INDICE
DEDICATORIA ................................................................................................... 4 AGRADECIMIENTO......................... ............ .......................... ........................... ........................... .......................... .......................... ............. 5 INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 6 OBJETIVOS ....................................................................................................... 7 OBJETIVO ESPECIFICO: ......................... ............ ....................... ..........Error! Bookmark not defined. MOTORES DIESEL ........................................................................................... 8 HISTORIA .......................................................................................................... 8 CONSTITUCION DEL MOTOR .......................................................................... 9 EVOLUCION DE LOS MCI DE ENCENDIDO POR COMPRESION ................ ............. ... 11 DESCRIPCIÓN DE MOTORES DIESEL ..........................................................16 .......................................................... 16 LA COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES DIESEL. .......................... ............. .......................... .................. .....17 17 CÁMARAS DE INYECCIÓN DIRECTA. ...........................................................18 ........................................................... 18 CÁMARAS DE INYECCIÓN INDIRECTA. .......................................................19 ....................................................... 19 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN EN LOS MOTORES DIESEL. ........................ ............. ........... 20 SISTEMA DE INYECCIÓN. ..............................................................................22 ..............................................................................22 BOMBA DE INYECCIÓN DE ELEMENTOS EN LÍNEA. .................................. 23 BOMBA DE INYECCIÓN ROTATIVA. ..............................................................24 .............................................................. 24 GESTIÓN ELECTRÓNICA DEL MOTOR DIESEL ......................... ............ .......................... .................. .....26 26 SISTEMA BOMBA-INYECTOR CON MANDO ELECTRÓNICO. ..................... ............ ......... 28 ULTIMOS AVANCES .......................................................................................35 .......................................................................................35 CONCLUSIONES ............................................................................................. 39 2
INDICE
DEDICATORIA ................................................................................................... 4 AGRADECIMIENTO......................... ............ .......................... ........................... ........................... .......................... .......................... ............. 5 INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 6 OBJETIVOS ....................................................................................................... 7 OBJETIVO ESPECIFICO: ......................... ............ ....................... ..........Error! Bookmark not defined. MOTORES DIESEL ........................................................................................... 8 HISTORIA .......................................................................................................... 8 CONSTITUCION DEL MOTOR .......................................................................... 9 EVOLUCION DE LOS MCI DE ENCENDIDO POR COMPRESION ................ ............. ... 11 DESCRIPCIÓN DE MOTORES DIESEL ..........................................................16 .......................................................... 16 LA COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES DIESEL. .......................... ............. .......................... .................. .....17 17 CÁMARAS DE INYECCIÓN DIRECTA. ...........................................................18 ........................................................... 18 CÁMARAS DE INYECCIÓN INDIRECTA. .......................................................19 ....................................................... 19 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN EN LOS MOTORES DIESEL. ........................ ............. ........... 20 SISTEMA DE INYECCIÓN. ..............................................................................22 ..............................................................................22 BOMBA DE INYECCIÓN DE ELEMENTOS EN LÍNEA. .................................. 23 BOMBA DE INYECCIÓN ROTATIVA. ..............................................................24 .............................................................. 24 GESTIÓN ELECTRÓNICA DEL MOTOR DIESEL ......................... ............ .......................... .................. .....26 26 SISTEMA BOMBA-INYECTOR CON MANDO ELECTRÓNICO. ..................... ............ ......... 28 ULTIMOS AVANCES .......................................................................................35 .......................................................................................35 CONCLUSIONES ............................................................................................. 39 2
BIBLIOGRAFÍA: ............................................................................................... 40 WEBGRAFIA .................................................................................................... 40
3
DEDICATORIA Primeramente dedico este proyecto a Dios por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud, ser el manantial de vida y darme lo necesario para poder seguir adelante día a día para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor. A mi madre por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor. A mi padre por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo caracterizan y que me ha infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante y por su amor. Al Ing. Aparcana por su gran apoyo y motivación en el transcurso de nuestra carrera universitaria, por su apoyo ofrecido en este trabajo, por haberme transmitido los conocimientos obtenidos y haberme llevado paso a paso en el aprendizaje.
4
AGRADECIMIENTO Ante todo quiero agradecer a Dios por sobre todas las cosas que me ha brindado la dicha de salud, bienestar físico y espiritual que tengo para así poder así trazar mis objetivos, agradeciéndole de tal manera que haya puesto en mi camino a personas buenas que me apoyaron en el feliz término de esta monografía que significa un paso más en la vida para ser mejores día a día. Agradezco a mis padres porque ellos estuvieron en los días más difíciles de mi vida como estudiante ya que ellos me motivan cada día a salir adelante e impulsándome a intentarlo una vez más, a no desfallecer en el intento aunque todas las circunstancias indiquen que no se puede. Estoy seguro de que mis metas planteadas darán fruto en el futuro y por ende me debo esforzar cada día para ser mejor en todo lugar sin olvidar el respeto que engrandece a la persona.
5
INTRODUCCIÓN En este trabajo he pretendido resumir la evolución de los motores de combustión interna de encendido por compresión (diésel) Antes de introducirme en las explicaciones de los diversos funcionamientos de los sistemas, el cómo están formados y el lugar en el que se instalan, he formado un capítulo en el que narro la historia del motor Diésel, mezclando datos importantes en su historia con otros que adquieren el carácter de anécdotas, pero que en conjunto sirven, y es lo que pretendo que se vea, para comprender la evolución sufrida por este tipo de motor, que va más allá de la técnica. En sus principios, estos motores parecían abocados a los vehículos agrícolas y de tamaño grande o transporte pesado, no a una difusión como la que ha alcanzado en nuestros días, ya que hasta no hace mucho no eran motores que calaran en el público de buena manera, y es ahí donde está el mérito de este motor y el de los que lo han desarrollado, ya que han sabido conjugar los avances que la tecnología les ha permitido con un lavado de cara público, para presentar al motor Diésel como una alternativa tan válida como otra cualquiera para equipar a un vehículo automóvil.
6
OBJETIVOS OBJETIVO ESPECIFICO:
Estudiar la evolución de los motores de encendido por compresión (diésel) a lo largo de los años que fue creado.
