Combustin en motores Diesel1

Los fenmenos que llevan a la combustin en un motor Diesel comienzan

cuando, al final de la compresin (recurdese que en un motor Diesel slo secomprime aire), estando el aire a una presin que en motores fuertementesobrealimentados (como los Diesel de hoy en da) puede ser de unos 80 bares, ytemperaturas de 1000 K, se empieza a inyectar el combustible, como se observa enla figura 1, donde se ven multitud de gotitas de combustible que entran en contactocon el aire caliente.

Cuando el combustible penetra en ese ambiente, inmediatamente

comienza a vaporizarse, porque adems es inyectado en gotas muypequeas, y se empieza a formar una nube de aire y combustiblevaporizado. Es la regin gris de la figura 2. Nos encontramos conuna situacin que nos resulta familiar... ah empiezan a producirsechoques entre molculas, y a generarse radicales. Pasado un ciertotiempo, esa nube entra en ignicin, e instantneamente se quemauna cierta cantidad de combustible, convirtindose en la zona rojade la figura 3.

Eso es una explosin, una combustin que se llama de premezcla,

en la que se libera bastante energa en poco tiempo. Lgicamente, latemperatura de esa zona sube mucho, y hay una subida de presinbastante brusca, que es la responsable del ruido, ms bien deltraqueteo, del motor Diesel. A plena carga, ah se quema entre un20 y un 40% del combustible, entre lo que explota en la primeraignicin y lo que ya est vaporizado y reacciona rpidamente.

A continuacin, nos encontramos con que hay en la cmara gotas

lquidas de combustible, y otras que an se pueden seguirinyectando, rodeadas de aire y gas residual de la combustin depremezcla a alta temperatura.

En esas condiciones, aumenta la tasa de vaporizacin de las gotas

combustible, y el vapor que sale de la gota se difunde por la cmara.En cuanto encuentra oxgeno, reacciona y se quema. Es la segundafase de la combustin e el motor Diesel, la combustin de premezcla, que estesquematizada en la figura 4. Es una combustin mucho ms lenta, y estgobernada por la tasa de inyeccin que se tiene, la tasa de vaporizacin de lasgotas y la facilidad con que el vapor encuentre oxgeno (que no siempre ocurre).

Visto cmo se realiza la combustin, podemos comentar ciertos aspectos de la

misma que se traducen en caractersticas intrnsecas del motor Diesel: En principio, puede ser conveniente, para reducir el ruido generado por el motor,

que la cantidad de combustible quemada por premezcla sea lo ms pequeaposible. Ya se ha comentado que es la causante del ruido del motor Diesel. Paraello, se utilizan distintas tcnicas; la ms comn consiste en, con bastante adelantorespecto a la inyeccin principal, inyectar una pequea cantidad de combustible,que se quemar relativamente pronto. As, cuando se inyecte el resto, seencontrar con un ambiente mucho ms agresivo, tanto trmica como

1 http://www.arpem.com/tecnica/0_funcionamiento/combustion/combustion_p1.html

qumicamente (la cmara se ha sembrado de radicales). Las nuevas gotas seevaporarn rpidamente y reaccionarn sin producir grandes elevaciones depresin. Incluso, en motores de ltima generacin, lo que se hace es lapreinyeccin, y despus varias inyecciones parciales, controlando as la tasa dequemado y por tanto la liberacin de energa, consiguiendo una sustancialreduccin del ruido y las vibraciones.

Otro tema de gran importancia en la combustin del motor Diesel es el dimetro

de las gotas de combustible cuando se inyectan en la cmara, relacionado con eltamao de los orificios del inyector y con la presin de inyeccin.

Una gota muy grande tardar ms tiempo en evaporarse, y por tanto se

acumular mucho combustible antes de explotar y la premezcla ser ms intensa.Adems, la combustin por difusin se prolongar ms en el tiempo, lo quedespus veremos que puede no ser bueno. Tambin habr problemas para que enla difusin el combustible encuentre oxgeno.

Un problema tpico de los Diesel de Inyeccin Directa es el goteo por el inyector.

Si el inyector est sucio, inyecta gotas muy grandes que pueden llegar a impactarcon el mbolo. Gotas ardiendo a alta velocidad dan como resultado una especie desoplete que puede acabar agujereando el mbolo, o calentndolo tanto que el piede biela o el buln se reblandecen y se puede producir su rotura.

Todo sto hace que una de las luchas tradicionales del motor Diesel es buscar

una presin de inyeccin lo ms alta posible, conseguida a base de tener unosorificios de inyeccin cada vez ms pequeos. Ya se est llegando al lmite detamao de orificio de los inyectores con los mtodos de fabricacin actuales.

Adems, resulta que el tamao de las gotas tampoco debe ser demasiado

pequeo, porque en esas condiciones en cuanto entran en la cmara sonarrastradas por la corriente de aire, y al no haber velocidad relativa entre gotas yaire, se dificulta la vaporizacin. A mi parecer, los 2000 bares a los queactualmente se ha llegado, pueden parecer un lmite superior a la presin deinyeccin bastante razonable.

Esta combustin, primero por premezcla y despus por difusin, marcan un

lmite al rgimen de giro del motor Diesel. sto es debido a que hay procesos cuyaduracin no depende del rgimen de giro, y a medida que ste aumenta, lacombustin va ocupando un ngulo cada vez mayor, es decir, por poner un ejemplocon nmeros, si una gota tarda 3 milisegundos en evaporarse, eso son 36 decigeal a 2000 rpm, pero 72 a 4000 rpm, y a ms alto rgimen todava se estquemando cuando se abre la vlvula de escape. As, malamente se va a conseguirsubir mucho el rgimen mximo del Diesel, y los aumentos de potencia seconsiguen nicamente a base de aumentar la presin de soplado del turbo. Debidoa este tema, al aproximarse al rgimen mximo en Diesel el propio mecanismo deregulacin de la bomba, o la electrnica en motores modernos, cortan la inyeccinde manera gradual.

