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Motor diésel

Película de Shell Oil de 1952 que muestra el desarrollo del motor diésel a partir de 1877

El motor diésel , llamado así por el ingeniero alemán Rudolf Diesel , es un motor de combustión interna en el que la ignición del combustible se produce por la elevada temperatura del aire en el cilindro debido a la compresión mecánica ; por lo tanto, el motor diésel se llama motor de encendido por compresión (motor CI). Esto contrasta con los motores que utilizan el encendido por bujía de la mezcla de aire y combustible, como un motor de gasolina ( motor de gasolina ) o un motor de gas (que utiliza un combustible gaseoso como el gas natural o el gas licuado de petróleo ).

Introducción

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 los años 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 racional
Segundo 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 −1
Primer motor diésel completamente funcional, diseñado por Imanuel Lauster, construido desde cero y terminado en octubre de 1896. [11] [12] [13]

Potencia nominal 13,1 kW
Eficiencia efectiva 26,2 %
Consumo de combustible 324 g·kW −1 ·h −1 .

En 1878, Rudolf Diesel , que era estudiante del "Polytechnikum" de Múnich , asistió a las conferencias de Carl von Linde . Linde explicó que las máquinas de vapor son capaces de convertir sólo entre el 6 y el 10 % de la energía térmica en trabajo, pero que el ciclo de Carnot permite la conversión de mucha más energía térmica en trabajo mediante un cambio isotérmico de estado. Según Diesel, esto encendió la idea de crear una máquina de alta eficiencia que pudiera funcionar con el ciclo de Carnot. [14] Diesel también conoció un pistón de fuego , un iniciador de fuego tradicional que utiliza principios de compresión adiabática rápida que Linde había adquirido del sudeste asiático . [15] Después de varios años de trabajar en sus ideas, Diesel las publicó en 1893 en el ensayo Teoría y construcción de un motor térmico racional . [14]

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 obtienen 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]

Cronología

Década de 1890

Años 1900

Un motor diésel de pistón troncal MAN DM construido en 1906. La serie MAN DM se considera uno de los primeros motores diésel de éxito comercial. [69]

Década de 1910

Década de 1920

Fairbanks Morse modelo 32

Década de 1930

Década de 1940

Década de 1950

Pistón de un motor diésel con cámara de combustión de esfera central MAN M-System ( 4 VD 14,5/12-1 SRW )

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]

Década de 1970

Década de 1980

Década de 1990

Década de 2000

Audi R10 TDI, ganador de las 24 Horas de Le Mans 2006.

Década de 2010

Principio de funcionamiento

Descripción general

Las características de un motor diésel son [143]

Ciclo termodinámico

Modelo de motor diésel, lado izquierdo
Modelo 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 a 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 óxidos de nitrógeno contaminantes. 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 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]

Motores diésel de baja velocidad
El MAN B&W 5S50MC, un motor diésel marino de cinco cilindros en línea , de dos tiempos y baja velocidad a bordo de un buque de transporte de productos químicos de 29.000 toneladas

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 raíces
Sincronización 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 limpieza complicados y costosos. [173] La relación coste-eficacia (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 largos períodos. [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]

Ruido ("ruido de diésel")

Ruido del motor de un motor diésel de dos cilindros MWM AKD 112 Z de los años 50 al ralentí

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, permita 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 arranca el motor. [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]

Principales fabricantes

Características de combustibles y fluidos

Los motores diésel pueden quemar una gran variedad de combustibles, incluidos varios fueloil que tienen ventajas sobre combustibles como la gasolina. Estas ventajas incluyen:

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, lo 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:

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

DIN 51601 diesel fuel was prone to waxing or gelling in cold weather; both are terms for the solidification of diesel oil into a partially crystalline state. The crystals build up in the fuel system (especially in fuel filters), eventually starving the engine of fuel and causing it to stop running.[209] Low-output electric heaters in fuel tanks and around fuel lines were used to solve this problem. Also, most engines have a spill return system, by which any excess fuel from the injector pump and injectors is returned to the fuel tank. Once the engine has warmed, returning warm fuel prevents waxing in the tank. Before direct injection diesel engines, some manufacturers, such as BMW, recommended mixing up to 30% petrol in with the diesel by fuelling diesel cars with petrol to prevent the fuel from gelling when the temperatures dropped below −15 °C.[210]

Safety

Fuel flammability

Diesel fuel is less flammable than petrol, because its flash point is 55 °C,[209][211] leading to a lower risk of fire caused by fuel in a vehicle equipped with a diesel engine.

