Los motores diésel funcionan comprimiendo solo aire o aire combinado con gases de combustión residuales del escape (conocido como recirculación de gases de escape , "EGR"). El aire se introduce en la cámara durante la carrera de admisión y se comprime durante la carrera de compresión. Esto aumenta la temperatura del aire dentro del cilindro para que el combustible diésel atomizado inyectado en la cámara de combustión se encienda. Como el combustible se inyecta en el aire justo antes de la combustión, la dispersión del combustible es desigual; esto se llama mezcla heterogénea de aire y combustible. El par que produce un motor diésel se controla manipulando la relación aire-combustible (λ) ; en lugar de estrangular el aire de admisión, el motor diésel se basa en alterar la cantidad de combustible que se inyecta y, por lo tanto, la relación aire-combustible suele ser alta.
El motor diésel tiene la mayor eficiencia térmica (ver eficiencia del motor ) de cualquier motor de combustión interna o externa práctico debido a su muy alta relación de expansión y su inherente combustión pobre , que permite la disipación de calor por exceso de aire. También se evita una pequeña pérdida de eficiencia en comparación con los motores de gasolina sin inyección directa, ya que no hay combustible sin quemar durante la superposición de válvulas y, por lo tanto, no pasa combustible directamente de la admisión/inyección al escape. Los motores diésel de baja velocidad (como los que se usan en barcos y otras aplicaciones donde el peso total del motor es relativamente poco importante) pueden alcanzar eficiencias efectivas de hasta el 55%. [1] La turbina de gas de ciclo combinado (ciclo Brayton y Rankine) es un motor de combustión que es más eficiente que un motor diésel, pero debido a su masa y dimensiones, no es adecuado para muchos vehículos, incluidas las embarcaciones y algunas aeronaves . Los motores diésel más grandes del mundo puestos en servicio son motores diésel marinos de dos tiempos y 14 cilindros; producen una potencia máxima de casi 100 MW cada uno. [2]
Los motores diésel pueden diseñarse con ciclos de combustión de dos o cuatro tiempos . Originalmente se utilizaban como un reemplazo más eficiente de los motores de vapor estacionarios . Desde la década de 1910, se han utilizado en submarinos y barcos. Posteriormente se utilizaron en locomotoras , autobuses, camiones, equipos pesados , equipos agrícolas y plantas de generación de electricidad. En la década de 1930, lentamente comenzaron a usarse en algunos automóviles . Desde la crisis energética de la década de 1970 , la demanda de una mayor eficiencia de combustible ha dado lugar a que la mayoría de los principales fabricantes de automóviles, en algún momento, ofrezcan modelos con motor diésel, incluso en automóviles muy pequeños. [3] [4] Según Konrad Reif (2012), la media de la UE para los coches diésel en ese momento representaba la mitad de los coches recién matriculados. [5] Sin embargo, la contaminación del aire y las emisiones generales son más difíciles de controlar en los motores diésel en comparación con los motores de gasolina, y el uso de motores diésel para automóviles en los EE. UU. ahora está relegado en gran medida a vehículos de carretera y todoterreno más grandes . [6] [7]
Aunque la aviación tradicionalmente ha evitado el uso de motores diésel, en el siglo XXI se han vuelto cada vez más comunes. Desde finales de la década de 1990, por diversas razones (incluidas las ventajas inherentes del diésel sobre los motores de gasolina, pero también por problemas recientes propios de la aviación), el desarrollo y la producción de motores diésel para aeronaves se ha disparado, con más de 5000 de estos motores entregados en todo el mundo entre 2002 y 2018, en particular para aviones ligeros y vehículos aéreos no tripulados . [8] [9]
Historia
La idea de Diesel
Patente de Rudolf Diesel de 1893 sobre un motor térmico racionalSegundo prototipo de Diesel. Se trata de una modificación del primer motor experimental. El 17 de febrero de 1894, este motor funcionó por primera vez con su propia potencia. [10]
Rendimiento efectivo 16,6 % Consumo de combustible 519 g·kW −1 ·h −1Primer motor diésel completamente funcional, diseñado por Imanuel Lauster, construido desde cero y terminado en octubre de 1896. [11] [12] [13]
Diesel fue duramente criticado por su ensayo, pero sólo unos pocos encontraron el error que cometió; [16] su motor térmico racional debía utilizar un ciclo de temperatura constante (con compresión isotérmica) que requeriría un nivel de compresión mucho más alto que el necesario para la ignición por compresión. La idea de Diesel era comprimir el aire tan fuertemente que la temperatura del aire superara la de la combustión. Sin embargo, un motor de este tipo nunca podría realizar ningún trabajo utilizable. [17] [18] [19] En su patente estadounidense de 1892 (concedida en 1895) #542846, Diesel describe la compresión requerida para su ciclo:
El aire atmosférico puro se comprime, según la curva 12, hasta tal punto que, antes de que se produzca la ignición o combustión, se obtiene la presión más alta del diagrama y la temperatura más alta, es decir, la temperatura a la que debe tener lugar la combustión posterior, no el punto de quema o ignición. Para que esto sea más claro, supongamos que la combustión posterior se realizará a una temperatura de 700°. Entonces, en ese caso, la presión inicial debe ser de sesenta y cuatro atmósferas, o para 800° centígrados, la presión debe ser de noventa atmósferas, y así sucesivamente. Luego, en el aire así comprimido se introduce gradualmente desde el exterior combustible finamente dividido, que se enciende al introducirlo, ya que el aire está a una temperatura muy superior al punto de ignición del combustible. Las características del ciclo según mi presente invención son, por lo tanto, el aumento de la presión y la temperatura hasta el máximo, no por combustión, sino antes de la combustión por compresión mecánica del aire, y luego la realización posterior del trabajo sin aumento de presión y temperatura por combustión gradual durante una parte prescrita de la carrera determinada por el aceite de corte. [20]
En junio de 1893, Diesel se dio cuenta de que su ciclo original no funcionaría y adoptó el ciclo de presión constante. [21] Diesel describe el ciclo en su solicitud de patente de 1895. Observe que ya no se menciona que las temperaturas de compresión excedan la temperatura de combustión. Ahora simplemente se afirma que la compresión debe ser suficiente para provocar la ignición.
1. En un motor de combustión interna, la combinación de un cilindro y un pistón construidos y dispuestos para comprimir el aire hasta un grado que produzca una temperatura superior al punto de ignición del combustible, un suministro de aire comprimido o gas; un suministro de combustible; una válvula de distribución de combustible, un paso desde el suministro de aire hasta el cilindro en comunicación con la válvula de distribución de combustible, una entrada al cilindro en comunicación con el suministro de aire y con la válvula de combustible, y un aceite de corte, sustancialmente como se describe. [22] [23] [24]
En 1892, Diesel recibió patentes en Alemania , Suiza , el Reino Unido y los Estados Unidos por "Método y aparato para convertir calor en trabajo". [25] En 1894 y 1895, presentó patentes y adendas en varios países para su motor; las primeras patentes se emitieron en España (n.º 16.654), [26] Francia (n.º 243.531) y Bélgica (n.º 113.139) en diciembre de 1894, y en Alemania (n.º 86.633) en 1895 y en los Estados Unidos (n.º 608.845) en 1898. [27]
Diesel fue atacado y criticado durante varios años. Los críticos afirmaron que Diesel nunca inventó un nuevo motor y que la invención del motor diésel era un fraude. Otto Köhler y Emil Capitaine [de] fueron dos de los críticos más destacados de la época de Diesel. [28] Köhler había publicado un ensayo en 1887, en el que describe un motor similar al motor que Diesel describe en su ensayo de 1893. Köhler calculó que un motor así no podría realizar ningún trabajo. [19] [29] Emil Capitaine había construido un motor de petróleo con encendido por tubo incandescente a principios de la década de 1890; [30] afirmó en contra de su propio mejor juicio que su motor de encendido por tubo incandescente funcionaba de la misma manera que el motor de Diesel. Sus afirmaciones eran infundadas y perdió una demanda de patentes contra Diesel. [31] Otros motores, como el motor Akroyd y el motor Brayton , también utilizan un ciclo operativo que es diferente del ciclo del motor diésel. [29] [32] Friedrich Sass dice que el motor diésel es "obra propia" de Diesel y que cualquier "mito Diesel" es " falsificación de la historia ". [33]
El primer motor diésel
Diesel buscó empresas y fábricas que construyeran su motor. Con la ayuda de Moritz Schröter y Max Gutermuth [de] , [34] logró convencer tanto a Krupp en Essen como a Maschinenfabrik Augsburg . [35] Los contratos se firmaron en abril de 1893, [36] y a principios del verano de 1893, se construyó el primer prototipo de motor de Diesel en Augsburgo . El 10 de agosto de 1893, tuvo lugar el primer encendido, el combustible utilizado fue gasolina. En el invierno de 1893/1894, Diesel rediseñó el motor existente y el 18 de enero de 1894, sus mecánicos lo habían convertido en el segundo prototipo. [37] Durante enero de ese año, se agregó un sistema de inyección de aire a la culata del motor y se probó. [38] Friedrich Sass sostiene que se puede presumir que Diesel copió el concepto de inyección de aire comprimido de George B. Brayton , [32] aunque Diesel mejoró sustancialmente el sistema. [39] El 17 de febrero de 1894, el motor rediseñado funcionó a 88 revoluciones, un minuto; [10] con esta noticia, las acciones de Maschinenfabrik Augsburg aumentaron un 30%, lo que indica las tremendas demandas anticipadas de un motor más eficiente. [40] El 26 de junio de 1895, el motor alcanzó una eficiencia efectiva del 16,6% y tuvo un consumo de combustible de 519 g·kW −1 ·h −1 . [41] Sin embargo, a pesar de probar el concepto, el motor causó problemas, [42] y Diesel no pudo lograr ningún progreso sustancial. [43] Por lo tanto, Krupp consideró rescindir el contrato que habían hecho con Diesel. [44] Diesel se vio obligado a mejorar el diseño de su motor y se apresuró a construir un tercer prototipo. Entre el 8 de noviembre y el 20 de diciembre de 1895, el segundo prototipo había cubierto con éxito más de 111 horas en el banco de pruebas. En el informe de enero de 1896, esto se consideró un éxito. [45]
En febrero de 1896, Diesel consideró la posibilidad de sobrealimentar el tercer prototipo. [46] Imanuel Lauster , a quien se le ordenó dibujar el tercer prototipo " Motor 250/400 ", había terminado los dibujos el 30 de abril de 1896. Durante el verano de ese año se construyó el motor, que se completó el 6 de octubre de 1896. [47] Se realizaron pruebas hasta principios de 1897. [48] Las primeras pruebas públicas comenzaron el 1 de febrero de 1897. [49] La prueba de Moritz Schröter el 17 de febrero de 1897 fue la prueba principal del motor de Diesel. El motor tenía una potencia nominal de 13,1 kW con un consumo específico de combustible de 324 g·kW −1 ·h −1 , [50] lo que resultó en una eficiencia efectiva del 26,2%. [51] [52] En 1898, Diesel se había convertido en millonario. [53]
1893: 21 de febrero, Diesel y Maschinenfabrik Augsburg firman un contrato que permite a Diesel construir un motor prototipo. [56]
1893: 23 de febrero, Diesel obtiene una patente (RP 67207) titulada " Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungsmaschinen" (Métodos y técnicas de trabajo para motores de combustión interna).
