Motores Alternativos de Combustión Diésel PDF

5 u n i d a d Motor alternativo de combustión diésel SUMARIO  Ciclo diésel de cuatro tiempos  Ciclo teórico de funcionamiento  Diagrama de la distribución  Diagramas teórico y real de trabajo OBJETIVOS ·· Conocer el funcionamiento del motor diésel y...

5 u n i d a d Motor alternativo de combustión diésel SUMARIO  Ciclo diésel de cuatro tiempos  Ciclo teórico de funcionamiento  Diagrama de la distribución  Diagramas teórico y real de trabajo OBJETIVOS ·· Conocer el funcionamiento del motor diésel y sus ciclos de trabajo. Ventajas e inconvenientes respecto al motor otto. ·· Analizar el comportamiento interno de los motores diésel durante los ciclos de trabajo. ·· Utilizar los conceptos físicos para entender los diferentes ciclos y diagramas. ·· Interpretar las diferentes gráficas, así como los diagramas del motor. ·· Establecer las diferencias esenciales entre los motores otto y diésel. Unidad 5 - Motor alternativo de combustión diésel 77 1 >> Ciclo diésel de cuatro tiempos Los motores diésel, al igual que los de explosión, son motores alternativos endotérmicos de combustión interna, es decir, transforman la energía en el interior del cilindro. Rudolf Diesel Estos motores se caracterizan por su sistema de alimentación, por la El motor diésel recibe el nombre de su inventor, el alemán Rudolf Diesel, que forma de realizar la combustión y por su alto rendimiento, al conseguir construyó el prototipo en 1897. trabajar a presiones muy elevadas. De esta manera, obtienen un mayor trabajo útil y un mejor aprovechamiento del combustible. Los motores diésel solamente comprimen aire, por lo que la relación de compresión puede ser mayor, siendo introducido el combustible a una presión muy elevada en el tiempo de trabajo, para producir la combustión. Son conocidos como motores de encendido por compresión. El ciclo de cuatro tiempos de un motor diésel incluye las siguientes fases: – Admisión de aire en el cilindro. – Compresión del aire en la cámara de compresión. – Inyección de combustible a presión que, al entrar en contacto con el aire a elevada temperatura, produce la combustión. 5.1. Motor diésel. Fuente: BOSCH. – Expansión de los gases quemados en el interior del cilindro. – Descarga espontánea de los gases quemados en el cilindro por la apertu- ra de la válvula de escape. – Expulsión de los gases quemados por el empuje del pistón. Las fases de un motor de ciclo diésel difieren de las de un motor de ciclo otto exclusivamente en la admisión de aire en lugar de la mezcla de aire-combustible y por la inyección de combustible. Entre las fases de un motor de ciclo diésel, y un motor de ciclo otto solo encontramos una dife- rencia: mientras en el diésel, el aire y el combustible entran por separado Cámara de compresión en el cilindro, en el ciclo otto se produce una admisión conjunta de la en motores diésel mezcla aire-combustible. La cámara de compresión en los motores El ciclo de un motor de cuatro tiempos se cumple en cuatro carreras del diésel es más pequeña que en los moto- pistón, o lo que es lo mismo, dos revoluciones del cigüeñal. El pistón se res otto y normalmente va mecanizada encarga de expulsar los gases quemados del cilindro al finalizar la fase de en el pistón, siendo la culata totalmen- expansión, y los sustituye con una nueva cantidad de aire, necesaria para te plana. llevar a cabo el siguiente ciclo. 1.1 > Ciclo teórico de funcionamiento El ciclo de trabajo en el motor diésel de cuatro tiempos se efectúa en cua- tro carreras del pistón en el orden siguiente: Admisión – Compresión – Trabajo – Escape Admisión El pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI), se abre la válvula de admisión y entra en el cilin- 5.2. Pistón para motor diésel de inyección indirecta. dro el aire perfectamente filtrado. 