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COMBUSTIÓN

 

Combustión en motores diesel

Los fenómenos que llevan a la combustión en un motor Diesel comienzan cuando, al final de la compresión (recuérdese que en un motor Diesel sólo se comprime aire), estando el aire a una presión que en motores fuertemente sobrealimentados (como los Diesel de hoy en día) puede ser de unos 80 bares, y temperaturas de 1000 K, se empieza a inyectar el combustible, como se observa en la figura 1, donde se ven multitud de gotitas de combustible que entran en contacto con el aire caliente. Combustión en motores diesel

Cuando el combustible penetra en ese ambiente, inmediatamente comienza a vaporizarse, porque además es inyectado en gotas muy pequeñas, y se empieza a formar una nube de aire y combustible vaporizado. Es la región gris de la figura 2. Nos encontramos con una situación que nos resulta familiar... ahí empiezan a producirse choques entre moléculas, y a generarse radicales. Pasado un cierto tiempo, esa nube entra en ignición, e instantáneamente se quema una cierta cantidad de combustible, convirtiéndose en la zona roja de la figura 3.

Eso es una explosión, una combustión que se llama de premezcla, en la que se libera bastante energía en poco tiempo. Lógicamente, la temperatura de esa zona sube mucho, y hay una subida de presión bastante brusca, que es la responsable del ruido, más bien del traqueteo, del motor Diesel. A plena carga, ahí se quema entre un 20 y un 40% del combustible, entre lo que explota en la primera ignición y lo que ya está vaporizado y reacciona rápidamente.

A continuación, nos encontramos con que hay en la cámara gotas líquidas de combustible, y otras que aún se pueden seguir inyectando, rodeadas de aire y gas residual de la combustión de premezcla a alta temperatura.

En esas condiciones, aumenta la tasa de vaporización de las gotas combustible, y el vapor que sale de la gota se difunde por la cámara. En cuanto encuentra oxígeno, reacciona y se quema. Es la segunda fase de la combustión e el motor Diesel, la combustión de premezcla, que está esquematizada en la figura 4. Es una combustión mucho más lenta, y está gobernada por la tasa de inyección que se tiene, la tasa de vaporización de las gotas y la facilidad con que el vapor encuentre oxígeno (que no siempre ocurre).

Visto cómo se realiza la combustión, podemos comentar ciertos aspectos de la misma que se traducen en características intrínsecas 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 más pequeña posible. Ya se ha comentado que es la causante del ruido del motor Diesel. Para ello, se utilizan distintas técnicas; la más común consiste en, con bastante adelanto respecto a la inyección principal, inyectar una pequeña cantidad de combustible, que se quemará relativamente pronto. Así, cuando se inyecte el resto, se encontrará con un ambiente mucho más agresivo, tanto térmica como químicamente (la cámara se ha sembrado de radicales). Las nuevas gotas se evaporarán rápidamente y reaccionarán sin producir grandes elevaciones de presión. Incluso, en motores de última generación, lo que se hace es la preinyección, y después varias inyecciones parciales, controlando así la tasa de quemado y por tanto la liberación de energía, consiguiendo una sustancial reducción del ruido y las vibraciones.

Otro tema de gran importancia en la combustión del motor Diesel es el diámetro de las gotas de combustible cuando se inyectan en la cámara, relacionado con el tamaño de los orificios del inyector y con la presión de inyección.

Una gota muy grande tardará más tiempo en evaporarse, y por tanto se acumulará mucho combustible antes de explotar y la premezcla será más intensa. Además, la combustión por difusión se prolongará más en el tiempo, lo que después veremos que puede no ser bueno. También habrá problemas para que en la difusión el combustible encuentre oxígeno.

Un problema típico de los Diesel de Inyección Directa es el goteo por el inyector. Si el inyector está sucio, inyecta gotas muy grandes que pueden llegar a impactar con el émbolo. Gotas ardiendo a alta velocidad dan como resultado una especie de soplete que puede acabar agujereando el émbolo, o calentándolo tanto que el pie de biela o el bulón se reblandecen y se puede producir su rotura.

Todo ésto hace que una de las luchas tradicionales del motor Diesel es buscar una presión de inyección lo más alta posible, conseguida a base de tener unos orificios de inyección cada vez más pequeños. Ya se está llegando al límite de tamaño de orificio de los inyectores con los métodos de fabricación actuales.

Además, resulta que el tamaño de las gotas tampoco debe ser demasiado pequeño, porque en esas condiciones en cuanto entran en la cámara son arrastradas por la corriente de aire, y al no haber velocidad relativa entre gotas y aire, se dificulta la vaporización. A mi parecer, los 2000 bares a los que actualmente se ha llegado, pueden parecer un límite superior a la presión de inyección bastante razonable.

