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2-BREVE ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DIESEL El motor de Ciclo Diesel funciona en forma sustancialmente distinta al motor de Ciclo Otto o de gasolina. El motor Diesel moderno aventaja en rendimiento al de Ciclo Otto. El motor de Ciclo Diesel fue Patentado por el ingeniero alemán Rudolf Diesel (1858 -1913) en el año 1893, cuando desarrolló su primer prototipo. El prototipo de Diesel logró funcionar, luego de innumerables ensayos para el año 1897. En este motor, Diesel almacenaba presión con un compresor de aire y la utilizaba para introducir dentro de la Cámara el combustible a presión al final de la carrera de compresión. Este motor no logró imponerse por la gran dificultad que representaba su aplicación práctica. No fue hasta 1920 en que encontró aplicación gracias a otro alemán, Robert Bosch, que perfeccionó la “Bomba de Inyección Distribuidora”. Aunque la organización de los elementos móviles (Cadena Cinemática) del Motor Diesel es la misma que la del Motor de Ciclo Otto, su ciclo termodinámico no, por lo que resulta necesario poner en claro algunos conceptos básicos en cuanto a su operación, que nos serán de gran importancia en el Diagnóstico de Fallas. Para esto, haremos un breve estudio comparativo entre el Motor a Gasolina y el Motor Diesel.

MOTORES DE CICLO OTTO • En los motores de “explosión” o de Ciclo Otto (de encendido por Chispa) la nafta o

gasolina es pulverizada y mezclada con aire, fuera de las cámaras de combustión, en una proporción aire-combustible muy exacta. Para un buen funcionamiento la proporción o relación entre el aire y el combustible debe ser lo más próxima posible a 14,7 partes de aire por 1 parte de combustible (14,7:1) y es llamada “Estequiométrica” o Ideal. Esta mezcla se debe enriquecer en las aceleraciones.

• Mezclas más ricas que 9:1 ya no encienden y mezclas más pobres que 22:1 tampoco. A esto se lo llama “Límite de Inflamabilidad”.

• La relación de Mezcla Aire-Combustible se controla con una “mariposa estranguladora” que regula la cantidad de aire que aspiran los cilindros y con la cantidad de Gasolina que se pulveriza. El motor de Ciclo Otto presenta condiciones de operación en donde la mezcla puede estar RICA o “Gorda” y POBRE o “Flaca” dependiendo del volumen de combustible inyectado en relación al aire aspirado.

• Cuando la mezcla está Rica en condición de Carga constante, suele haber emisión de humos negros de fuerte olor por el escape. Cuando la mezcla está Pobre el motor suele sobrecalentarse. El motor solo opera correctamente dentro de una estrecha faja.

• Toda la mezcla aire-combustible ingresa junta al cilindro en la carrera de Admisión y luego es comprimida para que se caliente pero no se auto inflame. La explosión es controlada mediante un punto caliente en la cámara que es generado por una “chispa” eléctrica que inicia la combustión. Toda la mezcla introducida “explota” junta.

• La relación de compresión es baja (8:1 a 11:1) porque su aumento provoca la detonación o encendido espontáneo (pistoneo) según las características del combustible. El combustible está aditivado con “Antidetonantes” que le dan su “Índice de Octanos”. En la actualidad se destilan naftas que van de 91 Octanos a 100 Octanos. A mayor índice de octanos es mejor la nafta y se puede trabajar con Relaciones de Compresión más elevadas, aumentando el rendimiento del motor.

• El control de la explosión se realiza por medio de la “chispa de Encendido”, pudiendo ser avanzada o atrasada con respecto al punto angular de cigüeñal conforme la necesidad según la carga motor y sus RPM para que la carrera motriz sea la más eficiente (punto de mayor presión) y el combustible se queme completamente.

• El rendimiento Térmico del motor de Ciclo Otto es bajo, y rara vez supera el 40% pero su éxito radica en la sencillez de su funcionamiento, su facilidad de reglaje y su aptitud para funcionar en altos regímenes. Su bajo rendimiento está relacionado con el llenado de aire (rendimiento volumétrico) que siempre es limitado por la mariposa, salvo en la condición

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de “Plena Carga” en donde la mariposa esta abierta a pleno y no limita la entrada del aire a los cilindros. Sus puntos de operación más deficientes son en “Ralenti” y en “Cargas Parciales” en donde el motor junta más vacío (Pérdidas por Bombeo). Es por esto que el torque máximo lo entrega a un régimen de RPM alto.

