El proceso de transformación de la energía del carburante en trabajo sigue una serie de fases denominadas ciclo de funcionamiento. Un ciclo es una serie de procesos con un comienzo y un fin para conseguir un determinado objetivo y que se repite de forma continua. El ciclo diesel será, por lo tanto, la serie de operaciones que ha de llevar a cabo el motor para conseguir que el aire y el carburante se mezclen y expansiones de forma rápida y eficiente.
Para entender dicho ciclo conviene definir algunos conceptos.
Se entiende por carrera al desplazamiento del pistón desde su parte mas alta, punto muerto superior (PMS), hasta su parte mas baja, punto muerto inferior (PMI), o el movimiento contrario.
La union de dos carreras forma una revolución o vuelta de cigüeñal.
Como el ciclo completo esta formado por cuatro tiempos, el pistón necesita de cuatro carreras para completarlo y dos vueltas de cigüeñal. Este ciclo se denomina de cuatro tiempos.
Motor diesel de cuatro tiempos
El llenado de los cilindros se realiza solamente con aire, introduciendo, posteriormente, el carburante a alta presión, el cual arde espontáneamente al ponerse en contacto con el aire previamente comprimido, cuya temperatura esta por encima del punto de inflamación del carburante. Dicha combustión se realiza bruscamente, lo que produce la trepidación característica de estos motores, la cual es cada vez mas reducida por los sistemas de inyección muy alta presión y discontinuos.
(En los motores a nafta, la compresión es mucho menor, se necesita de una chispa (bobina) para generar la explosión del combustible)
En los motores diesel es necesaria una elevada relacion de compresión, del orden de 22/1 a 24/1, para conseguir las temperaturas adecuadas en el interior del cilindro, con objeto de que se produzca la autoinflamación del carburante al ser inyectado.
Este grado de compresión hace que las presiones de trabajo sean muy elevadas por lo que las piezas que lo constituyen soportan grandes esfuerzos.
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| Esquema sistema de inyección diesel, con sus inyectores, su rampa de inyección y su bomba de inyección |
En sistema de alimentación sumista, en función de lo que desee el conductor y en cada momento, la cantidad justa de carburante según las necesidades de marcha, sin que se produzca perdida en los mismos por mezclas excesivamente ricas ni pobres.
Por su particular forma de alimentación, necesitan una sobre aportación de aire para obtener una buena combustión que, en condiciones optimas, como se quema todo el carburante, produce poca cantidad de gases tóxicos. (Uso de turbo compresor en el diesel). En cambio, la producción de partículas solidas es alta, siendo un campo en el que deben evolucionar las próximas versiones de estos motores.
Necesitan una gran precisión en la construcción de la bomba de inyección y un filtrado muy riguroso del carburante para que no se obstruyan los inyectores.
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| Esquema inyeccion nafta, con su inyector, sus valvulas de admision y sus válvula de escape y su bobina para producir chispa |
El consumo de carburante en los motores depende esencialmente de las relación de compresión, de la forma de realizar la mezcla y del llenado de los cilindros. Estos factores varían notablemente de unos motores a otros y determinan la diferencia de consumo existente en ellos.
La regulación de potencia se realiza variando la cantidad de carburante inyectado en función de la potencia solicitada. Como la mayor o menor cantidad de carburante inyectado no influye en la cantidad de aire que entra en el cilindro, la compresión no disminuye mucho y el rendimiento se mantiene más o menos constante a cualquier régimen de carga.
La velocidad de régimen está limitada por el corto tiempo de que disponen para la formación de la mezcla en el interior de sus cilindros, lo cual limita la velocidad de los mismos, llegándose en los motores grandes más rápidos a un régimen que no supera las 3000 rpm (revoluciones por minuto) a 5000 rpm.
Cuatro tiempos que se desarrollan en el diesel
Admisión. El aire, previamente filtrado, entra en el cilindro debido a la depresión producida por el descenso del pistón. La válvula de admisión debe permanecer abierta, durante más de media vuelta del cigüeñal, para permitir dicha entrada. La de escape permanece cerrada.
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| Funcionamiento motor diesel y motor nafta con sus curvas termodinámicas y tiempos. |
Compresión. Con las dos válvulas cerradas, el pistón asciende hasta el PMS.
Combustión. Todavía con las válvulas cerradas y el pistón subiendo, se inicia la inyección de carburante. Este momento, marcado por el fabricante, es el mas adecuado, dependiendo del régimen de giro y lo apretado que este el pedal acelerador. La combustión del gasóleo, que se habrá inyectado a mas de 1000 bares, se produce cuando se alcanza la temperatura de inflamación. El tiempo durante el cual esta entrando carburante dependerá de la cantidad a inyectar pero podría llegar a ser de 35° de giro del cigüeñal. (Los tiempos se miden en grados de vuelta de cigüeñal) Según se produce la combustión, los gases se expansionan y obligan al pistón a descender hacia su PMI, haciendo la carrera de trabajo y obligando al cigüeñal a girar.
Escape. Como los gases que se producen durante la combustión hay que expulsarlos, el pistón asciende arrastrando a estos hacia el orificio de salida. La valvula de escape debe permanecer abierta, durante mas de media vuelta del cigueñal, para permitir la mejor expulsion de los gases quemados. La válvula de admisión permanece cerrada.
Características mas importantes que definen el motor.
PMS, punto muerto superior. Posicion del piston mas próxima a la culata.
PMI, punto muerto inferior. Posicion del piston mas alejada de la culata.
Carrera: Distancia entre el PMS y el PMI. Se expresa en milímetros (mm)
Diámetro del cilindro: Diámetro interior, expresado en milímetros (mm).
Cilindrada: Es el volumen generado por el pistón en su movimiento desde el PMS hasta el PMI. Se expresa en cm3 o en litros.
Cilindrada del motor: es la suma de la cilindrada de todos los cilindros del motor. Se obtiene multiplicando la cilindrada de un cilindro por el numero de ellos y se expresa en cm3 o en litros.
Volumen de la camara de compresion: es el espacio que queda cuando el pistón esta en el PMS y suele expresarse como un volumen Vc por lo tanto en cm3
Volumen total del cilindro, es el espacio comprendido entre la culata y el pistón cuando este se halla en el PMI, viene expresado como Vt y en cm3.
Relación de compresión Rc: se entiende por tal, el cociente entre el volumen total del cilindro y el volumen de la camara de compresion. Expresa lo comprimido que quedan los gases en la camara de compresion.
Par motor: es el esfuerzo de giro que realiza el motor medido en el eje de cigüeñal. Se obtiene haciendo funcionar el motor a distintos regímenes de giro y, con dispositivos de freno, se realiza un par contrario suficiente como para parar el cigüeñal. La unidad de medida es el Newton por metro (Nm)
Potencia: es el trabajo que entrega el motor en un determinado tiempo. Se mide en kilovatios (kW) y se obtiene como resultado de las mediciones que se hacen para el par motor. (HP y CV son otras unidades de medida de potencia).
Numero de rpm: es el numero de vueltas que da el cigüeñal en un minuto. Es un dato de elevada importancia en relacion con la utilización del motor. Se expresa como 1/min.
Consumo específico de carburante: indica la cantidad de gramos de carburante necesaria para obtener un kilovatio durante una hora. Se expresa en g/kWh
