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Autorizada la entrega del proyecto del alumno:

Jorge Vigara de Otazu

LOS DIRECTORES DEL PROYECTO

Cayetano Prieto Mozo

Isabel Puente Orench

Fdo.: Fecha: /./.

V B del Coordinador de Proyectos

Jos Ignacio Linares Hurtado

Fdo.: Fecha: /./.

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PROYECTO FIN DE CARRERA

LTIMA TECNOLOGA EN EMISIONES DEMOTORES DIESEL.

SIMULACIN DE RESULTADOS EINVESTIGACIN DE NUEVAS

POSIBILIDADES

JORGE VIGARA DE OTAZU

MADRID, JUNIO 2007

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO INDUSTRIAL

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ltima tecnologa en emisiones de motores diesel.Simulacin de resultados e investigacin de nuevas posibilidades 3

LTIMA TECNOLOGA EN EMISIONES DE MOTORES DIESEL.

SIMULACIN DE RESULTADOS E INVESTIGACIN DE NUEVAS

POSIBILIDADES.

Autor: Vigara de Otazu, Jorge.

Directores: Prieto Mozo, Cayetano: Puente Orench, Isabel.

Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO

A partir del 1 de enero de 2008, entra en vigor la normativa europea EURO 5, a la cual

han de acogerse todos los vehculos de nuevo diseo. Dicha normativa supone una

importante variacin en la concepcin de las tcnicas de reduccin de emisiones para

motores diesel, debido a los restrictivos lmites marcados entorno a la formacin de

material particualdo. Hasta ahora los fabricantes de automviles eran capaces de

acogerse a los valores lmites impuestos por la normativa, mediante la optimizacin, enuna determinada franja de funcionamiento del motor, de los parmetros gestionados por

la unidad de control. Sin embargo a partir de EURO 5 esto ya no ser posible,

tenindose que recurrir a la instalacin de sistemas de post-tratamiento en el sistema de

escape del vehculo.

En este proyecto se ha desarrollado un mtodo alternativo al ensayo en banco de

rodillos, que permite simular la emisin de xidos de nitrgeno, xidos de carbono,

partculas e hidrocarburos inquemados a la atmsfera por parte de un motor diesel con

tecnologa Common Rail de ltima generacin. Por tanto ha sido posible cuantificar de

forma concluyente la contaminacin que se producira durante un ensayo de ciclo de

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emisiones real, sabiendo si se encuentra dentro de los lmites de la normativa, sin la

necesidad de realizar el costoso y largo ensayo en los rodillos.

En un sistema Common Rail de ltima generacin se utilizan sistemas de inyeccin que

permiten la realizacin de mltiples inyecciones por ciclo del motor, de forma que la

primera fase del proyecto ha sido un exhaustivo estudio de la influencia sobre el nivel de

emisiones, de las diversas variables de inyeccin, como son la inyeccin piloto, la pre-

inyeccin, la post-inyeccin y la inyeccin principal, actuando tanto en tasa, como en

momento de inyeccin. La unidad estudiada estaba dotada de sistema de

retroalimentacin de gases de escape o vlvula EGR, de forma que tambin se analiz el

grado de apertura de dicha vlvula y la presin del rail de alimentacin de combustible

dado que estos parmetros tienen una importante influencia en las emisiones.

Partiendo de los ensayos realizados en banco motor, se ha construido un modelo de

comportamiento de emisin de contaminantes, de forma que mediante simulacin se

puedan obtener los resultados de un ciclo real de emisiones. Para ello, en este proyecto

se ha recurrido a la bsqueda de los puntos del motor ms representativos del ciclo, de

forma que mediante la optimizacin, nicamente de estos puntos, se reduzca

cuantitativamente el nivel de emisiones del vehculo.

La herramienta de simulacin ha sido creada en base EES (Engineering Ecuation Solver)

y es fcilmente aplicable a otros motores cambiando nicamente las ecuaciones de

comportamiento de los contaminantes.

La forma en la que se generan los contaminantes diesel, permite dos claras estrategias de

optimizacin. Esto es debido a que la relacin entre la formacin de partculas y xidos

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de nitrgeno es inversa, de forma que en funcin de los diversos post-tratamientos que

se vayan a instalar convendr aplicar una u otra poltica de reduccin.

En la segunda fase del proyecto se procedi al estudio de las diversas tecnologas y

tcnicas de reduccin de emisiones en el sistema de escape, tales como trampas de

partculas, sistemas de oxidacin cataltica o filtros de reduccin de xidos de nitrgeno.

Finalmente se concluy que la estrategia ms eficiente para el motor sujeto a estudio,

era reducir al mximo, mediante los parmetros de inyeccin, la formacin de xidos de

nitrgeno, para posteriormente aplicar un sistema DPF+DOC (Diesel Particle Filter y

Diesel Oxidation Catalyst).

Los valores finales de contaminacin arrojan una interesante reduccin respecto a los

lmites legislados.

Contaminante Emisin final [g/km] Lmites [g/km] Reduccin [%]

CO 0.0176 0.5 -96%

NOx 0.0139 0.18 -92%

PART 0.0033 0.005 -34%

HC 0.0004 - -

HC+NOx 0.0143 0.23 -94%

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LAST TECHNOLOGY IN EMISSIONS OF DIESEL ENGINES.

SIMULATION OF RESULTS AND INVESTIGATION OF NEW

POSSIBILITIES.

Author: Vigara de Otazu, Jorge.

Directors: Prieto Mozo, Cayetano: Puente Orench, Isabel.

Collaborating organization: ICAI Universidad Pontificia Comillas.

PROJECT SUMMARY

From the first of January of 2008, the European norm EURO 5 takes effect, in which are

taken refuge all the new designed vehicles again. This norm supposes an important

variation in the conception of the techniques of reduction of emissions for diesel

engines, due to the restrictive noticeable limits surroundings to the particles formation.

Until now the manufacturers of automobiles were able to fulfill the limits imposed by

the norm, by means of the optimization of the parameters managed by the control unit in

a determined strip of operation of the engine,.

Nevertheless from EURO 5 this will no be longer possible, having to be appealed to theinstallation of after-threatment systems in the escape fase of the vehicle. In this project

an alternative method to the bench of rollers check has been developed, that allows to

simulate the emission of nitrogen oxide, carbon monoxides, particles and unburned

hydrocarbons to the atmosphere, on the part of a last generation diesel engine with

Common technology Rail. Therefore it has been possible to quantify the contamination

that would take place during a real cycle test of emissions, being known if the pollutants

emissions are within the limits of the norm, being no longer necessity to make theexpensive and long test in the bench of rollers.

In a Common Rail system of last generation there is an injection system that allows

accomplishment of multiple injections per engine cycle, so that first stage of the project

has been an exhaustive study of the influence on the level of emissions, of the diverse

variables of injection, as the pilot injection, the pre-injection, the after-injection and the

main injection, acting as much in rate, as at moment of injecting.

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The studied unit was equipped with system of exhaust gases recirculation , well known

as the EGR valve, so that the degree of opening of this valve and the pressure of the rail

of fuel supply , have been also analyzed since these parameters have an important

influence in the emissions levels.

Starting off of the tests made in an engine bench, a model of behavior of emission of

polluting agents has been constructed, so that the results of a real cycle of emissions can

be obtained by means of simulation.

For it, in this project one has resorted to the search the points of the engine, that mostrepresent the emissions cycle, so that by means of the optimization, only of these points,

the emission level of the vehicle would be reduced quantitatively.