Diesel fuel can create an explosive air/vapour mix under the right conditions. However, compared with petrol, it is less prone due to its lower vapour pressure, which is an indication of evaporation rate. The Material Safety Data Sheet[212] for ultra-low sulfur diesel fuel indicates a vapour explosion hazard for diesel fuel indoors, outdoors, or in sewers.

Cancer

Diesel exhaust has been classified as an IARC Group 1 carcinogen. It causes lung cancer and is associated with an increased risk for bladder cancer.[213]

Engine runaway (uncontrollable overspeeding)

See diesel engine runaway.

Applications

The characteristics of diesel have different advantages for different applications.

Passenger cars

Diesel engines have long been popular in bigger cars and have been used in smaller cars such as superminis in Europe since the 1980s. They were popular in larger cars earlier, as the weight and cost penalties were less noticeable.[214] Smooth operation as well as high low-end torque are deemed important for passenger cars and small commercial vehicles. The introduction of electronically controlled fuel injection significantly improved the smooth torque generation, and starting in the early 1990s, car manufacturers began offering their high-end luxury vehicles with diesel engines. Passenger car diesel engines usually have between three and twelve cylinders, and a displacement ranging from 0.8 to 6.0 litres. Modern powerplants are usually turbocharged and have direct injection.[163]

Diesel engines do not suffer from intake-air throttling, resulting in very low fuel consumption especially at low partial load[215] (for instance: driving at city speeds). One fifth of all passenger cars worldwide have diesel engines, with many of them being in Europe, where approximately 47% of all passenger cars are diesel-powered.[216] Daimler-Benz in conjunction with Robert Bosch GmbH produced diesel-powered passenger cars starting in 1936.[81] The popularity of diesel-powered passenger cars in markets such as India, South Korea and Japan is increasing (as of 2018).[217]

Commercial vehicles and lorries

Lifespan of Mercedes-Benz diesel engines[218]

In 1893, Rudolf Diesel suggested that the diesel engine could possibly power "wagons" (lorries).[219] The first lorries with diesel engines were brought to market in 1924.[81]

Modern diesel engines for lorries have to be both extremely reliable and very fuel efficient. Common-rail direct injection, turbocharging and four valves per cylinder are standard. Displacements range from 4.5 to 15.5 litres, with power-to-mass ratios of 2.5–3.5 kg·kW−1 for heavy duty and 2.0–3.0 kg·kW−1 for medium duty engines. V6 and V8 engines used to be common, due to the relatively low engine mass the V configuration provides. Recently, the V configuration has been abandoned in favour of straight engines. These engines are usually straight-6 for heavy and medium duties and straight-4 for medium duty. Their undersquare design causes lower overall piston speeds which results in increased lifespan of up to 1,200,000 kilometres (750,000 mi).[220] Compared with 1970s diesel engines, the expected lifespan of modern lorry diesel engines has more than doubled.[218]

Railroad rolling stock

Diesel engines for locomotives are built for continuous operation between refuelings and may need to be designed to use poor quality fuel in some circumstances.[221] Some locomotives use two-stroke diesel engines.[222] Diesel engines have replaced steam engines on all non-electrified railroads in the world. The first diesel locomotives appeared in 1913,[81] and diesel multiple units soon after. Nearly all modern diesel locomotives are more correctly known as diesel–electric locomotives because they use an electric transmission: the diesel engine drives an electric generator which powers electric traction motors.[223] While electric locomotives have replaced the diesel locomotive for passenger services in many areas diesel traction is widely used for cargo-hauling freight trains and on tracks where electrification is not economically viable.

