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DIESEL - Definición - Significado

Proyectado inicialmente para funcionar con carbón pulverizado, se diferenció después del ciclo ideado por Rudolf Diesel • El motor térmico de rendimiento más elevado y menos contaminante • Puede funcionar a 2 o a 4 tiempos • Su única desventaja de importancia: el peso

La característica técnica distintiva de esta categoría de motores alternativos de combustión interna, llamados también motores por compresión e inyección y con encendido espontáneo del combustible, está constituida por la elevada compresión de una carga no inflamable (usualmente, aire), tal que su aumento de temperatura al final de la carrera de compresión sea suficiente para encender espontáneamente el combustible inyectado.

Los motores Diesel están en ventaja termodinámica sobre las demás categorías de motores térmicos. Su rendimiento térmico más elevado permite una mejor utilización de los combustibles líquidos y gaseosos, por lo que son preferidos para potencias próximas a 3.000 CV. En el campo de las aplicaciones navales y en el de la generación de energía eléctrica de integración o para servicios punta, se adoptan motores Diesel de 2 tiempos y de simple efecto, girando a un número de vueltas bastante bajo (incluso hasta 120-180 rpm), capaces de desarrollar potencias motrices que alcanzan y superan 45.000 CV y quemando bien, con bajos consumos específicos, incluso aceites combustibles de refinería, llamados naftas.

Respecto a los otros motores térmicos, los Diesel presentan una reducción de consumo del orden de un tercio. Esta propiedad los hace particularmente aptos para su empleo en el campo de los transportes, ya sea en carretera o sobre carril, y en motonáutica. Tiene una mayor fiabilidad y son capaces de suministrar la plena potencia después de cortos períodos de calentamiento; en general requieren menor mantenimiento, pero tienen mayor volumen y peso unitario (6-7 kg/CV) y un coste más elevado. Su funcionamiento es más ruidoso y desprenden mayor cantidad de humos, con olores desagradables en el escape, en condiciones determinadas o por insuficiencia de mantenimiento.

En los motores Diesel pueden quemarse 3 tipos de aceites combustibles, precisamente: los aceites crudos (productos brutos petrolíferos); los aceites destilados de refinería (gas-oil y fuel-oil); las naftas y toda la gama de los combustibles gaseosos (en particular, los gases naturales y los gases de refinería), pero que requieren en general una inyección controlada de gas-oil para conseguir un encendido bueno y simultáneo.

En los Diesel que trabajan a velocidades medias de giro (600-1.200 rpm) y también con más razón en las velocidades para automovilismo, son quemados ventajosamente sólo los destilados de graduación adecuada (o bien los combustibles gaseosos), mientras que a baja velocidad de rotación (motonaves y motores fijos) se queman incluso las naftas.

La historia

Inicialmente los motores Diesel fueron adoptados casi exclusivamente en las instalaciones terrestres fijas; después de algunas aplicaciones iniciales esporádicas para la propulsión de pequeños barcos fluviales, hacia 1912 se llegó a la primera aplicación marítima y a las instalaciones en los sumergibles. En 1925 fueron empleados para locomotoras ferroviarias y, después en 1930, en la propulsión de autobuses, camiones y turismos.