The tool of simulation has been created in base EES (Engineering Ecuation Solver) and

is easily applicable to other engines changing only the equations of behavior of the

pollutants. The form in which the diesel pollutants are generated, allows two clear

strategies of optimization. This is due to the fact that the relation between the formation

of particles and oxides of nitrogen is inverse, so that depending on the diverse post-

treatments that are going to be installed in the vehicle, it will suit one or another

reduction policy.

In the second phase of the project one proceeded to the study of the diverse technologies

of reduction of emission in the exhaust system, such as particles traps, systems of

catalytic oxidation or filters of reduction of nitrogen oxides.

Finally one concluded that the most efficient strategy for the studied engine, was to

reduce to the maximum, by means of the parameters of injection, the formation of

nitrogen oxides, later to apply a DPF+DOC system (Diesel Particle Filter and DieselOxidation Catalyst).

The final values of contamination throw an interesting reduction with respect to the

legislated limits.

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Pollutant Emision [g/km] Limits [g/km] Reduction [%]

CO 0.0176 0.5 -96%

NOx 0.0139 0.18 -92%

PART 0.0033 0.005 -34%

HC 0.0004 - -

HC+NOx 0.0143 0.23 -94%

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Memoria

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INDICE GENERAL

1. INTRODUCCIN Y MOTIVACIONES DEL PROYECTO ..........................22

1.1. MOTIVACIONES Y OBJETIVOS DEL PROYECTO ....................................22

1.2. CONTAMINACIN Y TRANSPORTE............................................................24

1.3. INTRODUCCIN A LOS PRINCIPALES AGENTES CONTAMINATES EN

MEC.......................................................................................................................28

2. DESCRIPCIN DE TECNOLOGAS ..............................................................32

2.1. EL MOTOR DIESEL...........................................................................................32

2.1.1. Generalidades ..............................................................................................32

2.1.2. El combustible, el gasoil .............................................................................36

2.1.3. Ciclo de trabajo............................................................................................38

2.1.4. Funcionamiento ...........................................................................................44

2.1.5. Caractersticas..............................................................................................46

2.1.6. Los rganos de un motor diesel..................................................................48

2.1.6.1. El bloque..............................................................................................49

2.1.6.2. El cigeal. ..........................................................................................50

2.1.6.3. Las bielas y pistones. ..........................................................................51

2.1.6.4. La culata...............................................................................................53

2.1.6.5. La distribucin.....................................................................................53

2.1.7. SISTEMAS DE COMBUSTIN Y FORMAS DE CULATA................56

2.1.7.1. Inyeccin directa.................................................................................58

2.1.7.2. Precombustin o antecmara..............................................................61

2.1.7.3. Combustin separada, cmara auxiliar o cmara de turbulencia.....62

2.1.7.4. Acumulador de aire o sistema Acro-Bosch .......................................65

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2.1.7.5. Comparacin entre sistemas de combustin......................................68

2.1.8. EL EQUIPO DE INYECCIN .................................................................69

2.1.8.1. Sistemas de Inyeccin Diesel .............................................................69

2.1.8.2. Ejecuciones de los sistemas de Inyeccin Bosch..............................70

2.1.9. Sistema Common Rail.................................................................................76

2.1.9.1. Introduccin.........................................................................................76

2.1.9.2. Partes y componentes..........................................................................782.1.9.3. Zona de baja presin...........................................................................81

2.1.9.4. Zona de alta presin............................................................................83

2.1.10. UNIDAD DE CONTROL.........................................................................113

2.1.10.1. Lgica de la Unidad de Control .......................................................113

2.1.10.2. Procesamiento de seales en la unidad de control ..........................115

2.1.11. SISTEMAS MULTI INYECCIN.......................................................117

2.1.11.1. Descripcin y caractersticas ............................................................117

3. DESARROLLO DE LOS CONTAMINANTES .............................................128

3.1. NOX, INTRODUCCION...................................................................................128

3.1.1. Aspectos fundamentales............................................................................129

3.1.2. Anlisis de la influencia de diversos parmetros: ...................................130

3.1.3. Vlvula EGR..............................................................................................1413.1.4. Conclusiones..............................................................................................153

3.2. PARTCULAS SLIDAS .................................................................................155

3.2.1. Definicin de partculas slidas................................................................155

3.2.2. Anlisis de la influencia de diversos parmetros ....................................161

3.2.2.1. El Squish y el Swirl...........................................................................164

3.2.3. Consecuencias para la salud .....................................................................168

3.3. OTROS CONTAMINANTES ...........................................................................172

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3.3.1. Monxido de carbono (CO)......................................................................172

3.3.1.1. Consecuencias para la salud .............................................................175

3.3.2. Hidrocarburos inquemados .......................................................................177

3.3.2.1. Anlisis de influencia de diversos parmetros ................................179

3.3.2.2. Consecuencias para la salud .............................................................182

3.3.3. xidos de azufre.........................................................................................184

4. OPTIMIZACIN DE EMISIONES................................................................187

4.1. DESCRIPCIN DEL PROCESO DE OPTIMIZACIN................................187

4.1.1. Banco de rodillos-banco motor.................................................................187

4.1.2. Eleccin de los puntos caractersticos......................................................189

4.1.3. Fase de ensayo en banco motor................................................................196

4.1.4. Esquema del proceso .................................................................................1984.2. CICLO DE EMISIONES...................................................................................199

4.3. NORMATIVA DE EMISIONES ......................................................................204

5. RESULTADOS...................................................................................................208

5.1. DESCRIPCIN DEL MODELO Y LAS VARIABLES................................208

5.1.1. Variables ....................................................................................................208

5.1.2. MODELO ..................................................................................................216

5.1.2.1. Morfologa.........................................................................................216

5.1.2.2. Proceso de transformacin de [ppm] a [g/km]:...............................219

5.1.2.3. Estimacin de la velocidad...............................................................221

5.1.2.4. Constante de fro-calor ( calorfrioK ) .................................................229

5.2. RESULTADOS DE OPTIMIZACIN.............................................................231

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5.3. ANLISIS DE SENSIBILIDAD ......................................................................235

6. POST-TRATAMIENTOS DE ESCAPE..........................................................242

6.1. ALTERNATIVAS TECNOLGICAS.............................................................242

6.1.1. Sistemas de oxidacin DOC .....................................................................244

6.1.2. SISTEMAS DE FILTRADO DPF ...........................................................250

6.1.3. Sistemas de reduccin SCR......................................................................259

6.1.4. Sistema CRT..............................................................................................262

6.1.5. Sistema SCRT............................................................................................267

6.2. APLICACIN DEL POST-TRATAMIENTO A LOS VALORES OBTENIDO

POR EL MOTOR ...............................................................................................270

7. CONCLUSIONES .............................................................................................272

ANEJOS

Anejo A:Directiva 70/220 CEE.276

Anejo B:Directiva 70/156 CEE..297

Anejo C:Descripcin del programa...316

BIBLIOGRAFA

Bibliografa...343

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INDICE DE FIGURAS

Figura 1.Reparto porcentual de los contaminantes en funcin de los diversos sectores .25

Figura 3: Ciclo de cuatro tiempos del motor diesel............................................................38

Figura 4: Proceso de combustin en un motor diesel.........................................................43

Figura 5: Motor diesel..........................................................................................................44

Figura 6: Bloque de un motor diesel ...................................................................................48

Figura 7: Cilindro de camisa hmeda .................................................................................49

Figura 8: Cilindro de camisa seca .......................................................................................50