7
MOTORES DIESEL HISTORIA El motor diésel es un motor térmico que tiene combustión interna alternativa que se produce por el autoencendido del combustible debido a altas temperaturas derivadas de la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del diésel. Se diferencia del motor de gasolina.
Ilustración 1 Motor a Diésel
El motor diésel fue inventado en el año 1893, por el ingeniero alemán Rudolf Diésel, empleado de la firma MAN, que por aquellos años ya estaba en la producción de motores y vehículos de carga. Rudolf Diésel estudiaba los motores de alto rendimiento térmico, con el uso de combustibles alternativos en los motores de combustión interna. Su invento le costó muy caro, por culpa de un accidente que le provocó lesiones a él y a sus colaboradores y que casi le costó la vida porque uno de sus motores experimentales explotó. Durante años Diésel trabajó para poder utilizar otros combustibles diferentes a la gasolina, basados en principios de los motores de compresión sin ignición por chispa, cuyos orígenes se remontan a la máquina de vapor y que poseen una mayor prestación. Así fue como a finales del siglo XIX, en el año 1897, 8
MAN produjo el primer motor conforme los estudios de Rudolf Diésel, encontrando para su funcionamiento, un combustible poco volátil, que por aquellos años era muy utilizado, el aceite liviano, más conocido como “fuel oil” que se utilizaba para alumbrar las lámparas de la calle.
CONSTITUCION DEL MOTOR El motor diésel de cuatro tiempos está formado básicamente de las mismas piezas que un motor de gasolina, algunas de las cuales son: Aros
Bloque del motor
Culata
Cigüeñal
Volante
Pistón
Árbol de levas
Válvulas
Cárter
Mientras que los siguientes, son elementos que si bien la mayoría (excepto bujías de pre-calentamiento y toberas) son componentes comunes con los motores de gasolina, pueden ser de diseño y prestaciones diferentes:
Bomba inyectora
Ductos
Inyectores
Bomba de transferencia
Toberas
Bujías de Precalentamiento
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO Un motor diésel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o pre cámara, 9
en el caso de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de auto combustión, sin necesidad de chispa como en los motores de gasolina. Ésta es la llamada auto inflamación. La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde unos orificios muy pequeños que presenta el inyector de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión (entre 700 y 900 °C). Como resultado, la mezcla se inflama muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo.
Ilustración 2 Inyector
Esta expansión, a diferencia del motor de gasolina es adiabática generando un movimiento rectilíneo a través de la carrera del pistón. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento rectilíneo alternativo del pistón en un movimiento de rotación. Para que se produzca el auto inflamación es necesario alcanzar la temperatura de inflamación espontánea del gasóleo. En frío es necesario pre-calentar el gasóleo o emplear combustibles más pesados que los empleados en el motor de gasolina, empleándose la fracción de destilación del petróleo fluctuando 10
entre los 220 °C y 350 °C, que recibe la denominación de gasóleo o gasoil en inglés.
EVOLUCION DE LOS MCI DE ENCENDIDO POR COMPRESION (DIESEL) Los motores diésel, relegados durante mucho tiempo a camiones y barcos, están ahora despertando un mayor interés por su eficiencia en el consumo de combustible y por su menor emisión de dióxido de carbono, en comparación con los motores de gasolina. Por ejemplo, el ingeniero mecánico Steve Ciatti, del Laboratorio Nacional estadounidense de Argonne, defiende la conveniencia de usar motores diésel. Los motores diésel de última generación ya no contaminan tanto como los anteriores. A ello ha contribuido el endurecimiento de la legislación sobre emisiones contaminantes adoptada en los últimos años en países como Estados Unidos. La imagen de camiones escupiendo un sucio humo negro, tal como lo describe gráficamente Ciatti, está muy grabada en la memoria de bastante gente. Pero no refleja los avances producidos en los motores diésel durante los últimos años. Ese humo negro corresponde a las partículas expulsadas por el tubo de escape y consta de hollín y pequeñas cantidades de otras sustancias químicas producidas por el motor diésel. Los límites máximos permitidos de emisiones contaminantes, impuestos por la Agencia estadounidense de Protección Medioambiental (EPA) y que ahora son más restrictivos, hacen que los motores diésel tengan que cumplir actualmente con los mismos criterios que los motores de gasolina. Esto se logra con la adición de un filtro de partículas (filtro DPF, por sus siglas en inglés), que elimina el humo visible y la contaminación asociada a éste. Los DPFs son muy eficaces. Eliminan más del 95 por ciento de la masa de humo.
11
El humo, atrapado en una matriz de cerámica, se acumula hasta que el ordenador del coche determina que es hora de hacer la limpieza mediante un proceso llamado "Ciclo de Regeneración". Una pequeña cantidad de combustible adicional se añade a las cámaras de combustión en el motor, estando éste en marcha. El calor resultante y el oxígeno activan un catalizador en el DPF para quemar el hollín acumulado. En Estados Unidos, la normativa de 2007-2010 ha hecho casi desaparecer ese humo antaño tan visible. "Todo coche diésel comprado a partir de 2007 no produce más suciedad que un vehículo con motor de gasolina", subraya Ciatti. Y dentro de la gama de humos invisibles, los motores diésel modernos emiten, en realidad, menos dióxido de carbono que los motores de gasolina.
12
Motores diésel modernos: Los motores diésel han sido los niños mimados de los fabricantes durante las pasadas tres décadas. Tras un largo periodo en el que cualquier sonido a gasóleo implicaba el uso empresarial de un turismo o, directamente, un vehículo comercial de pequeño, mediano o gran tamaño, las tornas cambiaron para convertirse, sobre todo en Europa, en la opción preferida para muchos usuarios. En EEUU había una situación diferente, con una utilización de motores de gasóleo casi anecdótica en la que se llegaban a utilizar grandes bloques de gasolina para los "trucks" de uso familiar pero también para vehículos de mayor tonelaje.
