Motor diésel construido por Langen & Wolf bajo licencia, 1898Película de Shell Oil de 1952 que muestra el desarrollo del motor diésel a partir de 1877.
Los motores diésel funcionan comprimiendo únicamente aire, o aire más 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 , de modo que se enciende el combustible diésel atomizado inyectado en la cámara de combustión. Cuando 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 depende de alterar la cantidad de combustible que se inyecta y la relación aire-combustible suele ser alta.
El motor diésel tiene la eficiencia térmica más alta ( eficiencia del motor ) de cualquier motor de combustión interna o externa práctico debido a su relación de expansión muy alta y su combustión pobre inherente que permite la disipación de calor por el exceso de aire. También se evita una pequeña pérdida de eficiencia en comparación con los motores de gasolina de inyección no directa, ya que no hay combustible sin quemar durante el solapamiento de válvulas y, por lo tanto, ningún combustible pasa directamente de la admisión/inyección al escape. Los motores diésel de baja velocidad (como los utilizados 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 de Brayton y Rankine) es un motor de combustión más eficiente que un motor diésel, pero, por su masa y dimensiones, no es adecuado para vehículos, embarcaciones o aviones . 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 utilizaron como un reemplazo más eficiente de las máquinas de vapor estacionarias . Desde la década de 1910 se utilizan en submarinos y barcos. Posteriormente siguió su uso en locomotoras, autobuses, camiones, equipos pesados , equipos agrícolas y plantas de generación de electricidad. En la década de 1930, poco a poco comenzaron a utilizarse en algunos automóviles . Desde la crisis energética de la década de 1970 , la demanda de una mayor eficiencia del combustible ha dado lugar a que la mayoría de los principales fabricantes de automóviles, en algún momento, ofrezcan modelos con motor diésel, incluso en coches muy pequeños. [3] [4] Según Konrad Reif (2012), la media de la UE para los coches diésel en aquel momento representaba la mitad de los coches recién matriculados. [5] Sin embargo, las emisiones contaminantes del aire son más difíciles de controlar en los motores diésel que en los de gasolina, por lo que 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 los motores diésel, los motores diésel para aviones están cada vez más disponibles en el siglo XXI. Desde finales de la década de 1990, por diversas razones (incluidas las ventajas normales del diésel sobre los motores de gasolina, pero también por cuestiones recientes propias de la aviación), el desarrollo y la producción de motores diésel para aviones han aumentado rápidamente: se entregaron más de 5.000 motores de este tipo en todo el mundo entre 2002 y 2018. particularmente para aviones ligeros y vehículos aéreos no tripulados . [8] [9]
Historia
La idea de Diésel
Patente de Rudolf Diesel de 1893 sobre un motor térmico racionalSegundo prototipo de Diesel. Es una modificación del primer motor experimental. El 17 de febrero de 1894, este motor funcionó por primera vez con sus propios medios. [10]
Eficiencia efectiva 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]
En 1878, Rudolf Diesel , que era estudiante en el "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 condición. Según Diesel, esto encendió la idea de crear un motor altamente eficiente que pudiera funcionar según el ciclo de Carnot. [14] El diésel también se introdujo en un pistón de fuego , un encendedor de fuego tradicional que utiliza principios de compresión adiabática rápida que Linde había adquirido en el 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] Se suponía que su motor térmico racional utilizaría un ciclo de temperatura constante (con compresión isotérmica) que requeriría un nivel de compresión mucho más alto que el necesario para el encendido por compresión. La idea de Diesel era comprimir el aire con tanta fuerza que la temperatura del aire superara la de combustión. Sin embargo, un motor de este tipo nunca podría realizar ningún trabajo utilizable. [17] [18] [19] En su patente estadounidense de 1892 (otorgada en 1895) #542846, Diesel describe la compresión requerida para su ciclo:
Se comprime aire atmosférico puro, según la curva 1 2, 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 se produce la combustión posterior. tiene que tener lugar, no el punto de combustión o ignición. Para que esto quede más claro, supongamos que la combustión posterior tendrá lugar 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. 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. Los rasgos característicos del ciclo según mi presente invención son, por lo tanto, el aumento de presión y temperatura hasta el máximo, no por combustión, sino antes de la combustión por compresión mecánica de aire, y luego la posterior realización 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. Tenga en cuenta que ya no se menciona que las temperaturas de compresión excedan la temperatura de combustión. Ahora simplemente se dice que la compresión debe ser suficiente para provocar el encendido.