Figura 9: Bielas y pistones de un motor diesel...................................................................51Figura 11: Sistema de 4 vlvulas de un motor diesel.........................................................55

Figura 13: Pistn de Saurer..................................................................................................60

Figura 14: Ejemplo de cmara de precombustin..............................................................61

Figura 16: Ejemplo de cmara de combustin, tipo Ricardo-Comet con bujias de

precaldeo ...............................................................................................................64

Figura 18: Sistema acumulador de aire Acro-Bosch II......................................................66

Figura 20: Campos de aplicacin de los sistemas de inyeccin BOSCH.........................70

Figura 21: Esquema base de un sistema Common Rail.....................................................76

Figura 21: Esquema Common Rail II .................................................................................79

Figura 22: Zona de baja presin del sistema common Rail...............................................80

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Figura 23: Zona de alta presin del sistema Common Rail...............................................81

Figura 24: Bomba de engranajes empleada en el sistema Common Rail en la zona de

baja presin ...........................................................................................................82

Figura 24: Filtro de combustible instalado en la entrada de la bomba de baja.................83

Figura 25: Ejemplo de bomba de alta presin en un sistema Common Rail....................86

Figura 26: Acumulador de presin del sistema Common Rail..........................................87

Figura 27 : Inyector empleado en un sistema Common rail ..............................................89

Figura 29: Inyector piezoelctrico empleado en sistemas Common Rail.........................92

Figura 30: Apertura del inyector en funcin del tiempo....................................................93

Figura 31:Esquema de la disposicin de los sensores........................................................94

Figura 32: Sensor de revoluciones del cigeal.................................................................95

Figura 33: Sensor de rbol de levas.....................................................................................96

Figura 34: Medidor de masa de aire....................................................................................97

Figura 35: Caudalmetro ......................................................................................................99

Figura 36: Principio de funcionamiento de un medidor de masa de aire de pelcula

caliente.................................................................................................................100

Figura 37: Esquema de sensor de presin de rail .............................................................103

Figura 38: Sistema de actuadotes del Common Rail........................................................105

Figura 39: Vlvula reguladora de presin.........................................................................106

Figura 40: Esquema de control de incandescencia...........................................................107

Figura 41: Actuador de presin de sobrealimentacin.....................................................108

Figura 42: Esquema de funcionamiento de la vlvula EGR ............................................110

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Figura 43: Evolucin en la creacin de contaminantes en funcin del gado de

retroalimentacin de gases de escape................................................................111

Figura 44: Procesamient de seales de la unidad de control ...........................................116

Figura 45: Formacin de calor en la cmara durante la combustin ..............................117

Figura 46: Comparacin de evolucin de la presin de inyeccin..................................121

Figura 47: Ejemplo de un ciclo de inyeccin en sistemas multi-inyeccin....................126

Figura 48: Velocidad de formacin del NO en funcin de la temperatura pico y dosado

131

Figura 49: Formacin de NOx y HC en funcin de la cantidad de aire y la temperatura

de entrada del aire de admisin..........................................................................132

Figura 50: Velocidad de formacin del NOx en funcin de la temperatura de entrada y

dosado..134

Figura 51: Mapa de relacin aire combustible .................................................................135

Figura 52: Emisin de NOx en funcin de la temperatura de entrada al motor.............136

Figura 53: Evolucin de la temperatura pico de combustin funcin de los grados de

cigeal................................................................................................................137

Figura 54: Evolucin de la formacin de NOx, funcin de la presin media especfica

138

Figura 55: Evolucin de la presin de pico de combustin en funcin del avance de

inyeccin .............................................................................................................141

Figura 57: Componentes de la vlvula EGR ....................................................................143

Figura 58: Pipa de admisin colapsada.............................................................................146

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Figura 58: Sistema completo de recirculacin de gases de escape .................................147

Figura 59: Sistema con mandos electrnicos....................................................................148

Figura 60 : Efecto del EGR en la emisin de NOx (motor a 1500 rpm y presin de

inyeccin 800 bar) ..............................................................................................150

Figura 61: Esquema de un motor con Low Pressure Cooled EGR .................................151

Figura 62: High Pressure Cooled EGR .............................................................................152

Figura 63: Composicin Esquemtica de las Partculas Diesel (DPM)..........................156

Figura 64: Relacin entre superficie y masa para las partculas emitidas por un motor

diesel....................................................................................................................158

Figura 65: Capacidad de deposin en los pulmones de las DPM....................................159

Figura 66: Evolucin de una partcula emitida por un motor en 2 segundos .................160

Motor a 1250 rpm...............................................................................................................162

Figura 68: Algunos parmetros a tener en cuenta en el diseo de un inyector..........163

Figura 69: Evolucin de la emisin de partculas en funcin de la presin ...................164

Figura 70: Ejemplo de cmara de combustin que favorece al efecto Squish ...............166

Figura 71: Movimiento de aire que provoca el efecto Squish.........................................167

Figura 72: Efecto Swirl, para dos modelos de pipa de admisin ....................................168

Figura 73: Formacin de CO en funcin de la masa de aire introducida........................174

Figura 74: Efecto del CO en la sangre ..............................................................................176

Figura 75: Formacin de contaminantes en funcin del dosado....................................180

Figura 76: formacin de hidrocarburos funcin del avance de inyeccin ......................181

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Figura 78: Formacin de xidos de azufre en funcin del contenido de azufre del

combustible .........................................................................................................184

Figura 79: banco de rodillos ..............................................................................................188

Figura 80: Banco motor .....................................................................................................189

Figura 81: Puntos de utilizacin del motor en un ciclo de emisiones.............................190

Figura 81: Puntos de utilizacin del motor en un ciclo de emisiones.............................192

Figura 82: Puntos de optimizacin en el mapa motor......................................................194

Figura 83: Zona de emisiones-Zona de prestaciones .......................................................195

Figura 85: Ciclo real de emisiones....................................................................................201

Figura 86: Evolucin normativa de emisiones .................................................................205

Figura 87: Evolucin de la normativa NOx-Partculas....................................................206

Figura 88: Ejemplo grfico de representacin de los parmetros, (magnitudes no a

escala)..................................................................................................................215

Figura 89: Evolucin del NOx y las partculas en funcin de los diversos parmetros.239

Figura 90: Evolucin del CO y el HC en funcin de los diversos parmetros...............240

Figura 91: Efecto del elemento catalizador sobre la reaccin.........................................245

Figura 92: Descripcin de las principales partes de un catalizador de oxidacin diesel246

Figura 93: Principios de funcionamiento del catalizador.................................................247

Figura 94: Evolucin de la temperatura segn avanza el ciclo de emisiones

normalizado.249

Figura 95: Influencia de la sobrealimentacin en las temperaturas de escape ...............250

Figura 96: Entramado de un filtro de partculas diesel ....................................................252

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INDICE DE TABLAS

Tabla 1:Reparto sectorial de la formacin de contaminantes............................................25

Tabla 2: datos y caractersticas de lo sistemas de inyeccin Diesel..................................75

Tabla 3: Tiempo de combustin para distintas revoluciones...........................................139

Tabla 4: Grado de utilizacin de los principales puntos del motor.................................193Tabla 5: Puntos de optimizacin seleccionados ...............................................................194

Tabla 6: Evolucin normativa de emisiones.....................................................................205

Tabla 7: Puntos en el entorno de 1250 rpm ......................................................................225

Tabla 8: Velocidades medias obtenidas en el entorno de los cuatro puntos bsicos..225

Tabla 9: Grados de utilizacin de los puntos principales del motor en un ciclo de

emisiones.............................................................................................................226

Tabla 10: Tiempo de utilizacin de cada punto bsico....................................................227

Tabla 11: Porcentaje de utilizacin de cada punto bsico ...............................................228

Tabla 12: Resultados de Kfro-calor .................................................................................230

Tabla 13: Resultados de optimizacin ..............................................................................231

Tabla 14: Valores de las variables.....................................................................................232

Tabla 15: Comparacin entre agentes oxidantes..............................................................265

Tabla 16: Resultados finales de emisin al ambiente ......................................................270

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1.