78 Compresión Relación de compresión Se cierra la válvula de admisión y el pistón se desplaza desde el PMI al en motores diésel PMS. El aire introducido durante la admisión se comprime en la cámara La relación de compresión en los moto- de combustión. res diésel es mayor que en los motores Durante esta fase aumenta notablemente la temperatura del aire hasta otto. El volumen de la cámara de com- alcanzar aproximadamente de 700 a 800 °C. Este aumento de temperatu- presión es inferior, aumentando por ra se produce principalmente por la elevada presión a la que está someti- tanto la presión en el tiempo de com- do el aire. presión. Trabajo Para el estudio de este tiempo, al igual que en el motor otto, lo vamos a dividir en tres etapas. En este caso son: Inyección – Inyección. Cuando el pistón llega al PMS, se abre dentro del inyector el La inyección consiste en introducir en conducto correspondiente y entra el combustible perfectamente pulve- el interior de la cámara de combustión rizado a una presión elevada. El inyector (figura 5.4) es una pieza fun- el combustible debidamente pulveriza- do y en las condiciones para que se damental en el encendido de los motores diésel. Consiste en un meca- pueda efectuar su quemado completo. nismo que recibe el combustible a una presión elevada y lo inyecta en la cámara de compresión perfectamente dosificado y pulverizado. – Combustión. El encendido se produce espontáneamente, al entrar en contacto el combustible con el aire comprimido que tiene una tempe- ratura superior a la del encendido del combustible. El incremento de temperatura, junto con la gran turbulencia, facilita la combustión del resto del combustible que, llegando a través del inyector, se quema al entrar en contacto con el aire. La presión se mantiene casi constante durante parte de la combustión. – Expansión. Los gases a presión generados por la combustión se expan- den y empujan al pistón, desplazándolo desde el PMS al PMI y generan- do el correspondiente trabajo. Las válvulas, al igual que en el motor de explosión, permanecen cerradas 5.3. Inyección de combustible. durante toda la fase de trabajo. Esta es la carrera activa del ciclo; de hecho, la presión de los gases quemados, en expansión, provoca la carre- ra del pistón y aporta la correspondiente energía para que pueda girar el cigüeñal. Escape Cuando el pistón llega al PMI, se abre la válvula de escape, y los gases que- mados, con una presión mayor que la exterior, salen rápidamente del cilindro hasta alcanzar una presión semejante a la atmosférica. El pistón sigue su desplazamiento expulsando el resto de gases quemados del cilindro, a través de la válvula de escape. Al finalizar esta carrera, cuando el pistón alcanza el punto muerto supe- rior, se abre de nuevo la válvula de admisión, se cierra la de escape y vuel- ve a comenzar el ciclo de funcionamiento. Por cada dos vueltas del cigüeñal se produce un ciclo completo. El traba- jo útil se genera durante una de las cuatro carreras del ciclo, precisamen- 5.4. Inyector. Fuente: BOSCH. te durante la carrera que corresponde al tiempo de trabajo. Unidad 5 - Motor alternativo de combustión diésel 79 Admisión Compresión Trabajo Escape 5.5. Ciclo teórico de funcionamiento de un motor diésel de cuatro tiempos. 1.2 > Diagrama de la distribución Admisión Trabajo Compresión Escape En el motor diésel, al igual que en el motor de ciclo otto, se puede repre- Avance a la inyección PMS sentar la duración de los diferentes tiempos en grados mediante un dia- AI grama angular (figura 5.6). Según el ciclo teórico de funcionamiento, las válvulas se abren y cierran cuando el pistón alcanza los puntos muertos superior e inferior, igual que en el motor de gasolina. En realidad, esto no se produce así, ya que las válvulas tardan unos instantes en abrirse y cerrase, y el gasoil requiere un tiempo para mezclarse con el aire y arder. Para paliar este problema, la apertura y cierre de las válvulas se realiza con los correspondientes avan- ces y retrasos en los tiempos de admisión y escape; de la misma manera que la inyección de combustible se produce con un determinado avance, conocido en este caso como avance a la inyección. PMI En este caso, el cruce de válvulas puede ser mayor que en el motor otto, 5.6. Diagrama de la distribución. ya que en el caso del motor diésel en la admisión solamente entra aire en el cilindro y, por tanto, no resulta problemático