Fundamentos de Motores Diesel
Introducción:
La segunda mitad del siglo XIX “El Siglo del Vapor” vio nacer y desarrollarse este
magnifico invento que es el motor térmico; el nuevo método de obtención de fuerza
motriz, realizado por un esfuerzo colectivo, fruto del trabajo incansable de numerosos
investigadores.
Es necesario profundizar en las experiencias adquiridas por científicos e ingenieros
que en el transcurso de la historia hicieron esfuerzos para hacer del motor Diesel una
de las maquinas térmicas mas sofisticadas y de mayor rendimiento térmico que
revoluciono la industria a nivel mundial.
No es frecuente que un gran invento sea obra de un solo hombre y el motor térmico no
es una excepción. Todos los grandes hombres famosos de la física dieron en su época
un valioso aporte, pero su gran desarrollo ha sido posible gracias a los trabajos de
innumerables investigadores, artesanos de una de las más grandes realizaciones de la
técnica.
Objetivos
Diferenciar los términos elementales mas comunes utilizados en termodinámica.
Describir en forma resumida el desarrollo evolutivo del motor Diesel desde su
creación.
Identificar a los elementos constructivos básicos del motor Diesel explicando su
función específica.
Describir el Diagrama Real Práctico de Distribución (D.R.P.D.) y realizar la
gráfica correspondiente en base a las cotas básicas de distribución: AAA, RCA,
AAE, RCE.
Describir los factores que afectan al proceso químico de la combustión en el
tiempo de Trabajo, como los adelantos y retrasos del momento de la inyección.
Describir la etapa del traslapo y mencionar los factores que afectan a una
eficiente evacuación de gases quemados.
Historia y Evolución de los Motores Diesel
Todo empezó en 1892, cuando se le otorgó a Rodolphe Diesel
una patente de un nuevo tipo de motor que debía rendir más
que cualquiera de los motores conocidos hasta entonces y que
se accionaría por un combustible más barato que la gasolina.
La intención de Rodolphe Diesel era, en un principio, impulsar
el motor con polvo de carbón, pero pronto se inclino por un
carburante liquido. Actualmente, todos los motores Diesel se
accionan con gasoil.
Rodolphe Diesel concluyó la construcción de su primer motor
en 1893. El motor estaba, sin embargo, plagado de problemas
y no desarrollaba la suficiente potencia para mantenerse en
funcionamiento. Hasta 1897, no consiguió construir un motor
que presentara un funcionamiento parecido a lo que había
imaginado. Desde entonces se han realizado grandes
esfuerzos de investigación para llevar al motor Diesel a los
magníficos niveles actuales de rendimiento y seguridad de
funcionamiento, Uno de los primeros motores tiene un
diámetro de 220 mm, una carrera de 400 mm y una altura de
tres metros.
Historia y Evolución de los Motores Diesel
Los primeros motores Diesel eran grandes y abultados, sin duda, no estaban
diseñados para ser instalados en vehículos móviles. Se pretendía, más bien que el
motor ejerciera de central motriz en la industria o de fuente energética para impulsar
generadores y bombas.
Es el caso de este motor de dos cilindros del año
1898, la potencia que generaba era de 50 CV o sea
37 KiloWatt. Se utilizó para accionar maquinaria
industrial y se mantuvo en funcionamiento regular
hasta 1930. Su procedencia era alemana, fue
fabricado por la MAN de Augsburgo.
Fueron grandes los esfuerzos de investigación y
numerosas las pruebas antes de que el motor Diesel
se viera listo para ser instalado en vehículos móviles.
Los primeros motores para vehículos no aparecerían
hasta principios de los años 20.
Historia y Evolución de los Motores Diesel
Uno de los primeros motores en
desarrollase para vehículos
móviles es el que se puede
apreciar a la derecha, es Benz de
1922, disponía de dos cilindros y
desarrollaba una potencia de 22
kW o 30 CV.
Los motores diesel ligeros para
automóviles de pasajeros
fabricados en serie no entrarían en
escena hasta unos diez años más
tarde. El primero de estos motores
portaba la insignia de DaimlerBenz y desarrollaba una potencia
de 33 kW (45CV).