INTRODUCCIN YMOTIVACIONESDEL PROYECTO

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1.INTRODUCCIN Y MOTIVACIONES DEL PROYECTO

1.1. MOTIVACIONES Y OBJETIVOS DEL PROYECTO

La realizacin de este proyecto nace de la necesidad de investigar entorno a las

posibilidades que existen entorno a las diversas tecnologas empleadas en la reduccin

de emisiones. A partir del 1 de enero de 2008, entra en vigor la normativa europea

EURO 5, a la cual han de acogerse todos los vehculos de nuevo diseo. Los fabricantes

de automviles dispondrn de un ao ms en el caso de que el vehculo ya est en el

mercado, para redisear sus modelos y adaptarlos a la normativa. Es por ello que el

trabajo que se va a realizar en este proyecto , no diferir mucho del que estn obligados

a completar en las marcas para poder seguir poniendo sus modelos en el mercado.

En primer lugar se realizar un estudio exhaustivo de la influencia de todas las

variables a controlar por la unidad de control adems de su posible repercusin en el

nivel de emisiones de los xidos de nitrgeno, los xidos de carbono, la partculas y los

hidrocarburos inquemados. Mediante simulacin se optimizar dicho nivel hasta

reducirlo al mximo. En una segunda fase se proceder a la instalacin de sistemas de

post-tratamiento para reducir los niveles emitidos por el motor hasta los registros que

marca la normativa.

La creacin de la herramienta en base EES (Engineering Ecuation Solver),

facilitar la obtencin de un ciclo de emisiones a partir de unos pocos puntos

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caractersticos del motor, que previamente habrn sido ensayados en banco motor, de

forma que se pueda calcular rpidamente el valor de las emisiones del vehculo sin la

necesidad de ensayar fsicamente en el banco de rodillos.

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1.2. CONTAMINACIN Y TRANSPORTE

El 11 de diciembre de 1997 se aprueba el Protocolo de Kioto, que tena como

objetivo la lucha contra el cambio climtico mediante una accin internacional de

reduccin de las emisiones de determinados gases de efecto invernadero responsables

del calentamiento del planeta. Este hecho represent un importante paso hacia adelante

en la lucha contra la variacin de las condiciones del planeta, obligando a los fabricantes

a invertir grandes sumas de dinero en el desarrollo de nuevas tecnologa anti-

contamiantes.

La siguiente tabla muestra de forma disgregada por sectores, el porcentaje de

emisin de dicho sector respecto a los diversos contaminantes

Sectores ycontaminantes

Dixidode

Azufre

xidos deNitrgeno

CompuestosOrgnicosVoltiles

MetanoMonxido

deCarbono

Dixido deCarbono

Centralestrmicas 54 21 0 0 1 28

Calefaccin yusos domst.

11 4 5 1 14 18

Combustinindustrial

25 14 1 0 12 24

Procesos deproduccin

3 2 6 0 5 4

Extraccin ydistribucin decombustibles

0 0 6 23 0 1

Uso dedisolventes

0 0 23 0 0 0

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Transporte porcarretera

3 44 31 0 56 15

Otras fuentesmviles y

maquinaria2 13 3 0 3 3

Tratamiento debasuras

0 1 2 19 6 2

Agricultura 0 0 3 33 1 0

Naturaleza 2 0 20 23 2 6

Tabla 1:Reparto sectorial de la formacin de contaminantes

Agentes Contaminantes

Centrales trmicas17%

Calefaccin y usos domst.9%

Combustin industrial13%

Extraccin y distribucin decombustibles

5%

Uso de disolventes4%

Transporte por carretera25%

Naturaleza9%

Procesos de produccin3%

Agricultura6%Otras fuentes mviles y

maquinaria4%

Tratamiento de basuras5%

Figura 1.Reparto porcentual de los contaminantes en funcin de los diversos sectores

Como se puede apreciar notablemente en la figura 1 los automviles

contribuyen de forma importante a la contaminacin del planeta (25%), adems de al

agotamiento de las reservas de combustibles fsiles, de ah que el futuro de la tecnologa

automotriz est supeditada a su capacidad para reducir emisiones y consumos. Es por

ello que la directriz que gua la mayor parte de los trabajos de diseo y desarrollo es hoy

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en da la disminucin del impacto medioambiental que provocan, adoptando soluciones

como la multi-inyeccin de combustible, los sistemas de recirculacin de gases de

escape, los filtros de partculas, etc.

En un ciclo diesel, dado que la mezcla producida en la cmara de combustin

no es homognea, la formacin de contaminantes est muy influida por la distribucin

del combustible durante el proceso de combustin. Los principales compuestos

contaminantes en los gases de escape son:

Dixido de carbono (CO2)

Monxido de carbono (CO)

Hidrocarburos (HC), Partculas (PM)

xidos de nitrgeno (NOx)

xidos de Azufre (SOx)

De los mencionados anteriormente, son los NOx y las emisiones de partculas

el mayor problema de los motores diesel y sobre los que se centran los estudios y

desarrollos para lograr las buscadas reducciones de emisiones de contaminantes. El reto

al que se enfrentan los diseadores y calibradores de motores diesel reside en la

dificultad de reducir las partculas sin aumentar los NOx, dado que la relacin entre

ambos es de tendencia inversa (figura 2).

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Figura 2: Relacin inversa entre el NOx y las partculas

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1.3. INTRODUCCIN A LOS PRINCIPALES AGENTES

CONTAMINATES EN MEC

LosNOxprovienen de la oxidacin del nitrgeno molecular presente en el aire

comburente. Se forman en las zonas en combustin con ms altas temperaturas,

especialmente en las fases iniciales (combustin de premezcla) porque hay mucho

oxgeno libre y la temperatura de los gases en combustin alcanza su valor mximo. Sus

emisiones contribuyen al efecto invernadero y al smog fotoqumico.

En la actualidad, los mtodos desarrollados para la reduccin de estas

emisiones se basan en la recirculacin de gases de escape (vlvula EGR1) y en el empleo

de tasas de inyeccin variable con las que se logre una combustin ms gradual,

evitando las altas temperaturas de la combustin de premezcla.

Las partculas generadas por un motor diesel son perceptibles por el denso

humo negro que deja tras de s un vehculo propulsado por este tipo de motor en plena

aceleracin. Los hidrocarburos que componen el gasoil son de cadena larga (pesados) y

si no son completamente quemados durante la combustin se condensan al enfriarse

cuando se mezclen con el aire ambiente, siendo absorbidos por las molculas de

carbonilla. Cuando el motor trabaja a cargas bajas, la baja temperatura de la cmara

1EGR: del ingls, Exhaust gas recirculation, sistema que consiste en enviar desde el colector de escape alde admisin una fraccin de los gases de escape

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dificulta la combustin de hidrocarburos. Por otro lado, cuando se hace trabajar el motor

a plena carga (por ejemplo, en una aceleracin), puede ocurrir que una parte de la

cantidad de combustible inyectada no encuentre en sus inmediaciones un volumen

suficiente de oxgeno como para terminar la oxidacin, haciendo que queden tras la

combustin largas cadenas de hidrocarburos parcialmente oxidadas. El principal peligro

de estas partculas es que tienden a depositarse sobre el tejido pulmonar cuando son

inhaladas, teniendo un efecto potencialmente cancergeno.