Otro efecto importante que ocurre en el motor Diesel es relativo a la cantidad de

combustible que se puede quemar. Como se explica aqu, para una cierta cantidadde aire hay una cantidad mxima de combustible a quemar, que es la relacinestequiomtrica. En un motor de gasolina, se pueden... es ms, se deben quemarmezclas estequiomtricas o al menos en su entorno. En el Diesel, debido a que alfinal de la combustin al combustible le cuesta encontrar oxgeno, no se puedenquemar mezclas con tanto combustible. As, la lambda mnima que se puedequemar en un Diesel ronda el valor 1.2, lo que equivale a que hay que tener sobre

nu 20% de exceso de aire para que todo el combustible encuentre oxgeno. Pordebajo de eso, aumenta mucho la emisin de partculas de holln, que es carbonoslido que no ha conseguido encontrar oxgeno a tiempo para quemarse.

Conclusiones Se establecen en este apartado las conclusiones ms significativas de este

captulo, algunas ya adelantadas en el texto de arriba. Con respecto a al potencia mxima desarrollada por un motor, podemos hablar

de motores atmosfricos o turboalimentados. En los atmosfricos, es evidente que un Otto desarrolla mayor potencia que un

Diesel, por dos motivos fundamentales:

Rgimen de giro. Ya ha quedado claro que, al menos por problemasde combustin, el motor Otto no tiene problemas para alcanzar regmenesde giro muy elevados, manteniendo una buena combustin en todomomento. sto es debido a que el frente de llama es tanto ms rpidocuanto mayor sea el rgimen de giro, por lo que el ngulo total ocupado conla combustin vara poco con el rgimen. En el Diesel, sin embargo, debido ala existencia de procesos cuya duracin no depende del rgimen de giro delmotor, a alto rgimen la combustin ocupa mucho ngulo de giro,disminuyendo el rendimiento del motor, por lo que no se puede subir muchola velocidad de giro del motor.

Riqueza de mezcla. En el motor Otto, como la gasolina y el aire estnya mezclados ntimamente antes de empezar la combustin, se puedenquemar mezclas con riquezas incluso superiores a la estequiomtrica,obteniendo as un aprovechamiento mximo del aire que se ha conseguidoaspirar en admisin. Dicho de otra forma, hasta la ltima molcula deoxgeno puede reaccionar con el combustible. Mientras, en el Diesel elcombustible se inyecta en la cmara, teniendo que mezclarse con el aire enun breve espacio de tiempo, al final del proceso, al combustible le cuestamucho trabajo encontrar oxgeno, por lo que hay que quemar mezclaspobres, y muy importante, generar una gran turbulencia en la cmara decombustin. De esta forma, a igualdad de masa de aire (dada, ms omenos, por la cilindrada), el motor de gasolina podr quemar un 20% msde combustible, obteniendo por tanto mayor potencia. Un motor Diesel,atmosfrico, raramente pasar de 7.5 mKg de par por litro de cilindrada,mientras que un Otto, a poco que sea decente, ronda los 9 mKg/lt, llegandoen buenas realizaciones a valores de 10 mKg/lt.

En motores turbo, nos encontramos con que es mucho ms fcil y razonable lasobrealimentacin de motores Diesel, ya que la autoignicin del combustible se vefavorecida por la mayor presin y temperatura de gases, mientras que el Otto, yade por s limitado en su rendimiento en motores atmosfricos, agravasustancialmente el problema con el uso del turbocompresor. Un motor Ottosobrealimentado, si quiere mantener un consumo aceptable, tiene un ampliodespliegue tecnolgico para luchar contra la detonacin, aunque la unin del turboy un rgimen de giro alto, sigue haciendo que el Otto pueda alcanzar potenciasespecficas mayores que el motor Diesel, aunque se puede comprobar que el parmotor del turbodiesel normalmente ser superior al del Otto.

Finalmente, queda hablar del consumo de combustible, o del rendimiento delmotor. La manera de quemar el combustible marca tambin la diferencia en elrendimiento de estos dos motores.

Las dos razones principales por las cuales el motor Diesel consume menos que elOtto son la mayor relacin de compresin del Diesel y la capacidad para quemarmezclas pobres (se podra hablar tambin de la mayor densidad del gasoil frente ala gasolina, y a que el combustible se vende por volumen, no por peso, pero aunas, el gasto msico del Diesel sigue siendo inferior al del Otto).

El Otto, que quema siempre en el entorno de la riqueza estequiomtrica, no

puede quemar mezclas lo suficientemente pobres, debido a que el frente de llamase ralentiza y se llegan a tener problemas de apagado del mismo, mientras que elDiesel es capaz de quemar una cantidad de combustible nfima en un cilindro llenode aire.

Sobre la relacin de compresin, en el Otto est limitada por los problemas

derivados de la detonacin, mientras que el Diesel, precisamente porque necesitauna primera detonacin del combustible, utiliza relaciones de compresin muyelevadas. Es decir, la autoignicin del combustible, que es perjudicial para el motorOtto, es la base del funcionamiento del motor Diesel, razn por la cual stepresenta un rendimiento superior al primero

Combustin en motores Diesel1Conclusiones