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COMBUSTIBLES Y VEHÍCULOS ALTERNATIVOS
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COMBUSTIBLES CONVENCIONALES
Carlos Sousa
AGENEAL, Agencia Municipal de Energía de Almada
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MOTORES DIÉSEL Y DE GASOLINA
• Ciclo de 4 tiempos
• Componentes principales
• Sistemas auxiliares
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DIÉSEL – Ciclo de 4 Tiempos
ADMISIÓN
Entrada de aire en la cámara de combustión
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COMPRESIÓN
Con todas las válvulas cerradas, el pistón sube, comprimiendo el aire en el interior del cilindro
Aumentan la presión y la temperatura del aire.
DIÉSEL – Ciclo de 4 Tiempos
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INYECCIÓN
Una vez comprimido el aire, se inyecta el combustible a alta presión en el cilindro.
DIÉSEL – Ciclo de 4 Tiempos
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EXPLOSIÓN
Se produce el encendido al entrar en contacto el combustible con el aire caliente.
Se transmite la energía mecánica generada al motor.
DIÉSEL – Ciclo de 4 Tiempos
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ESCAPE
Después de la combustión, los gases calientes salen del cilindro por las válvulas de escape.
DIÉSEL – Ciclo de 4 Tiempos
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ADMISIÓN COMPRESIÓN EXPLOSIÓN ESCAPEINYECCIÓN
DIÉSEL – Ciclo de 4 Tiempos
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• Relación de Compresión = resV
Vmax
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COMPONENTES PRINCIPALES DEL MOTOR
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• Pistón – Transmite el movimiento a la
biela
• Biela – Transmite el movimiento al
cigüeñal
• Cigüeñal – Transforma el movimiento
alterno en rotatorio
COMPONENTES DEL MOTOR
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• Distribución (apertura y cierre de las válvulas)
• Sistema de refrigeración (evita el sobrecalentamiento de los componentes)
• Lubricación (reduce el rozamiento, limpia los componentes, etc.)
• Combustible (admisión de combustible)
PRINCIPALES SISTEMAS AUXILIARES
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Doble Árbol de Levas en Cabeza (DOHC)
Leva Lateral
DISTRIBUCIÓN
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DISTRIBUCIÓN
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Objetivos
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
1. Enfriar los componentes del motor:
mantener el motor a una temperatura de funcionamiento
adecuada (p.ej. evitar que se fundan los componentes)
mantener las propiedades físicas y químicas del aceite
lubricante (una excesiva temperatura podría deteriorarlo)
2. Proporcionar calor para climatizar el interior del vehículo
3. Mejorar el arranque en frío
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• Bomba de agua
• Termostato
• Radiador
• Ventilador
• Circuito de
calefacción
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
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La función del aceite de motor va más allá de la mera lubricación.
El aceite también debe tener:
•Gran capacidad detergente y dispersante
•Gran capacidad anti-oxidante
•Buena capacidad de refrigeración (ayuda a refrigerar el motor)
•Buena capacidad de neutralizar ácidos
•Capacidad de mantener sus propiedades ante cambios de temperatura (en frío y en caliente)
SISTEMA DE LUBRICACIÓN
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SISTEMA DE LUBRICACIÓN
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SISTEMA DE COMBUSTIBLE
Objetivo:
• Introducir combustible en el motor para su mezcla con el aire caliente en el interior del cilindro y posterior evaporación, auto-ignición y combustión
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1. Inyección indirecta
2. INYECCIÓN DIRECTA
• Inyección directa en los cilindros
• Mayor presión de inyección
• Tecnología más cara y exigente
• Múltiples inyectores de compresión
SISTEMA DE COMBUSTIBLE
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Directa Indirecta
PérdidasMenor pérdida de
temperaturaMayor pérdida de temperatura
entre cámaras
Rendimiento Mayor Menor
RégimenRégimen de revoluciones
más lentoRégimen de revoluciones más
rápido
Combustible Necesita combustibles de
mayor calidad
Funciona con combustibles de menor calidad (viscosidad,
índice de cetano)
Inyección Multipunto – varios inyectores(mayor presión de inyección)
Monopunto – 1 inyector (menor presión de inyección)
INYECCIÓN DIRECTA vs. INYECCIÓN INDIRECTA
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Ventajas Inconvenientes
Menor consumo de combustible
Precio
Potencia Ruido
Arranque en frío Vibraciones
INYECCIÓN DIRECTA vs. INYECCIÓN INDIRECTA
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INYECCIÓN DIRECTA
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Turbulencias (“squish”) y remolinos (“squirl”) del aire en la cámara de combustión
INYECCIÓN DIRECTA