Se hace necesario el recurso a procesos de tratamiento de los gases de escape

una vez generados, ms all an de lo que permiten los actuales convertidores

catalticos. Entre los nuevos mtodos destacan los filtros de partculas DPF2 ,

ayudndose de post-inyecciones en la fase de escape para su regeneracin.

Tras lo comentado hasta ahora, queda claro la necesidad de realizar

importantes inversiones en la investigacin en bsqueda de nuevas soluciones. Desde la

aprobacin del protocolo de Kioto se han alcanzado unos grandes progresos en materia

de reduccin de contaminantes, ya que los fabricantes han tenido que ceirse a las

continuas restricciones por parte de la Unin Europea, desarrollando para ello los

sistemas ya mencionados como la vlvula EGR o los filtros de partculas.

2DPF: Diesel particle filter.

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CO y HC3, son productos de una combustin incompleta de forma que

aumentando la cantidad de oxgeno disponible en la cmara y aumentando

considerablemente la temperatura mxima de combustin, se pueden oxidar casi

totalmente.

Los hidrocarburos no son mortales pero en disolucin con el agua pueden muy

txicos, adems de ser los causantes de dolores de cabeza e irritaciones a los individuosde las grandes urbes. Por otro lado la oxidacin completa del monxido de carbono es

fundamental debido a su mortalidad en pequeas concentraciones, de forma que se

convierte en un compuesto muy peligroso cuando se utilizan los motores diesel en

recintos cerrados sin ventilacin.

El CO2 es un producto lgico de una combustin completa de hidrocarburos, de

forma que dada la alta eficiencia de los motores diesel, su reduccin no es realmente un

problema. El dixido de carbono es uno de los principales actores en el calentamiento

global, de forma que reducir los consumos de los motores diesel es el nico parmetro

de actuacin sobre este fenmeno.

Los Oxidos de azufre, se forman nicamente a partir del azufre contenido en

los gasleos, de forma que una reduccin de dicho compuesto en el combustible

eliminara completamente la formacin de este contaminante.

3HC: hidrocarburos inquemados

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2.

DESCRIPCIN DETECNOLOGAS

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2.DESCRIPCIN DE TECNOLOGAS

2.1. EL MOTOR DIESEL

En este proyecto se va a realizar un estudio completo de los procesos de

formacin de los distintos contaminantes enfocado a los motores de encendido por

compresin o MEC, tambin conocidos como motores diesel. Por ello, antes de entrar en

detalle de sobre los diversos procesos de contaminacin, se realizar una explicacin de

este tipo de motores.

2.1.1.GENERALIDADES

El nombre Diesel para el motor de aceite pesado se debe a su inventor, el

parisino de padres alemanes Rudolf Diesel. ste pasa su infancia en Francia y cursas sus

estudios en Alemania centrando gran parte de su tiempo y actividades al estudio de los

motores de combustin interna.

En el ao 1892 realiza su primer motor, que funcionaba con carbn

pulverizado inyectado por una corriente de aire. Posteriormente en 1897, construye un

motor con una cilindrada de 20 litros monocilndrico que desarrollaba 20 cv de potencia

a 172 rpm y que funcionaba con petrleo pesado. Dicho motor ofreci un mejor

rendimiento que los motores de gasolina y mquinas de vapor de la poca, despertando

el inters de firmas conocidas como Peugeot (l que primero se interes) y Mercedes-

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Benz con su modelo 260D posteriormente, pero no fue sin duda hasta los aos 70 con la

crisis del petrleo hasta que la tecnologa se consagr de forma definitiva.

Observando la labor que han desempeado los motores Diesel a lo largo de la

historia en la automocin, se aprecia claramente una evolucin muy grande. Partiendo

de los orgenes en los que slo era empleados en automviles industriales hasta la

actualidad en la que por ejemplo en un pas desarrollado como Espaa representan ya un60% del parque automovilstico desbancando claramente a los motores de ciclo OTTO.

Entrando ms en detalle en el funcionamiento del motor cabe mencionar que

los elementos mecnicos empleados son muy similares, sino iguales en una alta

proporcin a los de los motores de explosin. Si bien analizando profundamente los

elementos que favorecen el proceso de combustin es donde encontramos las mayores

diferencias.

Para que el gasoil entre en el cilindro lleno de aire tan fuertemente comprimido

y caliente es necesario disponer de equipos de inyeccin de muchsima mayor presin

que los que emplean los motores de gasolina, alcanzando estos primeros presiones de

almacenamiento de hasta 2000 bares.

Cuando en un motor diesel el acelerador no est presionado y no hay marcha

engranada en la caja de cambios, se inyecta nica y exclusivamente el gasoil necesario

para el funcionamiento del motor al ralent al ralent, por el contrario cuando se pisa a

fondo pasa a quemarse la mxima cantidad de combustible que puede llegar a hacerlo

para la cantidad de aire que cabe en el cilindro a la presin de trabajo. Dicha proporcin

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es aproximadamente de un gramo de gasoil por cada 17 a 20 de aire (un litro de gasoil

requiere de 15.000 litros de aire para oxidarse completamente, un 30% ms que un

motor de gasolina.)

Dicha relacin es la que sirve como elemento regulador de la potencia que

entrega el motor y se define como pudiendo variar de 17 a infinito.

.

.

mf

ma= [1]

donde.

m es el caudal msico con el subndice del aire o del fuel(combustible)

Aunque el gasoil llegase a costar lo mismo que la gasolina, los motores diesel

seguiran siendo ms econmicos no slo porque el consumo es menor respecto a los de

explosin sino por que el rendimiento es mayor al de estos ltimos. Ntese que en un

motor Diesel se alcanzan rendimientos totales que llegan al 34-35% mientras que en los

de gasolina apenas se consigue un 24% aproximadamente, dado que no se pierde tanta

energa en los gases de escape (se recupera en los turbocompresores, como se comentar

posteriormente) ni en el sistema de refrigeracin adems de poseer menores prdidas por

bombeo al no tener que estrangular la mezcla para cargas parciales como los motores

MEP4. Pero sobre todo y fundamentalmente por una mayor eficiencia del ciclo

4MEP: Motores de encendido provocado, hace referencia principalmente a los motores de gasolina

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termodinmico, debido a que en los diesel la relacin de compresin que puede alcanzar

es mucho mayor (hasta 22), aumentando el rendimiento de forma asinttica con la

relacin de compresin.

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2.1.2.EL COMBUSTIBLE, EL GASOIL

El combustible empleado en los motores diesel es el gasoil producto de

aspecto y tacto aceitoso formado por hidrocarburos de cadena larga , siendo por tanto

ms denso y pesado que la gasolina poseyendo adems mayor poder calorfico inferior

para el mismo volumen.