1893: 10 de abril, Diesel y Krupp firman un contrato que permite a Diesel construir un motor prototipo. [56]
1893: El 24 de abril, tanto Krupp como Maschinenfabrik Augsburg deciden colaborar y construir un solo prototipo en Augsburgo. [56] [36]
1893: Julio, se completa el primer prototipo. [57]
1893: 10 de agosto, el Diesel inyecta combustible (gasolina) por primera vez, lo que produce una combustión que destruye el indicador . [58]
1893: 30 de noviembre, Diesel solicita una patente (RP 82168) para un proceso de combustión modificado. La obtiene el 12 de julio de 1895. [59] [60] [61]
1894: 18 de enero, después de que el primer prototipo fuera modificado para convertirse en el segundo prototipo, comienzan las pruebas con el segundo prototipo. [37]
1894: 17 de febrero, el segundo prototipo funciona por primera vez. [10]
1895: 30 de marzo, Diesel solicita una patente (RP 86633) para un proceso de arranque con aire comprimido. [62]
1895: 26 de junio, el segundo prototipo pasa la prueba de frenos por primera vez. [41]
1895: Diesel solicita una segunda patente Patente de EE. UU. N.° 608845 [63]
1895: Del 8 de noviembre al 20 de diciembre se realizan una serie de pruebas con el segundo prototipo. En total se registran 111 horas de funcionamiento. [45]
1896: 30 de abril, Imanuel Lauster completa los dibujos del tercer y último prototipo. [47]
1896: 6 de octubre, se completa el tercer y último prototipo de motor. [11]
1897: 1 de febrero, el motor prototipo de Diesel está en funcionamiento y finalmente listo para las pruebas de eficiencia y la producción. [49]
1897: 9 de octubre, Adolphus Busch otorga la licencia de los derechos del motor diésel para los EE. UU. y Canadá. [53] [64]
1897: 29 de octubre, Rudolf Diesel obtiene una patente (DRP 95680) sobre la sobrealimentación del motor diésel. [46]
1898: 1 de febrero, se registra la Diesel Motoren-Fabrik Actien-Gesellschaft. [65]
1898: En marzo se instala el primer motor diésel comercial, de 2×30 CV (2×22 kW), en la planta de Kempten de Vereinigte Zündholzfabriken AG [66] [67]
1898: 17 de septiembre, la Allgemeine Gesellschaft für Dieselmotoren A.-G. está fundado. [68]
1899: Se construye el primer motor diésel de dos tiempos, inventado por Hugo Güldner . [52]
Años 1900
Un motor diésel de pistón de tronco MAN DM construido en 1906. La serie MAN DM se considera uno de los primeros motores diésel de éxito comercial. [69]
1901: Imanuel Lauster diseña el primer motor diésel de pistón cilíndrico (DM 70). [69]
1901: En 1901, MAN había producido 77 cilindros de motor diésel para uso comercial. [70]
1903: Se lanzan los dos primeros buques propulsados por diésel, tanto para operaciones en ríos como en canales: el petrolero de nafta Vandal y el Sarmat . [71]
1904: Los franceses lanzan el primer submarino diésel , el Aigrette . [72]
1905: 14 de enero: Diesel solicita una patente sobre inyección unitaria (L20510I/46a). [73]
1910: MAN comienza a fabricar motores diésel de dos tiempos. [80]
1910: 26 de noviembre, James McKechnie solicita una patente sobre inyección unitaria . [81] A diferencia de Diesel, construyó con éxito inyectores unitarios funcionales. [73] [82]
1911: 27 de noviembre, la Allgemeine Gesellschaft für Dieselmotoren A.-G. está disuelto. [65]
1911: El astillero Germania de Kiel construye motores diésel de 850 CV (625 kW) para submarinos alemanes. Estos motores se instalan en 1914. [83]
1912: MAN construye el primer motor diésel de dos tiempos con pistón de doble efecto. [84]
1923: En la exposición DLG de Königsberg se presenta el primer tractor agrícola con motor diésel, el prototipo Benz-Sendling S6. [94] [ se necesita una mejor fuente ]
1923: El 15 de diciembre, MAN prueba el primer camión con motor diésel de inyección directa. Ese mismo año, Benz construye un camión con motor diésel de inyección directa en cámara de precombustión. [95]
1923: Aparece el primer motor diésel de dos tiempos con barrido de contraflujo. [96]
1924: Fairbanks-Morse presenta el Y-VA de dos tiempos (más tarde rebautizado como Modelo 32). [97]
1925: Sendling comienza a producir en masa un tractor agrícola propulsado por diésel. [98]
1927: Bosch presenta la primera bomba de inyección en línea para motores diésel de vehículos de motor. [99]
1929: Aparece el primer automóvil de pasajeros con motor diésel. Se trata de un motor Otto modificado para utilizar el principio diésel y la bomba de inyección de Bosch. A continuación aparecen varios prototipos de automóviles diésel más. [100]
Década de 1930
1933: Junkers Motorenwerke en Alemania inicia la producción del motor diésel de aviación de producción en serie de mayor éxito de todos los tiempos, el Jumo 205. Al estallar la Segunda Guerra Mundial , se habían producido más de 900 ejemplares. Su potencia nominal de despegue es de 645 kW. [101]
1933: General Motors utiliza su nuevo motor diésel Winton 201A de dos tiempos con inyección unitaria y propulsado por turbinas para impulsar su exposición de ensamblaje de automóviles en la Feria Mundial de Chicago ( Un siglo de progreso ). [102] El motor se ofrece en varias versiones que van desde los 600 a los 900 hp (447 a 671 kW). [103]
1934: La Compañía Budd construye el primer tren de pasajeros diésel-eléctrico en los EE. UU., el Pioneer Zephyr 9900 , utilizando un motor Winton. [102]
1935: El Citroën Rosalie está equipado con un motor diésel de inyección con cámara de remolino para fines de prueba. [104] Daimler-Benz comienza a fabricar el Mercedes-Benz OM 138 , el primer motor diésel producido en serie para turismos y uno de los pocos motores diésel comercializables para turismos de su época. Tiene una potencia nominal de 45 CV (33 kW). [105]
1946: Clessie Cummins obtiene una patente para un aparato de alimentación e inyección de combustible para motores que queman aceite , que incorpora componentes separados para generar presión de inyección y sincronización de inyección. [109]
1946: Klöckner-Humboldt-Deutz (KHD) introduce en el mercado un motor diésel de producción en masa refrigerado por aire. [110]
Década de 1950: KHD se convierte en el líder del mercado mundial de motores diésel refrigerados por aire. [111]
1951: J. Siegfried Meurer obtiene una patente para el M-System , un diseño que incorpora una cámara de combustión de esfera central en el pistón (DBP 865683). [112]
1954: Daimler-Benz presenta el Mercedes-Benz OM 312 A, un motor diésel industrial de producción en serie de 4,6 litros y seis cilindros en línea con turbocompresor y una potencia nominal de 115 CV (85 kW). Resulta poco fiable. [113]
1954: Volvo produce una serie pequeña de 200 unidades de una versión turboalimentada del motor TD 96. Este motor de 9,6 litros tiene una potencia nominal de 136 kW (185 CV). [114]
1955: La turboalimentación se convierte en estándar para los motores diésel marinos de dos tiempos MAN. [96]
1959: El Peugeot 403 se convierte en el primer sedán/berlina de pasajeros producido en serie fuera de Alemania Occidental que se ofrece con una opción de motor diésel. [115]
Década de 1960
Mercedes-Benz OM 352 , uno de los primeros motores diésel de inyección directa de Mercedes-Benz. Se presentó en 1963, pero la producción en serie no comenzó hasta el verano de 1964. [116]
1972: KHD introduce el sistema AD, Allstoff-Direkteinspritzung (inyección directa de cualquier combustible) para sus motores diésel. Los motores diésel AD pueden funcionar con prácticamente cualquier tipo de combustible líquido, pero están equipados con una bujía auxiliar que se activa si la calidad de ignición del combustible es demasiado baja. [119]
1976: Comienza el desarrollo de la inyección common rail en la ETH de Zúrich. [120]
