Los motores diesel.

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Para diferenciar de forma coherente el motor de gasolina del motor diésel, debemos atender al menos a tres aspectos fundamentales:

a) Sus principios termodinámicos;
b) Su fabricación y elementos que lo constituyen;
c) Sus aspectos económicos y prácticos en la Automoción.


Al estudiar sus principios termodinámicos, antes de comenzar con sus ciclos característicos, debemos recordar algunos conceptos, que nos ayudarán a su mejor comprensión.

Ante todo recordemos que los gases se caracterizan por estar constituidos por una materia informe y sin volumen propio, que toma la forma del recipiente que la contiene y que tienden a ocupar un volumen mayor, que el de dicho recipiente (expansibilidad.
Por otra parte, si se intenta disminuir el volumen ocupado por una cantidad determinada de gas, la reacción elástica de éste aumenta. Esta reacción es lo que denominamos presión y es el resultado de la compresibilidad de los gases (propiedad de ocupar un espacio menor.
Podemos definir la presión de un gas como la fuerza ejercida por el mismo sobre la unidad de superficie (generalmente el cm2) que lo encierra y se puede medir en kg/cm2, en atmósferas, o en bares (1 atmósfera = 1,033 Kg/cm2 ; 1 kg/cm2 = 0,98 bares.

Las Leyes de Boyle-Mariote y de Gay Lussac establecen la relación entre la presión y el volumen a temperatura constante (P.V = R.T, en la que P es la presión del gas; V, el volumen ocupado por el mismo; T, la temperatura del gas y R, una constante empírica. Las evoluciones de un gas sin intercambio de calor con las paredes del recinto que lo contiene, se llaman proceso adiabático.

En 1.823 Carnot enunció un ciclo ideal, Ciclo de Carnot, que se compone de 4 etapas: Admisión, o compresión isotérmica; Compresión, o compresión adiabática; Combustión, o expansión isotérmica y la Escape, o expansión adiabática y que corresponden en su primera fase Admisión de aire puro, a la introducción de una masa gaseosa en un cilindro, su compresión por el pistón a temperatura constante (refrigerando dicho cilindro durante esta fase); en su segunda fase Compresión, se cesa la refrigeración del cilindro y se sigue la compresión rápidamente, de manera que no se efectúe ningún intercambio de calor entre los gases y el cilindro; en su tercera fase inyección del combustible (Combustión), mientras dura la compresión isotérmica, el cilindro refrigerado (expansión isotérmica) debe ser recalentado para mantener la temperatura constante y en la cuarta fase Escape de los gases quemados, sigue la expansión, pero se detiene el calentamiento del cilindro para que se realice sin intercambio de calor entre cilindro y masa gaseosa y así ésta puede recuperar el volumen y la presión, que tenía al principio del ciclo

Igualmente recordemos que la potencia (P) de un motor es directamente proporcional al par motor (M) del mismo y al régimen de revoluciones (w) a que está sometido (P = K. M.w), siendo K una constante empírica y que, si medimos el par en m x kg y el régimen, en r.p.m., el valor de K es de 1/716, si queremos obtener el valor de la potencia en caballos de vapor (CV).
Esta potencia del motor se mide en el cigüeñal por medio de unos bancos de prueba, dotados de un freno mecánico, o eléctrico (dinamómetro), por lo que recibe el nombre de potencia al freno.

El motor colocado en el banco puede estarlo con todos los elementos accesorios capaces de consumir esfuerzo, desmontados (bomba de agua, de combustible, ventilador, alternador, filtros de aceite y aire, silencioso, etc) y además realizarse varias medidas (cada 200 rpm), realizando cada vez la puesta a punto del mismo, con lo que se consiguen valores máximos cada vez. Entonces la medida así obtenida se llama potencia SAE y es preconizada por la industria norteamericana.

Si se hace con todos los accesorios desmontados y sin retocar los ajustes (puesta a punto) se denomina potencia DIN y es defendida por Alemania.
Existe una forma intermedia (italiana) que realiza la prueba con los accesorios desmontados, pero realizando los ajustes citados y se llama potencia CUNA.

Se suele usar la potencia DIN, o en casos de índole comercial, la SAE por ser alrededor de un 10% a un 15% mayor y por tanto más favorable publicitariamente.

También es preciso recordar el concepto de potencia específica (potencia máxima que puede suministrar el motor por litro de cilindrada) ya que, cuando ésta se mantiene más o menos constante en un intervalo amplio del régimen, el motor es elástico y se recupera rápidamente sin necesidad de cambiar de marcha.