1. En un motor de combustión interna, la combinación de un cilindro y un pistón construidos y dispuestos para comprimir aire hasta un grado que produzca una temperatura superior al punto de ignición del combustible, un suministro de aire o gas comprimido; un suministro de combustible; una válvula de distribución de combustible, un paso desde el suministro de aire al 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 una válvula de corte de aceite, sustancialmente como se describe. [22] [23] [24]
En 1892, Diesel recibió patentes en Alemania , Suiza , Reino Unido y Estados Unidos por el "Método y aparato para convertir calor en trabajo". [25] En 1894 y 1895, presentó patentes y adiciones en varios países para su motor; las primeras patentes se expidieron en España (N° 16.654), [26] Francia (N° 243.531) y Bélgica (N° 113.139) en diciembre de 1894, y en Alemania (N° 86.633) en 1895 y Estados Unidos (N°. 608.845) en 1898. [27]
Diesel fue atacado y criticado durante un período de varios años. Los críticos afirmaron que Diesel nunca inventó un motor nuevo y que la invención del motor diesel es un fraude. Otto Köhler y Emil Capitaine [Delaware] 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 pensó 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 criterio que su motor de encendido con tubo incandescente funcionaba de la misma manera que el motor de Diesel. Sus afirmaciones eran infundadas y perdió una demanda de patente contra Diesel. [31] Otros motores, como el motor Akroyd y el motor Brayton , también utilizan un ciclo de funcionamiento diferente al ciclo del motor diésel. [29] [32] Friedrich Sass dice que el motor diésel es "obra propia" de Diesel y que cualquier "mito de Diesel" es una " 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 la 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 Diesel en Augsburgo . El 10 de agosto de 1893 se produjo 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 añadió y probó un sistema de inyección de aire a la culata del motor. [38] Friedrich Sass sostiene que se puede presumir que Diesel copió el concepto de inyección de aire 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 la tremenda demanda prevista de un motor más eficiente. [40] El 26 de junio de 1895, el motor alcanzó una eficiencia efectiva del 16,6% y tenía 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 celebrado con Diesel. [44] Diesel se vio obligado a mejorar el diseño de su motor y se apresuró a construir un tercer prototipo de motor. Entre el 8 de noviembre y el 20 de diciembre de 1895, el segundo prototipo superó 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 sobrealimentar el tercer prototipo. [46] Imanuel Lauster , a quien se le encargó 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] Las pruebas se llevaron a cabo 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 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 resulta 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 prototipo de motor. [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 prototipo de motor. [56]
1893: el 24 de abril, Krupp y Maschinenfabrik Augsburg deciden colaborar y construir un único prototipo en Augsburgo. [56] [36]
1893: julio, se completa el primer prototipo. [57]
1893: 10 de agosto, el Diesel inyecta por primera vez combustible (gasolina), provocando la combustión, destruyendo el indicador . [58]
1893: 30 de noviembre, Diesel solicita una patente (RP 82168) para un proceso de combustión modificado. Lo obtiene el 12 de julio de 1895. [59] [60] [61]
1894: 18 de enero, después de que el primer prototipo haya sido modificado para convertirse en el segundo prototipo, comienzan las pruebas con el segundo prototipo. [37]
1894: 17 de febrero de 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 por primera vez la prueba de frenos. [41]
1895: Diesel solicita una segunda patente Patente estadounidense n.º 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 está 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 Estados Unidos 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. [sesenta y cinco]
1898: 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]
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]
1901: Imanuel Lauster diseña el primer motor diésel de pistón troncal (DM 70). [69]
1901: En 1901, MAN había producido 77 cilindros de motor diésel para uso comercial. [70]
1903: Se botan dos primeros barcos propulsados por diésel, tanto para operaciones fluviales como canaleras: el naftero Vandal y el Sarmat . [71]
1904: los franceses botan 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 que funcionan. [73] [82]
1911: 27 de noviembre, la Allgemeine Gesellschaft für Dieselmotoren A.-G. está disuelto. [sesenta y cinco]
1911: El astillero Germania en Kiel construye motores diésel de 850 CV (625 kW) para submarinos alemanes. Estos motores se instalaron en 1914. [83]
1912: MAN construye el primer motor diésel de dos tiempos y pistones 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: 15 de diciembre, MAN prueba el primer camión con motor diésel de inyección directa. El mismo año, Benz construye un camión con un motor diésel inyectado en la cámara de precombustión. [95]
1923: Aparece el primer motor diésel de dos tiempos con barrido a contracorriente. [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 con motor diésel. [98]
1927: Bosch presenta la primera bomba de inyección en línea para motores diésel de vehículos de motor. [99]
1929: Aparece el primer turismo con motor diésel. Su motor es un motor Otto modificado para utilizar el principio diésel y la bomba de inyección de Bosch. Le siguen varios otros prototipos de automóviles diésel. [100]
década de 1930
1933: Junkers Motorenwerke en Alemania inicia la producción del motor diésel de aviación producido en serie de mayor éxito de todos los tiempos, el Jumo 205 . Al estallar la Segunda Guerra Mundial , se produjeron 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 de origen soplado para impulsar su exhibición 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 600 a 900 hp (447 a 671 kW). [103]
1934: The Budd Company 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 se equipa con un antiguo motor diésel de inyección con cámara de turbulencia para realizar pruebas. [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 de 45 CV (33 kW). [105]
1936: 4 de marzo, despega por primera vez el dirigible LZ 129 Hindenburg , el avión más grande jamás fabricado. Está propulsado por cuatro motores diésel V16 Daimler-Benz LOF 6, con una potencia de 1200 CV (883 kW) cada uno. [106]