Comportamiento Termodinámico del Motor de Ciclo OTTO. Combustión a Volumen Cte.

MOTORES DE CICLO DIESEL

• En los motores de Ciclo Diesel no hay ningún dispositivo que prepare la Mezcla ni hay

sistema de encendido. El motor aspira aire sin limitación por lo que su llenado puede ser considerado pleno (condición muy aproximada cuando el motor funciona a bajas vueltas). El agregado del “Turbocompresor” mejorará esta condición en altas vueltas.

• A menores RPM más se aproxima a la Combustión a Presión Constante del Ciclo

teórico (Ciclo de Carnot) de funcionamiento. Su mejor rendimiento se obtiene a bajas vueltas por lo que entrega su mayor Cupla entre las 1200 y 2500 RPM. Encuentra dificultad en la operación a altas revoluciones por el acortamiento de los tiempos del ciclo térmico. En estas condiciones baja el rendimiento y comienza a consumir aceite.

En la gráfica inferior se puede observar las diferencias entre el Ciclo Termodinámico Ideal y el Ciclo Real de funcionamiento de los Motores Diesel. Los márgenes externos representan el funcionamiento teórico de la combustión a “Presión Constante” que caracterizan a estos motores, y la curva interior (en blanco) el funcionamiento real del motor. Otro factor que influye negativamente en el ciclo es que el proceso de la combustión dura un tiempo t (no es instantánea), durante el cual el pistón se ha movido agrandando el volumen de la cámara limitando con ello el mantenimiento de la presión de Combustión. • En la carrera de compresión se eleva la presión del aire a valores de entre 20 y 35 bares

(300 a 525 PSI) y aun mayores lo que produce un fuerte aumento de la temperatura que llega a 400 – 600°C. Esta temperatura auto inflamará al Gas Oil.

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Comportamiento Termodinámico del Motor Diesel. Combustión a Presión Constante.

• En estas condiciones se inyecta en forma líquida el combustible, que primero debe

evaporarse (pasar a fase gaseosa) en contacto con el aire caliente y luego mezclarse con el aire adyacente que le cedió parte de su temperatura, para comenzar a inflamarse espontáneamente cuando esta mezcla toma contacto con el aire caliente que viene empujado desde atrás. Recién ahí comienza el proceso de combustión.

• Este proceso genera el llamado Retraso a la Inflamación y es el responsable del “golpe Diesel” porque el primer gas oil que ingresa a la cámara no arde instantáneamente sino un instante después en conjunto con el resto de gas oil que continúa inyectándose durante el retrazo. Al arder todo junto se produce un explosión.

• El Retraso a la Inflamación que genera el Golpe Diesel es más notable cuanto menor sea el volumen de combustible inyectado (en ralentí es más notorio que acelerando). Esto es así porque el Retrazo a la inflamación es de duración constante y no depende del volumen que se inyecta. Está influido por las siguientes magnitudes: -Diseño de la Cámara de Combustión. Se busca generar gran turbulencia a fin de acelerar la transferencia del calor del aire al gas oil. Pistón SAURER. DI vs. IDI. -Relación de Compresión elevada. Produce elevada temperatura del aire.

-Calidad del gas oil. Poca cantidad de Hidrocarburos pesados que arden a mayor temperatura y más de livianos. Índice de CETANOS elevado (de 50 a 55). -Temperatura del aire. Importante en los arranques en frió. -Pulverización del gas oil. Cuanto mejor pulverizado esté serán más pequeñas las micro gotas y pasarán a fase gaseosa con más facilidad. Toberas Multi Orificio. -Elevadas presiones de inyección (de 300 a 2000 bares) mejoran la pulverización. Por lo general en los motores modernos y con combustible adecuado el Retrazo a

La Inflamación dura alrededor de 1 mseg. • Retraso a la inyección: Se produce desde el momento del Comienzo del Suministro

de la Bomba Inyectora hasta el Comienzo de la inyección en la Cámara (cuando se abre el inyector). Depende de la longitud de los caños. El “Golpe de Inyección” es una Onda de Presión que viaja por el caño del inyector a la Velocidad del Sonido, que en un líquido de la densidad del Gas Oil es de aproximadamente 1500m/seg. Es decir que recorre 1,5 mts en 1 mmseg.

