Funcionamiento y Tipos de Motores Diésel: Características Esenciales

Principios Fundamentales del Motor Diésel

El motor diésel se distingue por varias particularidades clave en su funcionamiento, que lo diferencian de otros motores de combustión interna.

Características Clave

• En la admisión, se introduce solamente aire, que se mezcla con el combustible directamente en el cilindro.
• Dispone de un sistema de inyección que introduce el combustible pulverizado a alta presión.
• La inflamación se obtiene por el contacto con el aire a una alta temperatura, resultado de la compresión, sin necesidad de bujía.

Combustible Diésel

El combustible principal utilizado es el gasóleo, con las siguientes propiedades:

• Tiene una densidad de 0,81 a 0,85 kg/L a 15ºC.
• Su poder calorífico es de aproximadamente 10.000 kcal/kg.
• El Índice de Cetano mide su facilidad de inflamación: a mayor índice, menor tiempo y energía necesitará para inflamarse.

Formación de la Mezcla

La mezcla de aire y combustible se forma dentro del cilindro, al final de la fase de compresión. Dado el poco tiempo disponible para su formación, es crucial que el aire comprimido alcance altas temperaturas y adquiera una gran turbulencia para asegurar una combustión lo más completa posible.

• Motores de inyección directa: Presentan una turbulencia de aire relativamente baja.
• Motores de inyección indirecta: Generan altas turbulencias para una mejor mezcla.

Encendido por Compresión

El combustible es inyectado cuando el aire comprimido alcanza una temperatura superior a los 500ºC. El encendido se produce antes de que el pistón llegue al Punto Muerto Superior (PMS), optimizando el proceso de combustión.

Carga del Cilindro

La carga del cilindro debe ser la máxima posible, ya que una mayor cantidad de aire facilita una combustión más completa. La regulación de la potencia se realiza mediante el pedal del acelerador, que actúa directamente sobre la cantidad de combustible inyectado, a diferencia de los motores de gasolina que regulan el aire.

Constitución y Ciclo de Funcionamiento

Constitución General

La constitución del motor diésel es prácticamente idéntica a la de los motores Otto (gasolina), con las principales diferencias residiendo en:

• La forma de la cámara de combustión.
• El sistema de inyección de combustible.

Es un motor diseñado para soportar y desarrollar altas presiones tanto en la fase de compresión como en la de combustión, alcanzando temperaturas muy elevadas.

Ciclo Teórico del Motor Diésel

El ciclo de cuatro tiempos del motor diésel se describe detalladamente a continuación:

• Admisión: El pistón desciende desde el Punto Muerto Superior (PMS) hasta el Punto Muerto Inferior (PMI). La válvula de admisión (V.A.) se abre al inicio y se cierra al final de esta fase, permitiendo la entrada de aire puro.
• Compresión: El pistón asciende desde el PMI, comprimiendo el aire. El volumen de aire se reduce entre 14 y 22 veces su volumen original en la cámara de combustión, elevando drásticamente su temperatura.
• Inyección, Combustión y Expansión: Justo antes de que el pistón alcance el PMS, se inyecta el combustible pulverizado, que se inflama espontáneamente al contacto con el aire caliente. Durante esta fase, la presión no varía significativamente al inicio. Los gases resultantes de la combustión se expanden, empujando el pistón desde el PMS hasta el PMI. Esta es la única fase que aporta trabajo al motor.
• Escape: La válvula de escape se abre y el pistón asciende desde el PMI hasta el PMS, expulsando los gases quemados fuera del cilindro.

Compresión en Motores Diésel

La inflamación del combustible diésel a altas temperaturas requiere un alto grado de compresión para elevar suficientemente la temperatura del aire. Las presiones alcanzadas al final de la compresión oscilan entre 30 y 60 bares.

• Motores de inyección directa: Relaciones de compresión típicas entre 16:1 y 19:1.
• Motores de inyección indirecta: Relaciones de compresión más altas, entre 20:1 y 23:1.

Proceso de Combustión

El carburante no se inflama instantáneamente; existe un retardo debido a la necesidad de mezclarse con el aire y alcanzar la temperatura adecuada. Para una combustión eficiente, son esenciales los siguientes factores:

• Alta temperatura al final de la compresión.
• Gran turbulencia del aire comprimido.
• Buena pulverización del combustible inyectado.
• Suficiente oxígeno para una combustión completa.

Sobrealimentación en Motores Diésel

Concepto de Sobrealimentación

La sobrealimentación consiste en forzar la entrada de aire en el cilindro. Esto se logra mediante un dispositivo en el conducto de admisión que comprime el aire antes de introducirlo. Al introducir más aire en el mismo volumen, se permite quemar una mayor cantidad de combustible, aumentando así la potencia del motor.

El Turbocompresor

El turbocompresor es el sistema de sobrealimentación más común. Su funcionamiento se basa en:

• Aprovecha la velocidad de salida de los gases de escape para hacer girar una turbina.
• Esta turbina está acoplada a un eje que, en su otro extremo, acciona un compresor centrífugo.
• El compresor eleva la presión del aire en el conducto de admisión, incrementando la masa de aire que entra al cilindro.
• Una ventaja clave es que no absorbe potencia directamente del motor, ya que utiliza la energía residual de los gases de escape.
• La presión obtenida varía con el régimen del motor; el turbo no es efectivo hasta alcanzar ciertas revoluciones. A altos regímenes, la presión se limita mediante una válvula reguladora (wastegate) para proteger el motor.

Aplicación en Motores Diésel

• Diésel lentos: Utilizados en motores de grandes cilindradas, la sobrealimentación mejora el proceso de intercambio de gases y proporciona aire en cantidad suficiente para quemar el gran volumen de combustible, optimizando la eficiencia.
• Diésel rápidos: En motores de cilindrada más moderada, la sobrealimentación es crucial para obtener una buena relación peso-potencia, mejorando el rendimiento y la respuesta.

Tipos de Motores Diésel por Inyección

Diésel Lento de Inyección Directa

• El combustible es inyectado directamente en la cámara de combustión, que suele estar practicada sobre la cabeza del pistón.
• Utilizan inyectores con varios orificios, capaces de operar a presiones superiores a 1.000 bares.
• Son motores caracterizados por ser muy ruidosos y tener un funcionamiento "duro" debido a la combustión directa.
• Comúnmente utilizados en vehículos pesados como autobuses y camiones.

Diésel Rápido de Inyección Directa

• Se encuentran en motores de pequeña y mediana cilindrada (ej. hasta 3.500 cm³), con volúmenes unitarios de 0,4 a 0,6 litros.
• Pueden alcanzar regímenes de hasta 4.500 revoluciones por minuto (RPM).
• Emplean inyectores de 4 o 5 orificios que inyectan en dos etapas: una pre-inyección a unos 250 bares y la inyección principal que puede superar los 1.000 bares.
• Son los motores diésel más utilizados en los turismos modernos.

Diésel Rápido de Inyección Indirecta

• El combustible se inyecta en una cámara auxiliar (pre-cámara o cámara de turbulencia) donde se produce una gran turbulencia de aire durante la compresión.
• Utilizan inyectores de un solo orificio que operan a presiones más bajas, entre 100 y 400 bares.
• Aunque menos eficientes que los de inyección directa, ofrecen un funcionamiento más suave y silencioso.
• Se emplean en turismos y vehículos industriales ligeros, aunque su uso ha disminuido en favor de la inyección directa.