1936: Comienza la fabricación del primer turismo con motor diésel de producción en serie ( Mercedes-Benz 260 D ). [100]
1937: Konstantin Fyodorovich Chelpan desarrolla el motor diésel V-2 , utilizado más tarde en los tanques soviéticos T-34 , ampliamente considerado como el mejor chasis de tanque de la Segunda Guerra Mundial. [107]
1938: General Motors forma la División GM Diesel, que más tarde se convertiría en Detroit Diesel , e introduce el motor de dos tiempos en línea de alta velocidad y potencia media Serie 71 , adecuado para vehículos de carretera y uso marino. [108]
década de 1940
1946: Clessie Cummins obtiene una patente sobre un aparato de inyección y alimentación 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
Pistón de un motor diésel MAN M-System con cámara de combustión de esfera central ( 4 VD 14,5/12-1 SRW )
Década de 1950: KHD se convierte en el líder del mercado mundial de motores diésel refrigerados por aire. [111]
1951: J. Siegfried Meurer obtiene la patente del 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 seis cilindros en línea y 4,6 litros con turbocompresor, con una potencia de 115 CV (85 kW). Resulta poco fiable. [113]
1954: Volvo produce una pequeña serie de 200 unidades de una versión turboalimentada del motor TD 96. Este motor de 9,6 litros tiene una potencia de 136 kW (185 CV). [114]
1955: La turbocompresión para los motores diésel marinos de dos tiempos de MAN se convierte en estándar. [96]
1959: El Peugeot 403 se convierte en el primer sedán/berlina de pasajeros fabricado 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 Mercedes-Benz de inyección directa. Se introdujo en 1963, pero la producción en masa 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 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 compacto para pasajeros que se ofrece con 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 motor de cruceta de dos tiempos y baja velocidad con inyección common rail. [124]
década de 1980
BMW E28 524td , el primer turismo fabricado en serie con bomba de inyección controlada electrónicamente
1981/82: La evacuación Uniflow para motores diésel marinos de dos tiempos se convierte en estándar. [125]
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 . [126]
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 y 2 litros con inyección directa y una bomba de inyección distribuidora controlada por hélice (Bosch VP 44), que produce 180 kW (240 CV). El consumo de combustible es de 23 l/100 km, sólo la mitad del consumo de combustible de un coche similar con motor Otto. [131]
2006: Daimler-Chrysler lanza al mercado el primer motor de producción en serie para turismos con tratamiento de gases de escape con reducción catalítica selectiva , el Mercedes-Benz OM 642 . Cumple plenamente con la norma de emisiones Tier2Bin8. [123]
2008: Volkswagen inicia la producción en serie del mayor motor diésel para turismos, el Audi V12 TDI de 6 litros. [123]
2008: Subaru presenta el primer motor diésel horizontalmente opuesto instalado en un turismo. Se trata de un motor common rail de 2 litros con una potencia de 110 kW. [136]
década de 2010
2010: Mitsubishi desarrolló e inició la producción en masa de su 4N13 1.8 L DOHC I4, el primer motor diésel para turismos del mundo que cuenta con un sistema de sincronización variable de válvulas . [127]
2012: BMW introduce el turbocompresor de dos etapas con tres turbocompresores para el motor BMW N57 . [123]
2015: Lanzamiento de sistemas common rail que funcionan con presiones de 2.500 bar. [81]
Formación de mezcla interna. En los motores diésel, la mezcla de aire y combustible sólo se forma dentro de la cámara de combustión.
Control de par de calidad. La cantidad de torque que produce un motor diesel no se controla estrangulando el aire de admisión (a diferencia de un motor de gasolina tradicional de encendido por chispa, donde el flujo de aire se reduce para regular la salida de torque), sino que el volumen de aire que ingresa al motor se controla. maximizado en todo momento, y la salida de par se regula únicamente controlando la cantidad de combustible inyectado.
Llama de difusión : en la combustión, el oxígeno primero tiene que difundirse en la llama, en lugar de tener oxígeno y 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 hay una dispersión uniforme del combustible y el aire dentro del cilindro. Esto se debe a 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.
Preferencia por que el combustible tenga un alto rendimiento de ignición ( índice de cetano ), en lugar de una alta resistencia a la detonación ( índice de octanaje ), que se prefiere en los motores de gasolina.
ciclo termodinámico
Modelo con motor diésel, lado izquierdo.Modelo con motor diésel, lado derecho.
El motor de combustión interna diésel se diferencia del ciclo Otto de 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. Luego, el aire se comprime con una relación de compresión típicamente 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, el combustible se inyecta directamente al aire comprimido en la cámara de combustión. Esto puede ser en un vacío (típicamente 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 uniformemente. El calor del aire comprimido vaporiza el combustible de la superficie de las gotas. A continuación, el calor del aire comprimido en la cámara de combustión enciende el vapor, las gotas continúan vaporizándose desde sus superficies y arden, haciéndose más pequeñas, hasta que se quema 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 del encendido y el característico sonido de golpeteo del diésel cuando 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 más; la alta presión en el cilindro impulsa el pistón hacia abajo, suministrando potencia al cigüeñal.
Además del alto nivel de compresión que permite que la combustión tenga lugar sin un sistema de encendido independiente, una alta relación de compresión aumenta considerablemente la eficiencia del motor. El aumento de la relación de compresión en un motor de encendido por chispa donde se mezclan combustible y aire antes de entrar al cilindro está limitado por la necesidad de evitar el preencendido , que causaría daños al motor. Dado que en un motor diésel sólo se comprime 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 para el ciclo diésel ideal (que sigue los números del 1 al 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 presión casi constante. En este diagrama el trabajo que se genera para cada ciclo corresponde al área dentro del bucle.