Con la aparición de diferentes tecnologías entre las que destacaron la evolución de la sobrealimentación por turbo, la inyección directa, la llegada del control electrónico de la inyección y, por supuesto, la inyección mediante
13
conducto común, la oferta de motores diésel comenzó a ser una alternativa más que razonable frente a los tradicionales motores de gasolina.
Pero en los últimos tiempos la situación ha vuelto a dar un pequeño giro hacia el combustible más tradicional. Las normas anticontaminantes y algunos tipos de emisiones más nocivas en los diésel han dado vida a la gasolina y han restado protagonismo al gasóleo. Sin embargo, esta situación también ha promovido una evolución de los motores diésel, porque los antiguos "petroleros" quedan ya muy lejos y los actuales motores de gasóleo ofrecen tecnologías increíblemente eficientes. Aquí mostramos algunos de los más recientes avances en un tipo de motor que, todavía, tiene mucho que decir. Como ejemplo vamos a tomar las mecánicas dCi de Renault por ser de las más avanzadas y por tener además grandes raíces españolas, pues la planta de Valladolid de la marca es uno de los grandes proveedores de motores diésel para el grupo en todo el mundo. Además, la eficiencia y fiabilidad de estas mecánicas viene avalada por el uso que marcas tan afamadas como Mercedes hacen de ella en varios de sus modelos. El downsizing, que Renault domina igualmente en los modelos de gasolina es uno de los parámetros clave también en diésel. Sólo por este concepto se estima que algunos propulsores logran una rebaja de emisiones de CO2 de un 5,5% y es que, a menores masas, menores inercias que deben vencerse y mayor eficiencia mecánica, consiguiendo así reducir consumos y emisiones.
14
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MOTOR A DIESEL Comparados con los motores a gasolina, la principal ventaja de los motores diésel es su bajo costo de operación, debido al precio del combustible que necesita para funcionar (DIESEL 2). Existe una creciente demanda del mercado por motores de este tipo, especialmente en el área de turismo, desde la década de 1990, (en muchos países europeos ya supera la mitad), Actualmente en los vehículos pequeños se está utilizando el sistema commonrail. Este sistema brinda una gran ventaja, ya que se consigue un menor consumo de combustible, mejorando las prestaciones del mismo; menor ruido (característico de estos motores) y una menor emisión de gases contaminantes [cita requerida] Las desventajas iníciales de estos motores (principalmente valor de adquisición, costos de mantenimiento, ruido y menos prestaciones) se están reduciendo debido a mejoras tecnológicas que se han hecho con el tiempo, en su diseño original sobre todo en inyección electrónica de combustible y mejoras en sistema de alimentación de aire forzado con accesorios como el turbo compresor. El uso de una pre cámara para los motores de automóviles, se consiguen prestaciones semejantes a las de los motores de gasolina, pero se presenta el inconveniente de incremento del consumo de combustible, con lo que la principal ventaja de estos motores prácticamente desaparece. Durante los últimos años el precio del combustible ha superado a la gasolina común por al aumento de la demanda. Este hecho ha generado quejas de los consumidores de gasóleo, como es el caso de transportistas, agricultores o pescadores.
15
APLICACIONES
Maquinaria agrícola de cuatro tiempos (tractores, cosechadoras)
Propulsión ferroviaria 2T
Propulsión marina de cuatro tiempos hasta una cierta potencia, a partir de ahí dos tiempos
Vehículos de propulsión a oruga
Automóviles y camiones (cuatro tiempos)
Grupos generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia)
Accionamiento industrial (bombas, compresores, etc., especialmente de emergencia)
Propulsión aérea
DESCRIPCIÓN DE MOTORES DIESEL El motor Diésel, llamado también motor de ignición por compresión recibe su nombre por el doctor Rudolfo Diésel quien patento un motor del tipo de ignición por compresión en Alemania en 1893. Es un motor de combustión interna, es decir, la combustión tiene lugar dentro del motor. En sus aspectos básicos es similar en diseño y construcción a un motor de gasolina, que también es de combustión interna. Sin embargo, en el motor Diésel hay diferencias en el método de hacer llegar el combustible a los cilindros del motor y en la forma en que ocurre la combustión. En el motor de gasolina el combustible entra a los cilindros como una mezcla de aire y combustible y la inflamación o ignición de la mezcla se produce por una chispa eléctrica en las bujías. En el caso del Diésel, el combustible se inyecta en el cilindro en forma de chorro de roció atomizado (se llamara atomización) y la ignición ocurre debido a la elevada temperatura del aire que hay dentro del cilindro en el cual se inyecta el combustible. El nombre de ignición por compresión se relaciona con el modo de funcionamiento del motor. Los motores Diésel se diseñan con relaciones de compresión muy altas, que producen presiones elevadas y por tanto, 16
temperaturas muy altas en el aire que se comprime en las cámaras de combustión del motor. Estas temperaturas son lo bastante altas para hacer que se inflame el combustible que en forma de chorro de roció es atomizado en la cámara de combustión. Por ello, se verá que la compresión ocasiona la ignición y por tanto a estos motores se les conoce como de ignición por compresión.
LA COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES DIESEL. El motor Diésel funciona por el principio del autoencendido o auto ignición, en el que la mezcla aire-combustible arde por la gran temperatura alcanzada en la cámara de compresión, por lo que no es necesaria la chispa como en los motores de explosión. A continuación se explica el proceso. En cuanto el combustible frio contacta con el aire que se encuentra a gran temperatura, comienza a elevarse su temperatura, formándose vapor alrededor de cada una de las gotas. El aire circundante se enfría y toma calor de la masa de aire comprimido, transmitiéndolo nuevamente a la gota de combustible que vuelve a calentarse hasta alcanzar su temperatura de inflamación. Cuando esto ocurre, comienza la combustión y el calor producido se pasa a toda la masa de aire y combustible restante, produciéndose su inflamación. El tiempo que transcurre entre la entrada de las primeras gotas y el inicio de la combustión se llama retardo a la inflamación, el cual representa el tiempo de giro del cigüeñal que transcurre entre el comienzo de la inyección y la inflamación del combustible. Durante este periodo se está inyectando combustible de forma continua.Este fenómeno produce un picado particular, parecido a la detonación en los motores de gasolina, que aumenta a medida que lo hace el retardo a la inflamación. Para reducir este fenómeno es necesario que la combustión se inicie con el menor intervalo de tiempo respecto a la inyección, por lo que se usa un combustible con un alto grado de citano así como una buena pulverización del mismo, con relaciones de compresión elevadas y cámaras de alta turbulencia. 17
Existen dos tipos de cámaras: de inyección directa e inyección indirecta.
