Historia
El motor diésel fue inventado en el año 1893, por el
ingeniero Rudolf Diesel. De origen francés, aunque de familia
alemana, fue empleado de la firma MAN, que por
aquellos años ya estaba en la producción de motores y vehículos de carga.
Rudolf Diesel estudiaba los motores de
alto rendimiento térmico, con el uso de combustibles
alternativos en los motores de combustión interna. Su
invento le costó muy caro, por culpa de un accidente que le provocó lesiones a
él y a sus colaboradores y que casi le costó la vida porque uno de sus motores
experimentales explotó.
Durante años Diesel trabajó para poder utilizar otros
combustibles diferentes a la gasolina,
basados en principios de los motores de compresión sin ignición por chispa,
cuyos orígenes se remontan a la máquina de vapor y que poseen una mayor
prestación. Así fue como a finales del siglo XIX,
en el año 1897, MAN produjo el primer motor conforme los estudios de Rudolf
Diesel, encontrando para su funcionamiento, un combustible poco volátil, que
por aquellos años era muy utilizado, el aceite liviano, más conocido como fuel oil que
se utilizaba para alumbrar las lámparas de la calle.
Principio de funcionamiento
Un motor diésel funciona mediante la ignición (encendido)
del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una
cámara (o precámara, en el caso de inyección indirecta) de combustión que
contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de autocombustión, sin
necesidad de chispa como en los motores de gasolina. Ésta es la llamada autoinflamación .
La temperatura que inicia la combustión procede de la
elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo del motor, la
compresión. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde
unos orificios muy pequeños que presenta el inyector de
forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión
(entre 700 y 900 °C). Como resultado, la mezcla se inflama muy
rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se
expanda, impulsando el pistónhacia abajo.
Esta expansión, a diferencia del motor de gasolina es
adiabática generando un movimiento rectilíneo a través de la carrera del
pistón. La biela transmite
este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el
movimiento rectilíneo alternativo del pistón en un movimiento de rotación.
Para que se produzca la auto inflamación es necesario
alcanzar la temperatura de inflamación espontánea del gasóleo. En frío es
necesario pre-calentar el gasóleo o emplear combustibles más pesados que los
empleados en el motor de gasolina, empleándose la fracción
de destilación del petróleo fluctuando
entre los 220 °C y 350 °C, que recibe la denominación de gasóleo o
gasoil en inglés.
Ventajas y desventajas
La principal ventaja de los motores diésel, comparados con
los motores a gasolina, es su bajo costo debido al precio de este combustible.
Además la creciente demanda del mercado de motores diésel, especialmente en el
área de turismo, desde la década de 1990, (en muchos países europeos ya supera
la mitad), el precio del combustible ha superado a la gasolina común por al
aumento de la demanda. Este hecho ha generado quejas de los consumidores de
gasóleo, como es el caso de transportistas, agricultores o pescadores.
Las desventajas iniciales de estos motores (principalmente
precio, costos de mantenimiento y prestaciones) se están reduciendo debido a
mejoras introducidas en su diseño como la inyección electrónica y el turbocompresor.
No obstante, la adopción de la pre cámara para
los motores de automóviles, con la que se consiguen prestaciones semejantes a las
de los motores de gasolina, presenta el inconveniente de incrementar el
consumo, con lo que la principal ventaja de estos motores prácticamente
desaparece.
Actualmente se está utilizando el sistema Common-rail en
los vehículos pequeños. Este sistema brinda una gran ventaja, ya que se
consigue un menor consumo de combustible, mejorando las prestaciones del mismo;
menor ruido (característico de estos motores) y una menor emisión de gases
contaminantes.
Aplicaciones
Sección de un diésel de dos tiempos, con las válvulas de
escape y el compresor mecánico para las lumbreras de admisión
· Maquinaria
agrícola de cuatro tiempos (tractores, cosechadoras)
· Propulsión ferroviaria 2T
· Propulsión
marina de cuatro tiempos hasta una cierta potencia, a partir de ahí dos tiempos
· Vehículos
de propulsión a oruga
· Automóviles
y camiones (cuatro tiempos)
· Grupos
generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia)
· Accionamiento
industrial (bombas, compresores, etc., especialmente de emergencia)
· Propulsión
aérea
Ciclo del diésel
El ciclo del motor
diésel lento (en contraposición al ciclo rápido, más aproximado a la
realidad) ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del
indicador de un motor Diesel, en el que se omiten las fases de renovación de la carga., y se asume que el
fluido termodinámico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además,
se acepta que todos los procesos son ideales y reversibles, y que se realizan
sobre el mismo fluido. Aunque todo ello lleva a un modelo muy aproximado del
comportamiento real del motor, permite al menos extraer una serie de
conclusiones cualitativas con respecto a este tipo de motores. No hay que
olvidar que los grandes motores marinos y de tracción ferroviaria son del ciclo
de 2 tiempos diesel.