Recordados estos conceptos generales, pasemos a estudiar los Ciclos Otto y Diesel, partiendo de un motor de gasolina de 4 tiempos (4 carreras del pistón por cada 2 vueltas del cigüeñal), o sea en un ciclo Otto:
En el primer tiempo, en carrera descendente, se produce la admisión de aire-combustible.
En el segundo, en carrera ascendente, se produce la compresión.
En el tercero, en carrera de nuevo descendente, el encendido y explosión (tiempo de expansión).
Finalmente, en el cuarto, ascendiente de nuevo, el escape de los gases quemados.

En un ciclo Diesel:
Corresponde el primer tiempo con una carrera descendente en la que se produce la admisión de aire puro. El segundo tiempo, carrera ascendente, con una compresión de este aire. El tercer tiempo, con otra carrera descendente, con la inyección del combustible, combustión y expansión y finalmente, el cuarto tiempo, con una carrera ascendente con escape de los gases quemados.

De hecho el ciclo real es sensiblemente distinto del ciclo teórico.

El ciclo Diesel, a presión constante consta a su vez de una primera fase, o compresión adiabática del aire puro previamente aspirado; una segunda fase, combustión a presión constante; una tercera fase, o expansión adiabática y una cuarta fase, o descenso brusco de la presión.
En la primera fase el aire puro anteriormente aspirado se comprime y adquiere una temperatura suficiente como para provocar el autoencendido del combustible inyectado; en la segunda fase y al principio de la expansión, la combustión se realiza a presión constante, mientras el volumen aumenta.
La dilatación de los gases compensa la caída de presión debida a este aumento de volumen; en la tercera fase la expansión se efectúa sin intercambio de calor con las paredes del cilindro y en la cuarta fase la apertura instantánea del escape produce un descenso muy rápido de la presión, mientras el pistón se mantiene en el punto muerto (volumen constante).

En cuanto a su fabricación y elementos que los constituyen, diremos que después de haber desplazado en un tiempo el motor diesel al de gasolina, sobre todo en sus aplicaciones de propulsión de vehículos, usos industriales, navales y agrícolas, por las causas que más adelante expondremos, si bien la fabricación del motor diesel es más cara y alguno de sus dispositivos auxiliares (refrigeración, filtrado de combustible, etc) son de coste más elevado que los de gasolina, hoy día se ha llegado con las grandes producciones en serie a un menor coste, que los iguala casi a los de gasolina, máxime con la incorporación en éstos de las nuevas técnicas de la inyección de gasolina.

El bloque motor es similar en ambos tipos de motores, si bien el dimensionado de los mismos es mayor en el diesel por trabajar éstos bajo cargas mayores. Suelen ser de fundición perlítica y llevar camisas recambiables (generalmente húmedas) con una pestaña de tope en su parte superior (en los Diesel).

Los pistones en estos motores desempeñan múltiples funciones, por lo que se diferencian de los de gasolina en la forma del fondo y en la cabeza, que dependen del sistema de inyección utilizado; en el perfil de la falda, actualmente en óvalo progresivo curvilíneo; en la disposición de los segmentos (en ocasiones alojados en gargantas postizas) y en la altura del eje; su espesor en la cabeza es superior por las presiones y condiciones térmicas a que son sometidos.

También difieren en el árbol de levas en los casos en que el motor diesel esté equipado de inyectores-bomba.
La culata suele diferir bastante en uno y otro caso, ya que los de gasolina suelen ser de una sola pieza y en los diesel acostumbra a disponerse de una culata por cada 3 cilindros, o una individual por cada uno de ellos. La disposición de los conductos de agua es diferente, pues los Diesel deben refrigerar no sólo las cámaras de turbulencia, sino los inyectores. También puede serlo la disposición en la misma de una parte de la cámara de turbulencia, mecanizada en la misma.

Finalmente el sistema de inyección diesel en cualquiera de sus modernos procedimientos de common-rail, inyectores-bomba, control electrónico, etc, constituyen un elemento diferenciante respecto a los de gasolina.
En lo tocante a sus aspectos económico y práctico vemos que los diesel tienen un mejor rendimiento térmico gracias a su elevado grado de compresión y a que su combustión se efectúa con un exceso de aire, pudiendo llegar a un 60% frente a un 45% en algunos de gasolina. Además el poder calorífico del diesel es superior al de la gasolina.

El consumo específico del diesel es inferior, lo que unido al menor precio del gasoil, es un elemento determinante en el transporte de mercancías; sobre todo al ralentí; la relación de consumos es de 1 a 4 , lo que lo hace particularmente adecuado para la distribución (furgonetas).
La duración de la vida del motor es asimismo superior en el diesel, que en el de gasolina (hasta 3 veces) y su valor residual es también mayor.