Ha sido creencia popular durante mucho tiempo que el gasoil era un

combustible ms basto y menos refinado que la gasolina, siendo la realidad presente ms

bien la contraria. El gasoil no es slo un producto muy refinado sino que adems ha de

estar muy bien filtrado, debido a la naturaleza de los actuales sistemas de inyeccin

directa que estn fabricados con precisiones dimensionales de la milsima parte de un

milmetro, una impureza del combustible podra provocar graves consecuencias, no slo

por variar la cantidad de combustible inyectado a la cmara de combustin sino tambin

por el riesgo que podra suponer el hecho de que la impureza taponara el orificio del

inyector.

Un motor de explosin "golpea o pica" precisamente por lo contrario que un

diesel, pues en aqul ocurre cuando la compresin es alta, a plenos gases, a velocidades

medias o bajas y con motor caliente; en el diesel al revs.

Anlogamente, la composicin qumica del combustible, segn el predominio

de hidrocarburos aromticos, parafnicos o naftalnicos, que son los tres principales,

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influye de modo opuesto en el funcionamiento de ambas clases de motores. Ello es

porque hay una diferencia fundamental en el ciclo: en un motor de gasolina se provoca

la explosin de la mezcla con una chispa, evitando por todos los medios qumicos, forma

de culata, etc., que lo haga por su cuenta (detonacin, autoencendido); mientras que el

funcionamiento del diesel se basa, justamente en la inflamacin espontnea del

combustible. Por todo ello, se deduce que el gasoil ha de cumplir requisitos ms

exigentes que la gasolina, pues as como a sta se la puede corregir fcilmente para

hacerla antidetonante, no pasa lo contrario con el gasoil, para el que todava no se ha

encontrado ningn producto prctico pre-detonante que aadirle. El grado detonante

(autoinflamacin) del gasoil se mide por el nmero de cetano, que conviene que sea

entre 40 y 70.

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2.1.3.CICLO DE TRABAJO

El ciclo de trabajo en un motor de cuatro tiempos Diesel, es el siguiente

Figura 3: Ciclo de cuatro tiempos del motor diesel

- 1 media vuelta: Admisin.

Se abre la vlvula A de entrada de aire al cilindro; el pistn al bajar genera una

depresin en el cilindro que provoca la aspiracin a travs del filtro del colector de

admisin, sin mariposa que grade la cantidad (que debe ser siempre la mxima

posible), de modo que el cilindro queda lleno de aire puro.

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- 2 media vuelta: Compresin.

Al subir el mbolo comprime el aire hasta dejarlo reducido a un volumen de

12 a 24 veces menor, con lo que alcanza una temperatura cercana a los 600C. que

permitir la autoinflamacin, a una presin efectiva de 36 a 45 kilogramos por

centmetro cuadrado, mientras que en los motores de gasolina la presin efectiva a la que

llega la mezcla no pasa de los 15 kilogramos.

- 3 media vuelta: Combustin.

En un motor MEC la combustin se divide principalmente en tres fases:

a. Tiempo de retraso

b. Combustin de premezcla

c. Combustin de difusin

a. Tiempo de retraso: representa el tiempo desde que se inyecta el

combustible hasta que comienza la liberacin de de calor o energa. Interesa que este

tiempo sea lo mnimo posible, y todo tipo de cambios en los reglajes del coche o en la

composicin del fuel van encaminados a conseguir dicho factor. (Ntese como

curiosidad nicamente, que en los motores de gasolina interesa precisamente lo contrario

que el tiempo de retraso sea lo mayor posible para evitar un no deseado proceso de

autoinflamacin del combustible o detonacin.)

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Se pueden diferenciar dos tipos de tiempo de retraso, el relacionado con

aspectos fsicos y el relacionado con la qumica del proceso.

Tiempo de retraso fsico: dicho proceso est relacionado con la

velocidad y precisin de la inyeccin de combustible. Durante este proceso se

habla de atomizacin, evaporacin y mezcla.

El combustible es introducido a la cmara de combustin a travs de un

inyector, intentando atomizarlo al mximo, de forma que las miles de gotitas

sean fcilmente evaporadas al entrar en contacto con el medio de alta presin y

temperatura que es la cmara de combustin durante el proceso. Mientras se

produce la evaporacin y mezcla del combustible con el aire, se puede apreciar

en la grfica como se produce un pequeo descenso en el calor liberado en la

cmara, debido a que el combustible roba dicho calor para poder evaporarse.

Tiempo de retraso qumico: una vez ha finalizado la atomizacin,

evaporacin y mezcla , comienza lo que se denomina el retraso qumico y que no

es ms que el tiempo que tarda el combustible desde que se encuentra en las

condiciones descritas anteriormente, hasta que finalmente se autoinflama y libera

calor. Este tiempo diminuye considerablemente en funcin de lo fina que sea la

atomizacin del combustible y de lo extremas que sean las condiciones de

presin y temperatura del cilindro.

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b. Combustin de premezcla: Representa la primera parte de la

combustin y es muy poco querida por los ingenieros de motores.

Durante esta fase se producen enormes gradientes de presin, lo que

lleva consigo asociado un aumento considerable del ruido y de la liberacin de

calor. El principio fsico por el cual se produce dicho incremento desmesurado se

debe al ritmo de autoinflamacin de las partculas de combustible inyectadas.

Cuando se introducen las primeras partculas en la cmara de combustin,

convenientemente atomizadas, stas toman su energa del aire comprimido de la

cmara de combustin para poder evaporarse y posteriormente autoinflamarse

liberando la consiguiente cantidad de energa que les corresponde. Este hecho se

repite sucesivamente con la inyeccin de las distintas partculas, con la pequea

diferencia que las prximas en entrar pueden robar el calor de la autoinflamacin

de las que entraron anteriormente y no del aire comprimido del cilindro, de forma

que el tiempo de retraso disminuye considerablemente, producindose ese

aumento enorme de presin y temperatura durante esta fase de la combustin.

Debido al ya comentado aumento de la temperatura que se alcanza en la

combustin, mayor es la formacin de NOx y mayor es el rendimiento

termodinmico (altamente relacionado con la temperatura), hecho que

inicialmente podra hacer pensar que aumentar la presin mxima que se alcanza

en la combustin de premezcla es un factor positivo, si bien no se puede olvidar

que cuanto mayor sea el gradiente de presin, ms robustos tendrn que ser los

bloques, culatas y pistones (con el consiguiente aumento de peso asociado) y

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mayor cantidad de material se requerir emplear para aislar correctamente el

aumento de ruido que se provoca. Por tanto aunque se aumente

considerablemente el rendimiento del ciclo termodinmico el aumento de peso y

de inercias de las partes mviles repercute una disminucin general del

rendimiento del motor, por tanto hay que encontrar el compromiso justo entre

vibraciones, ruido y emisiones de NOx.

Una de las estrategias que se emplean para reducir la combustin de

premezcla es la de inyectar el combustible muy cerca de PMS (Punto muerto

superior) de forma que las condiciones de temperatura y presin sean las idneas

para la autoinflamacin. Si bien el procedimiento ms empleado y ms til es la

de realizar inyecciones piloto (entre el 5-10 % de la cantidad inyectada), como se

explicar en apndices posteriores.

c. Combustin de difusin: Una vez que el combustible

premezclado se ha consumido, el ritmo al que el combustible va ardiendo viene

controlado por el ritmo al que se va produciendo la mezcla del combustible y el

aire. El calor liberado puede llegar a alcanzar un segundo pico, pero de valor

relativo bastante menor. Cuando el ciclo de expansin est ya muy avanzado, la

liberacin de calor prosigue a ritmos muy bajos. Parte del combustible no se ha

quemado en su totalidad, estando an presente en forma de carbonilla o

hidrocarburos no quemados que van completando su combustin al mismo

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tiempo que la cmara de combustin se enfra debido a la expansin lo que lleva

a ralentizar dicha postcombustin.