El diagrama presión-volumen (pV) es una representación simplificada e idealizada de los eventos involucrados en el ciclo de un motor diesel, 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 inicio 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, mediante el pistón ascendente. (Esto sólo es cierto aproximadamente ya que habrá cierto intercambio de calor con las paredes del cilindro.) Durante esta compresión, el volumen se reduce, la presión y la temperatura aumentan. En 2 (TDC) o ligeramente antes, 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 se mantiene constante ya que el pistón desciende y el volumen aumenta; la temperatura aumenta como consecuencia de la energía de la combustión. A las 3, la inyección y la combustión están completas y el cilindro contiene gas a una temperatura más alta que a las 2. Entre las 3 y las 4, este gas caliente se expande, también aproximadamente adiabáticamente. El trabajo se realiza 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 se abre la válvula de escape y la presión cae bruscamente a la atmosférica (aproximadamente). Esta es una expansión sin resistencia y no realiza ningún trabajo útil. Lo ideal es que la expansión adiabática continúe, extendiéndose la línea 3-4 hacia la derecha hasta que la presión descienda hasta la del aire circundante, pero la pérdida de eficiencia provocada por esta expansión sin resistencia se justifica por las dificultades prácticas que implica recuperarla (el motor Tendría que ser mucho más grande). Después de abrir 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, estarían representados por un circuito de baja presión en la parte inferior del diagrama. En 1 se supone que se han completado las carreras de escape y de admisión y que el cilindro se llena nuevamente de 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. La producción de trabajo se realiza mediante la combinación pistón-cilindro entre 2 y 4. La diferencia entre estos dos incrementos de trabajo es la producción de trabajo indicada por ciclo y está representada por el área encerrada por el bucle pV. La expansión adiabática está 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. Es por esta razón que el bucle tiene un área finita y la producción neta de trabajo durante un ciclo es positiva. [142]
Eficiencia
La eficiencia del combustible de los motores diésel es mejor que la de la mayoría de los otros tipos de motores de combustión, [143] [144] debido a su alta relación de compresión, alta relación de equivalencia aire-combustible (λ) , [145] 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%. [146] Sin embargo, en la práctica la eficiencia es mucho menor, con eficiencias de hasta el 43% para motores de automóviles de pasajeros, [147] hasta el 45% para motores de camiones y autobuses grandes, y hasta el 55% para motores marinos de dos tiempos de gran tamaño. motores. [1] [148] La eficiencia promedio durante el 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%). [149] Esto se debe a que la eficiencia del combustible de un motor diésel cae con cargas más bajas; sin embargo, no cae tan rápido como la del motor Otto (encendido por chispa). [150]
Emisiones
Los motores diésel son motores de combustión y, por tanto, emiten productos de combustión en sus gases de escape . Debido a la combustión incompleta, [151] 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 mediante tecnología de tratamiento de gases de escape. [152] [153] Los motores diésel de los vehículos de carretera no tienen emisiones de dióxido de azufre, porque el combustible diésel de los vehículos de motor no contiene azufre desde 2003. [154] Helmut Tschöke sostiene que las partículas emitidas por los vehículos de motor tienen impactos negativos en la salud humana. [155]
Las partículas en las emisiones de escape de diésel a veces se clasifican como carcinógeno o "probable carcinógeno" y se sabe que aumentan el riesgo de enfermedades cardíacas y respiratorias. [156]
Sistema eléctrico
En principio, un motor diésel no requiere 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, no existe un sistema de encendido eléctrico de alto voltaje en un motor diésel. Esto elimina una fuente de emisiones de radiofrecuencia (que pueden interferir con los equipos de navegación y comunicación), razón por la cual solo se permiten vehículos con motor diésel en algunas partes de la Zona Silenciosa de Radio Nacional Estadounidense . [157]
control de par
Para controlar la salida de par en un momento dado (es decir, cuando el conductor de un automóvil ajusta el pedal del acelerador ), un gobernador ajusta la cantidad de combustible inyectado en el motor. En el pasado se han utilizado gobernadores mecánicos, sin embargo, los gobernadores electrónicos son más comunes en los motores modernos. Los gobernadores mecánicos generalmente son impulsados por la correa accesoria del motor o un sistema de transmisión por engranajes [158] [159] y usan una combinación de resortes y pesos para controlar el suministro de combustible en relación con la carga y la velocidad. [158] 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 determinadas) mientras que la cantidad de combustible varía, se utilizan relaciones aire-combustible muy altas ("pobres") en situaciones donde se requiere una salida de torque 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 en el control de la potencia, 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 funcionamiento de RPM
Günter Mau clasifica los motores diésel en tres grupos según su velocidad de rotación: [160]
Motores de alta velocidad (> 1.000 rpm),
Motores de velocidad media (300 a 1000 rpm) y
Motores de baja velocidad (< 300 rpm).
Motores diésel de alta velocidad
Los motores de alta velocidad se utilizan para propulsar camiones (camiones), autobuses , tractores , automóviles , yates , compresores , bombas y pequeños generadores eléctricos . [161] 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 common rail . [162] En barcos más grandes, los motores diésel de alta velocidad se utilizan a menudo para alimentar generadores eléctricos. [163] La potencia máxima de los motores diésel de alta velocidad es de aproximadamente 5 MW. [164]
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 grandes compresores o bombas. 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. Suelen ser motores de cuatro tiempos con pistones troncales; [165] una excepción notable son los motores EMD 567 , 645 y 710 , todos de dos tiempos. [166]
La potencia de salida de los motores diésel de velocidad media puede llegar a 21.870 kW, [167] con una eficiencia efectiva de alrededor del 47-48% (1982). [168] La mayoría de los motores más grandes de velocidad media se arrancan 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 usarse para motores más pequeños. [169]
Los motores de velocidad media destinados a aplicaciones marinas se utilizan normalmente para propulsar transbordadores ( ro-ro ), barcos de pasajeros o pequeños buques de carga. El uso de motores de velocidad media reduce el coste de los barcos más pequeños y aumenta su capacidad de transporte. Además de eso, un solo barco puede utilizar dos motores más pequeños en lugar de uno grande, lo que aumenta la seguridad del barco. [165]
Los motores diésel de baja velocidad suelen ser de tamaño muy grande y se utilizan principalmente para propulsar barcos . Hay dos tipos diferentes de motores de baja velocidad que se utilizan comúnmente: motores de dos tiempos con cruceta y motores de cuatro tiempos con pistón troncal 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 impulsar directamente la hélice de un barco.