Fases
1. COMPRESIÓN, proceso 1-2: es
un proceso de compresión adiabática reversible (isentrópica), es decir sin intercambio
de calor con el exterior. Viene a simbolizar el proceso de compresión de la
masa fresca en el motor real, en el que en el pistón, estando en el punto
muerto inferior (PMI), empieza su carrera de ascenso, comprimiendo el aire
contenido en el cilindro. Ello eleva el estado termodinámico del fluido,
aumentando su presión, su temperatura y disminuyendo su volumen específico, en
virtud del efecto adiabático. En la idealización, el proceso
viene gobernado por la ecuación de la isoentrópica ,
con k índice de politropicidad isoentrópico = Cp/Cv.
2. COMBUSTIÓN, proceso 2-3: en
esta idealización, el aporte de calor Qp se simplifica por un proceso
isóbaro (a presión constante). Sin embargo, la combustión Diesel es mucho
más compleja: en el entorno del punto muerto superior (PMS) (en general un poco
antes de alcanzarlo debido a problemas relacionados con la inercia térmica de
los fluidos, es decir el retraso que hay entre la inyección y la inflamación
espontánea), se inicia la inyección del combustible (en motores de automóviles,
gasóleo, aunque basta con que el combustible sea lo suficientemente
autoinflamable y poco volátil). El inyector pulveriza y perliza
"atomiza" el combustible, que, en contacto con la atmósfera interior
del cilindro, comienza a evaporarse. Como quiera que el combustible de un motor
Diesel tiene que ser muy autoinflamable (gran poder detonante, índice de Cetano
alto), ocurre que, mucho antes de que haya terminado la inyección de todo el
combustible, las primeras gotas de combustible inyectado se autoinflaman y dan
comienzo a una primera combustión caracterizada por ser muy turbulenta e
imperfecta, al no haber tenido la mezcla de aire y combustible tiempo
suficiente como para homogeneizarse. Esta etapa es muy rápida, y en el presente
ciclo se obvia, pero no así en el llamado ciclo Diesel rápido, en el que se
simboliza como una compresión isocora al final de la compresión.
Posteriormente, se da, sobre la masa fresca que no ha sido quemada, una segunda
combustión, llamada combustión por difusión, mucho más pausada y perfecta, que
es la que aquí se simplifica por un proceso isobaro. En esta combustión por
difusión se suele quemar en torno al 80% de la masa fresca, de ahí que la etapa
anterior se suela obviar. Sin embargo, también es cierto que la inmensa mayoría
del trabajo de presión y de las pérdidas e irreversibilidades del ciclo se dan
en la combustión inicial, por lo que omitirla sin más sólo conducirá a un
modelo imperfecto del ciclo Diesel. Consecuencia de la combustión es el
elevamiento súbito del estado termodinámico del fluido, en realidad debido a la
energía química liberada en la combustión, y que en este modelo ha de
interpretarse como un calor que el fluido termodinámico recibe, y a
consecuencia del cual se expande en un proceso isobaro reversible.
3. EXPLOSIÓN/EXPANSIÓN, proceso
3-4: se simplifica por una expansión isentrópica (adiabática) del
fluido termodinámico, hasta el volumen específico que se tenía al inicio de la
compresión. En la realidad, la expansión se produce a consecuencia del elevado
estado termodinámico de los gases tras la combustión, que empujan al pistón
desde el PMS hacia el PMI, produciendo un trabajo. Nótese como, como en todo
ciclo de motor de cuatro tiempos o dos tiempos, sólo en esta carrera, en la de
expansión, se produce un trabajo.