Figura 4: Proceso de combustin en un motor diesel

- 4 media vuelta: Escape.

Se abre la vlvula de escape y por ella son expulsados al exterior los gases

residuales de la combustin.

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2.1.4.FUNCIONAMIENTO

Figura 5: Motor diesel

Segn se acaba de explicar, en el tiempo de admisin el cilindro aspira aire

puro a travs de un Colector en cuya boca (Figura 5) est el filtro de aire. Cada cilindro

lleva las vlvulas de admisin y escape, en general colocadas en cabeza y mandadas por

levas de la distribucin. El combustible es aspirado del depsito por la tubera A

mediante la bomba con filtro de entrada que lo enva al filtro general, de donde sale por

la parte inferior a la bomba de inyeccin que por medio de los cuerpos de bomba (uno

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por cilindro) lo manda a presin por los tubos B a los inyectores, colocados en los

cilindros, como las bujas en los motores de explosin.

El gasoil que rebosa de los inyectores regresa por los tubos C y D al depsito

general; por este ltimo tambin vuelve el que sobra en el filtro por no ser consumido

por la bomba de inyeccin.

La bomba recibe movimiento desde los engranajes de la distribucin por el

rbol E, y el Mando del acelerador acta sobre la bomba por la palanca F, como se ver

ms adelante. El pistn comprime el aire aspirado en el primer tiempo hasta que la

presin se eleva a 35 40 bar. El gasoil introducido por los inyectores al final de la

compresin, se inflama al entrar en contacto con el aire, quemndose a medida que

entra. Para que el combustible se pulverice al ser inyectado se necesita que lo haga a una

gran presin, que llega a 2000 bar en algunos motores con sistema Common Rail de

ltima generacin. Durante el tiempo de combustin, la presin mxima es como el

doble de la de explosin en los motores de gasolina.

En cada cilindro se obtiene, como en los motores de gasolina, una carrera

motriz en cada dos vueltas del cigeal.( Motor de 4T)

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2.1.5.CARACTERSTICAS

De todos estos datos se deducen las siguientes caractersticas en un motor

Diesel:

-La elevada compresin es causa de su buen rendimiento, pero repercute en

las grandes presiones que sufren cilindro, pistn, biela, etc., que obliga a construir estos

rganos ms robustos y pesados.

- El "golpeo" es ms fuerte que en los motores de gasolina, dando sobre todo

en ralent un sonido caracterstico, debido a la mayor duracin de la combustin depremezcla.

-La velocidad de inflamacin del Diesel es casi el doble que en los motores de

gasolina (en realidad es una detonacin), aunque el combustible no se queme tan

rpidamente por no estar introducido todo en el cilindro en el momento de reiniciarse la

inflamacin, sino que arde a medida que va entrando.

- Las fuertes presiones y la mayor robustez y peso de las piezas en movimiento

son limitadores de la velocidad de rotacin. Gracias a los progresos de la metalurgia se

construyen hoy motores diesel ligeros de 4.000 a 5.000 rpm, aunque los ms comunes

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en camiones giran a un mximo poco mayor de 2.000 rpm; pero de ningn modo deben

embalarse estos motores, razn por la cual casi todos estn dotados de los reguladores.

- Para conseguir una combustin completa del gasoil y que no salgan humos

opacos y visibles por el escape, es necesaria una proporcin de aire superior a la

requerida para un motor de gasolina.

- Las bombas de inyeccin llevan un reglaje que no se debe de variar, pues

aunque parezca que aumentando la proporcin de gasoil se obtiene mayor potencia, es a

costa de producir humos en el escape y sobre todo carbonilla en los cilindros y vlvulas,

estropear rpidamente el aceite de engrase, anular su economa de funcionamiento y

causar un esfuerzo suplementario en los rganos del motor que en seguida lo deteriora.

- Dado el exceso de aire con que se lleva a cabo la combustin, los gases de

escape no tienen prcticamente el xido de carbono que producen los motores de

gasolina; y otra diferencia, es que el gasoil no produce vapores inflamables a la

temperatura ambiente, por lo que se elimina el peligro de incendio en caso de accidente.

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2.1.6.LOS RGANOS DE UN MOTOR DIESEL

De las condiciones de trabajo expuestas se deduce la robustez que caracteriza a

estos motores, lo cual implica una gran precisin en el mecanizado, as como una buena

calidad de los materiales. Ambas cualidades van parejas con la resistencia que todos los

rganos deben tener para trabajar con esfuerzos muy superiores a los del ciclo de

gasolina.

Bsicamente la arquitectura es semejante a la de los motores de gasolina,

aunque con un refuerzo en diferentes elementos, ya que las presiones internas que

soportarn son mucho ms elevadas, siendo sus componentes principales los mismos:

cigeal, cilindros, pistones, culata y distribucin. La diferencia principal radica en laforma en que se prepara e inicia el quemado del combustible.

Figura 6: Bloque de un motor diesel

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2.1.6.1. EL BLOQUE

Los cilindros forman casi siempre un slo bloque (figura 6), pero si ste es de

gran tamao la culata se divide en dos. El material del bloque es fundicin o aleacin

ligera de aluminio fuertemente reforzada; los cilindros son casi siempre amovibles, del

tipo de camisa hmeda (Fig.7) o de forro seco (Fig.8), con objeto de hacer sus paredes

ms resistentes (acero, fundicin centrifugada, nitrurada, etc.), que si estuviesen

mecanizados directamente en el bloque.

Figura 7: Cilindro de camisa hmeda

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Figura 8: Cilindro de camisa seca

2.1.6.2. EL CIGEAL.

Est apoyado en cojinetes intercalados entre codo y codo; siete en los de seis

cilindros y cinco en los de cuatro cilindros. A causa de los importantes esfuerzos que

sufren todos los rganos del motor, en particular el cigeal, es indispensable asegurar a

ste una gran rigidez y resistencia, y de aqu la interposicin de un gran nmero de

apoyos, generalmente igual al nmero de muequillas de biela ms uno.

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Figura 9: Bielas y pistones de un motor diesel

2.1.6.3. LAS BIELAS Y PISTONES.

Dada la alta compresin con que se trabaja, el sellado o cierre que hagan los

segmentos debe ser muy hermtico, y por ello se ponen ms que en los motores de

gasolina; casi siempre (Figura 9), con cuatro segmentos de compresin A y varios de

engrase, como el rascador B bajo los de compresin, y dos ms e en la falda.

Los mbolos se hacan de fundicin, pero modernamente se realizan enaleaciones de aluminio, teniendo que soportar esfuerzos del orden de 70 a 140 bares; se

caracterizan por ser ms largos de lo normal.

En la cabeza suelen llevar unas hendiduras o huecos D, bien para que al abrirse

las vlvulas no tropiecen con el mbolo estando ste en su PMS, dejando muy poco

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espacio para comprimir fuertemente el aire, o bien para que ste adquiera el movimiento

de torbellino conveniente para la mejor combustin del gasoil.

El buln suele ir sujeto con un clip E en su alojamiento, y desde ste al fondo

hay una distancia apreciable (mbolos de cabeza larga), que da idea de lo bien guiado

que ha de resultar el pistn dentro del cilindro.