CÁMARAS DE INYECCIÓN DIRECTA.
Ilustración 3 Cámara de Inyección Directa
La inyección se realiza directamente en el cilindro, con alojamientos especiales en la cabeza del pistón que varían en su forma, para actuar como cámara de turbulencia y ayudar a la vaporización del combustible. La más usual es la de forma toroidal, que es una cavidad circular normalmente simétrica en el centro de la cabeza del pistón, con un pequeño cono en centro y apuntando hacia arriba. Cualquiera que sea el tipo de cavidad, debe estar adaptada al inyector presente, que se monta en posición vertical o ligeramente inclinada sobre la culata, formando un ángulo preciso. Dicho inyector contará con varios orificios de vertido del combustible, estando adaptado también al diseño de la cámara de combustión.
18
Dado que el grado de turbulencia es bajo, las relaciones de compresión son muy elevadas, del orden de 15:1 a 20:1, con lo que se consiguen grandes presiones y temperaturas y que hacen necesaria también una gran presión de la inyección. Es un motor con poca pérdida de calor a través de las paredes, con lo que los arranques en frio se ven mejorados.
CÁMARAS DE INYECCIÓN INDIRECTA.
Ilustración 4 Cámara de Inyección Indirecta
En esta disposición la combustión se desarrolla en dos cámaras, una de ellas la de turbulencia que normalmente es esférica, y que desemboca en la principal, que está constituida por el espacio comprendido entre el pistón y la culata. La cámara de turbulencia representa los dos tercios del volumen total de la cámara de combustión. 19
En estas cámaras la presión de inyección es menos elevada, ya que la turbulencia creada en el pre cámara ayuda a la pulverización del combustible. Esto se traduce en un funcionamiento del motor más suave y con menos sufrimiento para los distintos órganos que lo forman, ya que el paso de la combustión de una cámara a otra hace que la fuerza sobre el pistón se aplique de una forma más progresiva. Dadas las elevadas compresiones que se alcanzan en estos motores y el gran calor que desarrollan, los componentes que los forman están más reforzados y son más pesados que sus equivalentes de un motor de gasolina, por lo que estos motores son menos revolucionados, pero con una mayor disponibilidad de par motor a pocas revoluciones.
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN EN LOS MOTORES DIESEL.
Ilustración 5 Sistema de Alimentación
20
Es el encargado de suministrar el combustible necesario para el funcionamiento
del
motor,
pudiéndose
diferenciar
dos
apartados
fundamentales: a). Circuito de alta presión, encargado de impulsar el combustible a una presión determinada para ser introducido en las cámaras de combustión. b). Circuito de baja presión, encargado de enviar el combustible desde el depósito en que se encuentra almacenado a la bomba de inyección.
El circuito quedaría formado así:
Depósito de combustible.
Bomba de alimentación.
Filtro.
Bomba de inyección.
Inyectores.
Este sería el funcionamiento de dicho circuito: La bomba de aspiración succiona combustible del depósito a través de una rejilla filtrante, que se encuentra en el extremo del tubo de aspiración. Este combustible llega a través de un primer filtro que elimina las impurezas más gruesas que lleva en suspensión el gasóleo. Después la bomba lo mandaría al filtro del combustible y de ahí pasaría a la bomba de inyección, que lo mandaría a los inyectores. La bomba de alimentación normalmente trabaja con presiones entorno a 1 o 2 Kg/cm2. Y en cantidad suficiente, siendo una válvula de descarga la que regula dichas presiones, teniendo una canalización de retorno para el combustible sobrante que va de vuelta al depósito. Esta bomba suele contar con una pequeña bomba manual de cebado, que usa el mismo circuito y que sirve para purgar y llenar las canalizaciones de combustible.
21
Si la bomba de inyección es de elementos en línea, la bomba de alimentación normalmente irá acoplada a ella, recibiendo el movimiento del árbol de levas de la propia bomba de inyección. En este caso la bomba normalmente sería del tipo de pistón con muelle antagonista y rodillo, alojados en un cilindro. También contaría con válvulas de entrada y salida del combustible. Si la bomba de inyección fuese rotativa ya incorporaría su propia bomba de alimentación. La bomba de inyección suministra el combustible necesario a presión a los distintos cilindros, a los que pasa a través de los inyectores, que lo pulverizan. Desde ellos, el sobrante que no entra en los cilindros se hace retornar por los conductos de rebose. En el circuito de alta presión, los tubos entre la bomba de inyección y los inyectores se fabrican siempre de acero, a causa de las altas presiones que alcanza el combustible durante el funcionamiento del motor. Para asegurar el ajuste correcto de cada cilindro y una capacidad de inyección uniforme para todos ellos, los tubos deben tener la misma longitud entre sí, ya que el cambio de longitud altera el punto de inyección de un cilindro respecto a los demás.
22
SISTEMA DE INYECCIÓN.
Ilustración 6 Sistema de Inyección a Diésel
Para realizar la combustión es necesario inyectar una determinada cantidad de combustible finamente pulverizado en la cámara de combustión, en la cual se encuentra el aire comprimido y caliente. Dicha misión está encomendada a los inyectores, que reciben el combustible de la bomba de inyección. El combustible debe ser inyectado en la cámara de combustión en forma bien definida, pues el correcto funcionamiento de un motor Diésel depende en gran parte de una inyección correcta. Las condiciones esenciales son:
Suministrar a cada cilindro y en cada ciclo la cantidad de combustible justa, adecuándola a las condiciones de marcha del motor.