1976: El Volkswagen Golf se convierte en el primer sedán/berlina de pasajeros compacto que se ofrece con una opción de motor diésel. [121] [122]
1978: Daimler-Benz produce el primer motor diésel para turismos con turbocompresor ( motor Mercedes-Benz OM617 ). [123]
1979: Primer prototipo de un motor de dos tiempos de cruceta de baja velocidad con inyección common rail. [124]
Década de 1980
1981/82: El sistema de barrido Uniflow para motores diésel marinos de dos tiempos se convierte en estándar. [125]
1982: Agosto, Toyota introduce en el mercado japonés una unidad de control del motor (ECU) controlada por microprocesador para motores diésel. [126]
1985: Diciembre, se realizan pruebas en carretera de un sistema de inyección common rail para camiones utilizando un motor 6VD 12,5/12 GRF-E modificado en un IFA W50 . [127]
1987: Daimler-Benz introduce la bomba de inyección controlada electrónicamente para motores diésel de camiones. [81]
1988: El Fiat Croma se convierte en el primer automóvil de pasajeros producido en serie en el mundo en tener un motor diésel de inyección directa. [81]
1989: El Audi 100 es el primer automóvil de pasajeros del mundo con un motor diésel turboalimentado, con intercooler, inyección directa y controlado electrónicamente. [81] Tiene un BMEP de 1,35 MPa y un BSFC de 198 g/(kW·h). [128]
Década de 1990
1992: 1 de julio, entra en vigor la norma de emisiones Euro 1. [129]
1993: Primer motor diésel para turismos con cuatro válvulas por cilindro, el Mercedes-Benz OM 604. [123]
1994: Sistema de inyección unitaria de Bosch para motores diésel de camiones. [130]
1996: Primer motor diésel con inyección directa y cuatro válvulas por cilindro, utilizado en el Opel Vectra . [131] [81]
1996: Primera bomba de inyección con distribuidor de pistones radiales de Bosch. [130]
1998: BMW gana las 24 Horas de Nürburgring con un BMW E36 modificado . El coche, llamado 320d, está propulsado por un motor diésel de cuatro cilindros en línea de 2 litros con inyección directa y bomba de inyección con distribuidor helicoidal (Bosch VP 44), que produce 180 kW (240 CV). El consumo de combustible es de 23 l/100 km, solo la mitad del consumo de combustible de un coche similar con motor Otto. [132]
2006: Daimler-Chrysler lanza el primer motor para turismos de producción en serie con tratamiento de reducción catalítica selectiva de los gases de escape, el Mercedes-Benz OM 642. Cumple plenamente la norma de emisiones Tier2Bin8. [123]
2008: Volkswagen inicia la producción en serie del motor diésel para turismos más grande del mundo, el Audi V12 TDI de 6 litros. [123]
2008: Subaru presenta el primer motor diésel opuesto horizontalmente que se instala en un automóvil de pasajeros. Se trata de un motor common rail de 2 litros con una potencia nominal de 110 kW. [137]
Década de 2010
2010: Mitsubishi desarrolló y comenzó la producción en masa de su 4N13 1.8 L DOHC I4, el primer motor diésel para automóviles de pasajeros del mundo que cuenta con un sistema de sincronización variable de válvulas . [138]
2012: BMW introduce la turboalimentación de doble etapa con tres turbocompresores para el motor BMW N57 . [123]
2015: Se lanzan los sistemas common rail que funcionan con presiones de 2.500 bar. [81]
Formación de la mezcla interna. En los motores diésel, la mezcla de aire y combustible se forma únicamente dentro de la cámara de combustión.
Control de par de calidad. La cantidad de par que produce un motor diésel no se controla mediante la regulación del aire de admisión (a diferencia de un motor de gasolina de encendido por chispa tradicional, en el que se reduce el flujo de aire para regular la salida de par), sino que el volumen de aire que entra al motor se maximiza en todo momento y la salida de par se regula únicamente mediante el control de la cantidad de combustible inyectado.
Llama de difusión : durante la combustión, el oxígeno primero debe difundirse en la llama, en lugar de tener el oxígeno y el combustible ya mezclados antes de la combustión, lo que daría como resultado una llama premezclada .
Mezcla heterogénea de aire y combustible: En los motores diésel no existe una distribución uniforme del combustible y el aire dentro del cilindro, ya que el proceso de combustión comienza al final de la fase de inyección, antes de que se pueda formar una mezcla homogénea de aire y combustible.
Es preferible que el combustible tenga un alto rendimiento de ignición ( número de cetano ), en lugar de una alta resistencia al detonante ( índice de octano ), que es lo que se prefiere para los motores de gasolina.
Ciclo termodinámico
Modelo de motor diésel, lado izquierdoModelo de motor diésel, lado derecho
El motor de combustión interna diésel se diferencia del motor de ciclo Otto impulsado con gasolina en que utiliza aire caliente altamente comprimido para encender el combustible en lugar de utilizar una bujía ( encendido por compresión en lugar de encendido por chispa ).
En el motor diésel, inicialmente sólo se introduce aire en la cámara de combustión. A continuación, el aire se comprime con una relación de compresión que suele estar entre 15:1 y 23:1. Esta alta compresión hace que la temperatura del aire aumente. Aproximadamente en la parte superior de la carrera de compresión, se inyecta combustible directamente en el aire comprimido de la cámara de combustión. Esto puede ser en un vacío (normalmente toroidal ) en la parte superior del pistón o en una precámara , según el diseño del motor. El inyector de combustible garantiza que el combustible se descomponga en pequeñas gotas y que se distribuya de forma uniforme. El calor del aire comprimido vaporiza el combustible de la superficie de las gotas. A continuación, el vapor se enciende por el calor del aire comprimido en la cámara de combustión, las gotas siguen vaporizándose desde sus superficies y ardiendo, haciéndose más pequeñas, hasta que se ha quemado todo el combustible de las gotas. La combustión se produce a una presión sustancialmente constante durante la parte inicial de la carrera de potencia. El inicio de la vaporización provoca un retraso antes de la ignición y el característico sonido de golpeteo del diésel a medida que el vapor alcanza la temperatura de ignición y provoca un aumento abrupto de la presión sobre el pistón (no se muestra en el diagrama del indicador PV). Cuando se completa la combustión, los gases de combustión se expanden a medida que el pistón desciende aún más; la alta presión en el cilindro impulsa el pistón hacia abajo, suministrando potencia al cigüeñal.
Además de que el alto nivel de compresión permite que la combustión se lleve a cabo sin un sistema de encendido independiente, una alta relación de compresión aumenta en gran medida la eficiencia del motor. El aumento de la relación de compresión en un motor de encendido por chispa, en el que el combustible y el aire se mezclan antes de entrar en el cilindro, está limitado por la necesidad de evitar el encendido previo , que provocaría daños en el motor. Dado que en un motor diésel solo se comprime el aire y el combustible no se introduce en el cilindro hasta poco antes del punto muerto superior ( PMS ), la detonación prematura no es un problema y las relaciones de compresión son mucho más altas.
Diagrama pV del ciclo diésel ideal (que sigue los números 1 a 4 en el sentido de las agujas del reloj). El eje horizontal es el volumen del cilindro. En el ciclo diésel, la combustión se produce a una presión casi constante. En este diagrama, el trabajo que se genera en cada ciclo corresponde al área dentro del circuito.