La introducción de los sistemas de inyección mecánica permitió eliminar el compresor de aire, que incidía en cerca de un 7 % sobre el rendimiento del motor, simplificando el mecanismo de distribución y regulación del motor, y aumentar la velocidad de rotación, dando lugar a la aparición de motores menos voluminosos, pesados y costosos, más aptos para el campo de la locomoción. La inyección directa del aceite combustible fue introducida, en los años 1910-1911 casi simultáneamente, en Alemania por la Deutz Motorenfabrik y por la Benz und Cié. (Prosper l'Orange), y en Gran Bretaña por James McKennie. A partir de 1930, aquélla se fue generalizando gradualmente; en 1923 se inició la construcción de motores Diesel relativamente veloces y ligeros. Estos motores no respondían a la concepción de Rudolf Diesel y al ciclo de funcionamiento originario. Las diferencias principales estribaban en el desarrollo de las fases de inyección, encendido y combustión; esta última era mucho más rápida y estaba caracterizada por un veloz crecimiento de la presión. En efecto, en el proceso de la combustión aparecieron más o menos detectables 3 períodos sucesivos: el primero influido por el fenómeno del retardo del encendido (intervalo de tiempo en el cual se formaban focos de encendido y una combustión casi sin llama, caracterizado por un aumento de presión moderado); el segundo, que iniciándose desde los varios focos de encendido atacaba al aceite combustible inyectado en la cámara de combustión, caracterizado por un rápido aumento de la presión, y el tercero, por combustión más lenta, determinado por un pequeño incremento ulterior de la presión.

El motor Diesel de 2 o de 4 tiempos

El motor Diesel puede ser de 2 o de 4 tiempos. El motor de 4 tiempos funciona según el ciclo siguiente: aspiración de aire, directamente o por medio de un compresor; compresión de la carga de aire con fuerte relación de compresión (14-22) e inyección del combustible que se autoenciende; combustión y expansión, y escape de los productos de la combustión bajo la acción mecánica de empuje del pistón.

En el funcionamiento a *dos tiempos, el ciclo se cumple durante una sola vuelta del cigüeñal y, por consiguiente, en 2 carreras de los pistones en los cilindros. En el transcurso del ciclo se desarrollan las fases siguientes: recambio del ñuido actuante (barrido de los cilindros y recarga), compresión de la nueva carga, inyección del aceite combustible, su encendido e inicio de la combustión (primer tiempo del funcionamiento); en la segunda carrera se verifican el acabado de la combustión, la expansión de los productos de la combustión con producción de trabajo y el inicio del escape de los gases generales (escape por caída de presión). El funcionamiento a 2 tiempos permite eliminar 2 carreras, pero implica una alimentación del motor mediante un sistema mecánico (compresor de barrido y recarga). El compresor envía el aire con ligera presión a los cilindros y está generalmente formado por una bomba centrífuga o rotativa de alabes (en el pasado, también alternativa de émbolos); en los motores pequeños puede estar alojada en el cárter, pero en

tal caso existe el peligro de un recambio incompleto de aire.

Por efecto de la presencia de las lumbreras de distribución, la relación de compresión efectiva resulta inferior a la geométrica: la parte de carrera desde el punto muerto inferior a la altura de las lumbreras de distribución no contribuye a la compresión. Debe indicarse que, también en el caso de un motor de 4 tiempos, la relación de compresión efectiva difiere ligeramente de la geométrica. No se consigue que la potencia desarrollable por un motor Diesel a 2 tiempos con alimentación mecánica usual, alcance nunca el doble de la potencia desarrollada con un motor equivalente de 4 tiempos con alimentación por aspiración.

Los motores Diesel sobrealimentados

La sobrealimentación, obtenida a raíz de la utilización de un compresor de aire, permite alcanzar considerables incrementos de la potencia específica (CV/1), ya sea en el caso de funcionamiento de 4 tiempos o bien en el caso de 2 tiempos; por tal motivo se ha difundido rápidamente en casi todas las aplicaciones marítimas y terrestres, con una incidencia menor en el campo de los automóviles.

En los motores sobrealimentados, la introducción del aire y el escape de los gases quemados tiene lugar a niveles de presión considerablemente más altos que la presión atmosférica (los niveles son tanto más elevados cuanto mayor es el grado de sobrealimentación adoptado); para comprimir el aire hasta las elevadas presiones requeridas por el funcionamiento, se debe consumir una energía mecánica en proporción considerablemente mayor que la necesaria para un compresor de alimentación mecánica de un motor de funcionamiento a 2 tiempos no sobrealimentado. Si los gases de escape están a niveles de presión suficientemente altos, una solución ventajosa, muy usada, consiste en aplicar a los motores Diesel un grupo auxiliar formado por una turbina de gases de escape, que acciona un compresor centrífugo. Si bien los gases de escape tienen en general un contenido energético del orden de 2-3 veces el teóricamente requerido para la compresión del aire, como ello corresponde casi a la disponibilidad total, la energía debe racionarse.