que una parte del aire introducido sea expulsado por la válvula de escape, consiguiendo un mejor barrido de los gases quemados. El resto de las cotas de la distribu- ción son muy parecidas a los motores de gasolina, siendo diferentes para cada modelo. Para que se produzca el arranque en motores diésel es necesario el uso de bujías de incandescencia, como la que aparece en la figura 5.7, o calenta- dores, para que calienten la cámara de combustión. Mediante un filamen- to por el que circula la corriente eléctrica, se genera la cantidad de calor 5.7. Bujía de incandescencia. suficiente para que comience la combustión. 80 1.3 > Diferencias entre motores otto y diésel Aunque aparentemente son motores muy similares, hay una serie de características que los diferencian, como pueden ser las mencionadas en la siguiente tabla. Tipo de motor Otto Diésel Admisión Entrada de mezcla en el cilindro. Entrada de aire en el cilindro. Relación de compresión limitada por el Relación de compresión alta, al comprimir Compresión índice de octano del combustible. solamente aire. La inflamación se consigue mediante una La inflamación de la mezcla se produce Encendido elevada compresión del aire y una inyección mediante una chispa eléctrica. de combustible a alta presión. Elementos Se utilizan materiales muy ligeros, ya que Los materiales utilizados son más pesados, estructurales se consiguen altas revoluciones. pues están sometidos a grandes presiones. Mezcla de Se produce en el colector de admisión, Producida en la cámara de compresión, al aire-combustible en la proporción adecuada. introducir el combustible a presión elevada. Mejores rendimientos, trabaja a Bajos rendimientos, tanto térmico como Rendimientos temperaturas más altas y empleo frecuente volumétrico. de la sobrealimentación. Consumo Alto consumo específico. Consumo específico inferior. Limitada, pues trabaja normalmente a Al trabajar a regímenes inferiores soportan Duración revoluciones altas. gran número de kilómetros. Ruidos Motor muy silencioso. Motor más ruidoso. Algunos problemas, sobre todo en zonas Arranque Fácil en todas las épocas del año. extremadamente frías. Actividades propuestas 1·· Localiza la información técnica de dos motores, uno diésel y otro otto que tengan el mismo número de cilindros y potencias similares. Posteriormente contesta a las siguientes cuestiones: – ¿Cuál de los dos motores es capaz de alcanzar un mayor número de revoluciones por minuto de giro del cigüeñal? – ¿En cuál de ellos será mayor la presión en el tiempo de compresión? ¿Por qué? – ¿A qué motor le corresponderá menor cilindrada? – ¿Qué diferencias te encontrarás en la cabeza del pistón? – En el tiempo de trabajo, ¿podrías indicar las diferencias y semejanzas entre uno y otro? – ¿En cuál de los dos consideras que hay mayor pérdida de calor? Unidad 5 - Motor alternativo de combustión diésel 81 2 >> Diagramas de trabajo El trabajo realizado por un motor diésel de cuatro tiempos puede represen- tarse como una superficie dentro de un eje de coordenadas, con el volu- men del cilindro en el eje de abscisas y la presión a lo largo del ciclo en el eje de ordenadas. De esta manera se mide el trabajo aprovechado, así como las diferentes pérdidas. 2.1 > Diagrama teórico de trabajo El ciclo teórico de un motor diésel, representado en la figura 5.8, consta de las siguientes fases: – Admisión (F–A). El cilindro se llena de aire, teóricamente ocupando todo el volumen. Esta fase se desarrolla a presión atmosférica, es decir, se trata de una transformación isobara. – Compresión (A–B). Se comprime el aire en el interior del cilindro alcan- zando una presión muy elevada debido a la alta relación de compre- sión. En este tiempo la transformación es adiabática, porque se produ- ce sin pérdida de calor. – Inyección (B–C). En el punto B, el combustible es introducido en el cilin- dro finamente pulverizado y a una alta presión, iniciándose la combus- tión de la mezcla, con aporte de calor a volumen constante, de B a C. Es 5.8. Diagrama teórico de trabajo. una transformación isócora hasta el punto E. – Expansión (C–E). Desde el