4. ÚLTIMA ETAPA, proceso 4-1:
esta etapa es un proceso isocórico (escape) es decir a volumen
constante. Desde la presión final de expansión hasta la presión inicial de
compresión. En rigor, carece de cualquier significado físico, y simplemente se
emplea ad hoc, para poder cerrar el ciclo ideal. Sin embargo, hay autores que
no satisfechos con todas las idealizaciones realizadas, insisten en dar un
significado físico a esta etapa, y la asocian a la renovación , pues,
razonan, es esto lo que se produce en las dos carreras que preceden a la
compresión y siguen a la expansión: el escape de masa quemada y la admisión de
masa fresca. No obstante, el escape es un proceso que requiere mucho más
trabajo que el que implica este proceso (ninguno), y además ninguno de los dos
procesos se da, ni por asomo, a volumen específico constante.
Es importante notar cómo, en el ciclo Diesel, no se deben
confundir nunca los cuatro tiempos del motor con el ciclo termodinámico que lo
idealiza, que sólo se refiere a dos de los tiempos: la carrera de compresión y
la de expansión; el proceso de renovación de la carga.. cae fuera de los
procesos del ciclo Diesel, y ni tan siquiera es un proceso termodinámico en el
sentido estricto.
Partes principales
Los motores Diésel cuentan con varias partes básicas y otras
opcionales dependiendo del tipo de tecnología las cuales son:
El bloque
Es la estructura básica del motor, en el mismo van alojados
los cilindros, cigüeñal, árbol de levas, etc. Todas las demás partes del motor
se montan en él.
Generalmente son de fundición de hierro o
aluminio. Pueden llevar los cilindros en línea o en forma de V.
Lleva una serie de aberturas o alojamientos donde se
insertan los cilindros, varillas de empuje del mecanismo de válvulas, conductos
del refrigerante, los ejes de levas, apoyos de los cojinetes de bancada y
en la parte superior lleva unos taladros donde se sujeta el conjunto de
culata.
El cigüeñal
Es el componente mecánico que cambia el movimiento
alternativo de las bielas en movimiento rotativo. Esta montado en el bloque en
los cojinetes principales los cuales están lubricados.
El cigüeñal se puede considerar como una serie de pequeñas
manivelas, una por cada pistón. El radio del cigüeñal determina la
Distancia que la biela y el pistón puede moverse. Dos veces este radio es la
carrera del pistón.
Podemos distinguir las siguientes partes:
- Muñequillas de apoyo o de bancada.
- Muñequillas de bielas.
- Manivelas y contrapesos.
- Platos y engranajes de mando.
- Taladros de engrase.
Una muñequilla es la parte de un eje que gira en un
cojinete.
Las muñequillas de bancada ocupan la línea axial del eje y
se apoyan en los cojinetes de bancada del bloque. Las muñequillas de biela son
excéntricas con respecto al eje del cigüeñal. Van entre los contrapesos y su
excentricidad e igual a la mitad de la carrera del pistón. Por cada muñequilla
de biela hay dos manivelas.
Los motores en V llevan dos bielas en cada muñequilla.
En un extremo lleva forjado y mecanizado en el mismo
cigüeñal el plato de anclaje del volante y en el otro extremo va el engranaje
de distribución que puede formar una sola pieza con él o haber sido mecanizado
por separado y montado luego con una prensa. Algunos cigüeñales llevan un
engranaje de distribución en cada extremo para mover los trenes de engranajes
de la distribución.
Otra particularidad del cigüeñal es una serie de agujeros de
engrase, para que pase el aceite desde las muñequillas de biela a las de
bancada. Como al taladrar quedan esos orificios en los contrapesos, se cierran
con tapones, que se pueden quitar para limpiar dichos conductos.
La Culata
Es el elemento del motor que cierra los cilindros por la parte
superior. Pueden ser de fundición de hierro o aluminio. Sirve de soporte para
otros elementos del
Motor como son: Válvulas, balancines, inyectores, etc. Lleva
los orificios de los tornillos de apriete entre la culata y el bloque,
además de los de entrada de aire por las válvulas de admisión, salida de
gases por las válvulas de escape, entrada de combustible por los inyectores,
paso de varillas de empujadores del árbol de balancines, pasos de agua entre el
bloque y la culata para refrigerar, etc.
Entre la culata y el bloque del motor se monta una junta que
queda prensada entre las dos a la que llamamos habitualmente junta de culata.
Las válvulas
Las válvulas abren y cierran las lumbreras de admisión y
escape en el momento oportuno de cada ciclo. La de admisión suele ser de mayor
tamaño que la de escape.