Los motores de cuatro tiempos de los barcos se suelen utilizar para alimentar un generador eléctrico. Un motor eléctrico impulsa la hélice. [160] Ambos tipos suelen ser muy cuadrados , lo que significa que el diámetro interior es más pequeño que la carrera. [170] Los motores diésel de baja velocidad (como los utilizados 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 arrancan con aire comprimido y utilizan petróleo pesado como combustible principal. [169]
Ciclo de combustión
Esquema de un motor diésel de dos tiempos con soplador de raíces.Sincronización de Detroit Diésel
Los motores de cuatro tiempos utilizan el ciclo de combustión descrito anteriormente. La mayoría de los motores diésel más pequeños, para uso vehicular, por ejemplo, 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 particularmente adecuada para uso en automóviles y la necesidad de sistemas de lubricación integrados y medidas de eliminación complicados y costosos. [171] La rentabilidad (y la proporción de peso añadido) de estas tecnologías tiene un impacto menor en los motores más grandes y caros, mientras que los motores destinados al transporte o al uso estacionario pueden funcionar a una sola velocidad durante largos períodos. [171]
Los motores de dos tiempos utilizan un ciclo de combustión que se completa en dos tiempos en lugar de cuatro tiempos. Llenar el cilindro con aire y comprimirlo se realiza de una sola vez, y se combinan las carreras de potencia y de escape. 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 subir, comienza la compresión, que culmina con la inyección de combustible y el encendido. En lugar de un juego completo de válvulas, los motores diésel de dos tiempos tienen puertos de admisión y puertos de escape (o válvulas de escape) simples. Cuando el pistón se acerca al punto muerto inferior, tanto los puertos de admisión como los 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 al cilindro y los gases de combustión al escape. Este proceso se llama barrido . La presión requerida es de aproximadamente 10-30 kPa. [172]
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. [172] Los supercargadores 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. [173] Por lo general, un motor diésel de barco de dos tiempos tiene un turbocompresor de una sola etapa con una turbina que tiene un flujo de entrada axial y un flujo de salida radial. [174]
Limpieza en motores de dos tiempos
En general, existen tres tipos de recolección de residuos posibles:
La eliminación de flujo cruzado es incompleta y limita el recorrido, pero algunos fabricantes la utilizan. [175] La eliminación de flujo inverso es una forma muy sencilla de eliminación y fue popular entre los fabricantes hasta principios de los años 1980. La evacuación Uniflow es más complicada de realizar pero permite la mayor eficiencia de combustible; Desde principios de los años 80, fabricantes como MAN y Sulzer han optado por este sistema. [125] Es estándar para los motores diésel marinos modernos de dos tiempos. [2]
Combustible usado
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 un combustible para motores diésel. El combustible del motor 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. [176] [177]
Inyección de combustible
El combustible se inyecta a alta presión en la cámara de combustión , la "cámara de turbulencia" o la "precámara", [141] a diferencia de los motores de gasolina donde el combustible a menudo se agrega en el colector de admisión o en el carburador . Los motores en los que 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 turbulencia o precámara se denominan motores de inyección indirecta (IDI). [178]
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 distribuidora. [158] 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 cargadas por resorte muy precisas que se abren y cierran a una presión de combustible específica. Líneas de combustible de alta presión separadas conectan la bomba de combustible con cada cilindro. El volumen de combustible para cada combustión se controla mediante una ranura inclinada en el émbolo que gira sólo unos pocos grados liberando la presión y está controlado por un regulador mecánico, que consta de pesas que giran a la velocidad del motor limitadas 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 sola unidad. [179] La longitud de las líneas de combustible desde la bomba hasta cada inyector es normalmente la misma para cada cilindro para obtener el mismo retraso de presión. Los motores diésel de inyección directa suelen utilizar inyectores de combustible de tipo orificio. [180]
El control electrónico de la inyección de combustible transformó el motor de inyección directa al permitir un control mucho mayor sobre la combustión. [181]
Carril común
Los sistemas de inyección directa Common Rail (CR) no reúnen en una sola unidad las funciones de dosificación, aumento de presión y suministro de combustible, como en el caso de una bomba tipo distribuidor Bosch, por ejemplo. Una bomba de alta presión alimenta el CR. Los requisitos de cada inyector de cilindro se suministran desde este depósito común de combustible de alta presión. Un control electrónico diésel (EDC) controla tanto la presión del riel como las inyecciones dependiendo de 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 en movimiento y, por lo tanto, permiten incluso más inyecciones en un período de tiempo muy corto. [182] Los primeros sistemas common rail estaban controlados por medios mecánicos.
La presión de inyección de los sistemas CR modernos oscila entre 140 MPa y 270 MPa. [183]
Inyección indirecta
Cámara de inyección indirecta Ricardo Comet
Un motor con sistema de inyección diésel indirecta (IDI) suministra combustible a una pequeña cámara llamada cámara de turbulencia, cámara de precombustión, precámara o antecámara, que está conectada al cilindro mediante un estrecho conducto 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 se ve favorecida 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 al aumento de la pérdida de calor hacia el sistema de enfriamiento del motor, lo que restringe la combustión y reduce así la eficiencia entre un 5% y un 10%. Los motores IDI también son más difíciles de arrancar y normalmente requieren el uso de bujías incandescentes. Los motores IDI pueden ser más baratos de construir, pero generalmente requieren una relación de compresión más alta que su contraparte DI. IDI también facilita la producción de motores que funcionan más suavemente y silenciosamente con un sistema de inyección mecánico simple, ya que la sincronización exacta de la inyección no es tan crítica. La mayoría de los motores de automóviles modernos son DI, que tienen las ventajas de una mayor eficiencia y un arranque más fácil; sin embargo, los motores IDI todavía se pueden encontrar en muchas aplicaciones de vehículos todo terreno y diésel pequeños. [184] Los motores diésel de inyección indirecta utilizan inyectores de combustible de tipo pivote. [180]
Inyección de aire
Motor diésel típico de principios del siglo XX con inyección de aire, con una potencia de 59 kW.
Los primeros motores diésel inyectaban combustible con la ayuda de aire comprimido, que atomizaba el combustible y lo forzaba a entrar 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 debía accionar un compresor de aire utilizado para la inyección de aire, la eficiencia era mejor que la de otros motores de combustión de la época. [52] Sin embargo, el sistema era pesado y tardaba en reaccionar a las demandas cambiantes de par, lo que lo hacía inadecuado para vehículos de carretera. [185]
Inyectores unitarios
Un sistema de inyector unitario , también conocido como "Pumpe-Düse" ( bomba-boquilla 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. [186] Los inyectores unitarios funcionan mediante una leva y la cantidad de combustible inyectada se controla mecánicamente (mediante una cremallera o palanca) o electrónicamente.