In the 1940s, road vehicle diesel engines with power outputs of 150–200 metric horsepower (110–150 kW; 150–200 hp) were considered reasonable for DMUs. Commonly, regular truck powerplants were used. The height of these engines had to be less than 1 metre (3 ft 3 in) to allow underfloor installation. Usually, the engine was mated with a pneumatically operated mechanical gearbox, due to the low size, mass, and production costs of this design. Some DMUs used hydraulic torque converters instead. Diesel–electric transmission was not suitable for such small engines.[224] In the 1930s, the Deutsche Reichsbahn standardised its first DMU engine. It was a 30.3 litres (1,850 cu in), 12-cylinder boxer unit, producing 275 metric horsepower (202 kW; 271 hp). Several German manufacturers produced engines according to this standard.[225]

Watercraft

One of the eight-cylinder 3200 I.H.P. Harland and Wolff – Burmeister & Wain diesel engines installed in the motorship Glenapp. This was the highest powered diesel engine yet (1920) installed in a ship. Note man standing lower right for size comparison.
Hand-cranking a boat diesel motor in Inle Lake (Myanmar)

The requirements for marine diesel engines vary, depending on the application. For military use and medium-size boats, medium-speed four-stroke diesel engines are most suitable. These engines usually have up to 24 cylinders and come with power outputs in the one-digit Megawatt region.[221] Small boats may use lorry diesel engines. Large ships use extremely efficient, low-speed two-stroke diesel engines. They can reach efficiencies of up to 55%. Unlike most regular diesel engines, two-stroke watercraft engines use highly viscous fuel oil.[1] Submarines are usually diesel–electric.[223]

The first diesel engines for ships were made by A. B. Diesels Motorer Stockholm in 1903. These engines were three-cylinder units of 120 PS (88 kW) and four-cylinder units of 180 PS (132 kW) and used for Russian ships. In World War I, especially submarine diesel engine development advanced quickly. By the end of the War, double acting piston two-stroke engines with up to 12,200 PS (9 MW) had been made for marine use.[226]

Aviation

Early

Diesel engines had been used in aircraft before World War II, for instance, in the rigid airship LZ 129 Hindenburg, which was powered by four Daimler-Benz DB 602 diesel engines,[227] or in several Junkers aircraft, which had Jumo 205 engines installed.[101]

In 1929, in the United States, the Packard Motor Company developed America's first aircraft diesel engine, the Packard DR-980—an air-cooled, 9-cylinder radial engine. They installed it in various aircraft of the era—some of which were used in record-breaking distance or endurance flights,[228][229][230][231] and in the first successful demonstration of ground-to-air radiophone communications (voice radio having been previously unintelligible in aircraft equipped with spark-ignition engines, due to electromagnetic interference).[229][230] Additional advantages cited, at the time, included a lower risk of post-crash fire, and superior performance at high altitudes.[229]

On March 6, 1930, the engine received an Approved Type Certificate—first ever for an aircraft diesel engine—from the U.S. Department of Commerce.[232] However, noxious exhaust fumes, cold-start and vibration problems, engine structural failures, the death of its developer, and the industrial economic contraction of the Great Depression, combined to kill the program.[229]

Modern

From then, until the late 1970s, there had not been many applications of the diesel engine in aircraft. In 1978, Piper Cherokee co-designer Karl H. Bergey argued that "the likelihood of a general aviation diesel in the near future is remote."[233]

However, with the 1970s energy crisis and environmental movement, and resulting pressures for greater fuel economy, reduced carbon and lead in the atmosphere, and other issues, there was a resurgence of interest in diesel engines for aircraft. High-compression piston aircraft engines that run on aviation gasoline ("avgas") generally require the addition of toxic Tetraethyl lead to avgas, to avoid engine pre-ignition and detonation; but diesel engines do not require leaded fuel. Also, biodiesel can, theoretically, provide a net reduction in atmospheric carbon compared to avgas. For these reasons, the general aviation community has begun to fear the possible banning or discontinuance of leaded avgas.[8][234][235][236]