Iniciar la inyección en el momento preciso, de forma que la combustión se realice de forma correcta y por completo, variando el punto de inyección a medida que el régimen de giro del motor y las condiciones de carga varían
Pulverizar el combustible, de forma que se reparta en minúsculas gotas para facilitar su inflamación. 23
Dar a esas gotas la suficiente capacidad de penetración en la cámara donde se encuentra el aire comprimido.
Difundir de manera uniforme las partículas de combustible en el aire de la cámara de combustión.
Los elementos encargados de cumplir estas necesidades son la bomba de inyección, que se encarga de dar combustible a cada inyector en el momento oportuno y a la presión requerida, en una cantidad determinada para cada condición de funcionamiento del motor, y los inyectores, que pulverizan el combustible en el interior de las cámaras de combustión de forma uniforme sobre el aire comprimido que las llena.
BOMBA DE INYECCIÓN DE ELEMENTOS EN LÍNEA. En esta bomba se dispone un elemento de bombeo para cada cilindro, de carrera total constante y de carrera de trabajo variable. Los elementos de esta bomba se alojan en una carcasa y reciben movimiento del árbol de levas de la propia bomba, a través de un impulsor de rodillo. Dicho árbol de levas gira a la mitad de vueltas que el cigüeñal, para que se produzca una inyección por cilindro cada dos vueltas del cigüeñal. Cada una de las levas acciona un taqué, que gracias a un rodillo se aplica contra la leva, obligado por un muelle. El empujador a su vez acciona el émbolo en el interior del cilindro, que recibe el gasóleo a través de varias canalizaciones.
Ilustración 7 Bombas de Inyección a Diésel
24
BOMBA DE INYECCIÓN ROTATIVA. Este tipo de bomba comienza a surgir en los años 60, ya que son más adecuadas para motores de pequeña cilindrada y elevado régimen de giro, como los de los turismos, quedando las bombas lineales relegadas a los motores de aplicación industrial o agrícola, o a motores de vehículos pesados. Este tipo de bomba presenta las siguientes ventajas respecto a la bomba de elementos en línea convencional:
Ilustración 8 Bomba Inyección Rotativa
Menor peso.
Caudales inyectados rigurosamente iguales para todos los cilindros.
Velocidad de rotación elevada.
Menor precio de costo.
Menor tamaño.
Mayor facilidad de acoplamiento al motor.
Estas bombas suelen incluir la bomba de alimentación en su cuerpo.
25
GESTIÓN ELECTRÓNICA DEL MOTOR DIESEL En los sistemas de inyección Diésel con control electrónico, las condiciones de funcionamiento del motor son registradas por sensores, como se ha mencionado anteriormente, que hacen llegar las correspondientes señales eléctricas a la unidad de control.
Ilustración 9 Gestión Eléctrica
Tanto estos medidores como la propia central electrónica forman el sistema de control.A los captadores mencionados deben añadirse los detectores de 26
posición y sensores incorporados en la propia bomba de inyección y la electroválvula de paro, que también se conectan a la UCE. A partir de todas estas señales, la UCE activa los diversos actuadores de la bomba de inyección, la caja de precalentado, la electroválvula EGR, el relé de corte del climatizador, la electroválvula de control de la presión de soplado del turbocompresor, si dispone de ella,... La lógica del calculador incluye las funciones de control de la inyección, los contaminantes emitidos, las estrategias de marcha del motor, el anti arranque codificado y el auto diagnosis, memorizando algunas posibles averías. La cantidad de gasóleo inyectado depende de la UCE. Como magnitudes principales para establecerla se utilizan las señales recibidas del caudal metro, captador de posición del acelerador y el régimen de giro del motor, pero también otros datos, como la temperatura del motor, la del aire de admisión, ..., son susceptibles de modificar el volumen inyectado.Todos estos factores son comunicados al dispositivo de mando, que transforma estos datos en impulsos eléctricos para el gobierno de los diversos actuadores. Con el fin de optimizar el comportamiento de marcha pueden tenerse en cuenta otros factores a la hora de dosificar el combustible, como el instante de la aceleración, la marcha en retención del motor o el corte de inyección a un determinado régimen máximo.Las oportunas señales son reconocidas por la unidad de control, que en función de ellas modifica la señal de mando para el actuador de caudal y el de avance de la inyección. Si por cualquier causa se detectaran anomalías en el funcionamiento deberían revisarse los siguientes elementos, de forma preliminar:
Circuito de arranque en buen estado: batería, cableado y motor de arranque.
Circuito de precalentamiento y sus cables en buen estado.
Fusibles correctos.
Existencia de combustible.
Calidad del combustible. 27
Aceite motor en buen estado y nivel.
Tuberías de combustible en buen estado, que no tengan roturas que produzcan fugas ni estén obstruidas.
Inexistencia de tomas de aire.
Circuito de alimentación de aire estanco.
Filtro de aire limpio.
Sistema de escape estanco, sin tomas de aire ni fugas.
Motor en buen estado mecánico, con una compresión correcta, juego de válvulas, calado de la distribución, punto de la inyección, tarado de inyectores, junta de culata ...
Además en todos los casos debe comprobarse que a cada uno de los sensores le llegue la tensión de mando adecuada. Después se comprobará que las señales emitidas por la unidad de control electrónico sean las adecuadas. En el caso de las sondas de temperatura, la tensión de salida debe corresponderse con la especificación, y, en cualquier caso, variar en función de la temperatura, lo cual puede ser comprobado a medida que se calienta el motor.
SISTEMA BOMBA-INYECTOR CON MANDO ELECTRÓNICO.
Ilustración 10 Sistema Bomba - Inyector
28
Las mayores exigencias que imponen cada día las normativas sobre emisiones sonoras y gases de escape en los motores Diesel, hacen necesario el desarrollo de nuevas técnicas. Por lo que se refiere a los sistemas de inyección directa, una de estas soluciones la constituye el sistema de inyección de alta presión por medio de un inyector bomba con mando electrónico, en el que la bomba, el inyector y una válvula electromagnética constituyen una unidad compacta ubicada en la culata del motor y accionada mecánicamente por una leva adicional del árbol de levas y eléctricamente por la unidad de control. Este sistema es el que emplea el grupo Volkswagen-Audio en sus motores TDI, que tanto éxito les están reportando. La implantación de este sistema en el motor se basa en la posición del inyector en la culata, de forma que queda posicionado en el centro de la cámara de combustión que forma el pistón. En este tipo de inyección el inyector está accionado por un balancín que recibe movimiento de forma directa del árbol de levas. En el cuerpo del inyector se forma la propia cámara de bombeo, a la cual llega el combustible por unos conductos labrados en la culata, desde los que pasa a la zona de alojamiento del inyector saliendo por el conducto de retorno en dirección al depósito.