El aumento del grado de sobrealimentación de un motor Diesel implica incrementos, ya de la presión media jDme, en beneficio del ahorro de la potencia motriz desarrollable, ya de la presión máxima p^* del ciclo de funcionamiento, que comporta un aumento de las solicitaciones mecánicas y requiere por ello mayor consistencia para los órganos del motor. En los motores Diesel de media velocidad la relación pméx/Pme es del orden de 10; en los más rápidos, incluso mayor que 10. La habilidad de los proyectistas se manifiesta en la investigación para limitar los valores de las presiones máximas del ciclo de funcionamiento y, por consiguiente, para reducir los valores de la relación pmé.x/pme, ya sea en motores con alimentación ordinaria, ya, incluso más, en los sobrealimentados.

La inyección de una masa de fluido (el gas-oil) proporcionalmente pequeña respecto a la del aire comprimido y a velocidad elevada induce un inicio muy veloz del proceso de combustión y con un proceso casi a volumen constante. Se ha demostrado que el valor de la relación pm&x/Pme es un factor determinante del valor de la relación peso/potencia del motor, puesto que la potencia es función directa de la Pme y el peso, o sea, una mayor o menor robustez para los órganos operativos del motor depende del valor de lapmáX.

Esta relación es desfavorable para los motores Diesel respecto a los motores de gasolina que funcionan según el ciclo de Otto: es el precio que se debe pagar a costa de los más elevados valores de las relaciones de compresión y de expansión en los motores Diesel, pero que determinan un elevado rendimiento térmico. El progresivo crecimiento de estas relaciones en los motores de gasolina, si bien en medida mucho menor que para los motores Diesel muy rápidos para los automóviles, y los continuos progresos metalúrgicos y tecnológicos-mecánicos en el campo de los materiales empleados para la construcción de los Diesel rápidos, tienden a acercar cada vez más ambos tipos de motores.

Las cámaras de combustión

Se han realizado amplias e intensas investigaciones experimentales de una manera sistemática, conducentes a determinar cuál es el procedimiento de inyección más adecuado y cuáles son las formas y los perfiles más ventajosos que hay que dar a las cámaras de combustión de los motores Diesel para conseguir procesos de combustión completos, que impidan el conocido fenómeno del Diesel-knock y los ruidos excesivos, defectos que se pusieron de manifiesto en el período inicial del desarrollo de los motores Diesel muy rápidos.

El problema reside, de modo principal, en conseguir que cada minúscula partícula del aceite combustible sea puesta rápidamente en contacto con el oxígeno, o sea con el aire necesario para quemar por completo en el breve período de tiempo del proceso de combustión, pero evitando dar lugar a un funcionamiento duro del motor y a una pm&x proporcionalmente demasiado elevada. Existen, en definitiva, 2 alternativas principales válidas.

- imprimir al aceite combustible, con dependencia de una inyección a presión muy elevada, una velocidad tal que sus gotas puedan alcanzar todas las zonas, incluso las más alejadas, de la cámara de combustión;

- generar en el aire comprimido una turbulencia rotacional tal, que sea capaz de envolver todas las partículas del aceite combustible que entran en la cámara de combustión.

Con el primer procedimiento de inyección, cualquier movimiento rotacional del aire es sólo complementario, si bien resulta ventajoso (apantallamiento parcial del platillo de la valvula de introducción del aire en la cámara de combustión, ideado por Hesselman en 1930); el segundo procedimiento puede ser resuelto con diversas soluciones consistentes en la adopción de cámaras de turbulencia, o bien de antecámaras de encendido, con las cuales se genera un remolino de aire preparado, o bien una turbulencia general en la masa de aire comprimido durante la inyección del aceite combustible.