Historia y Evolución de los Motores Diesel
En 1892 Rodolphe Diesel obtuvo su primera patente. Sus trabajos preliminares
duraron más de diez años. Actualmente, la palabra Diesel se ha convertido en un
sustantivo para designar a los antiguos motores de aceite pesado. Rodolphe
Diesel, el inventor del motor que lleva su apellido, murió en 1913, mucho antes
que las máquinas térmicas que diseñó se volvieran de uso corriente en vehículos
móviles.
En cuanto su motor funcionó, Rodolphe Diesel cedió licencias de fabricación con
lo que se permitió su desarrollo tecnológico y la innovación de nuevos sistemas
de inyección de gasoil y por ende el mejor rendimiento térmico del motor.
En términos generales lo que puede discernirse es que en la actualidad no existe
otro tipo de motor que pueda competir con el motor diesel en vehículos para
trabajos pesados o como fuente energética de generadores y bombas de gran
envergadura.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
Los cuerpos pueden encontrarse en tres estados distintos: entre ellos el estado
gaseoso está caracterizado por ser una materia informe y sin volumen propio. Por
esto los gases toman la forma de los recipientes que lo contienen. También es
importante tener en cuenta que los gases tienden a ocupar un volumen mayor que el
de los recipientes que los contienen, a esta propiedad se le denomina
“expansibilidad”.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
Por otro lado, si se intenta disminuir el volumen ocupado por una cantidad
determinada de gas, la reacción “elástica” de los gases aumenta, esta reacción se
llama presión y es el resultado de la compresibilidad de los mismos.
Por tanto, si se reduce el volumen del recinto que contiene a un gas, aumentará la
velocidad de desplazamiento de las moléculas y la fricción existente entre ellas,
dentro del recinto la presión y la temperatura del fluido gaseoso se elevará. Se
puede afirmar también que las temperaturas influyen en el comportamiento de un
gas, pues el movimiento de las partículas del mismo se aceleran al elevarse la
temperatura del recinto que lo contiene.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
Según la ley de Mariotte el volumen de un gas a temperatura constante varía en
razón inversa de la presión que se ejerce sobre él. En realidad la presión no
aumenta progresivamente, sino que se eleva más rápidamente que lo que
disminuye el volumen.
La compresión o la expansión de un gas en un cilindro a temperatura constante
supone una velocidad muy lenta del pistón ya que todo proceso de compresión
produce calor y toda expansión disminuye la temperatura del recinto que lo
contiene.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
A la evolución de un gas a temperatura constante se le llama “Evolución Isoterma”
(o isotérmica). Si hacemos mención de la Dilatación de los Gases se puede afirmar
que la propiedad principal de un gas es la expansibilidad que le obliga a ejercer una
presión sobre las paredes del recipiente que lo contiene.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
Una masa determinada de un gas a temperatura conocida, está caracterizada por
su volumen y su presión; si la temperatura varía, el volumen y la presión pueden
variar al mismo tiempo; también puede mantenerse constante el volumen y variar
la presión o al revés.
El aumento sufrido por la unidad
de volumen de un cuerpo al variar
la temperatura desde cero hasta
un grado centígrado, se llama
“Coeficiente de Dilatación” a
presión constante.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
Cualquier transformación a
presión constante se le denomina
“Transformación Isóbara” (o
isobárica). Esta transformación se
indica por medio de una línea
horizontal.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
Si la transformación se realiza a
volumen constante, se llama
“Evolución Isócora” la cual aparece en
una curva característica como una
línea vertical.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
El francés Gay-Lussac en 1802, enunció dos leyes:
Todos los gases tienen el mismo coeficiente de dilatación a presión constante a 0
°C y a 100 °C, sufren por cada grado centígrado de elevación de temperatura, una
dilatación de volumen igual a 1/273 ava parte del volumen que ocupaba a cero
grados centígrados.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
Esta dilatación es independiente de la presión que soporta el gas mientras ésta
permanezca constante. Este enunciado se puede expresar con la siguiente
expresión algebraica:
En conclusión, los ensayos de Gay-Lussac en 1802, dieron por resultado que la
presión y volumen de un gas con una diferencia de temperatura de 1°C, varía
aproximadamente 1/273 de su valor original.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
Cualquier evolución de un gas sin intercambio de calor con las paredes del
cilindro se llama “Proceso Adiabático”, lo que sucede en el transcurso de una
compresión muy rápida, ya que el calor desprendido no tiene tiempo de disiparse
por las paredes del cilindro; a diferencia de lo que ocurre durante una compresión
lenta que será una evolución isoterma.