El diagrama de presión-volumen (pV) es una representación simplificada e idealizada de los eventos involucrados en un ciclo de motor diésel, organizado para ilustrar la similitud con un ciclo de Carnot . A partir de 1, el pistón está en el punto muerto inferior y ambas válvulas están cerradas al comienzo de la carrera de compresión; el cilindro contiene aire a presión atmosférica. Entre 1 y 2, el aire se comprime adiabáticamente, es decir, sin transferencia de calor hacia o desde el entorno, por el pistón ascendente. (Esto solo es aproximadamente cierto ya que habrá algún intercambio de calor con las paredes del cilindro) ..) Durante esta compresión, el volumen se reduce, la presión y la temperatura aumentan. En o poco antes de 2 (PMS) se inyecta combustible y se quema en el aire caliente comprimido. Se libera energía química y esto constituye una inyección de energía térmica (calor) en el gas comprimido. La combustión y el calentamiento ocurren entre 2 y 3. En este intervalo, la presión permanece constante ya que el pistón desciende y el volumen aumenta; la temperatura aumenta como consecuencia de la energía de la combustión. En 3, la inyección de combustible y la combustión están completas, y el cilindro contiene gas a una temperatura más alta que en 2. Entre 3 y 4, este gas caliente se expande, nuevamente aproximadamente de manera adiabática. Se realiza trabajo en el sistema al que está conectado el motor. Durante esta fase de expansión, el volumen del gas aumenta y su temperatura y presión disminuyen. En 4, la válvula de escape se abre y la presión cae abruptamente a la atmosférica (aproximadamente). Esta es una expansión sin resistencia y no se realiza ningún trabajo útil. Lo ideal sería que la expansión adiabática continuara, extendiendo la línea 3-4 hacia la derecha hasta que la presión caiga hasta la del aire circundante, pero la pérdida de eficiencia causada por esta expansión sin resistencia se justifica por las dificultades prácticas que implica recuperarla (el motor tendría que ser mucho más grande). Después de la apertura de la válvula de escape, sigue la carrera de escape, pero ésta (y la siguiente carrera de inducción) no se muestran en el diagrama. Si se mostraran, se representarían por un bucle de baja presión en la parte inferior del diagrama. En 1 se supone que se han completado las carreras de escape e inducción, y el cilindro se llena nuevamente con aire. El sistema pistón-cilindro absorbe energía entre 1 y 2: este es el trabajo necesario para comprimir el aire en el cilindro, y lo proporciona la energía cinética mecánica almacenada en el volante del motor. El trabajo de salida lo realiza la combinación pistón-cilindro entre 2 y 4. La diferencia entre estos dos incrementos de trabajo es la salida de trabajo indicada por ciclo, y está representada por el área encerrada por el bucle pV. La expansión adiabática se produce en un rango de presión más alto que el de la compresión porque el gas en el cilindro está más caliente durante la expansión que durante la compresión. Por esta razón, el circuito tiene un área finita y la salida neta de trabajo durante un ciclo es positiva. [144]
Eficiencia
La eficiencia de combustible de los motores diésel es mejor que la de la mayoría de los otros tipos de motores de combustión, [145] [146] debido a su alta relación de compresión, alta relación de equivalencia aire-combustible (λ) , [147] y la falta de restricciones de aire de admisión (es decir, válvulas de mariposa). Teóricamente, la eficiencia más alta posible para un motor diésel es del 75%. [148] Sin embargo, en la práctica, la eficiencia es mucho menor, con eficiencias de hasta el 43% para motores de automóviles de pasajeros, [149] hasta el 45% para motores de camiones y autobuses grandes, y hasta el 55% para motores marinos grandes de dos tiempos. [1] [150] La eficiencia promedio durante un ciclo de conducción de un vehículo de motor es menor que la eficiencia máxima del motor diésel (por ejemplo, una eficiencia promedio del 37% para un motor con una eficiencia máxima del 44%). [151] Esto se debe a que la eficiencia de combustible de un motor diésel cae a cargas más bajas, sin embargo, no cae tan rápido como la del motor Otto (encendido por chispa). [152]
Emisiones
Los motores diésel son motores de combustión y, por lo tanto, emiten productos de combustión en sus gases de escape . Debido a la combustión incompleta, [153] los gases de escape de los motores diésel incluyen monóxido de carbono , hidrocarburos , partículas y contaminantes de óxidos de nitrógeno . Alrededor del 90 por ciento de los contaminantes se pueden eliminar de los gases de escape utilizando tecnología de tratamiento de gases de escape. [154] [155] Los motores diésel de los vehículos de carretera no tienen emisiones de dióxido de azufre , porque el combustible diésel de los vehículos de motor ha estado libre de azufre desde 2003. [156] Helmut Tschöke sostiene que las partículas emitidas por los vehículos de motor tienen impactos negativos en la salud humana. [157]
Las partículas contenidas en los gases de escape de los motores diésel se clasifican a veces como carcinógenos o "probablemente carcinógenos" y se sabe que aumentan el riesgo de enfermedades cardíacas y respiratorias. [158]
Sistema eléctrico
En principio, un motor diésel no necesita ningún tipo de sistema eléctrico. Sin embargo, la mayoría de los motores diésel modernos están equipados con una bomba de combustible eléctrica y una unidad de control electrónico del motor.
Sin embargo, en un motor diésel no hay un sistema de encendido eléctrico de alto voltaje, lo que elimina una fuente de emisiones de radiofrecuencia (que pueden interferir con los equipos de navegación y comunicación), por lo que solo se permiten vehículos diésel en algunas partes de la Zona Nacional de Silencio de Radio de Estados Unidos . [159]
Control de par
Para controlar la salida de torque en un momento dado (es decir, cuando el conductor de un automóvil ajusta el pedal del acelerador ), un regulador ajusta la cantidad de combustible inyectado en el motor. Los reguladores mecánicos se han utilizado en el pasado, sin embargo, los reguladores electrónicos son más comunes en los motores modernos. Los reguladores mecánicos generalmente son impulsados por la correa de accesorios del motor o un sistema de transmisión por engranajes [160] [161] y utilizan una combinación de resortes y pesos para controlar el suministro de combustible en relación con la carga y la velocidad. [160] Los motores gobernados electrónicamente utilizan una unidad de control electrónico (ECU) o un módulo de control electrónico (ECM) para controlar el suministro de combustible. El ECM/ECU utiliza varios sensores (como la señal de velocidad del motor, la presión del colector de admisión y la temperatura del combustible) para determinar la cantidad de combustible inyectado en el motor.
Debido a que la cantidad de aire es constante (para unas RPM dadas) mientras que la cantidad de combustible varía, se utilizan relaciones aire-combustible muy altas ("pobres") en situaciones en las que se requiere una salida de par mínima. Esto difiere de un motor de gasolina, donde se utiliza un acelerador para reducir también la cantidad de aire de admisión como parte de la regulación de la salida de par del motor. Controlar el momento del inicio de la inyección de combustible en el cilindro es similar a controlar el momento del encendido en un motor de gasolina. Por lo tanto, es un factor clave para controlar la potencia de salida, el consumo de combustible y las emisiones de escape.
Clasificación
Hay varias formas diferentes de clasificar los motores diésel, como se describe en las siguientes secciones.
Rango de operación de RPM
Günter Mau clasifica los motores diésel en tres grupos según su velocidad de rotación: [162]
Motores de alta velocidad (> 1.000 rpm),
Motores de velocidad media (300–1.000 rpm) y
Motores de baja velocidad (< 300 rpm).
Motores diésel de alta velocidad
Los motores de alta velocidad se utilizan para impulsar camiones , autobuses , tractores , automóviles , yates , compresores , bombas y pequeños generadores eléctricos . [163] A partir de 2018, la mayoría de los motores de alta velocidad tienen inyección directa . Muchos motores modernos, particularmente en aplicaciones en carretera, tienen inyección directa de riel común . [164] En barcos más grandes, los motores diésel de alta velocidad se utilizan a menudo para alimentar generadores eléctricos. [165] La mayor potencia de salida de los motores diésel de alta velocidad es de aproximadamente 5 MW. [166]
Motores diésel de velocidad media
Motor turbodiésel estacionario de 12 cilindros acoplado a un grupo electrógeno para energía auxiliar.
Los motores de velocidad media se utilizan en grandes generadores eléctricos, locomotoras diésel de ferrocarril , propulsión de barcos y aplicaciones de accionamiento mecánico como compresores o bombas grandes. Los motores diésel de velocidad media funcionan con combustible diésel o fueloil pesado mediante inyección directa de la misma manera que los motores de baja velocidad. Por lo general, son motores de cuatro tiempos con pistones troncales; [167] una notable excepción son los motores EMD 567 , 645 y 710 , que son todos de dos tiempos. [168]
La potencia de salida de los motores diésel de velocidad media puede ser tan alta como 21.870 kW, [169] con una eficiencia efectiva de alrededor del 47-48% (1982). [170] La mayoría de los motores de velocidad media más grandes se ponen en marcha con aire comprimido directamente sobre los pistones, utilizando un distribuidor de aire, a diferencia de un motor de arranque neumático que actúa sobre el volante, que tiende a utilizarse para motores más pequeños. [171]
Los motores de velocidad media destinados a aplicaciones marinas se utilizan generalmente para propulsar transbordadores ( ro-ro ), buques de pasajeros o pequeños buques de carga. El uso de motores de velocidad media reduce el coste de los buques más pequeños y aumenta su capacidad de transporte. Además, un solo buque puede utilizar dos motores más pequeños en lugar de un motor grande, lo que aumenta la seguridad del buque. [167]
Los motores diésel de baja velocidad suelen ser de gran tamaño y se utilizan principalmente para propulsar barcos . Hay dos tipos diferentes de motores de baja velocidad que se utilizan habitualmente: motores de dos tiempos con cruceta y motores de cuatro tiempos con un pistón de tronco normal. Los motores de dos tiempos tienen una frecuencia de rotación limitada y su intercambio de carga es más difícil, lo que significa que suelen ser más grandes que los motores de cuatro tiempos y se utilizan para propulsar directamente la hélice de un barco.