Ilustración 11 Sistema
29
La estructura de todos los componentes del sistema de mando es especialmente robusta para poder soportar mejor los esfuerzos a los que estarán sometidos en su funcionamiento, debido en gran parte a las grandes presiones de trabajo. El sistema bomba-inyector presenta frente a los sistemas de inyección convencionales una serie de ventajas, de las cuales destacan:
Un diseño compacto.
Una capacidad de alcanzar mayores presiones de trabajo, que en algunos casos alcanzan los 2.000 bares.
Disponer de una preinyección separada de la inyección principal.
Una sonoridad de combustión más reducida.
Emisiones de gases contaminantes más bajas.
Por el contrario, este sistema también presenta algunos inconvenientes, de los cuales los más importantes son:
Un diseño complejo de la culata.
Mayor exigencia de trabajo para el árbol de levas.
Correa dentada sometida a mayores cargas de trabajo.
El esquema de este sistema sería así: el combustible es aspirado del depósito por una bomba de paletas que es arrastrada por el motor, que lo aspira a través de un filtro, impulsándolo a través de otro filtro hacia la canalización de alimentación de los inyectores- bomba, que está labrada en la culata. El sobrante no inyectado retorna por otra canalización de la culata hacia la bomba de alimentación, o al depósito directamente. La bomba de alimentación de combustible es del tipo de paletas y generalmente dispone un lado para la impulsión de combustible y el otro se utiliza como bomba de vacío para generar la depresión necesaria para la activación del servofreno y otros dispositivos.
30
En el interior de la bomba de impulsión del combustible se ubica una válvula limitadora de presión, tarada normalmente a 7 bares, que es, por tanto, la presión de impulsión del gasóleo para alimentar a los inyectores bomba. Dicha válvula limitadora de presión se encuentra inmediatamente después del filtro.
Ilustración 12 Válvula
En el circuito de retorno del combustible se dispone otra válvula limitadora de presión, tarada esta vez a 1 bar y un conducto de bypass que facilita la purga de aire en caso de vaciado del circuito. También en el circuito de retorno se ubican el sensor de temperatura del combustible y un radiador para enfriarlo, ya que sale caliente de los inyectores, en los cuales llega a alcanzar temperaturas del orden de 150º C, que se deben reducir a menos de 80º C antes de verter el combustible nuevamente en el depósito. El inyector bomba está dividido en tres secciones fundamentales, como son la electroválvula de mando, el cuerpo de bombeo y la tobera.
31
El émbolo de bombeo es accionado en cada ciclo por leva y balancín contra la fuerza de un muelle antagonista que tiende a mantenerlo en su posición de reposo. En la acción de bombeo se impulse al combustible contenido en la cámara. La tobera es de diseño análogo al de los inyectores convencionales y se abre por presión, inyectando el combustible finamente pulverizado en el cilindro. Generalmente dispone de cuatro a cinco orificios de salida. La electroválvula está controlada directamente por la central electrónica, que determina las modalidades de inyección en base a la señal de mando. Actualmente se emplean inyectores-bomba que efectúan la inyección del combustible en dos fases, realizando en primer lugar una preinyección de duración controlada y luego la inyección principal. En estos inyectores el llenado de la cámara de alta presión se produce cuando el émbolo se mueve hacia arriba por la fuerza del muelle, aumentando el volumen de esta cámara. En estas condiciones, la electroválvula no es alimentada en corriente y se encuentra en posición de reposo, permitiendo el paso de combustible desde el conducto de alimentación hasta la cámara de alta presión. Cuando en el giro del motor la leva presenta su saliente al balancín, en émbolo comienza su movimiento descendente y el combustible que se encuentra en la cámara de alta presión es empujado al conducto de alimentación en sentido contrario al de entrada. En un determinado instante, la UCE activa la electroválvula y su aguja apoya en el asiento cortando la salida de combustible hacia el conducto de alimentación. A partir de ese instante aumenta rápidamente la presión en la cámara de impulsión, transmitiéndose a través del conducto lateral hasta la tobera, cuya aguja que da sometida al empuje que tiende a levantarla. Cuando la presión alcanza los 180 bares, se supera la fuerza del muelle de la tobera y comienza la preinyección. 32
La carrera de levantamiento de la aguja del inyector está limitada en esta fase de inyección por la formación de un colchón hidráulico. Al alcanzar el émbolo amortiguador el estrechamiento realizado en el cuerpo de la tobera, se dificulta enormemente la subida de la aguja y el combustible que está llegando a la tobera no puede ser desalojado con rapidez. Como consecuencia de esto, la presión aumenta en la cámara de alta presión y se aplica al émbolo de evasión situado por encima del muelle del inyector. Alcanzado un determinado valor de presión, este émbolo se desplaza hacia abajo contra la fuerza del muelle, desalojando un determinado volumen de la cámara de alta presión, que hace decaer de manera repentina la presión en la misma, con lo cual se produce el cierre de la aguja del inyector, finalizando así la preinyección. Seguidamente se produce la inyección principal, pues el émbolo de bombeo sigue su carrera descendente impulsado por el balancín y la correspondiente leva. Con este desplazamiento se produce nueva mente un aumento de la presión en la cámara de alta presión y, alcanzados los 300 bares, la aguja del inyector vuelve a levantarse contra la fuerza del muelle, ahora pretensado debido al descenso del émbolo de evasión, lo que determina una presión de comienzo de inyección más elevada que la anterior. La presión continúa en aumento durante esta fase de inyección superando los 2.000 bares, debido a que el émbolo de bombeo impulsa una cantidad de combustible mayor de la que puede salir por los orificios de la tobera. El final de la inyección se produce cuando la UCE corta la corriente de alimentación de la electroválvula y ésta se abre, en cuyo instante el combustible encerrado en la cámara de alta presión escapa a través de la electroválvula hacia el conducto de la alimentación.El consiguiente descenso de la presión en la cámara como consecuencia de la fuga determina el cierre de la aguja del inyector y el retorno del émbolo de evasión a su posición de reposo. 33
