Motores Diesel Es un motor térmico de combustión interna que funciona siguiendo el ciclo diesel. En la admisión se introduce únicamente aire; dispone de un sistema de inyección, que introduce el combustible pulverizado; y la inflamación de este se obtiene por el contacto con el aire, que debido a la gran presión a alcanzado altas temperaturas.
Combustible Estos motores cons umen gasóleo, tiene una densidad de 0·81-0·85 0·81-0·85 Kg/L y un poder calorífico de 42000 kj/kg. Debe tener una tª de inflamación baja, ya que debe inflamarse rápidamente al tomar contacto con el aire; esta facilidad de inflamación se mide por el índice de cetano, el del gasóleo esta entre 50-55%. Su viscosidad mejora con el aumento de tª y a muy mu y bajas tª presenta pre senta dificultades a su paso por filtros y conductos de inyección.
Formación de la mezcla La inyección se produce al final de la compresión, el sistema de inyección proporciona la presión para que el combustible sea introducido en la cámara de combustión pulverizado. Debido al poco tiempo disponible para formar la mezcla, el aire debe tener una alta tª para facilitar la gasificación; además de ser necesaria una gran turbulencia para que sea mejor la mezcla. mezcla. La mezcla no tiene porque estar en una proporción idónea, sino que se precisa un exceso de aire con el fin de lograr una buena combustión. La formación de la mezcla depende del tipo de cámara de combustión: Inyección directa: la turbulencia es relativamente baja. En estos la mezcla depende del del sistema de inyección, que tenga una buena penetración del combustible en el aire. Inyectores de varios orificios. Inyección indirecta: se consiguen altas turbulencias debido a que parte de la combustión se da en la precamara y propagándose a gran velocidad por unos conductos. Inyectores de un solo orificio. y
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Encendido
El combustible se inyecta al final de la combustión y se enciende porque el aire a alcanzado altas tª como para provocar el inicio de la combustión. El encendido se produce antes de que el piston llegue a PMS. Desde el comienzo de la inyección hasta que empieza a inflamarse, transcurre un tiempo llamado retraso del encendido; este retraso es compensado con un avance a la inyección. En los motores de inyección indirecta es necesario utilizar bujías de calentamiento para el encendido en frio.
Carga del cilindro El llenado del cilindro ha de ser el máximo posible, posib le, ya que el exceso de aire facilita una combustión más completa. La regulación de carga del motor se consigue variando la cantidad de combustible inyectado mediante el acelerador.
Constitución del motor diesel La estructura básica es similar a la de gasolina. Las principales diferencias se encuentran en el sistema de inyección y en la forma de la cámara de combustión. Los demás elementos presentan unas características que se adaptan a las duras condiciones de trabajo; es un motor que desarrolla altas presiones en la compresión y combustión, por lo que las piezas han de ser más robustas y con precisos ajustes. Los pistones se construyen reforzados; el alojamiento del bulón es más resistente, se incorporan unos anillos de acero en la ranura del segmento superior para soportar mejor las altas tª, la dilatación térmica se regulariza mediante la inserción de placas de acero, y los pistones son refrigerados por medio de unos surtidores de aceite. Otros elementos reforzados son el cigüeñal, las bielas, los soportes de bancada y los cojinetes de fricción. También los sistemas de engrase y refrigeración se adecuan a mayores exigencias.
Ciclo teórico del motor diesel 1. Admisión
La válvula de admisión se abre y el piston comienza a descender desde PMS; el aire empieza a entrar en el cilindro. En PMI la válvula de admisión se cierra y el cilindro queda completamente lleno de aire. 2. Compresión Las válvulas están cerradas, el piston sube de PMI hasta PMS. Se comprime el aire, entre una relación de 14/1-22/1. Con esta elevada compresión se obtiene una alta tª capaz de inflamar el combustible. 3. Combustión y expansión En PMS el combustible se inyecta pulverizado, se mezcla con el aire y se inflama. La combustión se prolonga mientras dura la inyección, en este tiempo el piston avanza. El incremento de volumen en el cilindro va emparejado al aumento de tª, esto hace que el valor de presión no varía. Una vez terminada la inyección el piston desciende hasta PMI. 4. Escape La válvula de escape se abre en PM I; la presión residual expulsa los gases quemados, y la presión y tª bajan rápidamente. El resto de gases son barridos por el piston en su ascenso, cuando llega a PMS la válvula de escape se cierra.