Los estudios y las pruebas experimentales de Harry Ricardo pusieron de relive que el brusco aumento de presión, que se verifica en torno al PMS, está compuesto de 3 partes: retardo del encendido, encendido en la primera fase de la combustión, que sucede en un tiempo muy breve y determina un rápido aumento de presión (transformación casi a volumen constante), y combustión más lenta, al final de la cual se registra la máxima presión del ciclo. Es preciso destacar que las 3 fases indicadas no son siempre diferenciables, y sólo sobre la última es posible ejercer alguna acción reguladora, mediante un riguroso control de la operación de inyección del gas-oil, más fácilmente efectuable en caso de inyección neumática.

Los factores que influyen mayormente en el fenómeno del retardo en el encendido del aceite combustible son los siguientes: características motorísticas de los gas-oil y de los aceites Diesel; presiones y temperaturas finales de compresión; características técnicas del conjunto de inyección (bomba e inyector), y forma, perfil, y dimensiones de la cámara de combustión.

En bases a las investigaciones de H. Ricardo ha resultado que el tiempo infinitesimal en el cual tienen lugar el encendido y la primera fase de la combustión, tiende a permanecer invariable a los distintos regímenes de giro y cargas de motor; por esto corresponde un mayor ángulo para el recorrido de manivela a las elevadas velocidades de rotación del motor, requiriendo un mayor avance en la inyección. La segunda fase cubre, a la vez, un ángulo de manivela de valor bastante constante a los distintos regímenes de rotación del motor.

Las cámaras de combustión más difundidas de los motores Diesel por inyección mecánica directa tienen, en general, una cavidad de forma semiesférica o toroidal, excavada en el pistón, caracterizada por un valor relativamente bajo para la relación superficie/volumen, que permite mantener las pérdidas de calor en un valor mínimo. El aceite Diesel es introducido mediante un inyector, llamado cerrado, puesto que está provisto de un obturador de aguja, que tiene 2 o más agujeros (un promedio de diámetro de 0,2 mm para motores de automóviles), y a presiones del orden de 300 kg/cm2, y por consiguiente a velocidad muy elevada, tal que asegura una suficiente penetración de las gotas de gas-oil en la masa de aire comprimido. La mezcla es acelerada por la presencia de una turbulencia residual, generada en el momento de la introducción del aire en el cilindro por un adecuado apantallamiento parcial, aplicado al platillo de la válvula de introducción. Las ventajas de este sistema de inyección son esencialmente las siguientes: posibilidad de adoptar relaciones de compresión de valores relativamente bajos (13-15); supresión de la bujía auxiliar de encendido para los arranques en frío; obtención de presiones medias efectivas relativamente elevadas y, por tanto, altas potencias y buen rendimiento termodinámico. Pero, al mismo tiempo, son mucho más elevados los valores de la relación pmáx/pme, subsistiendo la tendencia a funcionamientos más duros de los motores.

Un tipo particular de cámara de combustión es la que tiene antecámara, introducida por la Benz Motorenfabrik; el volumen de la antecámara constituye cerca del 40 % del espacio interno, destinado al desarrollo del proceso de combustión. El aceite Diesel se enciende y se quema parcialmente, generando movimientos de turbulencia, que empujan la carga hacia el cilindro; en el intervalo entre la antecámara y el cilindro la turbulencia se acrecienta, favoreciendo la mezcla completa de aceite y aire. Esta disposición está caracterizada por un notable efecto refrigerante durante este paso, debido a la elevada velocidad media del flujo, y de las pérdidas inherentes de calor, así como un menor rendimiento térmico. Se requiere, además la ayuda de una bujía auxiliar de encendido. Este procedimiento de inyección tiene 3 ventajas: limitación para la pmé.x'. marcha menos dura del motor, y escape de los gases de la combustión más limpio. Sin embargo, esto no compensa el menor rendimiento térmico y la menor potencia específica.