Debido al aumento de los requisitos de rendimiento, los inyectores unitarios han sido reemplazados en gran medida por sistemas de inyección common rail . [162]
Particularidades del motor diésel
Masa
El motor diésel medio tiene una relación potencia-masa más pobre que un motor de gasolina equivalente. Las velocidades más bajas del motor (RPM) de los motores diésel típicos dan como resultado una menor potencia de salida. [187] 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 fuertes (y por lo tanto más pesadas) para soportar estas fuerzas. [188]
El ruido distintivo de un motor diésel, especialmente al ralentí, a veces se denomina "ruido diésel". Este ruido se debe en gran medida al encendido repentino del combustible diésel cuando se inyecta en la cámara de combustión, lo que provoca una onda de presión que suena como un golpe.
Los diseñadores de motores pueden reducir el ruido del diésel mediante: inyección indirecta; piloto o preinyección; [189] sincronización de la inyección; tasa de inyección; índice de compresión; Turbo; y recirculación de gases de escape (EGR). [190] Los sistemas de inyección diésel Common Rail permiten múltiples eventos de inyección como ayuda para la reducción del ruido. Con medidas como estas se reduce considerablemente el ruido del diésel en los motores modernos. Los combustibles diésel con un índice de cetano más alto tienen más probabilidades de encenderse y, por tanto, reducir el ruido del diésel. [191]
Comienza el clima frío
En climas más cálidos, los motores diésel no requieren ninguna ayuda de arranque (aparte del motor de arranque ). Sin embargo, muchos motores diésel incluyen algún tipo de precalentamiento de la cámara de combustión para ayudar al arranque en condiciones de frío. Los motores con una cilindrada inferior a 1 litro por cilindro suelen tener bujías incandescentes , mientras que los motores más grandes y pesados tienen sistemas de arranque por llama . [192] 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 turbulencia 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, usaban [ ¿cuándo? ] un sistema para introducir pequeñas cantidades de éter en el colector de entrada para iniciar la combustión. [193] 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 compresión y, por lo tanto, permite girar el cigüeñal con mucha menos resistencia. 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 resultará en compresión: el momento de inercia de masa del volante arranca el motor. [194] Otros motores diésel, como el motor con cámara de precombustión XII Jv 170/240 fabricado por Ganz & Co., tienen un sistema de cambio de sincronización de válvulas que se opera ajustando el árbol de levas de la válvula de entrada, moviéndolo a una posición ligeramente "tardía". . Esto hará que las válvulas de entrada se abran con retraso, lo que obligará al aire de entrada a calentarse al ingresar a la cámara de combustión. [195]
Sobrealimentación y turboalimentación
Motor turbodiésel para turismos BMW M21 de los años 80
La inducción forzada , especialmente la turbocompresor, se utiliza comúnmente en los motores diésel porque aumenta considerablemente la eficiencia y la producción de par. [196] 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 [141] y la ausencia de combustible durante la carrera de compresión. Por lo tanto, no se pueden producir golpes, preencendido o detonación, y una mezcla pobre causada por un exceso de aire de sobrealimentación dentro de la cámara de combustión no afecta negativamente a la combustión. [197]
Los motores diésel pueden quemar una gran variedad de combustibles, incluidos varios fuelóleos que tienen ventajas sobre combustibles como la gasolina. Estas ventajas incluyen:
Bajos costes de combustible, ya que los fuelóleos son relativamente baratos.
Buenas propiedades de lubricación.
Alta densidad de energía
Bajo riesgo de incendiarse, ya que no forman vapor inflamable.
El biodiésel 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 bien utilizarlos como aditivo a la gasolina (por ejemplo, etanol añadido a gasohol ).
En los motores diésel, un sistema de inyector mecánico 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 en los conductos de admisión como en un motor de gasolina). ). Debido a que en un motor diésel solo se introduce aire en el cilindro, la relación de compresión puede ser mucho mayor ya que no hay riesgo de preignición siempre que el proceso de inyección se programe con precisión. [197] Esto significa que las temperaturas de los cilindros 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 (OTAN 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 , para que la bomba de inyección pueda bombear el combustible a las boquillas de inyección sin causar daños a sí misma ni corrosión de la línea de combustible. Durante la inyección, el combustible debe formar una buena pulverización y no debe tener un efecto de coque en 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 retraso de encendido alto (esto significa que el combustible debe tener un índice de cetano alto ). El combustible diesel también debería tener un poder calorífico alto y bajo . [198]
Las bombas de inyector mecánico en línea generalmente toleran mejor los biocombustibles o los biocombustibles que las bombas de tipo distribuidor. Además, los motores de inyección indirecta generalmente funcionan mejor con combustibles con un alto retardo de encendido (por ejemplo, gasolina) que los motores de inyección directa. [199] Esto se debe en parte a que un motor de inyección indirecta tiene un efecto de "remolino" mucho mayor, mejorando la vaporización y combustión del combustible, y a que (en el caso de los combustibles de tipo aceite vegetal) las deposiciones de lípidos pueden condensarse en las paredes del cilindro de un motor. motor de inyección directa si las temperaturas de combustión son demasiado bajas (por ejemplo, arrancar el motor en frío). Los motores de inyección directa con cámara de combustión de esfera central MAN dependen de que el combustible se condense en las paredes de la cámara de combustión. El combustible comienza a vaporizarse sólo después de que se produce el encendido y arde con relativa suavidad. Por lo tanto, estos motores también toleran combustibles con características deficientes de retardo de encendido y, en general, pueden funcionar con gasolina de 86 RON . [200]
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 se limitó a considerar el uso de polvo de carbón (además de combustibles líquidos y gas); Su motor real fue diseñado para funcionar con petróleo , que pronto fue reemplazado por gasolina normal y queroseno para realizar más pruebas, ya que el petróleo resultó ser demasiado viscoso. [201] Además del queroseno y la gasolina, el motor diésel también podría funcionar con ligroína . [202]
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. [203] 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 específicos más bajos de:
Gasóleo para 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 : 9.150 kcal·kg −1 (38,3 MJ·kg −1 ) hasta 9.250 kcal·kg −1 (38,7 MJ·kg −1 )
Queroseno : hasta 10.400 kcal·kg −1 (43,5 MJ·kg −1 )
Fuente: [204]
Las primeras normas para combustibles diésel fueron la DIN 51601, la VTL 9140-001 y la OTAN F 54, que aparecieron después de la Segunda Guerra Mundial. [203] La moderna norma europea EN 590 para combustible diésel se estableció en mayo de 1993; la versión moderna del estándar NATO F 54 es prácticamente idéntica a él. La norma DIN 51628 sobre biodiesel quedó obsoleta con la versión 2009 de la EN 590; El biodiesel FAME cumple con la norma EN 14214 . Los motores diésel de las embarcaciones suelen funcionar con combustible diésel que cumple con la norma ISO 8217 ( Bunker C ). Además, algunos motores diésel pueden funcionar con gases (como el GNL ). [205]
Propiedades modernas del combustible diesel.
