Ciclo Diesel 2 y 4 tiempos

MOTORES CICLO DIESEL

Inventados por el Ing. Rodolfo Diesel, son motores a pistón con similares componentes a los detallados para los que cumplen con el ciclo Otto, aunque: no poseen sistema de encendido; difiere totalmente el sistema de alimentación y en general todos los componentes son más robustos a igualdad de potencia (esto último debido a las mayores relaciones de compresión). En motores  de muy alta potencia y para aplicación naval en el mecanismo biela-manivela suelen incorporar la cruceta.

            También son válidas para el motor diesel las consideraciones realizadas anteriormente en cuanto a la ubicación de las válvulas, disposición de cilindros, etc.  Es de hacer notar que, debido a la aplicación de motores diesel para accionamientos de muy grandes potencias como ser locomotoras, barcos, grupos electrógenos, etc. donde no existen las limitaciones de espacio que se presentan en la propulsión automotriz, es frecuente encontrar motores diesel de 12, 16 ó 20 cilindros ya sea  en línea o en “V”.

Las características distintivas de un motor Diesel son las siguientes:

§  formación de la mezcla aire-combustible en el interior de los cilindros: la admisión y compresión se realiza únicamente con aire y el combustible (gas-oil en motores rápidos y diese-oil en aquellos de bajas r.p.m.) sólo se inyecta en el interior de los cilindros al final de la carrera de compresión.

§  autoencendido:  la temperatura al final de la compresión está por encima del punto de inflamación del combustible, de tal manera que se inflama por sí mismo sin necesidad de chispa. De allí que estos motores también son conocidos como motores a encendido por compresión.

La combustión se realiza a presión constante (ciclo teórico), en la práctica sufre incremento por el calor que se va liberando de la combustión misma y compensado parcialmente por la expansión. Para alcanzar las elevadas temperaturas que se requieren para lograr el autoencendido, la relación de compresión en estos motores generalmente está en el orden de 14:1 a 20:1, lo que permite alcanzar rendimientos térmicos mayores que en el ciclo Otto, lo que constituye su principal ventaja. Por contrapartida, los mayores esfuerzos mecánicos sobre las piezas del motor los hacen más pesados y por consiguiente más difíciles de balancear. También el corto tiempo que se dispone para la formación de la mezcla aire-combustible en el cilindro limita la rapidez de estos motores.

Ciclo diesel (teórico)

§  Desde el punto 0 al 1: 1ra. carrera del pistón (desde el PMS al PMI) aspiración o admisión  de aire (únicamente), transformación a presión constante (válvula de admisión abierta).

§  Desde el punto 1al 2: 2da. carrera,  compresión adiabática del aire (ambas válvulas cerradas)

§  Desde el punto 2 al 3: teóricamente aqui el ciclo recibe una cantidad de calor Q₁ a volumen constante.  En la realidad esa cantidad de calor es producto de lla ignición del combustible inyectado en el cilindro desde el momento 2 hasta 3 (inyección de combustible). El dispositivo a través del cual se produce el ingreso de combustible al cilindro se denomina inyector.

§  Desde el punto 3 al 4: expansión adiabática de los gases quemados. (continuan cerradas ambas válvulas).

§  Desde el punto 4 al 1: descenso de la presión del gas por la apertura de la válvula de escape (a volumen constante) y entrega de una cantidad de calor Q₂ al medio.

§  Desde el punto 1 al 0, fin del ciclo: Barrido o escape del gas hacia el exterior a través de la válvula de escape abierta, a presión constante.

El combustible utilizado en los motores diesel debe tener características casi opuestas al empleado en los Otto: aqui es importante la inmediata inflamación a su ingreso a la cámara de combustión (alto índice cetano). También es fundamental lograr una rápida y homogénea mezcla del aire comprimido en la cámara con el combustible inyectado, lo que se logra con la formación de torbellinos merced a cuidadosos diseños hidrodinámicos de los conductos de admisión, válvulas, pre-cámaras y cámaras de combustión que en algunos casos incluyen la cabeza del pistón, como asimismo las características del “chorro” de combustible inyectado.

También existen motores Diesel que cumplen un ciclo competo en cada vuelta del cigüeñal (“2 tiempos”) aunque su configuración es diferente a sus equivalentes Otto: la admisión es a través de lumbreras cuya apertura y cierre la provoca el pistón mientras que el escape es controlado por una válvula comandada por el árbol de levas.

Ver video ciclo motor diesel 4 tiempos.

Motores diesel “2 tiempos”

Las cuatro fases del ciclo se cumplen de la siguiente manera, requiriendo una sola vuelta del cigüeñal:

§  escape: al descender el pistón en la parte final de la carrera de expansión (potencia) se abre la válvula de escape permitiendo la salida de los gases quemados.

