Optimización de la Combustión Diésel y Componentes del Motor

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Combustión Diésel

En la combustión diésel, el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión a altas presiones y temperaturas, mayores que en los motores de encendido por chispa (ECH). El combustible se vaporiza, alcanza una elevada temperatura y se enciende poco después del Punto Muerto Superior (PMS). El inicio de la combustión ocurre entre 13-15º desde el PMS, y la totalidad de la combustión dura 30º respecto al PMS. Se busca poca energía cinética en el chorro de inyección, por lo que se utiliza un conducto muy pequeño para que las gotas salgan pequeñas. Para lograr una buena combustión, solo se puede hacer mediante turbulencia. La potencia se regula mediante la cantidad de combustible, variando el tiempo de apertura del inyector.

Factores que Influyen en el Tiempo de Retardo

  1. Calentamiento del aire de admisión: Reduce el tiempo de retardo, pero empeora el rendimiento volumétrico.
  2. Material de la cámara de combustión: Debe conducir mal el calor para que la temperatura sea mayor y se reduzca el tiempo de retardo.
  3. Aumento de la relación de compresión: Reduce el tiempo de retardo, pero es difícil debido a las limitaciones de los materiales.
  4. Arranque con spray: Antiguamente, se utilizaba para preparar la reacción química y producirla rápidamente.
  5. Inyección dividida: Ayuda a reducir el tiempo de retardo.
  6. Sobrealimentación: Aumenta la presión, incrementando la potencia y disminuyendo el tiempo de retardo.
  7. Inyección piloto: Una inyección previa a la principal.
  8. Fumigación: Suministro de combustible adicional que disminuye el tiempo de retardo.

Sobrealimentación

La sobrealimentación aumenta el gasto de aire sin cambiar la velocidad de giro. Si la presión de admisión es mayor que la presión de escape, aumenta la presión de admisión y se consigue un mayor gasto de aire.

Características:

  • En motores ECH es problemático porque aumenta la presión de admisión y la posibilidad de detonación.
  • En motores diésel es favorable porque crea turbulencia y reduce los tiempos de retardo.
  • En motores ECH sobrealimentados, se reduce la relación de compresión para disminuir la posibilidad de detonación.

Tipos de Compresores

Volumétricos (Desplazamiento Positivo)

  • Pistón: Similar a un motor alternativo, utiliza una serie de válvulas para alcanzar la presión.
  • Paletas deslizantes: Tienen muelles con paletas que comprimen el aire al girar (poco utilizados por desgaste).
  • Roots: Utilizados en automoción, con lóbulos de rotor en forma de tornillo, para valores de presión no muy elevados. Los volumétricos no se suelen utilizar porque no dependen mucho del régimen y ocupan mucho espacio.

Ondas de Presión

  • Comprex: Un tipo de compresor donde un tambor es arrastrado por el cigüeñal.

Turbocompresores

Proporcionan presión a cambio de velocidad, siendo muy dependientes del régimen de giro.

  • Axial: Flujo principalmente en la dirección del eje de giro, con poca presión. No se utilizan en sobrealimentación.
  • Fans: Incremento de presión pequeño.
  • Centrífugo (Radial): Salto de presión muy dependiente del régimen de giro, muy utilizados.

Biela

La biela une el émbolo y el cigüeñal, transformando el movimiento alternativo del émbolo en rotativo del cigüeñal.

Condiciones:

  • Complejo sistema de fuerzas: Compresión, flexión (pandeo), inercia.
  • Temperatura no muy elevada.
  • Lubricación del pie difícil.

Requisitos:

  • Rigidez elevada, resistencia mecánica, tenacidad, resistencia a la fatiga, resistencia al desgaste, poca masa, fácil fabricación, bajo coste.

Bulón

Componente cilíndrico que une el émbolo y la biela.

Misiones:

  • Cinemática: Transformación del movimiento alternativo en rotativo.
  • Dinámica: Transmitir fuerzas entre émbolo y biela.

Cigüeñal

Eje del motor que entrega la energía mecánica.

Misiones:

  • Último eslabón en el paso de movimiento alternativo a rotativo.
  • Recibe fuerzas de la biela y transmite energía mecánica.
  • Accionamiento de otros sistemas.

Requisitos Funcionales:

  • Forma adecuada, rigidez elevada (flexión y torsión), tenacidad, resistencia a la fatiga mecánica y desgaste, frecuencias propias alejadas, precisión dimensional en muñequillas y muñones, fácil fabricación, bajo coste.

Émbolo

Componente del motor con movimiento alternativo que transmite la presión de los gases de la combustión a la biela.

Misiones:

  • Formar la frontera móvil del volumen variable en el que se desarrolla el ciclo termodinámico.
  • Transmitir y recibir fuerzas desde los gases a otros componentes.
  • En motores de 2 tiempos, participar activamente en el proceso de renovación de carga.
  • En motores diésel, dar forma a la cámara de combustión.
  • Transmitir el calor.

Diferencias entre Ciclo Ideal y Real (Turbinas)

Difusor

Necesario para pasar al compresor. Debe tener un número de Mach (M) de 0.5 y las más altas presiones, sin pérdidas de presión.

  • Supersónico: Si M no es muy elevado, puede ser convergente. Si supera 1.5, debe tener geometría variable.
  • Subsónico: Son conductos divergentes.

Compresor

Aumenta la presión para la cámara de combustión y produce un trabajo específico y un rendimiento. Se busca que sea isentrópico.

  • Radiales: Peor eficiencia y su régimen depende de los saltos de presión.
  • Axiales: Siempre habrá un rotor y después un estator. Tienen mejor rendimiento que los centrífugos, y su salto de presiones es menos dependiente del régimen.

Cámaras de Combustión

Se produce la combustión para aumentar la temperatura del fluido. Su funcionamiento es muy dependiente del dosado, que es bastante pobre (1/50).

Turbina

Todas son axiales. El objetivo es obtener energía mecánica después de la cámara de combustión debido a su entalpía. Es el componente más exigido del motor. Siempre hay un estator y un rotor, al contrario que en el compresor.

Tobera

Aumenta la velocidad para conseguir una gran velocidad de salida. Se pretende que la presión de salida (Ps) sea igual a la presión externa (Pext).

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