Diagrama del ciclo real Admisión (1-2): cuando el piston pasa por PMS la válvula de admisión ya esta
abierta debido al AAA. El piston desciende hasta PMI manteniendo una presión inferior a la atmosférica; y cuando el piston empieza a subir la válvula aun permanece abierta un poco. Superado PMI la válvula se cierra y comienza la compresión. Compresión (2-3): las dos válvulas están cerradas, el piston asciende comprimiendo el aire. La compresión no es adiabática. Inyección y combustión (3-4): la inyección empieza cuando el piston esta subiendo en compresión; debido a que el inicio de la combustión no es inmediato es necesario un AI. En una primera fase se produce una subida muy rápida de presión, pero no se realiza a volumen constante con stante ya que el piston efectúa un pequeño recorrido; en una segunda segunda fase el piston comienza a descender, descender, y en este recorrido la presión no se mantiene constante. Expansión (4-5): el piston desciende en la carrera de trabajo, esta carrera no es adiabática. Esta carrera termina cuando se abre la válvula de escape antes de PMI. Principio de escape (5-6): la válvula de escape se abre antes de llegar a PMI esto es AAE. Durante este tiempo el piston llega a PM I. Expulsión de los gases (6-1): la presión ha descendido en el interior del cilindro y el piston comienza a subir desde PMI. La válvula de escape se cierra después de pasar PMS con el fin de aprovechar la velocidad de salida de los gases y mejorar la evacuación.
El ciclo real tiene un rendimiento menor que el teórico debido a las pérdidas que se producen en el funcionamiento. Perdidas por bombeo debidas al trabajo negativo de la carga y evacuación de los gases. Pérdidas causadas por el e l desplazamiento del piston durante la combustión. Perdidas por la evacuación de calor al sistema de refrigeración. y
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Perdidas por el tiempo empleado en la evacuación de calor en la apertura del escape. Perdidas de presión por el llenado defectuoso.
Compresión El combustible se inflama al contacto con el aire caliente, lo que requiere un alto grado de compresión para elevar la tª. En los diesel solo se comprime aire por lo que admite una alta compresión, esto supone un aumento de tª que mejora las condiciones para realizar la mezcla, ya que el aire transmite mejor el calor y por tanto la inflamación es más rápida y la combustión más completa. El rendimiento térmico se obtiene: t=1-1/Rc-1 Las presiones alcanzadas al final de la compresión oscilan entre 30 y 60 bares. La relación de compresión; en inyección directa entre 16/1 y 19/1, y en inyección indirecta entre 20/1 y 23/1. La utilización de una mayor relación de compresión en los motores de inyección indirecta es que necesitan compensar la caída de presión que se produce cuando el aire pasa a través de los estrechos conductos. Las relaciones de compresión superiores no son aconsejables ya que plantean problemas como estanqueidad entre cilindro y piston, además de que el trabajo que se aporta para conseguir más presión no compensa el aumento de rendimiento.
Combustión El combustible es inyectado en la cámara de combustión, co mbustión, donde la presión y tª son muy altas, pero no se inflama instantáneamente. Las condiciones para una combustión completa son: alta tª, gran turbulencia del aire, buena pulverización del combustible y suficiente O2 para quemar todo el combustible. 1ª Fase. El comienzo de la inyección se produce con un avance respecto a PMS. Las primeras gotas de combustible se calientan, se vaporizan y reaccionan con el O2; esta combustión inicial eleva la Tª lo suficiente s uficiente para gasificar el combustible combustible que continua entrando y aun no se ha inflamado. Durante cierto tiempo se acumula una cantidad de combustible que se encuentra mezclada con el aire. El tiempo que transcurre entre el principio de inyección y el encendido es el retraso al encendido. 2ª Fase. Se quema la parte de combustible acumulada durante el retraso, la velocidad de combustión es muy alta produciendo una brusca subida de presión. Si el retraso es grande, también lo es la acumulación de combustible, y el resultado de su brusca combustión. 3ª Fase. La Tª ahora es muy alta dentro del cilindro, la inyección continua y el combustible se mezcla con el resto del O2 y se quema progresivamente hasta el final de la inyección, a partir de este momento se quema la última cantidad de combustible inyectado.
Intercambio Intercambio de gases La válvula de escape abre antes de llegar a PMI, AAE; para descargar con rapidez la presión residual al final de la expansión. Con el RCE, se aprovecha la inercia de los gases para mejorar la evacuación. La válvula de admisión abre antes de PMS, AAA; para que la velocidad ve locidad de salida de los gases de escape arrastre a los de admisión. Con el RCA, se consigue que los gases sigan entrando en el cilindro por la velocidad que conservan.
Los motores diesel sobrealimentados tienen menores ángulos en el AAA y en el RCE, debido a que que la entrada de aire en el cilindro es forzada. forz ada. En algunos algunos casos estas cotas son negativas.
Sobrealimentación Este método consiste en forzar la entrada de aire en el cilindro, para lo cual se monta un dispositivo en el conducto de admisión que comprime el aire, con lo que se consigue aumentar la masa de aire admitida para un mismo volumen y también puede aumentarse la cantidad de combustible. En estos motores es necesario bajar la relación de compresión con el fin de que no aumente en exceso la presión final de compresión. Turbocompresor Es un dispositivo que fuerza la entrada de aire al cilindro, que aprovecha la velocidad de salida de los gases de escape para hacer girar una turbina, que mediante un eje transmite el movimiento a otra turbina que comprime el aire en el conducto de admisión.