En una válvula hay que distinguir las siguientes
partes:
Pie de válvula.
Vástago.
Cabeza.
La parte de la cabeza que está rectificada y finamente
esmerilada se llama cara y asienta sobre un inserto alojado en la culata. Este
asiento también lleva un rectificado y esmerilado fino.
Las válvulas se cierran por medio de resortes y se abren por
empujadores accionados por el árbol de levas. La posición de la leva durante la
rotación determina el momento en que ha de abrirse la válvula.
Las válvulas disponen de una serie de mecanismos para su
accionamiento, que varía según la disposición del árbol de levas.
El árbol de levas
Este elemento es utilizado para abrir las válvulas que va
sincronizado con la distribución del motor y cuya velocidad de giro es la mitad
que la del cigüeñal; por tanto, el diámetro de su engranaje será de un diámetro
doble que el del cigüeñal. Asimismo, según su situación varía el mecanismo
empujador de las válvulas.
- Cuando el árbol de levas es lateral el mecanismo
empujador consta de leva, taqué, varilla, balancín y eje de balancines.
- Cuando el árbol de levas va en cabeza la leva actúa
directamente sobre un cajetín cilíndrico.
- También en otros motores de cuatro válvulas por
cilindro la leva actúa directamente sobre un rodillo de un balancín en forma de
horquilla. El principio es el mismo que el de levas laterales con la diferencia
que se ha abandonado la varilla de empuje.
Engranajes de distribución
Conduce los accesorios y mantienen la rotación del cigüeñal,
árbol de levas, eje de leva de la bomba de inyección ejes
compensadores en la relación correcta de desmultiplicación.
El engranaje del cigüeñal es el engranaje motriz para todos
los demás que componen el tren de distribución, por lo que deben de estar
sincronizados entre sí, de forma que coincidan las marcas que llevan cada
uno de ellos.
Bomba de aceite
Está localizada en el fondo del motor en el cárter del
aceite. Su misión es bombear aceite para lubricar cojinetes y partes móviles
del motor.
La bomba es movida por un engranaje, desde el eje de levas
hace circular el aceite a través de pequeños conductos en el bloque.
El flujo principal del aceite es para el cigüeñal, que tiene
unos taladros que dirigen el lubricante a los cojinetes de biela y a los
cojinetes principales. Aceite lubricante es también salpicado sobre las paredes
del cilindro por debajo del pistón.
Bomba de agua
Es la encargada de hacer circular el refrigerante a través
del bloque del motor, culata, radiador etc.
La circulación de refrigerante a través del radiador
trasfiere el calor del motor al aire que circula entre las celdas del radiador.
Un ventilador movido por el propio motor hace circular el aire a través del
radiador.
Sistema de inyección.
En un motor diesel el sistema de inyección es el encargado
de dosificar y dar presión al combustible para que llegue a los cilindros en la
mejor situación para ser pulverizado dentro del cilindro.
Hay tres sistemas de inyección en los motores diésel: Pre
combustión, inyección directa e inyector-bomba.
- Pre combustión.
El sistema de cámara de pre combustión se encuentra
principalmente en motores más antiguos. Se utiliza una bomba de inyección
clásica que contiene realmente unos pistones que impulsan el combustible de
cada cilindro por separado, este sale por tuberías separadas para cada uno de
los cilindros, donde entra en unas toberas con un agujero en la punta donde
sale el combustible pulverizado a una pre cámara montada en la culata, donde se
inicia la combustión que luego sale al cilindro impulsada por su propio calor.
Hay bujías incandescentes o calentadores montadas en las pre cámaras que sirven
para calentar el aire y favorecer el arranque del motor.
- Inyección directa.
Funciona de la misma manera que el anterior con la única
diferencia que no existen las pre cámaras, es decir el inyector pulveriza el
combustible directamente en el cilindro que tiene un rebaje especial en su
cabeza que favorece la mezcla del aire-combustible.
La ventaja de este sistema sobre el anterior es que consume
un poco menos de combustible, no necesita bujías de precalentamiento, puesto
que arranca fácilmente. Desde el punto de vista de fabricación tiene también la
ventaja de que es más fácil de construir el motor.
