Motores Diésel vs. Motores de Explosión: Funcionamiento, Rendimiento y Combustibles
Diferencias Fundamentales entre Motores de Explosión y Diésel
Este documento explora las diferencias clave entre los motores de explosión (gasolina) y los motores diésel, centrándose en sus ciclos de funcionamiento, rendimiento y tipos de combustible. Además, se analizan conceptos importantes como la relación de compresión, la presión media indicada y los problemas de combustión.
Ciclo Diésel de Dos Tiempos: Fases de Trabajo y Distribución
El ciclo diésel de dos tiempos se completa en una sola vuelta del cigüeñal (dos carreras del pistón). A diferencia del ciclo de cuatro tiempos, la admisión y el escape ocurren durante fracciones de las carreras de compresión y expansión, respectivamente.
Fases del ciclo:
- Primer tiempo (Admisión-Compresión): El pistón asciende. Inicialmente, la lumbrera de admisión está abierta, permitiendo la entrada de aire. Al cerrarse la lumbrera de escape, comienza la fase de compresión.
- Segundo tiempo (Combustión-Escape): Cerca del punto muerto superior (PMS), se inyecta el combustible, que se inflama debido a la alta temperatura del aire comprimido. La expansión de los gases empuja el pistón hacia abajo. Al descubrirse las lumbreras de escape, los gases quemados salen. Poco después, se abre la lumbrera de admisión, y el aire fresco entrante ayuda a expulsar los gases residuales.
Comparativa: Motor de Explosión vs. Motor Diésel
A continuación, se presenta una tabla comparativa de las características principales:
| Característica | Motor de Explosión (Gasolina) | Motor Diésel |
|---|---|---|
| Mezcla | Aire-combustible | Solo aire (el combustible se inyecta posteriormente) |
| Encendido | Bujía (chispa) | Autoencendido por compresión |
| Combustible | Gasolina, combustibles gaseosos de alto poder calorífico | Gasóleo, diésel, fuelóleo (combustibles más pesados) |
| Relación de Compresión (Rc) | 6 – 10 | 14 – 22 |
| Ciclo | Principalmente 4 tiempos (excepciones: motores fuera de borda, ciclomotores) | 2 y 4 tiempos |
Influencia de la Relación de Compresión (Rc) en el Rendimiento
El aumento de la relación de compresión (Rc) incrementa el rendimiento térmico del motor. Esto se puede observar en la fórmula del rendimiento térmico:
La Rc máxima está limitada por factores constructivos y por el tipo de combustión. Los motores diésel pueden operar con Rc más elevadas porque comprimen solo aire, evitando el riesgo de autoencendido prematuro que ocurre en los motores de gasolina.
Presión Media Indicada (Pmi)
La presión media indicada (Pmi) es una presión teórica constante que, si actuara durante toda la carrera del pistón, produciría el mismo trabajo que la presión real (variable) del ciclo. Es un parámetro útil para calcular el trabajo y la potencia del motor.
Cálculo de la Pmi:
Pmi = (Sd / Ld) * er
- Sd: Superficie del diagrama indicado (mm²)
- Ld: Longitud del diagrama indicado (mm)
- er: Constante del resorte del indicador (mm/Pa)
Diagrama Decalado o Abierto (P-α):
Este diagrama representa la presión en el cilindro en función del ángulo de giro del cigüeñal (α). Es fundamental para evaluar la evolución del fluido en el cilindro.
Diagramas Indicados Incorrectos:
Un diagrama indicado se considera incorrecto si no coincide con el diagrama del mismo motor en perfectas condiciones (obtenido en un banco de pruebas) bajo las mismas condiciones ambientales y de operación.
Pérdidas en el Rendimiento del Motor
El rendimiento de un motor se ve afectado por diversas pérdidas:
- Rendimiento Térmico: Pérdidas de calor a través de las paredes del cilindro y otros componentes.
- Rendimiento de Diagrama: Diferencias entre el diagrama indicado real y el diagrama teórico.
- Rendimiento Indicado: Incluye las pérdidas del rendimiento térmico y de diagrama.
- Rendimiento Mecánico: Pérdidas por fricción, bombeo, accionamiento de auxiliares y compresores.
- Rendimiento Global: Considera todas las pérdidas anteriores.
Potencia Efectiva y Presión Media Efectiva (Pme)
Potencia Efectiva: Es la potencia real medida en el eje del motor, siempre menor que la potencia indicada debido a las pérdidas mecánicas. Se mide con:
- Frenos: Absorben la potencia y miden el par motor.
- Torsiómetros: Miden el ángulo de torsión del eje del motor.
Presión Media Efectiva (Pme): Es una presión teórica que, al introducirse en la fórmula de la potencia indicada, resulta en la potencia efectiva. Es un valor conceptual útil para comparar motores.
Combustión y sus Anomalías
Índice de Exceso de Aire, CO₂ Máximo y Poder Calorífico
- Índice de Exceso de Aire: Porcentaje de aire suministrado por encima de la cantidad teóricamente necesaria para la combustión completa.
- CO₂ Máximo Obtenible: Porcentaje de CO₂ en los gases de combustión estequiométrica (combustión con la cantidad exacta de aire).
- Poder Calorífico Superior (PCS): Calor liberado en la combustión completa, incluyendo el calor latente de vaporización del agua producida.
- Poder Calorífico Inferior (PCI): Calor liberado en la combustión completa, *sin* incluir el calor latente de vaporización del agua. Se utiliza en motores de combustión interna (MCI).
Combustiones Anormales en Motores de Explosión
- Encendido Superficial: Causado por puntos calientes en la cámara de combustión. Puede ser preencendido (antes de la chispa) o postencendido (después de la chispa).
- Autoencendido (Detonación): Combustión incontrolada y prematura de la mezcla aire-combustible, que genera ondas de presión y reduce el rendimiento.
- Índice de Octano: Mide la resistencia de la gasolina a la detonación. Se aumenta con aditivos antidetonantes.
Combustiones Anormales en Motores Diésel
- Picado: Combustión brusca del combustible acumulado durante el retardo al encendido. Produce un funcionamiento ruidoso y vibraciones.
- Número de Cetano: Indica la facilidad de ignición del combustible diésel. Un mayor número de cetano implica un menor retardo al encendido y un mejor funcionamiento del motor.
Obtención de Combustibles Marinos: Destilación del Petróleo
El petróleo crudo se procesa en refinerías mediante destilación fraccionada:
- El petróleo se precalienta a unos 370°C.
- Se introduce en la torre de destilación (topping).
- Los componentes más volátiles (propano, butano) se condensan en la parte superior.
- Se obtienen naftas, queroseno, gasóleo ligero y pesado.
- Los residuos se procesan en una unidad de vacío para obtener más gasóleos.
- Los residuos de la unidad de vacío se someten a craqueo térmico y catalítico para obtener más productos, incluyendo fuelóleo para uso marino.
Combustibles Residuales Marinos
- Marine Fuel Oil (MFO): Amplia gama de productos destilados y residuales. Los combustibles residuales (heavy fuel oil) son viscosos y de bajo precio.
- Marine Gasoil (MGO): Fracción más ligera y de mejor calidad que el fuelóleo, adecuada para motores diésel marinos de alta velocidad.
- Vanadio: Puede causar corrosión en válvulas y depósitos.
- Sodio: Contaminante que puede eliminarse mediante centrifugado. Proviene de la contaminación con agua de mar o del procesamiento en la refinería.