del sistema de admisión El mantener limpio todo el sistema de admisión (válvulas de inyección, válvulas de admisión) es la condición previa para mantener el.ajuste y preparación de la mezcla optimizados en estado nuevo y, por tanto, para un funcionamiento sin anomalías y la minimización de contaminantes en los gases de escape. Por este motivo deberían agregarse al combustible aditivos de limpieza eficaces (aditivos "detergentes"). Protección contra la corrosión La inclusión de agua "por arrastre" puede producir corrosión en el sistema de combustible. El agregar aditivos anticorrosivos que se infiltran en la película de agua puede impedir muy eficazmente la corrosión. Combustibles no contaminantes motores de gasolina
para
Las autoridades protectoras del medio ambiente y los legisladores imponen condiciones cada vez más severas para combustibles que garanticen bajas emisiones de evaporación y de contaminantes ("gasolina ecológica", "reforrnulated gasoline"). A este fin se prescriben p. ej. valores más bajos para presión de vapor, contenido de aromáticos, de benzol y de azufre, así como para el punto de ebullición final. La inclusión de aditivos para mantener limpio el sistema de admisión es obligatoria para estos combustibles en EE.UU.