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En los Sistemas Common Rail, Inyector Bomba y HEUI, este Retraso se puede despreciar por no tener caños a los Inyectores. • La relación de Mezcla Aire – Combustible es variable con la carga motor. En ralenti

la relación es de 70 a 80 partes de aire por 1 parte de gas oil (70/80:1). En cargas parciales se encuentra en 30/50:1 y en plena carga 17/20:1 siendo su operación la menos eficiente porque se aproxima al funcionamiento del Ciclo Otto a plena carga.

RELACIONES AIRE – COMBUSTIBLE DE LOS MOTORES DIESEL -RALENTI = 70/80 de aire por 1 combustible. -CARGAS PARCIALES = 30/50 de aire por 1 combustible. -PLENA CARGA = 17/20 de aire por 1 combustible. • El motor diesel siempre opera en exceso de aire y sin limitación a la admisión por lo que

las pérdidas por “Bombeo” son mínimas en contraposición al motor de Ciclo Otto. Tiene un rendimiento que en general supera el 50%, aun mayor si es turbo comprimido.

• El motor diesel es más “ENDOTERMICO” que el de Ciclo Otto disipando menos calor de la combustión al ambiente (pérdidas térmicas), lo que le da un rendimiento superior.

• El gas oil en el motor Diesel, a diferencia de la nafta o gasolina, rinde su energía al máximo aunque se queme en exceso de aire. Esta es la “ventaja” del motor Diesel.

• Los “Humos” del Diesel no son producidos porque la mezcla esté “Rica o Pobre” como en el motor naftero si no por desajustes en la inyección o estrangulamientos a la admisión (restricción de aire). En Diesel no existe el concepto de RICO – POBRE.

Como vemos, el motor de Ciclo Diesel tiene grandes ventajas en comparación con el de Ciclo Otto, pero por contra partida requiere de un control de la inyección muy preciso que cuando no se encuentra en condiciones inhabilita su funcionamiento o hace que contamine en exceso por la producción de Humos.

HUMOS DEL DIESEL

Azulados: Sube aceite por desgastes o pérdidas por el turbo. Blancos: Vapor de Gas oil. Combustible sin quemar. Inyección muy atrasada o motor fuera de punto. Cámaras frías, malas pulverizaciones. Formación de aldehídos muy contaminantes e irritantes de las vías respiratorias. Negros: Combustión incompleta. Residuos muy complejos producidos por “Cracking” que es el desdoblamiento de las moléculas de HC del combustible (Hidro Carburos). HC livianos arden fácil (200°C), HC pesados arden a más Temperatura (350 a 400°C) formando alquitranes y carbón (humos negros). Son producidos por inyección levemente atrasada, fugas de aire por los Aros de Pistón que generan bajas presiones de compresión por falta de aire. Es el contaminante más común del Diesel. Material Particulado de carbono.

Los humos negros en general no se producen por exceso de combustible si no por FALTA DE AIRE (fugas o restricciones en la admisión) produciendo dentro de la Cámara un ambiente enrarecido por los gases que lentifica la combustión del último combustible inyectado. Pueden tener su origen en Inyectores defectuosos. Resumiendo: Los humos negros son Gas oil incompletamente quemado. Se mejora con turbulencias del aire de admisión, adecuada pulverización y con control del avance. También son producidos por pérdidas en inyectores y bombas desregladas. Los humos blancos son Gas Oil “crudo”, vapores de gas oil sin quemar. Fuerte olor.

EL COMBUSTIBLE EN EL MOTOR DIESEL

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El Gas Oil es un combustible formado por la mezcla de diversos Hidrocarburos que combustionan espontáneamente a diferentes temperaturas. Contiene HC pesados y livianos. Los pesados necesitan más temperatura y tiempo para inflamarse y combustionarse completamente. Los livianos son los primeros en combustionarse y aumentar la temperatura de la Cámara, favoreciendo la combustión de los pesados.

La imagen superior ejemplifica como debe ser el comportamiento del combustible

Los motores Diesel de última generación son muy sensibles a la calidad y formulación del Gas Oil. Los Sistemas Common Rail fueron diseñados para combustibles con menos de 100 ppm (partes por millón) de azufre (parfina). Los Euro Combustibles, especialmente diseñados para estos motores, tienen hasta 50 ppm de azufre. El Gas Oil común tiene de 900 a 1000 ppm. La formulación del Gas Oil actual tiene hasta un 50 % de Kerosene. A pesar de lo dicho, lo más perjudicial es la contaminación por agua y sólidos que rayan.