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TIPOS DE SISTEMAS DE INYECCIÓN
• Bomba radial y en línea
• Bomba-inyector
• Conducto común (“common-rail”)
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TIPOS DE SISTEMAS DE INYECCIÓN
Bomba en línea
600...700 bares 1 000 bares en la punta del inyector
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TIPOS DE SISTEMAS DE INYECCIÓN
Bomba radial
1000 - 1500 bares en la punta del inyector
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SISTEMAS DE INYECCIÓN
Ventajas
• Sin tuberías
• Mayor presión de inyección
• Menor consumo de combustible
• Mejor par y potencia a regímenes de revoluciones bajos
Bomba-inyector
2000 bares
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SISTEMAS DE INYECCIÓN
Conducto Común (“Common-Rail”)
1800 2 000 bares
Ventajas
• Mejor control de la inyección
• Disminución del ruido y de la vibración
• Buen consumo de combustible
• Buen par y potencia
• Disminución de emisiones contaminantes
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ADMISIÓN EN LOS MOTORES DE GASOLINA
Un motor de gasolina puede admitir:
• Una mezcla de aire y combustible
• Aire, con inyección directa del combustible al interior del cilindro – Motores de Inyección Directa
Source: Total
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TURBOCOMPRESIÓN
Objetivo: Aumentar la relación potencia/peso
Un compresor aumenta la densidad del aire antes de su admisión en los cilindros
Desventajas (en relación con los motores atmosféricos sin turbocompresor):
• Mayor complejidad y coste
• Mayor esfuerzo físico y térmico del motor
Ventajas:
• Mayor par y potencia
• Mejor consumo de combustible
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TURBOCOMPRESIÓN
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TURBOCOMPRESIÓN
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Geometría variable
• Mayor par en todos los regímenes
de revoluciones por minuto
• Mejor consumo de combustible
• Mayor potencia
TURBOCOMPRESIÓN
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TURBOCOMPRESIÓN INTERENFRIADOR O “INTERCOOLER”
Objetivo: Aumentar la relación potencia/peso
Enfría el aire después de la compresión antes de su admisión en los cilindros:
• Admisión de una mayor masa de aire en los cilindros
• Mayor consumo
• Mayor par
• Mayor potencia
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FORMACIÓN Y CONTROL DE LOS CONTAMINANTES
La combustión en los motores Diésel se caracteriza por una alta concentración de gotículas de combustible (baja vaporización del combustible).
Principales contaminantes:
• Partículas (PM)
• Hidrocarburos sin quemar (HC)
• Monóxido de carbono, (CO)
• Óxidos de nitrógeno (Nox )
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FORMACIÓN Y CONTROL DE LOS CONTAMINANTES
Control de las emisiones:
• Recirculación de los gases de escape (EGR)
• Filtro de partículas
• Convertidor catalítico
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FORMACIÓN Y CONTROL DE LOS CONTAMINANTESControl de las emisiones
Diésel:
• Recirculación de los gases de escape o EGR (evita la formación de NOx)
• Filtros de partículas, activos y pasivos (disminución de PM)
• Convertidor catalítico de oxidación (reducción de HC y CO)
• Reducción catalítica selectiva o SCR (transforma el NOx en N2 y H2O)
Petrol:
• Convertidores catalíticos con tres vías
• Catalizadores de oxidación (transforma CO y HC en CO2 y H2O)
• Catalizadores de reducción (transforma NO en N2 y O2)
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Calidad del combustible Diésel:
• El Diésel es un derivado del cetano (C10H22)
• Cetanaje o Índice de cetano: Indica la mayor o menor capacidad de autoignición del combustible ( menor lapso hasta la autoignición)
• 15: Baja capacidad de autoignición: isocetano
• 100: Alta capacidad de autoignición: cetano
• Menor índice de cetano requerido: 51
• Contenido de azufre: Menos de 50 ppm combustible de bajo contenido en azufre
• Eliminación de las emisiones de dióxido de azufre (SO2)
• Reducción de las emisiones de PM
• Menos de 10 pmm: Combustible sin azufre (a partir de 2009)
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Regeneración por filtro
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HC CO NOx PM
Diésel
Gasolina
FORMACIÓN Y CONTROL DE LOS CONTAMINANTES
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NORMAS EUROPEAS SOBRE EMISIONES
Norma Año CO HC HC + Nox Nox PM
Euro 1 1992 2,72 - 0,97 - 0,14
Euro 2 - IDI 1996 1,00 - 0,70 - 0,08
Euro 2 - DI 1999 1,00 - 0,90 - 0,10
Euro 3 2001 0,64 - 0,56 0,50 0,05
Euro 4 2005 0,50 - 0,30 0,25 0,025
Vehículos de pasajeros Diésel 2,5t (valores en g/km)
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EFICIENCIA ENERGÉTICA
PAR
Energía generada por el motor en una revolución, resultante de la combustión del combustible [kg.m o N.m].
1 kg.m=9,8 N.m
Cuanto más alto el par, mayor es la eficiencia del motor a un régimen de revoluciones determinado.
POTENCIA
Energía generada por unidad de tiempo [W o CV].