Los motores de cuatro tiempos en los barcos se utilizan generalmente para alimentar un generador eléctrico. Un motor eléctrico impulsa la hélice. [162] Ambos tipos suelen ser muy subcuadrados , lo que significa que el diámetro es menor que la carrera. [172] Los motores diésel de baja velocidad (como los que se utilizan en barcos y otras aplicaciones donde el peso total del motor es relativamente poco importante) suelen tener una eficiencia efectiva de hasta el 55%. [1] Al igual que los motores de velocidad media, los motores de baja velocidad se ponen en marcha con aire comprimido y utilizan petróleo pesado como combustible principal. [171]
Ciclo de combustión
Esquema de un motor diésel de dos tiempos con un soplador de raícesSincronización de Detroit Diesel
Los motores de cuatro tiempos utilizan el ciclo de combustión descrito anteriormente. La mayoría de los motores diésel más pequeños, por ejemplo, para uso vehicular, suelen utilizar el ciclo de cuatro tiempos. Esto se debe a varios factores, como la estrecha banda de potencia del diseño de dos tiempos, que no es especialmente adecuada para el uso en automóviles, y la necesidad de sistemas de lubricación integrados y medidas de barrido complicados y costosos. [173] La rentabilidad (y la proporción de peso añadido) de estas tecnologías tiene un impacto menor en los motores más grandes y más caros, mientras que los motores destinados al transporte marítimo o al uso estacionario pueden funcionar a una sola velocidad durante períodos prolongados. [173]
Los motores de dos tiempos utilizan un ciclo de combustión que se completa en dos tiempos en lugar de cuatro tiempos. El llenado del cilindro con aire y su compresión se lleva a cabo en un solo tiempo, y los tiempos de potencia y escape se combinan. La compresión en un motor diésel de dos tiempos es similar a la compresión que tiene lugar en un motor diésel de cuatro tiempos: cuando el pistón pasa por el centro inferior y comienza a ascender, comienza la compresión, que culmina con la inyección de combustible y el encendido. En lugar de un conjunto completo de válvulas, los motores diésel de dos tiempos tienen puertos de admisión simples y puertos de escape (o válvulas de escape). Cuando el pistón se acerca al punto muerto inferior, tanto el puerto de admisión como el de escape están "abiertos", lo que significa que hay presión atmosférica dentro del cilindro. Por lo tanto, se requiere algún tipo de bomba para soplar el aire dentro del cilindro y los gases de combustión hacia el escape. Este proceso se llama barrido . La presión requerida es de aproximadamente 10-30 kPa. [174]
Debido a la falta de carreras de admisión y escape discretas, todos los motores diésel de dos tiempos utilizan un soplador de barrido o algún tipo de compresor para cargar los cilindros con aire y ayudar en el barrido. [174] Los sobrealimentadores de tipo Roots se utilizaron para motores de barcos hasta mediados de la década de 1950, sin embargo, desde 1955 han sido ampliamente reemplazados por turbocompresores. [175] Por lo general, un motor diésel de barco de dos tiempos tiene un turbocompresor de una sola etapa con una turbina que tiene una entrada axial y una salida radial. [176]
Barrido en motores de dos tiempos
En general, existen tres tipos de limpieza posibles:
El barrido de flujo cruzado es incompleto y limita la carrera, pero algunos fabricantes lo utilizan. [177] El barrido de flujo inverso es una forma muy sencilla de barrido, y fue popular entre los fabricantes hasta principios de la década de 1980. El barrido de flujo único es más complicado de hacer, pero permite la mayor eficiencia de combustible; desde principios de la década de 1980, fabricantes como MAN y Sulzer han cambiado a este sistema. [125] Es estándar para los motores diésel marinos de dos tiempos modernos. [2]
Combustible utilizado
Los llamados motores diésel de combustible dual o motores diésel de gas queman dos tipos diferentes de combustible simultáneamente , por ejemplo, un combustible gaseoso y combustible para motores diésel. El combustible para motores diésel se enciende automáticamente debido al encendido por compresión y luego enciende el combustible gaseoso. Estos motores no requieren ningún tipo de encendido por chispa y funcionan de manera similar a los motores diésel normales. [178] [179]
Inyección de combustible
El combustible se inyecta a alta presión en la cámara de combustión , "cámara de remolino" o "precámara", [143] a diferencia de los motores de gasolina donde el combustible se agrega a menudo en el colector de admisión o el carburador . Los motores donde el combustible se inyecta en la cámara de combustión principal se denominan motores de inyección directa (DI), mientras que los que utilizan una cámara de remolino o precámara se denominan motores de inyección indirecta (IDI). [180]
Inyección directa
Diferentes tipos de cuencos de pistón
La mayoría de los motores diésel de inyección directa tienen una copa de combustión en la parte superior del pistón donde se rocía el combustible. Se pueden utilizar muchos métodos diferentes de inyección. Por lo general, un motor con inyección directa mecánica controlada por hélice tiene una bomba de inyección en línea o una bomba de distribución. [160] Para cada cilindro del motor, el émbolo correspondiente en la bomba de combustible mide la cantidad correcta de combustible y determina el momento de cada inyección. Estos motores utilizan inyectores que son válvulas accionadas por resorte muy precisas que se abren y cierran a una presión de combustible específica. Las líneas de combustible de alta presión separadas conectan la bomba de combustible con cada cilindro. El volumen de combustible para cada combustión individual está controlado por una ranura inclinada en el émbolo que gira solo unos pocos grados liberando la presión y está controlado por un regulador mecánico, que consiste en pesos que giran a la velocidad del motor limitados por resortes y una palanca. Los inyectores se mantienen abiertos por la presión del combustible. En los motores de alta velocidad, las bombas de émbolo están juntas en una unidad. [181] La longitud de las líneas de combustible desde la bomba hasta cada inyector es normalmente la misma para cada cilindro con el fin de obtener el mismo retardo de presión. Los motores diésel de inyección directa suelen utilizar inyectores de combustible de tipo orificio. [182]
El control electrónico de la inyección de combustible transformó el motor de inyección directa al permitir un control mucho mayor sobre la combustión. [183]
Carril común
Los sistemas de inyección directa common rail (CR) no tienen las funciones de medición, aumento de presión y suministro de combustible en una sola unidad, como en el caso de una bomba de tipo distribuidor Bosch, por ejemplo. Una bomba de alta presión suministra el CR. Los requisitos de cada inyector de cilindro se suministran desde este depósito común de alta presión de combustible. Un control electrónico diésel (EDC) controla tanto la presión del riel como las inyecciones según las condiciones de funcionamiento del motor. Los inyectores de los sistemas CR más antiguos tienen émbolos accionados por solenoide para levantar la aguja de inyección, mientras que los inyectores CR más nuevos utilizan émbolos accionados por actuadores piezoeléctricos que tienen menos masa móvil y, por lo tanto, permiten incluso más inyecciones en un período de tiempo muy corto. [184] Los primeros sistemas common rail se controlaban por medios mecánicos.
La presión de inyección de los sistemas CR modernos varía entre 140 MPa y 270 MPa. [185]
Inyección indirecta
Cámara de inyección indirecta Ricardo Comet
Un motor con sistema de inyección indirecta diésel (IDI) suministra combustible a una pequeña cámara llamada cámara de remolino, cámara de precombustión, precámara o antecámara, que está conectada al cilindro por un estrecho paso de aire. Generalmente, el objetivo de la precámara es crear una mayor turbulencia para una mejor mezcla de aire y combustible. Este sistema también permite un funcionamiento más suave y silencioso del motor y, como la mezcla de combustible es asistida por la turbulencia, las presiones de los inyectores pueden ser más bajas. La mayoría de los sistemas IDI utilizan un inyector de un solo orificio. La precámara tiene la desventaja de reducir la eficiencia debido a una mayor pérdida de calor hacia el sistema de enfriamiento del motor, lo que restringe la combustión y reduce la eficiencia entre un 5 y un 10 %. Los motores IDI también son más difíciles de arrancar y, por lo general, requieren el uso de bujías incandescentes. Los motores IDI pueden ser más económicos de construir, pero generalmente requieren una relación de compresión más alta que su contraparte DI. El IDI también facilita la producción de motores con un funcionamiento más suave y silencioso con un sistema de inyección mecánico simple, ya que la sincronización exacta de la inyección no es tan crítica. La mayoría de los motores automotrices modernos son DI, que tienen los beneficios de una mayor eficiencia y un arranque más fácil; sin embargo, los motores IDI aún se pueden encontrar en muchas aplicaciones de vehículos todo terreno y diésel pequeños. [186] Los motores diésel de inyección indirecta utilizan inyectores de combustible de tipo pivote. [182]
Inyección por chorro de aire
Motor diésel con inyección de aire, típico de principios del siglo XX, con una potencia nominal de 59 kW.
Los primeros motores diésel inyectaban combustible con la ayuda de aire comprimido, que atomizaba el combustible y lo introducía en el motor a través de una boquilla (un principio similar al de un aerosol). La abertura de la boquilla se cerraba mediante una válvula de pasador accionada por el árbol de levas . Aunque el motor también necesitaba accionar un compresor de aire utilizado para la inyección de aire, la eficiencia era, no obstante, mejor que la de otros motores de combustión de la época. [52] Sin embargo, el sistema era pesado y tardaba en reaccionar a las cambiantes demandas de par, lo que lo hacía inadecuado para vehículos de carretera. [187]
Inyectores unitarios
Un sistema de inyector unitario , también conocido como "Pumpe-Düse" ( bomba-inyector en alemán), combina el inyector y la bomba de combustible en un solo componente, que se coloca encima de cada cilindro. Esto elimina las líneas de combustible de alta presión y logra una inyección más consistente. A plena carga, la presión de inyección puede alcanzar hasta 220 MPa. [188] Los inyectores unitarios son operados por una leva y la cantidad de combustible inyectado se controla mecánicamente (por una cremallera o palanca) o electrónicamente.