RETASOS EN EL DIESEL

Son de dos tipos: Retrazo a la Inyección y Retrazo a la inflamación

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Retaso a la inyección: Es producido, como ya hemos dicho, por el traslado del golpe de inyección desde la bomba (comienzo de suministro) a los inyectores (comienzo de la inyección). Depende del largo de los caños de los Inyectores. Es independiente de las revoluciones del motor, es decir que es un Parámetro Constante. El golpe de inyección diesel viaja por los caños a la velocidad del sonido, que en un líquido es de alrededor de 1500m/seg. Por lo que para un caño de 75cm es de alrededor de 0,5 mseg. Típica de 0,5 a 0,7 mseg. Los Common Rail no tienen Retraso a la Inyección Retraso a la Inflamación: Es producido por el pasaje de la fase líquida a la fase gaseosa del Gas oil, el cual no puede formar una mezcla inflamable hasta que no se gasifica. El Gas Oil es inyectado líquido (pulverizado) y por el calor del aire comprimido se vaporiza entre los 200 y 300°C dependiendo de la calidad del gas oil y del número de CETANOS. El Gas Oil se inyecta líquido porque se utilizó como medio físico de transmisión de presión, dado que el golpe de inyección se transmite al inyector por el mismo gas oil. El índice de Cetanos indica la “facilidad con que el combustible arde espontáneamente”, es decir, su inflamabilidad. A mayor número de Cetanos mayor tendencia a la auto inflamación y menor demora a la inflamación. Los combustibles diesel modernos deben ser livianos para tener un punto de gasificación bajo (alto contenido de Kerosén) y tienen un índice de Cetanos de 50 a 55 como mínimo. El Retrazo a la Inflamación produce el “Golpe diesel”, el cual puede ser controlado ajustando la inyección, pulverizando mejor y con la “Inyección Piloto o Pre-Inyección”. Los Sistemas Common Rail permiten las Inyecciones Múltiples desfasadas, las cuales vuelven más sereno al motor y reducen considerablemente los contaminantes de escape. La Pre-Inyección consiste en inyectar una muy pequeña cantidad de Gas Oil (típicamente de 1 a 2 mm3) unos 15° APMS para que al encenderse genere calor y permita un rápido encendido del Gas Oil inyectado en la Inyección Principal, que se realizará próxima al PMS. La misión de la Pre-Inyección es mejorar las condiciones de la Cámara acondicionándola con una temperatura que favorezca la auto inflamación de la Inyección Principal. Las Pre-Inyección se suspenden por arriba de las 3000 RPM porque se torna irrelevante.

En la imagen de arriba se puede observar el comportamiento de la presión en las cámaras de combustión, comparado la inyección normal con una con Pre-Inyección. El mejor acondicionamiento de la cámara redundará en en una menor emisión de micro partículas sólidas de carbón, conocidas como Humos Negros, principal contaminante Diesel.

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El otro contaminante que generan los motores Diesel son los NOx (Óxidos de Nitrógeno) principalmente Óxidos Nítrico y Nitroso que se producen por el exceso de oxígeno que caracteriza a estos motores. Bajo condiciones de alta temperatura (mayor a 1600 °C) y a elevadas presiones el N2 y el O2 que en la atmósfera no se combinan, comienzan a tener afinidad para formar moléculas. Si se varían estas condiciones la tendencia disminuye. Para esto se utilizan Sistemas de Recirculación de Gases de Escape EGR. El exacto punto de inyección del combustible, influye favorablemente sobre la formación de NOx y la emisión de Humos (HC). Esto se puede apreciar en la gráfica inferior.

Cuando Rudolf Diesel diseñó su motor separó las funciones de la inyección. Por un lado generaba la Presión de Inyección y por otro realizaba la Distribución de la Presión. No fue sino hasta 25 años después que el motor diesel se generalizó de la mano de Robert Bosch con la creación de la Bomba Inyectora. Este dispositivo unifica en un mismo componente las dos funciones que Diesel había separado. La Bomba Genera la Presión y la Distribuye a los Inyectores en forma mecánica. El Sistema Common Rail vuelve (100 años después) a los principios de funcionamiento que había pensado Diesel. Por un lado se genera la presión y se almacena (Bomba y Rail) y por otro se distribuye.