Optimización de la Combustión en Motores Diésel: Propiedades, Sistemas y Control de Emisiones

Propiedades del Gasóleo

Las características del gasóleo deben asegurar una información homogénea y progresiva, siendo las más destacables:

• Poder de Auto Inflamación (Índice de Cetano): Mezcla de Acetano y Metil Naftaleno. Se evalúa experimentalmente en un monocilindro variando la relación de compresión. Valores normales: 50 a 60 CZ.
• Poder Calorífico: Ligeramente menor que la gasolina.
• Punto de Inflamación: Temperatura a la que el gasóleo arde al acercar una llama. Debe ser mayor a 55 °C.
• Punto de Auto Inflamación: Temperatura mínima a la que el gasóleo arde espontáneamente, aproximadamente 220 °C.

Aditivos del Gasóleo

• Favorecedores de la Auto Inflamación: Facilitan el arranque en frío.
• Anticorrosivos: Previenen la oxidación.
• Modificadores de Fricción: Conservan inyectores y piezas móviles.
• Antiespumantes: Permiten un llenado rápido y completo del depósito.
• Detergentes: Mantienen limpios los conductos.

Sistemas de Inyección

Bombas de Émbolos Radiales

Algunos sistemas utilizan una bomba que genera alta presión con un elemento de bombeo de émbolos radiales, similar al empleado en bombas rotativas.

Bombas de Dos Émbolos Opuestos

En baja presión, la bomba eléctrica del depósito suministra combustible a la entrada de la bomba previa. Esta alimenta a la bomba de alta presión, que suele ser de engranajes y es accionada por la correa de distribución. Asegura el suministro de combustible en todas las condiciones operativas del motor. La bomba de alta presión envía el combustible a la rampa de inyección, utilizando dos émbolos opuestos para realizar un ciclo de aspiración y otro de compresión por cada vuelta del árbol de mando. En la fase de aspiración, el émbolo aumenta el volumen de la cámara de compresión, abriendo la válvula de entrada y cerrando la de retención. Este sistema incorpora una válvula dosificadora controlada por la unidad de control, regulando la cantidad de combustible suministrada.

Inyector Piezoeléctrico

Ofrece un funcionamiento más rápido y una dosificación más precisa. Son más pequeños, ligeros y requieren menos energía para su activación.

Sensores del Sistema Common Rail

Sistema de Gestión Electrónica

• Medidor de la masa de aire
• Sensor de régimen de giro
• Sensor Hall
• Sensor de posición del acelerador
• Sensor de temperatura del líquido refrigerante
• Sensor de presión en el colector de admisión
• Sensor de presión del combustible
• Conmutador del pedal de freno
• Conmutador del pedal de embrague
• Sensor de temperatura del combustible
• Sensor de altitud

Proceso de Combustión en Motores Diésel

Características

• Dosado: Limitado a plena carga para reducir emisiones.
• Relación de Compresión: Varía entre 17:1 y 22.5:1. A mayor relación, mejor rendimiento térmico.
• Renovación de la Carga: Sin mariposa de gases, menores pérdidas al ralentí.
• Poder Calorífico del Gasóleo: Mayor densidad y energía por litro comparado con la gasolina.
• Temperatura del Aire Exterior y del Motor: Influye en la combustión.
• Diseño de la Cámara de Combustión: Área minimizada para reducir pérdidas de calor.

Fases del Proceso de Combustión

• Tiempo de Retraso: Tiempo entre el inicio de la inyección y el inicio de la combustión. Dura aproximadamente 1 ms.
• Combustión Rápida: Combustión del gasóleo inyectado durante el tiempo de retraso, con un aumento súbito de presión.
• Combustión Lenta o Controlada: Inyección continua de combustible mientras el pistón desciende, favorecida por la turbulencia de la mezcla ya quemada.

Tipos de Inyección Diésel

Inyección Indirecta

El combustible se inyecta en una cámara auxiliar o pre-cámara.

• Cámara de Precombustión: Aproximadamente 1/3 del volumen de la cámara de combustión.
• Cámara de Turbulencia: Forma esférica, entre 2/3 y 3/4 del volumen total.

Inyección Directa

El combustible se inyecta directamente en el cilindro sobre la cabeza del pistón.

Calentador

Resistencia que soporta temperaturas de 800-1000 °C, crucial para el arranque en frío. Tipos: varilla metálica y cerámica.

Tipos de Inyectores

Electromagnéticos, mecánicos y piezoeléctricos.

Common Rail

Utilizado en motores de inyección directa, suministra combustible a través de rampas de inyección lineales o radiales.

Ventajas del Common Rail

• Combustión más completa y eficiente.
• Mayor potencia y par motor.
• Reducción de emisiones contaminantes.
• Mejor arranque en frío y durabilidad.

Subproductos de la Combustión

N2 (Nitrógeno), O2 (Oxígeno), H2O (Agua), CO2 (Dióxido de Carbono), CO (Monóxido de Carbono), NOx (Óxidos Nítricos), SO2 (Dióxido de Azufre), HC (Hidrocarburos), MP (Restos de Hollín).

Control de Emisiones

Catalizadores

Sustancias que aceleran reacciones químicas sin alterarse: platino, paladio y rodio.

Ventana Lambda

Momento de menor concentración de sustancias nocivas, mínima contaminación.

Sonda Lambda

Informa a la UCE de la proporción de oxígeno en los gases de escape, ajustando la mezcla a una estequiométrica. Tipos: reguladora o de mezcla y de diagnóstico.

Sonda Lambda de Banda Ancha

Mide un amplio rango de concentraciones de oxígeno. En motores diésel, se usa para controlar la recirculación de gases (EGR), la cantidad de oxígeno suministrada y el envejecimiento de los inyectores.

Denominaciones de la Sonda Lambda

• LSH: Sonda convencional calefactora 3 a 4 vías.
• LSF: Sonda lambda planar para gasolina de inyección indirecta.
• LSU: Sonda lambda de banda ancha para diésel y gasolina de inyección directa estratificada.

EGR (Recirculación de Gases de Escape)

Reduce las emisiones de NOx en motores gasolina y diésel, esencial en estos últimos por trabajar con exceso de oxígeno. Los NOx se producen por altas presiones y temperaturas en la cámara de combustión.