Debido a los mayores requisitos de rendimiento, los inyectores unitarios han sido reemplazados en gran medida por sistemas de inyección common rail . [164]
Particularidades del motor diésel
Masa
El motor diésel promedio tiene una relación potencia-masa más pobre que un motor de gasolina equivalente. Las velocidades del motor (RPM) más bajas de los motores diésel típicos dan como resultado una menor potencia de salida. [189] Además, la masa de un motor diésel suele ser mayor, ya que la mayor presión de funcionamiento dentro de la cámara de combustión aumenta las fuerzas internas, lo que requiere piezas más resistentes (y, por lo tanto, más pesadas) para soportar estas fuerzas. [190]
El ruido característico de un motor diésel, especialmente al ralentí, se denomina a veces "traqueteo diésel". Este ruido se debe en gran medida a la repentina ignición del combustible diésel cuando se inyecta en la cámara de combustión, lo que provoca una onda de presión que suena como un golpeteo.
Los diseñadores de motores pueden reducir el ruido del motor diésel mediante: inyección indirecta; inyección piloto o preinyección; [191] sincronización de la inyección; tasa de inyección; relación de compresión; sobrealimentación del turbo; y recirculación de gases de escape (EGR). [192] Los sistemas de inyección diésel common rail permiten múltiples eventos de inyección como una ayuda para la reducción del ruido. Mediante medidas como estas, el ruido del motor diésel se reduce en gran medida en los motores modernos. Los combustibles diésel con un índice de cetano más alto tienen más probabilidades de encenderse y, por lo tanto, reducen el ruido del motor diésel. [193]
El tiempo frío comienza
En climas más cálidos, los motores diésel no requieren ninguna ayuda para el arranque (aparte del motor de arranque ). Sin embargo, muchos motores diésel incluyen algún tipo de precalentamiento de la cámara de combustión, para facilitar el arranque en condiciones de frío. Los motores con una cilindrada inferior a 1 litro por cilindro suelen tener bujías incandescentes , mientras que los motores de servicio pesado más grandes tienen sistemas de arranque por llama . [194] La temperatura mínima de arranque que permite arrancar sin precalentamiento es de 40 °C (104 °F) para motores con cámara de precombustión, 20 °C (68 °F) para motores con cámara de remolino y 0 °C (32 °F) para motores de inyección directa.
En el pasado, se utilizaba una variedad más amplia de métodos de arranque en frío. Algunos motores, como los motores Detroit Diesel , utilizaban [ ¿cuándo? ] un sistema para introducir pequeñas cantidades de éter en el colector de admisión para iniciar la combustión. [195] En lugar de bujías incandescentes, algunos motores diésel están equipados con sistemas de ayuda al arranque que cambian la sincronización de las válvulas. La forma más sencilla de hacerlo es con una palanca de descompresión. Al activar la palanca de descompresión, se bloquean las válvulas de salida en una posición ligeramente hacia abajo, lo que hace que el motor no tenga ninguna compresión y, por lo tanto, permite girar el cigüeñal con una resistencia significativamente menor. Cuando el cigüeñal alcanza una velocidad más alta, al girar la palanca de descompresión a su posición normal, se reactivarán abruptamente las válvulas de salida, lo que provocará la compresión: el momento de inercia de la masa del volante hace que el motor arranque. [196] Otros motores diésel, como el motor de cámara de precombustión XII Jv 170/240 fabricado por Ganz & Co., tienen un sistema de cambio de distribución de válvulas que se opera ajustando el árbol de levas de la válvula de admisión, moviéndolo a una posición ligeramente "retrasada". Esto hará que las válvulas de admisión se abran con un retraso, forzando al aire de admisión a calentarse al ingresar a la cámara de combustión. [197]
Sobrealimentación y turboalimentación
Motor turbodiésel del turismo BMW M21 de los años 80
La inducción forzada , especialmente la turboalimentación, se utiliza comúnmente en los motores diésel porque aumenta en gran medida la eficiencia y el par de salida. [198] Los motores diésel son muy adecuados para configuraciones de inducción forzada debido a su principio de funcionamiento que se caracteriza por amplios límites de ignición [143] y la ausencia de combustible durante la carrera de compresión. Por lo tanto, no se pueden producir detonaciones, preignición o detonación, y una mezcla pobre causada por el exceso de aire de sobrealimentación dentro de la cámara de combustión no afecta negativamente a la combustión. [199]
Los motores diésel pueden quemar una gran variedad de combustibles, incluidos varios fueloil que tienen ventajas sobre combustibles como la gasolina. Estas ventajas incluyen:
Bajos costos de combustible, ya que los combustibles para calefacción son relativamente baratos.
Buenas propiedades de lubricación.
Alta densidad energética
Bajo riesgo de incendio, ya que no forman vapores inflamables.
El biodiesel es un combustible no derivado del petróleo, de fácil síntesis (mediante transesterificación ) que puede funcionar directamente en muchos motores diésel, mientras que los motores de gasolina necesitan adaptación para funcionar con combustibles sintéticos o utilizarlos como aditivo de la gasolina (por ejemplo, etanol añadido al gasohol ).
En los motores diésel, un sistema de inyección mecánica atomiza el combustible directamente en la cámara de combustión (a diferencia de un chorro Venturi en un carburador o un inyector de combustible en un sistema de inyección múltiple que atomiza el combustible en el colector de admisión o los conductos de admisión como en un motor de gasolina). Debido a que solo se introduce aire en el cilindro en un motor diésel, la relación de compresión puede ser mucho mayor, ya que no hay riesgo de preignición siempre que el proceso de inyección esté sincronizado con precisión. [199] Esto significa que las temperaturas del cilindro son mucho más altas en un motor diésel que en un motor de gasolina, lo que permite utilizar combustibles menos volátiles.
El motor diésel M-System del MAN 630 es un motor de gasolina (diseñado para funcionar con gasolina NATO F 46/F 50), pero también funciona con combustible para aviones (NATO F 40/F 44), queroseno (NATO F 58) y combustible para motores diésel (NATO F 54/F 75).
Por lo tanto, los motores diésel pueden funcionar con una gran variedad de combustibles diferentes. En general, el combustible para motores diésel debe tener una viscosidad adecuada , de modo que la bomba de inyección pueda bombear el combustible a las boquillas de inyección sin causar daños a sí misma o corrosión de la línea de combustible. En la inyección, el combustible debe formar un buen rocío de combustible y no debe tener un efecto de coquización sobre las boquillas de inyección. Para garantizar un arranque adecuado del motor y un funcionamiento suave, el combustible debe estar dispuesto a encenderse y, por lo tanto, no causar un alto retraso de ignición (esto significa que el combustible debe tener un alto número de cetano ). El combustible diésel también debe tener un alto poder calorífico inferior . [200]
Las bombas de inyección mecánicas en línea generalmente toleran mejor los combustibles de baja calidad o los biocombustibles que las bombas de tipo distribuidor. Además, los motores de inyección indirecta generalmente funcionan de manera más satisfactoria con combustibles con un alto retardo de encendido (por ejemplo, gasolina) que los motores de inyección directa. [201] Esto se debe en parte a que un motor de inyección indirecta tiene un efecto de "remolino" mucho mayor, que mejora la vaporización y la combustión del combustible, y porque (en el caso de combustibles de tipo aceite vegetal) las deposiciones de lípidos pueden condensarse en las paredes del cilindro de un motor de inyección directa si las temperaturas de combustión son demasiado bajas (como al arrancar el motor en frío). Los motores de inyección directa con una cámara de combustión de esfera central MAN dependen de la condensación del combustible en las paredes de la cámara de combustión. El combustible comienza a vaporizarse solo después de que se establece el encendido y se quema con relativa suavidad. Por lo tanto, dichos motores también toleran combustibles con características de retardo de encendido deficientes y, en general, pueden funcionar con gasolina de 86 RON . [202]
Tipos de combustible
En su obra de 1893, Teoría y construcción de un motor térmico racional , Rudolf Diesel considera el uso de polvo de carbón como combustible para el motor diésel. Sin embargo, Diesel solo consideró el uso de polvo de carbón (así como combustibles líquidos y gas); su motor real fue diseñado para funcionar con petróleo , que pronto fue reemplazado por gasolina regular y queroseno para fines de pruebas adicionales, ya que el petróleo resultó ser demasiado viscoso. [203] Además de queroseno y gasolina, el motor de Diesel también podría funcionar con ligroína . [204]
Antes de que se estandarizara el combustible para motores diésel, se utilizaban combustibles como gasolina , queroseno , gasóleo , aceite vegetal y aceite mineral , así como mezclas de estos combustibles. [205] Los combustibles típicos destinados específicamente a ser utilizados en motores diésel eran destilados de petróleo y destilados de alquitrán de hulla, como los siguientes; estos combustibles tienen valores caloríficos inferiores específicos de:
Gasóleo de calefacción: 10.000 kcal·kg −1 (41,8 MJ·kg −1 ) hasta 10.200 kcal·kg −1 (42,7 MJ·kg −1 )
Creosota de alquitrán de hulla : 9150 kcal·kg −1 (38,3 MJ·kg −1 ) hasta 9250 kcal·kg −1 (38,7 MJ·kg −1 )
Queroseno : hasta 10.400 kcal·kg −1 (43,5 MJ·kg −1 )
Fuente: [206]
Las primeras normas de combustible diésel fueron la DIN 51601, la VTL 9140-001 y la NATO F 54, que aparecieron después de la Segunda Guerra Mundial. [205] La norma europea moderna de combustible diésel EN 590 se estableció en mayo de 1993; la versión moderna de la norma NATO F 54 es prácticamente idéntica a ella. La norma de biodiésel DIN 51628 quedó obsoleta con la versión de 2009 de la EN 590; el biodiésel FAME se ajusta a la norma EN 14214. Los motores diésel de las embarcaciones suelen funcionar con combustible para motores diésel que se ajusta a la norma ISO 8217 ( Bunker C ). Además, algunos motores diésel pueden funcionar con gases (como el GNL ). [207]
Propiedades del combustible diésel moderno
Gelificante
El combustible diésel DIN 51601 era propenso a encerarse o gelificarse en climas fríos; ambos son términos para la solidificación del aceite diésel en un estado parcialmente cristalino. Los cristales se acumulan en el sistema de combustible (especialmente en los filtros de combustible), lo que eventualmente priva al motor de combustible y hace que deje de funcionar. [209] Se utilizaron calentadores eléctricos de bajo rendimiento en los tanques de combustible y alrededor de las líneas de combustible para resolver este problema. Además, la mayoría de los motores tienen un sistema de retorno de derrames , por el cual cualquier exceso de combustible de la bomba de inyección y los inyectores se devuelve al tanque de combustible. Una vez que el motor se ha calentado, el retorno de combustible tibio evita la formación de cera en el tanque. Antes de los motores diésel de inyección directa, algunos fabricantes, como BMW, recomendaban mezclar hasta un 30% de gasolina con el diésel al alimentar los automóviles diésel con gasolina para evitar que el combustible se gelificara cuando las temperaturas caían por debajo de los -15 °C. [210]
Seguridad
Inflamabilidad del combustible
El combustible diésel es menos inflamable que la gasolina, porque su punto de inflamación es de 55 °C, [209] [211] lo que supone un menor riesgo de incendio provocado por el combustible en un vehículo equipado con un motor diésel.