Entre los tipos más difundidos de cámara de combustión por turbulencia controlada para la carga de aire, reviste especial relieve la proyectada por Harry Ricardo, el cual entrevio lo importante de impartir al aire un movimiento en dirección tangencial, por tanto, turbulento en torno al eje principal del cilindro, y capaz de persistir como torbellino libre durante toda la carrera de compresión del pistón y de adquirir mayor velocidad en una cámara de menores dimensiones que las del cilindro. Efectuando la inyección del gas-oil perpendicularmente a la dirección del torbellino, se conseguía una distribución rápida y completa de las partículas del aceite en la masa de aire comprimido, y este hecho permitía el empleo de una menor presión de inyección (del orden de 180-150 kg/cm2) y garantizaba un consumo específico favorable. Los sucesivos desarrollos de la cámara de turbulencia, según la concepción de Harry Ricardo, han conducido al tipo aún difundido, llamado Ricardo Comet, que actualmente se incluye con preferencia como cavidad en el pistón. Desde la forma originaria semiesférica se ha pasado, en el curso de su desarrollo, a la denominada Whirlpool, caracterizada por un aplanamiento en sentido vertical y por 2 conductos dispuestos de forma que generan un torbellino en torno del eje vertical. Una característica de las patentes Ricardo protegía la bujía de encendido, semiaislada térmicamente y formando la porción inferior de la cámara, alojándose en la culata. El arranque se ha ido simplificando, con la solución patentada por Ricardo-Pintaux, que emplea un segundo inyector más pequeño y distintamente orientado en lugar de la bujía de encendido.

Un sistema de doble turbulencia es el de Sau-rer, que en las realizaciones modernas emplea 2 válvulas de introducción con platillos parcialmente apantallados y 2 válvulas para el escape de los gases quemados; los 2 movimientos de turbulencia están superpuestos. El inyector está provisto de 4 agujeros, relativamente de gran diámetro y en dirección radial, la presión de inyección del aceite puede ser más moderada y, si la relación volumétrica de compresión es igual o superior a 15, no es necesaria la bujía auxiliar de encendido. Dado el intenso grado de turbulencia que se consigue, el período de retardo en el encendido es mucho más breve.

Una innovación reciente, derivada de las iniciativas de perfeccionamiento de los procesos de combustión para los motores policarburantes, a exigencias de la motorización miliar, está constituida por el desarrollo de motores de carga estratificada, para cuya realización intentó prevenir, pero en vano, con una genial intuición precursora, Nikolaus August Otto en los últimos decenios del siglo pasado. La estratificación, o sea la formación de la carga por varias capas de distinta dosificación, debe resultar compatible con el desarrollo de una turbulencia suficiente, y esta última debe ser tanto más intensa cuanto más rápido sea el motor. En efecto, la turbulencia tiende a contrarrestar la estratificación y a neutralizarla; este hecho constituye la mayor dificultad sobre el plano fluidodinámico. Los motores de carga estratificada, caracterizados por relaciones carrera/diámetro inferiores a la unidad, tienen mejor rendimiento térmico y menores emisiones contaminantes y, en definitiva, deberían acumular las características técnicas más ventajosas de los 2 tipos de funcionamiento; el de Diesel y el de Otto. Las experiencias actuales, iniciadas en los Estados Unidos y después extendidas a varias naciones, aparecen prometedoras y capaces de aportar un buen tributo para una eficaz limitación de la contaminación automovilística.

El dispositivo para la inyección del aceite Diesel se compone de una bomba de inyección, la cual en los motores Diesel para automóviles lleva tantos elementos bombeantes como cilindros el motor, otras tantas tuberías de cierre, todas de una misma longitud y los inyectores son sus respectivos soportes. En las aplicaciones automovilísticas, a la bomba de inyección se acopla usualmente una bomba de alimentación.