En consecuencia, el
incremento de presión es
mayor en el caso de una
compresión adiabática que
en el caso de una
compresión isotérmica.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
Toda máquina térmica o mecánica que utilice o transforme una energía
cualquiera, no puede convertir íntegramente en trabajo la energía que se le
suministra. Hay que diferenciar dos tipos de pérdidas de energía durante la
transformación o utilización según sea el caso:
1.
Pérdidas mecánicas por efecto del rozamiento de los órganos, rodamientos,
piñones, etc.
2.
Pérdidas térmicas por efecto de la refrigeración y eliminación de los gases
quemados por el conducto de escape.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
El rendimiento térmico en motores Diesel
modernos supera pocas veces el 40% de la
energía calorífica desprendida dentro de la
cámara de combustión por la mezcla de aire combustible.
El rozamiento de los pistones, cojinetes y
rodamientos, el accionamiento del árbol de
levas, de la bomba de inyección y otros
órganos ajenos, etc, consumen una parte de
la energía motriz, es decir que el rendimiento
mecánico llega solo al 85% en promedio.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
Si se concibe un motor imaginario que dé el mismo trabajo que un motor real, se
observaría que en el motor real la presión de combustión va disminuyendo,
mientras que en el motor imaginario sería constante, cosa imposible de obtener
en la práctica.
Pero puede determinarse una presión media entre la máxima al principio de la
carrera de expansión y la mínima al principio de la evacuación de los gases de
escape, es por eso que la presión media eficaz es una presión ficticia que se
supone actúa sobre el pistón durante la carrera de expansión y produce un trabajo
igual al que se obtiene en el cigüeñal, descontando los rozamientos y pérdidas
que tienen lugar por el movimiento de los órganos y servicios, el cual se calcula
aproximadamente en 10%.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
Cuando con anterioridad a 1892, Rodolphe Diesel
se interesó por el motor térmico, lo que intentaba
era realizar industrialmente un motor que siguiera
el ciclo de Sadi-Carnot, se sabe que Diesel
abandonó este ciclo a causa de los peligros que
representaba la compresión excesivamente
elevada, sustituyendola posteriormente por un
ciclo más simple, conocido con el nombre de “Ciclo
Diesel” en el cual, el cilindro se llena a presión
atmosférica y luego:
A-B
Compresión Adiabática, (1era. Fase) el aire puro anteriormente aspirado se
comprime y alcanza una temperatura suficiente para provocar el autoencendido
del combustible inyectado.
Nociones fundamentales de
Termodinámica
B-C
Combustión Isóbara, (2da. Fase) al principio de la explosión, la combustión se
realiza a presión constante, mientras que el volumen aumenta. La dilatación de los
gases compensa la caída de presión debida al aumento de volumen.
C-D
Expansión Adiabatica, (3era. Fase) la espansión se efectúa sin intercambio de
calor con las paredes del cilindro.
D-A
Compresión Adiabática, (1era. Fase) el aire puro anteriormente aspirado se
comprime y alcanza una temperatura suficiente para provocar el autoencendido del
combustible inyectado.
El Motor Diesel
Motor
Es todo aquello que produce
movimiento, es decir, transforma en
energía mecánica cualquier otra
forma de energía que actúe sobre
ella.
Motor de Combustión Interna
Es un conjunto de elementos, piezas
y componentes debidamente
sincronizados que realizan la quema
del combustible en una cavidad
formada entre la cabeza del pistón y
la culata, transformando la energía
potencial calorífica del combustible
en energía mecánica.
Elementos Constructivos del Motor
Diesel
Principio de Funcionamiento del Motor
Diesel
El ciclo completo de funcionamiento que se desarrolla en cada cilindro, se realiza con
cuatro carreras de movimiento rectilíneo y alternado del pistón, dos descendentes en
los cuales se ejecutan los tiempos de Admisión y Trabajo (combustión y expansión de
gases quemados) y dos ascendentes en los cuales se realizan los tiempos de
Compresión y Escape, mientras el cigüeñal completa dos vueltas. Que si lo vemos en
espiral dentro del diagrama real práctico de distribución del centro a los extremos
sería:
Ciclo Termodinámico en Motores Diesel
Admisión