Esta combustión, primero por premezcla y después por difusión, marcan un límite al régimen de giro del motor Diesel. Ésto es debido a que hay procesos cuya duración no depende del régimen de giro, y a medida que éste aumenta, la combustión va ocupando un ángulo cada vez mayor, es decir, por poner un ejemplo con números, si una gota tarda 3 milisegundos en evaporarse, eso son 36º de cigüeñal a 2000 rpm, pero 72º a 4000 rpm, y a más alto régimen todavía se está quemando cuando se abre la válvula de escape. Así, malamente se va a conseguir subir mucho el régimen máximo del Diesel, y los aumentos de potencia se consiguen únicamente a base de aumentar la presión de soplado del turbo. Debido a este tema, al aproximarse al régimen máximo en Diesel el propio mecanismo de regulación de la bomba, o la electrónica en motores modernos, cortan la inyección de 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 aquí, para una cierta cantidad de aire hay una cantidad máxima de combustible a quemar, que es la relación estequiométrica. En un motor de gasolina, se pueden... es más, se deben quemar mezclas estequiométricas o al menos en su entorno. En el Diesel, debido a que al final de la combustión al combustible le cuesta encontrar oxígeno, no se pueden quemar mezclas con tanto combustible. Así, la lambda mínima que se puede quemar 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 oxígeno. Por debajo de eso, aumenta mucho la emisión de partículas de hollín, que es carbono sólido que no ha conseguido encontrar oxígeno a tiempo para quemarse.

Conclusiones

Se establecen en este apartado las conclusiones más significativas de este capítulo, algunas ya adelantadas en el texto de arriba.

Con respecto a al potencia máxima desarrollada por un motor, podemos hablar de motores atmosféricos o turboalimentados.

En los atmosféricos, es evidente que un Otto desarrolla mayor potencia que un Diesel, por dos motivos fundamentales:

  • Régimen de giro. Ya ha quedado claro que, al menos por problemas de combustión, el motor Otto no tiene problemas para alcanzar regímenes de giro muy elevados, manteniendo una buena combustión en todo momento. Ésto es debido a que el frente de llama es tanto más rápido cuanto mayor sea el régimen de giro, por lo que el ángulo total ocupado con la combustión varía poco con el régimen. En el Diesel, sin embargo, debido a la existencia de procesos cuya duración no depende del régimen de giro del motor, a alto régimen la combustión ocupa mucho ángulo de giro, disminuyendo el rendimiento del motor, por lo que no se puede subir mucho la velocidad de giro del motor.
  • Riqueza de mezcla. En el motor Otto, como la gasolina y el aire están ya mezclados íntimamente antes de empezar la combustión, se pueden quemar mezclas con riquezas incluso superiores a la estequiométrica, obteniendo así un aprovechamiento máximo del aire que se ha conseguido aspirar en admisión. Dicho de otra forma, hasta la última molécula de oxígeno puede reaccionar con el combustible. Mientras, en el Diesel el combustible se inyecta en la cámara, teniendo que mezclarse con el aire en un breve espacio de tiempo, al final del proceso, al combustible le cuesta mucho trabajo encontrar oxígeno, por lo que hay que quemar mezclas pobres, y muy importante, generar una gran turbulencia en la cámara de combustión. De esta forma, a igualdad de masa de aire (dada, más o menos, por la cilindrada), el motor de gasolina podrá quemar un 20% más de combustible, obteniendo por tanto mayor potencia. Un motor Diesel, atmosférico, raramente pasará de 7.5 mKg de par por litro de cilindrada, mientras que un Otto, a poco que sea decente, ronda los 9 mKg/lt, llegando en buenas realizaciones a valores de 10 mKg/lt.

En motores turbo, nos encontramos con que es mucho más fácil y razonable la sobrealimentación de motores Diesel, ya que la autoignición del combustible se ve favorecida por la mayor presión y temperatura de gases, mientras que el Otto, ya de por sí limitado en su rendimiento en motores atmosféricos, agrava sustancialmente el problema con el uso del turbocompresor. Un motor Otto sobrealimentado, si quiere mantener un consumo aceptable, tiene un amplio despliegue tecnológico para luchar contra la detonación, aunque la unión del turbo y un régimen de giro alto, sigue haciendo que el Otto pueda alcanzar potencias específicas mayores que el motor Diesel, aunque se puede comprobar que el par motor del turbodiesel normalmente será superior al del Otto.

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

Las dos razones principales por las cuales el motor Diesel consume menos que el Otto son la mayor relación de compresión del Diesel y la capacidad para quemar mezclas pobres (se podría hablar también de la mayor densidad del gasoil frente a la gasolina, y a que el combustible se vende por volumen, no por peso, pero aun así, el gasto másico del Diesel sigue siendo inferior al del Otto).

El Otto, que quema siempre en el entorno de la riqueza estequiométrica, no puede quemar mezclas lo suficientemente pobres, debido a que el frente de llama se ralentiza y se llegan a tener problemas de apagado del mismo, mientras que el Diesel es capaz de quemar una cantidad de combustible ínfima en un cilindro lleno de aire.

Sobre la relación de compresión, en el Otto está limitada por los problemas derivados de la detonación, mientras que el Diesel, precisamente porque necesita una primera detonación del combustible, utiliza relaciones de compresión muy elevadas. Es decir, la autoignición del combustible, que es perjudicial para el motor Otto, es la base del funcionamiento del motor Diesel, razón por la cual éste presenta un rendimiento superior al primero.

 

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