Los motores Diesel rápidos para automóviles

Los progresos obtenidos por lo que concierne al aumento de la velocidad de rotación y el acercamiento del ciclo de funcionamiento al teórico con combustión a volumen constante y de la constitución y estructura del motor, en la medida de lo posible, a la de los motores de gasolina, han permitido reducir progresivamente el tamaño y el peso unitario (por unidad de potencia motriz desarrollable), si bien conservando las características térmicas más favorables, que son las siguientes:

- relación volumétrica de compresión muy elevada, hasta 22 valores superiores;

- mayor turbulencia en la cámara de combustión;

- mejor compatibilidad para un funcionamiento por carga estratificada;

- encendido espontáneo del combustible (excepto en la fase de arranque del motor en frío, que viene facilitado mediante una bujía auxiliar);

- consumo específico de combustible más bajo y cuyo precio es del orden de la mitad del de la gasolina;

— menores emisiones contaminantes en el escape.

El actual motor Diesel para automóviles es muy rápido (4.800-5.000 rpm) y se caracteriza por: la adopción de relaciones carrera/diámetro inferiores a la unidad y tendentes al valor de 0,9; cámaras de combustión con antecámara de elevada turbulencia; relaciones de compresión elevadas, que llegan incluso hasta 22,2 (valor referido al Peugeot 204 Diesel, uno de los motores Diesel más rápidos que existen), y presiones de inyección del aceite Diesel del orden de 120-160 kg/cm2.

El aceite Diesel es encendido en la antecámara, donde inicia el proceso de combustión, que se desarrolla en presencia de un notable exceso de aire en la cámara del cilindro; las substancias combustibles son casi enteramente quemadas y los gases de escape resultan casi exentos de monóxido de carbono y de hidrocarburos parcialmente quemados.

Los motores Diesel para los automóviles modernos tienen, en general, un tamaño más o menos parecido al de sus equivalentes motores de gasolina, sin necesidad de carburadores, bobina ni delco. Su relación peso/potencia es superior, debido al mayor grosor de las paredes y de los eJes, como consecuencia de las características tecnológico-mecánicas de los materiales empleados, capaces de soportar las mayores solicitaciones, debidas a su más elevadas presiones máximas de funcionamiento. En particular, el cigüeñal requiere un tratamiento especial an-tigripado, análogo a los usados para los motores de gasolina de los automóviles de elevadas prestaciones y de competición. Por otra parte, las mayores exigencias en el circuito de refrigeración, especialmente en la culata, son función de las mayores temperaturas de funcionamiento y de las mayores cargas térmicas y dinámicas.

En definitiva, los factores esencialmente a favor de la solución Diesel son: un mayor rendimiento térmico (r¡( 40,5 % en lugar de un 33 % en los motores de gasolina) y menor consumo específico de combustible, y la menor contaminación en el escape, debida a la combustión más completa de las substancias combustibles y también a la menor cantidad de combustible requerido, a igualdad de prestaciones del automóvil.

Los factores desfavorables son: mayor peso del conjunto motor a igualdad de potencia desarrollable; mayor precio del motor; ruido de funcionamiento ligeramente mayor, y mantenimiento más difícil, sobre todo por el dispositivo de inyección.

Es igualmente ventajoso en general, ya sea en el plano económico ya en el tecnológico, la adopción de la solución Diesel para los taxis (hoy en día muy difundida y con resultados muy favorables), para los vehículos destinados a los servicios públicos, y a los transportes urbanos de mercancías y para todos aquellos vehículos que corren muchos miles de kilómetros al año, para los que el mayor gasto inicial para la adquisición del automóvil y el de un buen mantenimiento pueden ser fácilmente amorti-tizados en el curso de unos pocos años.

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