Additionally, avgas is a specialty fuel in very low (and declining) demand, compared to other fuels, and its makers are susceptible to costly aviation-crash lawsuits, reducing refiners' interest in producing it. Outside the United States, avgas has already become increasingly difficult to find at airports (and generally), than less-expensive, diesel-compatible fuels like Jet-A and other jet fuels.[8][234][235][236]

By the late 1990s / early 2000s, diesel engines were beginning to appear in light aircraft. Most notably, Frank Thielert and his Austrian engine enterprise, began developing diesel engines to replace the 100 horsepower (75 kW) - 350 horsepower (260 kW) gasoline/piston engines in common light aircraft use.[237] First successful application of the Theilerts to production aircraft was in the Diamond DA42 Twin Star light twin, which exhibited exceptional fuel efficiency surpassing anything in its class,[8][9][238] and its single-seat predecessor, the Diamond DA40 Diamond Star.[8][9][237]

In subsequent years, several other companies have developed aircraft diesel engines, or have begun to[237]—most notably Continental Aerospace Technologies which, by 2018, was reporting it had sold over 5,000 such engines worldwide.[8][9][239]

The United States' Federal Aviation Administration has reported that "by 2007, various jet-fueled piston aircraft had logged well over 600,000 hours of service".[237] In early 2019, AOPA reported that a diesel engine model for general aviation aircraft is "approaching the finish line."[240] By late 2022, Continental was reporting that its "Jet-A" fueled engines had exceeded "2,000... in operation today," with over "9 million hours," and were being "specified by major OEMs" for Cessna, Piper, Diamond, Mooney, Tecnam, Glasair and Robin aircraft.[239]

In recent years (2016), diesel engines have also found use in unmanned aircraft (UAV), due to their reliability, durability, and low fuel consumption.[241][242][243]

Non-road diesel engines

Air-cooled diesel engine of a 1959 Porsche 218

Non-road diesel engines are commonly used for construction equipment and agricultural machinery. Fuel efficiency, reliability and ease of maintenance are very important for such engines, whilst high power output and quiet operation are negligible. Therefore, mechanically controlled fuel injection and air-cooling are still very common. The common power outputs of non-road diesel engines vary a lot, with the smallest units starting at 3 kW, and the most powerful engines being heavy duty lorry engines.[221]

Stationary diesel engines

Three English Electric 7SRL diesel-alternator sets being installed at the Saateni Power Station; Zanzibar, 1955

Stationary diesel engines are commonly used for electricity generation, but also for powering refrigerator compressors, or other types of compressors or pumps. Usually, these engines either run continuously with partial load, or intermittently with full load. Stationary diesel engines powering electric generators that put out an alternating current, usually operate with alternating load, but fixed rotational frequency. This is due to the mains' fixed frequency of either 50 Hz (Europe), or 60 Hz (United States). The engine's crankshaft rotational frequency is chosen so that the mains' frequency is a multiple of it. For practical reasons, this results in crankshaft rotational frequencies of either 25 Hz (1500 per minute) or 30 Hz (1800 per minute).[244]

Low heat rejection engines

A special class of prototype internal combustion piston engines has been developed over several decades with the goal of improving efficiency by reducing heat loss.[245] These engines are variously called adiabatic engines; due to better approximation of adiabatic expansion; low heat rejection engines, or high temperature engines.[246] They are generally piston engines with combustion chamber parts lined with ceramic thermal barrier coatings.[247] Some make use of pistons and other parts made of titanium which has a low thermal conductivity[248] and density. Some designs are able to eliminate the use of a cooling system and associated parasitic losses altogether.[249] Developing lubricants able to withstand the higher temperatures involved has been a major barrier to commercialization.[250]

Future developments

In mid-2010s literature, main development goals for future diesel engines are described as improvements of exhaust emissions, reduction of fuel consumption, and increase of lifespan (2014).[251][163] It is said that the diesel engine, especially the diesel engine for commercial vehicles, will remain the most important vehicle powerplant until the mid-2030s. Editors assume that the complexity of the diesel engine will increase further (2014).[252] Some editors expect a future convergency of diesel and Otto engines' operating principles due to Otto engine development steps made towards homogeneous charge compression ignition (2017).[253]

See also

References

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