§  admisión: una vez abierta la válvula de escape, el pistón en su movimiento descendente descubre las lumbreras de admisión posibilitando el ingreso de aire limpio forzado por un soplador (generalmente de tipo Roots)  el que a su vez expulsa los gases quemados remanentes en el cilindro.

§  compresión: al ascender, el pistón tapa  las lumbreras de admisión a la vez que se cierrra la válvula de escape produciendo la compresión del aire que ingresó al cilindro.

§  expansión: cuando el pistón está próximo a llegar al PMS comienza la inyección de combustible, el que se inflama. Combustión y consiguiente expansión (carrera de potencia).

Sistemas de inyección del combustible:

El elemento a través del cual el combustible ingresa al cilindro se llama inyector, otros componentes del sistema son: el filtro de combustible, la bomba que eleva la presión hasta la adecuada para la inyección y las cañerías de retorno del excedente de combustible. Inyectar la cantidad adecuada de combustible y esparcirlo de la forma más fina y uniforme en una zona de alta presión como es el cilindro al final de la carrera de compresión no es tarea sencilla. Existen tres alternativas diferentes:

ü  sistema de bomba múltiple constituido por un conjunto de bombas dosificadoras (montadas en un único bloque) que son las encargadas de enviar a cada cilindro la cantidad necesaria  de combustible en el momento preciso (fin de la compresión). Es el más difundido en nuestro país, lo utiliza la inmensa mayoría de las marcas (sistemas Bosch, C.A.V., etc. aplicados a motores Mercedes Benz, Perkins, Deutz,etc.)

ü  sistema presión-tiempo o P-T: la cantidad de combustible que ingresará a los cilindros está determinada por la presión de una bomba única. El momento y duración de la inyección está controlado desde cada inyector comandado por una excéntrica en el árbol de levas (motores Cummins, etc).

ü  sistema inyector-bomba: en este caso la dosificación del combustible, la presión de inyección y el momento en que ella ocurre se realizan dentro del inyector que también en este caso está comandado por el árbol de levas (empleado por Detroit Diesel, G.M., etc).

En los motores diesel es particularmente importante la formación de torbellinos en el aire comprimido, como asimismo que el combustible inyectado incida sobre los puntos más calientes a fin de asegurar una rápida inflamación y propagación de la llama. A tal fin existen numerosos diseños de la cámara de combustión, las que en muchos están labradas en  la cabeza del pistón, el que posee cavidades adecuadas para difundir el chorro del combustible a los puntos más distantes de la cámara.

Para favorecer el inicio de la combustión, en muchos motores la inyección del combustible se realiza en un pequeña antecámara donde el exceso de combustible asegura la inflamación, luego debido a la sobre-presión que se produce, la mezcla ingresa ardiendo a la cámara donde se termina el proceso de combustión. Este sistema, especialmente adecuado para trabajo en zonas de muy baja temperatura, fácil arranque en frío, etc, se conoce como inyección indirecta y es el indicado en el esquema de la hoja siguiente donde pueden apreciarse, además, el corte de la bomba múltiple y el precalentador de la pre-cámara constituido por una pequeña resistencia eléctrica (mal llamada “bujía de los diesels").

 Con el avance tecnológico fue posible fabricar inyectores capaces de producir un chorro de combustible con gotas mucho más pequeñas y con una mayor difusión a toda la cámara, por lo que no requieren la pre-cámara o cámara auxiliar, es el sistema de inyección directa que se observa en la figura inferior, que es aplicable a cualquiera de los tres sistemas anteriores (en el caso graficado mediante inyector-bomba).

Ver video motor diesel 2 tiempos.

Motores diésel

En teoría, el ciclo diésel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diésel tienen también cuatro tiempos, si bien las fases son diferentes de las de los motores de gasolina.

En la primera fase se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la fase de compresión, el aire se comprime a una fracción de su volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440 ºC. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cámara de combustión, produciéndose el encendido a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de potencia, la combustión empuja el pistón hacia atrás, trasmitiendo la energía al cigüeñal. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión.

Algunos motores diésel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible al arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada.

La eficiencia de los motores diésel depende, en general, de los mismos factores que los motores Otto, y es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40%. Este valor se logra con un grado de compresión de 14 a 1, siendo necesaria una mayor robustez, y los motores diésel son, por lo general, más pesados que los motores Otto. Esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de utilizar combustibles más baratos.

Los motores diésel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm. No obstante, en la actualidad, algunos tipos de motores diésel trabajan a velocidades similares que los motores de gasolina, pero por lo general con mayores cilindradas debido al bajo rendimiento del gasoil respecto a la gasolina.