- Inyector-Bomba
Este sistema es el más moderno que se utiliza en la
actualidad. Sobre cada cilindro tiene un inyector que lleva incorporada
una bomba de inyección de alta presión. No necesita llevar tuberías de alta
presión a los inyectores, con lo que se consigue que las presiones de inyección
se puedan aumentar drásticamente, esto redunda en una mejor pulverización del
combustible y un mayor rendimiento del mismo.
Se usa una leva adicional en la culata para presionar el
cilindro del inyector-bomba.
Common-Rail.
Este sistema tan de moda hoy en día consiste en una bomba de
inyección que suministra combustible a una tubería común para todos los
inyectores, cada uno de ellos tiene en todo momento presión de combustible,
pero solo lo dejan pasar al cilindro cuando una señal eléctrica pasa a través
de una electroválvula integrada en el inyector. La bomba de inyección no tiene internamente
varias bombas individuales, sino una sola.
Pistón
Se trata de un émbolo que se ajusta al interior de las
paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos o anillos.
Efectúa un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a
modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el cambio de
presión y volumen del fluido.
Los pistones de motores de combustión interna tienen que
soportar grandes temperaturas y presiones, además de velocidades y
aceleraciones muy altas. Debido a estos se escogen aleaciones que tengan un
peso específico bajo para disminuir la energía cinética que se genera en los
desplazamientos. También tienen que soportar los esfuerzos producidos por las
velocidades y dilataciones. El material más elegido para la fabricación de
pistones es el aluminio y suelen utilizarse aleantes como: cobre, silicio,
magnesio entre otros.
Biela
Se denomina biela a un elemento mecánico que
sometido a esfuerzos de tracción o compresión, transmite el movimiento
articulando a otras partes de la máquina. En un motor de combustión interna
conectan el pistón al cigüeñal.
Actualmente las bielas son un elemento básico en los motores
de combustión interna. Se diseñan con una forma específica para conectarse
entre las dos piezas, el pistón y el cigüeñal. Su sección transversal o perfil
puede tener forma de H, I o +. El material del que están
hechas es de una aleación de acero, titanio o aluminio. En la industria
automotor todas son producidas por forjamiento, pero algunos fabricantes de
piezas las hacen mediante maquinado
Cilindro o camisa
El cilindro de un motor es el recinto por donde se
desplaza un pistón. Su nombre proviene de su forma, aproximadamente un cilindro
geométrico.
En los motores tales como los utilizados en los vehículos
automotores, se dispone un ingenioso arreglo de cilindros junto con pistones,
válvulas, anillos y otros mecanismos de regulación y transmisión, pues allí es
donde se realiza la explosión del combustible, es el origen de la fuerza
mecánica del motor que se transforma luego en movimiento del vehículo.
El cilindro es una pieza hecha con metal fuerte porque debe
soportar a lo largo de su vida útil un trabajo a alta temperatura con
explosiones constante de combustible, lo que lo somete a un trabajo excesivo
bajo condiciones extremas. Una agrupación de cilindros en un motor constituye
el núcleo del mismo, conocido como bloque del motor.
El diámetro y la carrera del cilindro, o mejor la
cilindrada, tienen mucho que ver con la potencia que el motor ofrece, pues
están en relación directa con la cantidad de aire que admite para mezclarse con
el combustible y que luego explota, generando con ello el movimiento mecánico
que finaliza con el desplazamiento del vehículo hacia otra posición.
Los cojinetes
Elementos mecánicos que permiten el libre movimiento entre
piezas fijas y móviles. Los cojinetes de antifricción son esenciales para la
maquinaria: sostienen o guían sus piezas móviles y reducen al mínimo la
fricción y el desgaste. La fricción consume energía inútilmente y el desgaste
altera las dimensiones y el ajuste de las piezas hasta la inutilización de la
máquina.
Estos van colocados en las uniones del cigüeñal y biela y
cigüeñal y bloque
Turbocompresor
Un turbocompresor es un sistema de
sobrealimentación que usa una turbina centrífuga para accionar mediante un eje
coaxial con ella, un compresor centrífugo para comprimir gases y aumentar la
potencia del motor. Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores
alternativos, especialmente en los motores Diesel. En algunos países, la carga
positiva sobre los automóviles depende de la cilindrada del motor. Como un
motor con turbocompresor tiene una mayor potencia máxima para una cilindrada
dada, estos modelos pagan me nos impuestos que los que no tienen
turbocompresor.
jajja pajina super el 204 es el mejor yeaaa
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