gelificar
El combustible diesel DIN 51601 tenía tendencia a encerarse o gelificarse en climas fríos; ambos son términos para la solidificación del gasóleo 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. [207] Para resolver este problema se utilizaron calentadores eléctricos de bajo rendimiento en los tanques de combustible y alrededor de las líneas de combustible. Además, la mayoría de los motores tienen un sistema de retorno de derrames , mediante el cual el exceso de combustible de la bomba del inyector y de los inyectores se devuelve al tanque de combustible. Una vez que el motor se ha calentado, devolver el combustible caliente 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 -15 °C. [208]
Seguridad
Inflamabilidad del combustible
El combustible diésel es menos inflamable que la gasolina porque su punto de inflamación es de 55 °C, [207] [209], lo que reduce el 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 propensa debido a su menor presión de vapor , que es un indicador de la tasa de evaporación. La Hoja de datos de seguridad de materiales [210] para el combustible diésel con contenido ultra bajo de azufre indica un riesgo de explosión de vapor para el combustible diésel en interiores, exteriores o alcantarillas.
Las características del diésel tienen diferentes ventajas para diferentes aplicaciones.
Carros pasajeros
Los motores diésel han sido populares durante mucho tiempo en los automóviles más grandes y se han utilizado en automóviles más pequeños, como los superminis, en Europa desde la década de 1980. Antes eran populares en los coches más grandes, ya que las penalizaciones por peso y coste eran menos notorias. [212] El funcionamiento suave y el 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 suave generación de par y, a partir de 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 turismos suelen tener entre tres y doce cilindros y una cilindrada de entre 0,8 y 6,0 litros. Los motores modernos suelen tener turbocompresor y inyección directa. [161]
Los motores diésel no sufren la estrangulación del aire de admisión, lo que da como resultado un consumo de combustible muy bajo, especialmente con carga parcial baja [213] (por ejemplo: conducción a velocidades urbanas). Una quinta parte de todos los turismos del mundo tienen motores diésel, y muchos de ellos se encuentran en Europa, donde aproximadamente el 47% de todos los turismos funcionan con diésel. [214] Daimler-Benz, en colaboración con Robert Bosch GmbH, produjo turismos con motor diésel a partir de 1936. [81] La popularidad de los turismos con motor diésel en mercados como India, Corea del Sur y Japón está aumentando (a partir de 2018). . [215]
Vehículos comerciales y camiones.
Vida útil de los motores diésel Mercedes-Benz [216]
En 1893, Rudolf Diesel sugirió que el motor diésel podría impulsar "vagones" (camiones). [217] Los primeros camiones con motor diésel salieron al mercado en 1924. [81]
Los motores diésel modernos para camiones deben ser extremadamente fiables y, al mismo tiempo, muy eficientes en el consumo de combustible. La inyección directa common-rail, el turbocompresor y cuatro válvulas por cilindro son de serie. Las cilindradas varían de 4,5 a 15,5 litros, con relaciones potencia-masa de 2,5 a 3,5 kg·kW −1 para motores de servicio pesado y de 2,0 a 3,0 kg·kW −1 para motores de servicio mediano. 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 se ha abandonado en favor de los motores rectos. Estos motores suelen ser de seis cilindros en línea para tareas pesadas y medianas y de cuatro cilindros en línea para tareas medianas. Su diseño bajo cuadrado provoca velocidades generales de pistón más bajas, lo que da como resultado una mayor vida útil de hasta 1.200.000 kilómetros (750.000 millas). [218] En comparación con los motores diésel de la década de 1970, la vida útil prevista de los motores diésel de camiones modernos se ha más que duplicado. [216]
En la década de 1940, los motores diésel de 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. Por lo general, se utilizaban motores de camiones normales. 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 utilizaron convertidores de par hidráulicos en su lugar. La transmisión diésel-eléctrica no era adecuada para motores tan pequeños. [222] En la década de 1930, Deutsche Reichsbahn estandarizó su primer motor DMU. Era una unidad bóxer de 12 cilindros y 30,3 litros (1.850 pulgadas cúbicas), que producía 275 caballos de fuerza métricos (202 kW; 271 hp). Varios fabricantes alemanes produjeron motores según esta norma. [223]
Moto acuática
Uno de los motores diésel Harland and Wolff – Burmeister & Wain de ocho cilindros 3200 IHP instalados en el barco Glenapp . Este fue el motor diésel de mayor potencia instalado hasta ahora (1920) en un barco. Observe al hombre parado abajo a la derecha para comparar el tamaño.Arranque manual de un motor diésel de 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 megavatios de un dígito. [219] Las embarcaciones pequeñas pueden utilizar motores diésel de camiones. 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 habituales, los motores de embarcaciones de dos tiempos utilizan fueloil muy viscoso . [1] Los submarinos suelen ser diésel-eléctricos. [221]
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 para barcos rusos. En la Primera Guerra Mundial, especialmente el desarrollo de motores diésel submarinos avanzó rápidamente. Al final de la guerra, se habían fabricado para uso marino motores de dos tiempos y pistones de doble efecto con hasta 12.200 CV (9 MW). [224]
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 , [225] o en varios aviones Junkers, que tenían motores Jumo 205. instalado. [101]