Otro punto favorable es la facilidad de puesta en marcha a bajas temperaturas, que los gases de escape sean menos tóxicos y que el peligro de incendio sea menor, pues el gasoil es menos volátil que la gasolina y sus vapores necesitan temperaturas de 80ºC para inflamarse, mientras que los de la gasolina lo hacen a 20ºC.

Sin embargo como negativos diremos que tanto el motor Diesel como su equipamiento es más pesado que los motores de gasolina; es más caro de construir, como hemos dicho; su mantenimiento es laborioso.
En general y además, pese a los avances conseguidos, es más ruidoso que el de gasolina.

EL MOTOR DIESEL
Rudolf Diesel desarrolló la idea del motor diesel y obtuvo la patente alemana en 1892. Su logro era crear un motor con alta eficiencia. Los motores a gasolina fueron inventados en 1876 y, específicamente en esa época, no eran muy eficientes.

Las diferencias principales entre el motor a gasolina y el Diesel eran:
Un motor a gasolina succiona una mezcla de gas y aire, los comprime y enciende la mezcla con una chispa. Un motor diesel sólo succiona aire, lo comprime y entonces le inyecta combustible al aire comprimido. EL calor del aire comprimido enciende el combustible espontáneamente.
Un motor diesel utiliza mucha más compresión que un motor a gasolina. Un motor a gasolina comprime a un porcentaje de 8:1 a 12:1, mientras un motor diesel comprime a un porcentaje de 14:1 hasta 25:1. La alta compresión se traduce en mejor eficiencia.

Los motores diesel utilizan inyección de combustible directa, en la cual el combustible diesel es inyectado directamente al cilindro. Los motores a gasolina generalmente utilizan carburación en la que el aire y el combustible son mezclados un tiempo antes de que entre al cilindro, o inyección de combustible de puerto en la que el combustible es inyectado a la válvula de succión (fuera del cilindro). 

El motor diesel no tiene bujía, se toma el aire y lo comprime, y después inyecta el combustible directamente en la cámara de combustión (inyección directa). Es el calor del aire comprimido lo que enciende el combustible en un motor diesel.

De cualquier forma, el inyector en un motor diesel es el componente más complejo y ha sido objeto de gran experimentación -en cualquier motor particular debe ser colocado en variedad de lugares-. El inyector debe ser capaz de resistir la temperatura y la presión dentro del cilindro y colocar el combustible en un fino rocío. Mantener el rocío circulando en el cilindro mucho tiempo, es también un problema, así que muchos motores diesel de alta eficiencia utilizan válvulas de inducción especiales, cámaras de pre-combustión u otros dispositivos para mezclar el aire en la cámara de combustión y para que por otra parte mejore el proceso de encendido y combustión.

Una gran diferencia entre un motor diesel y un motor a gasolina está en el proceso de inyección.
La mayoría de los motores de autos utilizan inyección de puerto o un carburador en lugar de inyección directa. en el motor de un auto, por consiguiente, todo el combustible es guardado en el cilindro durante el choque de succión, y se quema todo instantáneamente cuando la bujía dispara. Un motor diesel siempre inyecta su combustible directamente al cilindro, y es inyectado mediante una parte del choque de poder. Esta técnica mejora la eficiencia del motor diesel.

La mayoría de motores diesel con inyección indirecta traen una bujía encandescente de algún tipo que no se muestra en la figura. Cuando el motor diesel está frío, el proceso de compresión no puede elevar el aire a una temperatura suficientemente alta para encender el combustible. La bujía encandescente es un alambre calentado eléctricamente (recuerde los cables calientes que hay en una tostadora) que ayuda a encender el combustible cuando el motor está frío.
1ª parte

COMBUSTIBLE DIESEL
Si usted ha comparado el combustible diesel y la gasolina, sabrá que son diferentes. Huelen diferente. El combustible diesel es más pesado y aceitoso. El combustible diesel se evapora mucho más lento que la gasolina -su punto de ebullición es más alto que el del agua-. Usted oirá a menudo que al combustible diesel lo llaman aceite diesel por lo aceitoso.
El combustible diesel se evapora más lento porque es más pesado. Contiene más átomos de carbón en cadenas más largas que la gasolina (la gasolina típica es C9H20 mientras el diesel es típicamente C14H30). Toma menos tiempo refinar para crear el combustible diesel, ya que es generalmente más barato que la gasolina.

El combustible diesel tiene una densidad de energía más alta que la gasolina. En promedio, un galón de combustible diesel contiene aproximadamente 147x106joules, mientras que un galón de gasolina contiene 125x106joules. Esto, combinado con la eficiencia mejorada de los motores diesel, explica porqué los motores diesel poseen mejor kilometraje que el equivalente en gasolina.