1kW = 1,36 CV
1 CV = 0,736 kW
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EFICIENCIA ENERGÉTICA
Curva de par de giro
• Muestra la distribución del par a cualquier régimen de revoluciones, a plena carga.
• Debería ser lo más baja posible, lo que significa buena respuesta del motor a cualquier régimen de revoluciones.
• RPM x N.m (o kg.m).
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EFICIENCIA ENERGÉTICA
Curva de potencia
• Muestra la distribución de la potencia en cualquier régimen de revoluciones, a plena carga.
• RPM x kW (o CV).
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EFICIENCIA ENERGÉTICA
• Emisiones de CO2 por litro: la gasolina supera ligeramente al Diésel
• Emisiones de CO2 por km: menor consumo de Diésel y menor emisión
• La eficiencia energética es una función de las relaciones de compresión
• Los motores Diésel utilizan una relación variable de combustible y aire
• Los motores de gasolina utilizan una relación constante de aire y combustible (estequiométrica de 14,7 a 1), independientemente de la velocidad y la carga
• El tipo de admisión de los motores Diésel permite que la relación de aire y combustible en régimen de ralentí pueda descender hasta 100 a 1, siendo su eficiencia de consumo mucho mayor que la de los motores de gasolina
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EFICIENCIA ENERGÉTICA
Relación de compresión
Ren
dim
ient
o te
óric
o de
l mot
or
Motores Diésel
Motores de
gasolina
resV
Vmax
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EFICIENCIA ENERGÉTICA
Trabajo útil
Proceso ideal
Pérdidas por mezcla
Pérdidas por combustión
Variaciones de velocidad
Pér
dida
s
Pérdidas por fricción
Pérdidas
87%
Motor de gasolina, conducción en ciudad
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DIÉSEL vs. GASOLINA
Diésel Gasolina
Admisión Aire Aire y combustible
CombustiónAutoignición provocada por la alta presión y temperatura en el interior del cilindro
Encendido por bujías
CombustibleDebe ser de vaporización fácil y favorecer la autoignición (cetanaje alto)
Debe ser resistente a la autoignición (octanaje algo)
Relación de compresión La máxima posible (15 a 24)Limitada por las características del combustible (9 a 12)
Eficiencia ~35% Menor de 30%
TurbocompresiónSiempre que sea posible. Aumenta la eficiencia y mejora la combustión
Solución poco frecuente, pero cada vez más popular
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DIÉSEL vs. GASOLINA
Diésel Gasolina
Consumo Menor Mayor
Precio
Normalmente menor, pero depende de los impuestos con que se grave en cada país
Mayor
Peso Más pesado Más ligero y compacto
Arranque Cuasi-inmediato Inmediato
Nivel de vibración y ruido Alto Bajo
Velocidad del motorLimitada por las características del combustible y del ciclo
Alta
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INDUSTRIA DEL AUTOMÓVIL - CURIOSIDADES
En 1976, Volkswagen presentó la denominación “GTI”, pero no la registró. Casi todos los fabricantes la utilizaron.
Sin embargo, en 1991, Volkswagen presentó la denominación “TDI”, pero esta vez sí la registró. El resultado fue el siguiente …
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INDUSTRIA DEL AUTOMÓVIL - CURIOSIDADESTDI – VAG Group TiD - Saab
JTD - Alfa, Fiat, Lancia D- 4D - Toyota
d - BMW D5- Volvo
CRD - Chrysler, Jeep HDI - Peugeot, Citroën
TDdi - Ford Di-D – Mitsubishi
TDCi - Ford dTi - Renault
CDTi - Honda dCi - Renault
CRDi - Hyundai CDT – Rover
DvTdi – Mazda DTI – Opel
DiTD – Mazda
CDI – Mercedes
DDTi – Nissan
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Resumen
Ventajas de los motores Diésel:
• Mejor eficiencia energética: menor consumo de combustible/uso de energía (funciona con relaciones de compresión mayores)
Ventajas de los motores de gasolina:
• Mejor arranque en frío
• Menor nivel de ruido y vibraciones
• Mayor elasticidad (velocidades de motor más altas)
• Más ligero
• Más potencia con un mismo tamaño de motor
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Resumen
La tendencia actual en motores y tecnologías Diésel se dirige a:
• mejorar la pulverización del combustible (mayor presión de inyección)
• mejorar el flujo en el interior del cilindro
• optimizar la inyección para reducir el ruido y las vibraciones
• maximizar la potencia y el par sin sacrificar la economía de combustible (optimizar la turbocompresión)
• optimizar la inyección de combustible para reducir el consumo de combustible (p.ej. tecnologías de inyección)
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La tendencia actual de las petroleras se dirige a:
• Aumentar el cetanaje
• Reducir el contenido de azufre
Resumen
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Nuestro agradecimiento al
Profesor Tiago Farias
Universidad Técnica de Lisboa
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¡Muchas gracias por su atención!