Cada una de las electroválvulas de los inyectores-bomba está conectada a la UCE, que dosifica el combustible en función de la posición del pedal del acelerador, el régimen del motor y la masa de aire aspirado. La duración de los impulsos para las electroválvulas determina el caudal de inyección, que puede ser corregido en función de la temperatura del motor y otros parámetros, para lo cual, la UCE recibe información de diversos sensores, cuya constitución y funcionamiento son similares a los empleados en los otros tipos de inyección con control electrónico. El avance de la inyección se establece fundamentalmente por el régimen de giro del motor, aunque puede ser corregido en función de la temperatura y condiciones de marcha del motor.La regulación de la velocidad máxima y el régimen de ralentí se comandan desde la unidad de control. En la fase de arranque en frío, cuando uno de los tres sensores de temperatura registra una temperatura inferior a 10º C, se activa el módulo de precalentamiento, que alimenta a los calentadores durante un tiempo, que depende de las condiciones de funcionamiento del motor, como en otros sistemas de inyección. Las señales recibidas en la UCE procedentes del interruptor del pedal del embrague y del freno permiten establecer una ligera reducción del caudal de inyección para evitar tirones del motor en la marcha. Una importante característica de los sistemas de inyección con control electrónico de los inyectores-bomba es que permiten una corrección selectiva del caudal por cilindro con la que se logra un funcionamiento más suave del motor en ralentí. La UCE reconoce el rendimiento de cada uno de los cilindros a través de la señal de régimen del motor. Tras cada combustión en cada uno de los cilindros, la UCE registra la aceleración sufrida por el cigüeñal y, si detecta
diferencias
entre
ellas,
corrige
el
caudal
de
convenientemente para igualar el rendimiento de todos los cilindros.
34
inyección
ULTIMOS AVANCES:
Mazda introducirá un motor gasolina que utilizará encendido por compresión El fabricante japonés Mazda ha anunciado que en 2019 introducirá un motor de nueva generación, denominado SKYACTIV-X, que será el primer propulsor comercial de gasolina del mundo que utilizará encendido por compresión.
Este futuro lanzamiento está enmarcado en la estrategia a largo plazo de Mazda para el desarrollo tecnológico llamada “Zoom-Zoom Sostenible 2030”, presentada este martes. Según ha explicado la marca en un comunicado, este nuevo motor de combustión patentado combina las ventajas de los motores diésel y gasolina y tiene un “excelente” comportamiento medioambiental, así como “muy buenas” prestaciones de potencia y aceleración. Así, el encendido por compresión y un turbocompresor integrado que mejora el consumo de combustible dan como resultado un motor “con una respuesta sin precedentes”.
Diferencias del motor por comprensión con los actuales propulsores de la gama La entrega de par es entre un 10 y un 30 % mayor que en el actual motor de gasolina SKYACTIV-G. Mazda ha destacado que con el encendido por compresión, la mezcla de combustible puede ser “mucho más pobre”, lo cual mejora la eficiencia del motor hasta en un 20-30 % con respecto al actual SKYACTIV-G, y un 35-45 % en relación con el motor de gasolina de Mazda de igual cilindrada de 2008. En cuanto a la eficiencia de combustible, el motor SKYACTIV-X “es igual o mejor” que el SKYACTIV-D(diésel) más reciente, ha puesto de relieve el fabricante.
35
La marca también ha resaltado que ofrece “mucha más libertad” a la hora de seleccionar marchas, con consumos “más ajustados” y prestaciones de conducción superiores.
Zoom-Zoom Sostenible 2030 de Mazda Por otro lado, dentro del plan Zoom-Zoom Sostenible 2030, Mazda quiere “crear un futuro sostenible a través de iniciativas de conservación”. Para ello, pretende ampliar las medidas de reducción del dióxido de carbono “con una perspectiva que considere las emisiones durante todo el ciclo de vida de un vehículo”. También prevé reducir las emisiones de dióxido de carbono durante todo el proceso de las que es directamente responsable la empresa en un promedio del 50 % con respecto a los niveles de 2010 para el año 2030, y del 90 % en 2050. En línea con esta política, ha señalado que se dará continuidad a los esfuerzos para perfeccionar el motor de combustión, “porque seguirá presente en la mayoría de los coches del mundo en los años venideros y, por ello, es el que tiene más potencial para reducir las emisiones de dióxido de carbono”.
Electrificación Los resultados en este terreno, ha añadido, se combinarán con tecnologías de electrificaciónefectivas. Así, a partir de 2019 se iniciará la introducción de vehículos eléctricos y otras tecnologías de propulsión eléctrica en aquellas regiones con porcentajes elevados de generación de energías limpias o que impongan limitaciones de determinados vehículos con el fin de reducir la contaminación de la atmósfera. En lo que atañe a la sociedad, la marca quiere desarrollar tecnologías de seguridad más avanzadas en línea con la filosofía de Seguridad Proactiva de Mazda, y trabajar con el objetivo de eliminar por completo los accidentes de tráfico. Entre otras cuestiones, quiere promover una mayor implantación de las tecnologías de seguridad avanzada i-ACTIVSENSE, que ayuden a los conductores a reconocer y evaluar peligros potenciales. En 2020, Mazda espera iniciar las pruebas de tecnologías de conducción autónoma, actualmente en desarrollo, en línea con el c o-Pilot Concept2 de Mazda, articulado en torno al ser humano, y equipar todos los modelos con el sistema en 2025. Además, con la ayuda de las tecnologías de la conectividad, crear un nuevo modelo de negocio que permita a los propietarios de coches atender las necesidades de los habitantes de zonas despobladas y de personas con dificultades de movilidad.