La presión obtenida varía con el régimen del motor. El turbo no empieza a ser efectivo hasta unas 2000 rpm del motor, además la presión esta limitada por una válvula con un muelle tarado a 0·9 bar; cuando se supera esta presión se abre la válvula y hace que los gases de escape no pasen por la turbina, bajando de vueltas al turbo. Tiene un radiador, radiador, el intercooler que enfría el aire para que disminuya su volumen, le baja 50º de Tª. Rpm R pm máx.: 150000. 150000. Presión máxima: 0·9 bares. Refrigeración y engrase mediante aceite. Ventajas
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de los motores sobrealimentados
Diesel lentos: la sobrealimentación mejora el proceso de intercambio de gases y proporciona aire en cantidad suficiente para quemar el gran volumen de combustible inyectado. Diesel rápidos: se busca obtener una buena relación peso potencia. Se obtiene un buen rendimiento con bajo consumo.
Tipos de motores diesel de 4 tiempos Diesel lento de inyección directa: son motores de cilindradas comprendidas entre 3000 y 18000 cm 3, tiene VU de 2 L y giran entre 900 y 2500 rpm. El combustible es inyectado directamente, se utilizan inyectores de varios orificios con presiones de entre 150 y 250 bares. Tienen un funcionamiento duro y ruidoso, debido al retraso en el comienzo de la combustión; durante ese periodo se acumula una cantidad de combustible que se inflama violentamente lo que provoca una brusca subida de presión dando lugar a vibraciones. vibr aciones. Tienen un reducido consumo y son utilizados en camiones, maquinaria industrial« Diesel rápido de inyección directa: son motores con cilindradas de hasta 3500 cm3. Pueden superar las 4500 rpm. Son empleados en turismos gracias a que no producen mucho ruido y tienen un suave funcionamiento. A las masas de aire se les da un movimiento giratorio debido a la forma de los conductos de admisión. Se utilizan inyectores de 4 o 5 orificios que q ue inyecta en dos etapas una preinyección preinyección a 250 bares y la inyección principal a 1000 bares. Esta preinyección inicia la combustión de forma suave y crea las condiciones para la inflamación del resto de combustible. La alta presión de inyección pulveriza el combustible que penetra rápidamente en el aire, consiguiendo una combustión progresiva sin aumentos bruscos de presión. Diesel rápido de inyección indirecta: el inyector se encuentra en la cámara auxiliar donde se produce una gran turbulencia. La inyección inicia la combustión que se traslada a través de conductos haciendo que se aplique sobre la cabeza del piston de forma progresiva. Se utilizan inyectores de un solo orificio que inyecta a presiones de entre 100 y 140 bares.
Se obtiene un un funcionamiento suave y con un bajo nivel sonoro, sonoro, por el contrario el consumo de combustible es mayor que en e n los de inyección directa y se precisa de bujías de calentamiento para el arranque en frio.
Comparación entre motor diesel y motor Otto Diferencias de funcionamiento:
Motor Diesel y
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Motor Otto
Admisión de la máxima cantidad de aire. Alto grado de compresión (14/1²22/1). (14/1²22/1). Elevada Tª al final de la compresión (500ºC-600ºC). Inyección de combustible dosificada, presión de entre 250 y 2000 bares. Auto inflamación del combustible al ser inyectado. Combustión relativamente lenta. Presión máxima de combustión entre 70 y 90 bares.
Ventajas
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Preparación de la mezcla en determinada proporción. En la admisión se regula la cantidad de mezcla admitida. Grado de compresión bajo,RC entre 8/1 y 11/1 y con presiones entre 13 y 15 bares. El encendido de la mezcla se logra mediante chispa eléctrica. La combustión es rápida y se realiza a volumen constante. Presión máxima de combustión de 30 a 40 bares.
e inconvenientes del diesel respecto al Otto
Ventajas Mayor rendimiento térmico. Menor consumo. Menos contaminante. Mayor duración con menor coste de mantenimiento.
Inconvenientes y
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Mayor peso, mas ruidos y mas brusco en el funcionamiento. Mayor coste de producción. Se adapta peor a los rápidos cambios de régimen. El arranque en frio presenta dificultades.
Cámaras de combustión para motores diesel Cámara de inyección directa La inyección se realiza directamente sobre la cabeza del piston. Se utiliza un inyector de varios orificios con elevada presión de inyección, con el fin de que se mezcle bien el aire con el combustible. Se busca que el chorro de combustible co mbustible realice un largo recorrido hasta la l a cabeza del piston para que se evapore. La turbulencia del aire se hace mayor durante la compresión debido a la forma toroidal de la cámara. La mayor ventaja que presentan es su bajo consumo. Cámara de turbulencia La cámara de turbulencia ocupa entre el 60 y el 90 % del volumen total de la cámara de combustión. La comunicación entre las dos cámaras se realiza a través de un canal. Durante la compresión, y a su paso por el canal el aire adquiere una elevada turbulencia dentro de la cámara; el combustible se inyecta en el torbellino lo que provoca el inicio de la combustión, el aumento de presión traslada la combustión de forma rápida y progresiva a la cámara principal donde se completa la combustión.