El combustible diésel puede crear una mezcla explosiva de aire y vapor en las condiciones adecuadas. Sin embargo, en comparación con la gasolina, es menos propenso a ello debido a su menor presión de vapor , que es un indicador de la tasa de evaporación. La Hoja de datos de seguridad de materiales [212] para combustible diésel con contenido ultrabajo de azufre indica un peligro de explosión de vapor para el combustible diésel en interiores, exteriores o en alcantarillas.
Las características del diésel tienen diferentes ventajas para diferentes aplicaciones.
Automóviles de pasajeros
Los motores diésel han sido populares en los coches más grandes desde hace mucho tiempo y se han utilizado en coches más pequeños, como los superminis, en Europa desde la década de 1980. Eran populares en los coches más grandes antes, ya que las penalizaciones por peso y coste eran menos notorias. [214] El funcionamiento suave, así como un par elevado a bajas revoluciones, se consideran importantes para los turismos y los vehículos comerciales pequeños. La introducción de la inyección de combustible controlada electrónicamente mejoró significativamente la generación suave del par y, a principios de la década de 1990, los fabricantes de automóviles comenzaron a ofrecer sus vehículos de lujo de alta gama con motores diésel. Los motores diésel de los turismos suelen tener entre tres y doce cilindros y una cilindrada que va de 0,8 a 6,0 litros. Los motores modernos suelen estar turboalimentados y tienen inyección directa. [163]
Los motores diésel no sufren estrangulamiento del aire de admisión, lo que da como resultado un consumo de combustible muy bajo, especialmente con carga parcial baja [215] (por ejemplo: conducir a velocidades de ciudad). Una quinta parte de todos los automóviles de pasajeros en todo el mundo tienen motores diésel, y muchos de ellos se encuentran en Europa, donde aproximadamente el 47% de todos los automóviles de pasajeros funcionan con diésel. [216] Daimler-Benz, en conjunto con Robert Bosch GmbH, produjo automóviles de pasajeros con motor diésel a partir de 1936. [81] La popularidad de los automóviles de pasajeros con motor diésel en mercados como India, Corea del Sur y Japón está aumentando (a partir de 2018). [217]
Vehículos comerciales y camiones
Vida útil de los motores diésel de Mercedes-Benz [218]
En 1893, Rudolf Diesel sugirió que el motor diésel podría propulsar "vagones" (camiones). [219] Los primeros camiones con motores diésel salieron al mercado en 1924. [81]
Los motores diésel modernos para camiones deben ser extremadamente fiables y muy eficientes en el consumo de combustible. La inyección directa common-rail, la turboalimentación y cuatro válvulas por cilindro son estándar. Las cilindradas varían de 4,5 a 15,5 litros, con relaciones potencia-masa de 2,5-3,5 kg·kW −1 para motores de servicio pesado y de 2,0-3,0 kg·kW −1 para motores de servicio medio. Los motores V6 y V8 solían ser comunes, debido a la masa relativamente baja del motor que proporciona la configuración en V. Recientemente, la configuración en V ha sido abandonada a favor de motores rectos. Estos motores suelen ser de 6 cilindros en línea para servicios pesados y medios y de 4 cilindros en línea para servicios medios. Su diseño cuadrado inferior provoca velocidades generales de pistón más bajas, lo que da como resultado una mayor vida útil de hasta 1.200.000 kilómetros (750.000 mi). [220] En comparación con los motores diésel de la década de 1970, la vida útil esperada de los motores diésel de camiones modernos se ha más que duplicado. [218]
Material rodante ferroviario
Los motores diésel para locomotoras están construidos para un funcionamiento continuo entre recargas de combustible y pueden necesitar ser diseñados para usar combustible de mala calidad en algunas circunstancias. [221] Algunas locomotoras utilizan motores diésel de dos tiempos. [222] Los motores diésel han reemplazado a las máquinas de vapor en todos los ferrocarriles no electrificados del mundo. Las primeras locomotoras diésel aparecieron en 1913, [81] y las unidades múltiples diésel poco después. Casi todas las locomotoras diésel modernas se conocen más correctamente como locomotoras diésel-eléctricas porque utilizan una transmisión eléctrica: el motor diésel impulsa un generador eléctrico que alimenta motores de tracción eléctricos. [223] Si bien las locomotoras eléctricas han reemplazado a la locomotora diésel para servicios de pasajeros en muchas áreas, la tracción diésel se usa ampliamente para trenes de carga que transportan carga y en vías donde la electrificación no es económicamente viable.