36
SKYACTIV-X, el primer motor con encendido por compresión Con el desarrollo de su nuevo SKYACTIV-X, Mazda Motor Corporation anunció su nueva visión del futuro que además, forma parte del "Zoom-Zoom Sustentable 2030" que establece el cómo Mazda usar a ́ la emoción del placer de conducir para resolver los problemas que enfrentan las personas, el planeta y la sociedad. La tecnología Skyactiv es una estrategia de fabricación implementada por Mazda. No solamente se basa en la mejora de los motores sino que también afecta a la carrocería y transmisiones. Dicha tecnología se centra en la reducción de peso y mejora de la eficiencia, aumentando el rendimiento, comportamiento y seguridad del vehículo.
MOTORES CON MAYOR RENDIMIENTO DE COMBUSTIBLE Los motores convencionales de combustión interna solo aprovechan cerca del 30% de la energía potencial del combustible. Por esto, Mazda diseñó un mejor motor. Venciendo los límites de la combustión interna, los motores SKYACTIV® - G de 1.5L, 2.0L y 2.5L te ofrecen un mayor rendimiento de combustible con índices de compresión más altos que los de los motores convencionales. Los motores SKYACTIV® pueden comprimir la mezcla de aire y combustible en los cilindros a un nivel impresionante, sacándole mucha más energía a cada gota de combustible. Motores SKYACTIV diésel y de gasolina de elevada eficiencia ofrecen un nivel de prestaciones increíble. Nuestros ingenieros han creado máquinas capaces de extraer mucha más energía de cada gota de combustible, para aportarte el placer de conducción en estado puro y un ahorro de combustible excepcional. El SKYACTIV-G de 2,0 litros de Mazda es un motor de gasolina con inyección directa que ofrece un elevado ahorro de combustible y la relación de compresión más alta en motores de gasolina, 14,0:1.
Motor SKYACTIV-X de última generación
37
Mazda presenta el primer motor comercial de gasolina del mundo que utiliza encendido por compresión, en el que la mezcla combustible-aire enciende espontáneamente al ser comprimida por el pistón. El método de combustión patentado, SparkControlledCompressionIgnition, supera dos problemas que habían impedido la comercialización de los motores de gasolina de encendido por compresión: maximiza la zona en la que la ignición por compresión es posible y logra una transición sin fisuras entre encendido por compresión e ignición por chispa. SKYACTIV-X combina las ventajas de la gasolina y los motores diésel para lograr un desempeño ambiental sobresaliente, potencia y rendimiento de aceleración. Gracias al encendido por compresión y un compresor equipado se mejora la economía de combustible. Juntos ofrecen una respuesta del motor sin precedentes, además de aumentar el par de 10-30 por ciento sobre el actual motor a gasolina. El encendido por compresión hace posible un quemado súper magro que mejora la eficiencia del motor hasta un 20-30 por ciento sobre el actual SKYACTIV-G, y del 3545 por ciento sobre el motor de gasolina Mazda 2008 del mismo desplazamiento. SKYACTIV-X iguala o excede el ultimo motor diésel SKYACTIV-D en eficiencia de combustible.
Motor diésel SKYACTIV-D El nuevo motor diésel con tecnología SKYACTIV se caracteriza por lo contrario de su hermano de gasolina: su baja relación de compresión: 14,0 a 1. Una baja relación de compresión reduce la temperatura y la presión de combustión cuando el pistón está en punto muerto superior. Así, la ignición es más lenta y se mejora la mezcla del aire y el combustible. De esta manera, la combustión es más uniforme, limpia y genera menos consumo y residuos contaminantes. La baja relación de compresión también se traduce en una menor tensión en los componentes y esto permite reducir el peso. Las paredes de la culata (motor) de este motor son más delgadas, mientras que su bloque de cilindro (motor) es de aluminio.
38
Una baja relación de compresión en un motor diésel provoca generalmente problemas a la hora de arrancar en frío. Para solucionar este aspecto, Mazda ha equipado este motor con bujías incandescentes cerámicas, piezoinyectores de orificios múltiples y un sistema de control variable de la válvula de escape.
CONCLUSIONES Le podremos criticar el ser ruidoso (mci diésel), no sonar muy bien, echar humo, contaminar más y muchas cosas, pero la realidad es que el motor diésel, su gran robustez, fiabilidad y durabilidad, su menor consumo y coste de uso, así como la forma de entregar su potencia y par motor (mucha fuerza a bajas revoluciones), ha sido realmente importante para el mundo, sobre todo para el transporte, la agricultura, la minería o las obras públicas. Camiones, autobuses, maquinaria y barcos han recurrido a este tipo de motor durante un siglo. Cierto es que mucho ha llovido desde que en 1893 el ingeniero alemán Rudolf Diésel lo inventara para MAN: los motores diésel han cambiado, y ahora también hay diferentes alternativas, pero siguen siendo motores de gran importancia, y que ahora, además, contaminan menos que nunca, gracias a diferentes estrategias y filtros.
39
BIBLIOGRAFÍA: Para le realización de este trabajo he recurrido a los siguientes libros y publicaciones:
Sistemas auxiliares de motor, de José Manuel Alonso.
Revista Car and Driver, de Marzo del 2.003.
Revista GT Max, de Septiembre / Octubre de 2.002.
Revista GT Max, de Enero / Febrero de 2.004.
WEBGRAFIA https://motorgiga.com/el-automovil-a-fondo/motores-diesel-modernos/gmx-niv199con362326.htm
http://www.mazda.es/mazda-spirit/tecnologia/tecnologia-skyactiv https://wwwhatsnew.com/2017/08/09/un-nuevo-tipo-de-motor-de-gasolina-se-acercaignicion-por-compresion http://www.efemotor.com/noticia/mazda-motor-gasolina-encendido-compresion/ http://www.parentesis.com/autos/noticias/SKYACTIVX_el_primer_motor_con_encendid o_por_compresion
http://mantenimientomotordiesel.blogspot.com/p/e.html http://www.megautos.com/Scania-Argentina-en-el-top-10-de-venta-de-motores3975.html 40