punto C hasta el D se produce el desplaza- miento del pistón a presión constante, pues aunque el volumen aumen- ta también lo hace la temperatura, pues la inyección no termina en el PMS, y por tanto, la presión se mantiene desde el punto C hasta el D. Después, la presión va descendiendo progresivamente al aumentar el volumen, en teoría, sin pérdida de calor. – Escape espontáneo (E–A). Los gases quemados salen al exterior en el momento que la válvula de escape comienza su apertura, ya que la presión en el interior de la cámara es superior a la atmosférica, teórica- mente, a volumen constante. – Escape (A–F). Con el desplazamiento del pistón hacia el PMS tiene lugar P el barrido del resto de los gases quemados. En teoría, esta carrera se C’ produce en su totalidad a la presión atmosférica. D’ El trabajo efectivo se puede observar en la figura 5.8 mediante la superfi- cie representada dentro de los vértices A–B–C–D–E. B’ 2.2 > Diagrama real de trabajo En el ciclo diésel real, representado en la figura 5.9, la sucesión de las AI fases es la siguiente: E’ – Admisión (F–A). La presión durante este tiempo no es constante y la F A válvula correspondiente se abre y cierra de forma progresiva, con lo cual el llenado del cilindro no es total. PMS PMI V – Compresión del aire (A–B’). Si el llenado del cilindro no es del 100% se 5.9. Diagrama real de trabajo. parte de una presión inferior a la teórica, por lo que la presión final será 82 menor a la teórica. Parte del calor es expulsado por las paredes y cierta energía se consume con el desplazamiento del pistón del PMI al PMS. – Inyección. El inyector comienza a inyectar la mezcla unos grados antes del PMS (AI). La combustión no se realiza de forma instantánea, pues la mezcla necesita un tiempo para quemarse; de esta forma, la combustión no se produce a volumen y presión constantes, durante un trayecto tan amplio. – Expansión del fluido (C’–E’). El trabajo que se produce en este caso es menor, ya que se parte de una presión inferior y esto hace que la fuer- za de empuje sobre el pistón sea inferior a la teórica. Además, hay una cesión de calor a las paredes del cilindro. – Apertura del escape. en E’, anticipado con respecto al PMI. En este caso, la presión no baja de forma instantánea, pues los gases necesitan un tiempo para salir al exterior. – Expulsión de los gases quemados (A–F). Este tiempo no se produce a II presión constante, ya que las válvulas se abren y cierran progresiva- P C D mente. D’ 2.3 > Rendimiento C’ Si se compara el diagrama real con el teórico se puede comprobar que el I rendimiento real es inferior al teórico. El resultado es un trabajo útil B’ AI menor, determinado por la superficie representada en la figura 5.10. B Las diferencias entre el ciclo teórico y el real se deben esencialmente a E’ las siguientes causas: I E p.a. III – Pérdidas de energía en el circuito de refrigeración a través de las pare- A F IV des. Este proceso es necesario para mantener la temperatura dentro de PMS PMI V unos límites (superficies I). – Necesidad de anticipar la inyección con respecto al PMS. La combus- 5.10. Diferencias entre el diagrama real tión no es instantánea por lo que el combustible necesita un pequeño y el teórico. tiempo para mezclarse con el aire y arder (superficie II). – Avance de apertura del escape, ligado a la inercia de las válvulas y de las masas de los gases (superficie III). – Pérdidas de trabajo por bombeo durante la carrera de escape y de admisión (superficie IV). Actividades propuestas 2·· Según el diagrama teórico de trabajo del motor diésel: – ¿Se produce algún tiempo según una transformación adiabática? En caso afirmativo, indica cuál o cuáles. – Parte del ciclo se produce a volumen constante. Indica a qué tiempo le corresponde y qué nombre recibe este tipo de transformación. 3·· ¿La inyección de combustible se produce de igual forma según el ciclo teórico que el ciclo práctico? Si la respuesta es no, indica las diferencias. 4·· ¿Afectan de alguna manera las pérdidas de calor a través del circuito de refrigeración a la superficie que compone el diagrama de trabajo? Indica cómo.