En la década de 1940, los motores diésel para vehículos de carretera con potencias de 150 a 200 caballos de fuerza métricos (110 a 150 kW; 150 a 200 hp) se consideraban razonables para las DMU. Comúnmente, se usaban plantas de energía de camiones regulares. La altura de estos motores tenía que ser inferior a 1 metro (3 pies 3 pulgadas) para permitir la instalación debajo del piso. Por lo general, el motor estaba acoplado a una caja de cambios mecánica operada neumáticamente, debido al bajo tamaño, masa y costos de producción de este diseño. Algunas DMU usaban convertidores de par hidráulicos en su lugar. La transmisión diésel-eléctrica no era adecuada para motores tan pequeños. [224] En la década de 1930, la Deutsche Reichsbahn estandarizó su primer motor DMU. Era una unidad boxer de 12 cilindros y 30,3 litros (1850 pulgadas cúbicas) que producía 275 caballos de fuerza métricos (202 kW; 271 hp). Varios fabricantes alemanes produjeron motores de acuerdo con este estándar. [225]
Embarcación
Uno de los motores diésel Harland and Wolff – Burmeister & Wain de ocho cilindros y 3200 caballos de fuerza instalados en el barco motor Glenapp . Este fue el motor diésel de mayor potencia instalado en un barco hasta el momento (1920). Observe al hombre de pie en la parte inferior derecha para comparar el tamaño.Arranque manual del motor diésel de un barco en el lago Inle ( Myanmar )
Los requisitos para los motores diésel marinos varían según la aplicación. Para uso militar y embarcaciones de tamaño mediano, los motores diésel de cuatro tiempos de velocidad media son los más adecuados. Estos motores suelen tener hasta 24 cilindros y vienen con potencias en la región de un dígito de megavatios. [221] Las embarcaciones pequeñas pueden utilizar motores diésel de camión. Los barcos grandes utilizan motores diésel de dos tiempos de baja velocidad y extremadamente eficientes. Pueden alcanzar eficiencias de hasta el 55%. A diferencia de la mayoría de los motores diésel normales, los motores de dos tiempos para embarcaciones utilizan combustible de alta viscosidad . [1] Los submarinos suelen ser diésel-eléctricos. [223]
Los primeros motores diésel para barcos fueron fabricados por AB Diesels Motorer Stockholm en 1903. Estos motores eran unidades de tres cilindros de 120 CV (88 kW) y unidades de cuatro cilindros de 180 CV (132 kW) y se utilizaban en barcos rusos. En la Primera Guerra Mundial, el desarrollo de motores diésel especialmente para submarinos avanzó rápidamente. Al final de la guerra, se habían fabricado motores de dos tiempos de pistón de doble efecto con hasta 12.200 CV (9 MW) para uso marino. [226]
Aviación
Temprano
Los motores diésel se habían utilizado en aviones antes de la Segunda Guerra Mundial, por ejemplo, en el dirigible rígido LZ 129 Hindenburg , que estaba propulsado por cuatro motores diésel Daimler-Benz DB 602 , [227] o en varios aviones Junkers, que tenían motores Jumo 205 instalados. [101]
En 1929, en los Estados Unidos, la Packard Motor Company desarrolló el primer motor diésel de aviación de Estados Unidos, el Packard DR-980 , un motor radial de 9 cilindros refrigerado por aire . Lo instalaron en varias aeronaves de la época, algunas de las cuales se utilizaron en vuelos de distancia o resistencia récord, [228] [229] [230] [231] y en la primera demostración exitosa de comunicaciones por radio tierra-aire (la radio de voz había sido previamente ininteligible en aeronaves equipadas con motores de encendido por chispa, debido a interferencias electromagnéticas ). [229] [230] Las ventajas adicionales citadas, en ese momento, incluían un menor riesgo de incendio posterior al accidente y un rendimiento superior a grandes altitudes. [229]
El 6 de marzo de 1930, el motor recibió un Certificado de Tipo Aprobado (el primero para un motor diésel de aviación) del Departamento de Comercio de los EE. UU . [232] Sin embargo, los gases de escape nocivos, los problemas de arranque en frío y vibración, las fallas estructurales del motor, la muerte de su desarrollador y la contracción económica industrial de la Gran Depresión se combinaron para matar el programa. [229]
Moderno
Desde entonces, hasta finales de los años 1970, no hubo muchas aplicaciones del motor diésel en la aviación. En 1978, Karl H. Bergey, uno de los diseñadores del Piper Cherokee, afirmó que "la probabilidad de que en un futuro próximo exista un motor diésel para la aviación general es remota". [233]
Sin embargo, con la crisis energética de los años 70 y el movimiento ambientalista , y las presiones resultantes para una mayor economía de combustible, reducción de carbono y plomo en la atmósfera y otras cuestiones, hubo un resurgimiento del interés en los motores diésel para aeronaves. Los motores de pistón de alta compresión para aeronaves que funcionan con gasolina de aviación (" avgas ") generalmente requieren la adición de plomo tetraetílico tóxico a la avgas, para evitar la preignición y la detonación del motor ; pero los motores diésel no requieren combustible con plomo. Además, el biodiésel puede, teóricamente, proporcionar una reducción neta en el carbono atmosférico en comparación con el avgas. Por estas razones, la comunidad de la aviación general ha comenzado a temer la posible prohibición o discontinuación del avgas con plomo. [8] [234] [235] [236]
Además, el avgas es un combustible especial cuya demanda es muy baja (y en descenso) en comparación con otros combustibles, y sus fabricantes son susceptibles a costosas demandas judiciales por accidentes de aviación, lo que reduce el interés de las refinerías en producirlo. Fuera de los Estados Unidos, el avgas ya se ha vuelto cada vez más difícil de encontrar en los aeropuertos (y en general) que combustibles compatibles con diésel menos costosos, como el Jet-A y otros combustibles para aviones . [8] [234] [235] [236]
A finales de los años 1990 y principios de los años 2000, los motores diésel empezaron a aparecer en los aviones ligeros. En particular, Frank Thielert y su empresa de motores austriaca comenzaron a desarrollar motores diésel para reemplazar los motores de gasolina/pistón de 100 caballos de fuerza (75 kW) a 350 caballos de fuerza (260 kW) que se utilizaban habitualmente en los aviones ligeros. [237] La primera aplicación exitosa de los Theilert en los aviones de producción fue en el bimotor ligero Diamond DA42 Twin Star , que exhibió una eficiencia de combustible excepcional que superó a cualquier otro de su clase, [8] [9] [238] y su predecesor monoplaza, el Diamond DA40 Diamond Star . [8] [9] [237]
En los años siguientes, varias otras empresas han desarrollado motores diésel para aeronaves, o han comenzado a hacerlo [237] —la más notable es Continental Aerospace Technologies que, en 2018, informó que había vendido más de 5000 de esos motores en todo el mundo. [8] [9] [239]
La Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos ha informado de que "en 2007, varios aviones de pistón propulsados por reactores habían registrado más de 600.000 horas de servicio". [237] A principios de 2019, la AOPA informó de que un modelo de motor diésel para aviones de aviación general se está "acercando a la línea de meta". [240] A finales de 2022, Continental informaba de que sus motores propulsados por "Jet-A" habían superado los "2.000... en funcionamiento hoy", con más de "9 millones de horas", y estaban siendo "especificados por los principales fabricantes de equipos originales" para los aviones Cessna , Piper , Diamond , Mooney , Tecnam , Glasair y Robin . [239]
En los últimos años (2016), los motores diésel también han encontrado uso en aeronaves no tripuladas (UAV), debido a su confiabilidad, durabilidad y bajo consumo de combustible. [241] [242] [243]
Motores diésel no destinados a la carretera
Motor diésel refrigerado por aire de un Porsche 218 de 1959
Los motores diésel para uso fuera de carretera se utilizan habitualmente en equipos de construcción y maquinaria agrícola . La eficiencia de combustible, la fiabilidad y la facilidad de mantenimiento son muy importantes para estos motores, mientras que la alta potencia de salida y el funcionamiento silencioso son insignificantes. Por lo tanto, la inyección de combustible controlada mecánicamente y la refrigeración por aire siguen siendo muy comunes. Las potencias de salida habituales de los motores diésel para uso fuera de carretera varían mucho: las unidades más pequeñas comienzan en 3 kW y los motores más potentes son los motores de camiones de servicio pesado. [221]
Motores diésel estacionarios
Tres grupos electrógenos diésel 7SRL de English Electric instalados en la central eléctrica de Saateni, Zanzíbar , 1955
Los motores diésel estacionarios se utilizan habitualmente para la generación de electricidad, pero también para alimentar compresores de refrigeradores u otros tipos de compresores o bombas. Por lo general, estos motores funcionan de forma continua con carga parcial o de forma intermitente con carga completa. Los motores diésel estacionarios que alimentan generadores eléctricos que producen una corriente alterna suelen funcionar con carga alterna, pero con una frecuencia de rotación fija. Esto se debe a la frecuencia fija de la red eléctrica de 50 Hz (Europa) o 60 Hz (Estados Unidos). La frecuencia de rotación del cigüeñal del motor se elige de forma que la frecuencia de la red sea un múltiplo de ella. Por razones prácticas, esto da como resultado frecuencias de rotación del cigüeñal de 25 Hz (1500 por minuto) o 30 Hz (1800 por minuto). [244]
Motores de bajo rechazo de calor
Durante varias décadas se ha desarrollado una clase especial de prototipos de motores de combustión interna de pistón con el objetivo de mejorar la eficiencia mediante la reducción de la pérdida de calor. [245] Estos motores se denominan de diversas formas: motores adiabáticos; debido a una mejor aproximación de la expansión adiabática; motores de bajo rechazo de calor o motores de alta temperatura. [246] Por lo general, son motores de pistón con partes de la cámara de combustión revestidas con revestimientos de barrera térmica de cerámica. [247] Algunos utilizan pistones y otras piezas hechas de titanio, que tiene una baja conductividad térmica [248] y densidad. Algunos diseños pueden eliminar por completo el uso de un sistema de refrigeración y las pérdidas parásitas asociadas. [249] El desarrollo de lubricantes capaces de soportar las temperaturas más altas involucradas ha sido una barrera importante para la comercialización. [250]
Desarrollos futuros
En la literatura de mediados de la década de 2010, los principales objetivos de desarrollo para los motores diésel del futuro se describen como mejoras en las emisiones de escape, reducción del consumo de combustible y aumento de la vida útil (2014). [251] [163] Se dice que el motor diésel, especialmente el motor diésel para vehículos comerciales, seguirá siendo el motor más importante del vehículo hasta mediados de la década de 2030. Los editores suponen que la complejidad del motor diésel aumentará aún más (2014). [252] Algunos editores esperan una convergencia futura de los principios operativos de los motores diésel y Otto debido a los pasos de desarrollo del motor Otto realizados hacia el encendido por compresión de carga homogénea (2017). [253]
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Enlaces externos
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"Diesel Information Hub". Asociación para el Control de Emisiones por Catalyst. Archivado desde el original el 24 de febrero de 2020. Consultado el 25 de julio de 2018 .
El cortometraje The Diesel Story (1952) está disponible para su visualización y descarga gratuita en Internet Archive .
Introducción al motor diésel marino de dos tiempos en YouTube
Documental de la BBC "El motor que impulsa al mundo" en YouTube
Patentes
Método y aparato para convertir calor en trabajo. # 542846 presentado en 1892 Archivado el 26 de abril de 2021 en Wayback Machine .
Motor de combustión interna n.° 608845, presentado en 1895