En 1929, en los Estados Unidos, Packard Motor Company desarrolló el primer motor diésel para avión, el Packard DR-980 , un motor radial de 9 cilindros refrigerado por aire . Lo instalaron en varios aviones de la época, algunos de los cuales se utilizaron en vuelos de resistencia o distancias récord, [226] [227] [228] [229] y en la primera demostración exitosa de comunicaciones radiofónicas tierra-aire. (La radio de voz hasta ahora era ininteligible en aviones equipados con motores de encendido por chispa, debido a interferencias electromagnéticas ). [227] [228] Las ventajas adicionales citadas en ese momento incluían un menor riesgo de incendio posterior al accidente y un rendimiento superior a grandes altitudes. [227]
El 6 de marzo de 1930, el motor recibió un Certificado de tipo aprobado (el primero para un motor diésel de avión) del Departamento de Comercio de EE. UU . [230] 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 acabar con el programa. [227]
Sin embargo, con la crisis energética de la década de 1970 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 aviones. Los motores de avión de pistón de alta compresión que funcionan con gasolina de aviación (" avgas ") generalmente requieren la adición de tetraetilo de plomo tóxico al avgas, para evitar el preencendido y la detonación del motor ; pero los motores diésel no requieren combustible con plomo. Además, el biodiesel puede, en teoría, proporcionar una reducción neta del carbono atmosférico en comparación con el gas natural. Por estas razones, la comunidad de la aviación general ha comenzado a temer la posible prohibición o interrupción del avgas con plomo. [8] [232] [233] [234]
Además, el avgas es un combustible especializado con una demanda muy baja (y en declive), en comparación con otros combustibles, y sus fabricantes son susceptibles a costosas demandas por accidentes de aviación, lo que reduce el interés de las refinerías en producirlo. Fuera de Estados Unidos, el avgas ya se ha vuelto cada vez más difícil de encontrar en los aeropuertos (y en general) que los combustibles menos costosos y compatibles con el diésel, como Jet-A y otros combustibles para aviones . [8] [232] [233] [234]
En los años siguientes, varias otras empresas desarrollaron motores diésel para aviones, o comenzaron a hacerlo [235] , en particular Continental Aerospace Technologies que, en 2018, informó que había vendido más de 5.000 motores de este tipo en todo el mundo. [8] [9] [237]
La Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos ha informado que "en 2007, varios aviones de pistón propulsados por reactores habían registrado más de 600.000 horas de servicio". [235] A principios de 2019, AOPA informó que un modelo de motor diésel para aviones de aviación general se está "acercando a la línea de meta". [238] A finales de 2022, Continental informaba que sus motores alimentados por "Jet-A" habían superado los "2000... en funcionamiento hoy", con más de "9 millones de horas" y estaban siendo "especificados por los principales fabricantes de equipos originales" para Cessna. Aviones , Piper , Diamond , Mooney , Tecnam , Glasair y Robin . [237]
En los últimos años (2016), los motores diésel también se han utilizado en aviones no tripulados (UAV), debido a su fiabilidad, durabilidad y bajo consumo de combustible. [239] [240] [241]
Motores diésel para uso fuera de 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 del combustible, la fiabilidad y la facilidad de mantenimiento son muy importantes para estos motores, mientras que la alta potencia 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 habituales de los motores diésel todoterreno varían mucho: las unidades más pequeñas comienzan con 3 kW y los motores más potentes son los de camiones pesados. [219]
Motores diésel estacionarios
Se están instalando tres grupos de alternadores diésel English Electric 7SRL en la central eléctrica de Saateni; Zanzíbar , 1955
Los motores diésel estacionarios se utilizan habitualmente para generar electricidad, pero también para alimentar compresores de frigoríficos 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 emiten 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 modo que la frecuencia de la red sea 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). [242]
Motores de bajo rechazo de calor.
Durante varias décadas se ha desarrollado una clase especial de prototipos de motores de pistón de combustión interna con el objetivo de mejorar la eficiencia reduciendo la pérdida de calor. [243] 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. [244] Generalmente son motores de pistón con partes de la cámara de combustión revestidas con revestimientos cerámicos de barrera térmica. [245] Algunos utilizan pistones y otras piezas hechas de titanio, que tiene una baja conductividad térmica [246] y densidad. Algunos diseños pueden eliminar por completo el uso de un sistema de refrigeración y las pérdidas parásitas asociadas. [247] El desarrollo de lubricantes capaces de soportar las temperaturas más altas involucradas ha sido una barrera importante para la comercialización. [248]
Futuros desarrollos
En la literatura de mediados de la década de 2010, los principales objetivos de desarrollo para los futuros motores diésel se describen como mejoras en las emisiones de escape, reducción del consumo de combustible y aumento de la vida útil (2014). [249] [161] Se dice que el motor diésel, especialmente el motor diésel para vehículos comerciales, seguirá siendo el motor de vehículos más importante hasta mediados de la década de 2030. Los editores suponen que la complejidad del motor diésel seguirá aumentando (2014). [250] 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). [251]
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enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con los motores diésel .
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Rudolf Diesel.
"Centro de información diésel". Asociación para el Control de Emisiones de 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 verlo y descargarlo de forma 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.º 608845 presentado en 1895
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