En el detalle 2 de la figura 9 se muestra otro pistn con sus cuatro anillos de

compresin A y dos rascadores de aceite B, uno siempre en la falda, con el buln sujeto

por el clip E. La cabeza de biela a veces se cierra con dos dobles esprragos F,

abrazando a la muequilla del cigeal mediante unos casquillos finos de acero

recubiertos con antifriccin o, lo que es ahora ms frecuente con tejuelos de bronce

plomada, ms resistente que el "babbit", por lo menos el G de la parte superior, que es el

que sufre el mayor esfuerzo de la carrera motriz, pudiendo ser el inferior H de

antifriccin, pero en capa fina sobre casquillos de acero.

Para que pueda sacarse el pistn con la biela, por debajo del cilindro, sin

desmontar el bloque ni quitar el cigeal, en varias marcas se hacen las cabezas con el

sombrerete J (figura 9, detalle 3) en diagonal; en este caso el casquillo de abrazadera

est todo l recubierto de bronce plomada K. Esta figura muestra una biela con salida de

aceite L para lubricar por salpicadura la pared del cilindro, y con tubo interior M para

engrase a presin del pie de biela, en su articulacin al buln. En los detalles 2 y 3 se

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marcan en N unas finas hojillas metlicas para retirarlas por parejas a medida que se

necesita corregir la holgura por desgaste.

Los pistones tienen diferentes formas en la cabeza dependiendo del tipo de

inyeccin y de los fabricantes.

2.1.6.4. LA CULATA.

Realizada en fundicin o de aleacin ligera, es el elemento ms caracterstico

del motor diesel, debido a:

La forma y disposicin de la cmara de combustin.

Diseo por requisitos trmicos

La situacin del inyector.

La ubicacin del colector de admisin.

Las cmaras o precmaras son fabricadas en la misma culata o bien

adaptadas posteriormente.

2.1.6.5. LA DISTRIBUCIN

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Figura 10: Distribucin tpica de un motor diesel

Los motores diesel suelen llevar las vlvulas en cabeza, mandadas casi siempre

por balancines, con el rbol de levas algo elevado en el crter superior para que no sean

tan largos los empujadores; el eje de levas lleva varios apoyos y est movido por un

engranaje de varios piones o por cadena. Con esta ltima, suele mandarse cuando va

colocado el rbol en la culata y abre directamente las vlvulas, como ocurre en el

Mercedes-Benz 190D (Figura 10), donde la cadena que va contenida entre varias guas

A que le impiden oscilar o vibrar, mueve a la vez el rbol de levas en culata y la bomba

de inyeccin. La holgura es corregida por un tensor de rueda dentada aplicado por un

resorte.

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Figura 11: Sistema de 4 vlvulas de un motor diesel

Las vlvulas son anlogas a las de los motores de gasolina. En algunos casos

las de escape estn huecas y rellenas con sodio para transmitir mejor el calor. Las de

admisin tienen a veces (Leyland, Pegaso, Man, etc.) un deflector (Figura 9 ) en la parte

interna de la seta con objeto de imprimir al aire de admisin un movimiento gira- torio

para que durante la compresin se convierta en torbellino sobre el que se pulverice y

esparza mejor el gasoil inyectado. En este caso, la vlvula no debe poder girar, para ello

tiene a lo largo de la cola un rebaje plano P; en la gua de la vlvula hay una escotadura

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por la que asoma la chaveta que, al apoyarse y flotar sobre el citado rebaje plano, impide

que la vlvula gire dentro de la gua.

Como los cilindros de los motores Diesel suelen ser de grandes dimensiones,

comparados con los de gasolina, y las vlvulas, en proporcin, resultaran mayores de lo

conveniente para la rigidez de su seta, a veces se instalan vlvulas dobles (Figura11),

dos de admisin y dos de escape, en cada cilindro. El aire de admisin entra por A hacia

las vlvulas B mandadas por un slo balancn, que empuja al travesao y las abre a un

tiempo (la primera de ellas tiene el deflector C), realizndose el escape por las vlvulas

D y colector E.

2.1.7.SISTEMAS DE COMBUSTIN Y FORMAS DE

CULATA

Como ya se coment en el ciclo de combustin en el instante de penetrar en la

cmara de compresin las primeras gotas de combustible, se encuentran rodeadas de aire

comprimido, cuya temperatura est prxima a los 600C., ampliamente superior a la

necesaria para que el gasoil se queme; pero la inflamacin slo ocurrir cuando la

temperatura se comunique al lquido. Para que este caldeo tenga lugar es necesario un

cierto tiempo, muy pequeo, pero apreciable, dadas las velocidades de funcionamiento

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que se exigen. El lapso que transcurre entre la entrada en el cilindro de las primeras

gotas y el momento de iniciarse la combustin se llama tiempo de retraso y como ya se

dijo tiene orgenes fsicos y qumicos. Una vez iniciada sta, la velocidad de

propagacin es superior a la de explosin en los motores de gasolina, dado que el

combustible no est todo en el cilindro, sino que va entrando poco apoco y, a medida

que se inyecta, el que penetra va incendindose. Como consecuencia, el golpeo

caracterstico de los Diesel es ms acusado en ralentpor lopoco que dura la inyeccin y

lo instantneo de la inflamacin, verdadero golpe auto explosivo y detonante, como

cuando este fenmeno se presenta en los motores de gasolina.

Si el aire del cilindro est en reposo, y las primeras gotas del combustible se

encuentran casi inmviles en ese aire, la transmisin del calor se hace con lentitud, pues

el aire inmediato se enfra al contacto con el lquido. Si,por el contrario, hay un fuerte

movimiento relativo entre el gasoil y el aire, el cambio de calor se hace con mayor

rapidez y la inflamacin sobreviene antes. Este retardo en el inicio de la inflamacin no

debe confundirse con el tiempo que, en los motores de explosin, tarda la mezcla en

quemarse una vez que salta la chispa, conocido con el nombre de retardo enpropagarse

la inflamacin.

A primera vista parece que el efecto es anlogo y se corregira adelantando la

inyeccin; pero esto no basta, pues traera como consecuencia que el combustible que ha

entrado durante ese retraso al inicio de la inflamacin se incendiara todo junto, y el

efecto detonante sera enorme, con golpeo y vibraciones tan desagradables como

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perjudiciales para el motor. Por ello, se busca reducir al mnimo dicho retraso

provocando en la cmara de compresin una fuerte turbulencia que proporcione una

gran velocidad relativa entre el aire muy caliente y las gotas del combustible pulverizado

que se inyecta.

Este problema ha sido objeto de numerosos estudios y soluciones, disendose

diferentes formas de las cmaras de combustin y algunas veces la de la cabeza del

pistn, para favorecer la combustin y mejorar as el rendimiento y la potencia,

pudindose clasificar los sistemas de combustin, o forma de culata, en cuatro grupos:

1, inyeccin directa; 2, precombustin o antecmara; 3, combustin separada o

cmara auxiliar y 4a, acumulador de aire, que se pueden resumir en inyeccin directa e

indirecta.

2.1.7.1. INYECCIN DIRECTA

El inyector, que asoma al centro de la cmara de combustin, lanza

directamente el combustible al cilindro a una presin que vara de 130 a 300 bares para

conseguir una buena pulverizacin, incidiendo generalmente sobre la cabeza del pistn

(Figura 12 ) siempre ms caliente que las paredes del cilindro, que estn refrigeradaspor

la circulacin del agua.

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Figura 12: Cavidades en el pistn para inyeccin directa diesel

El inyector, que es del tipo "agujereado", tiene varios orificios muy finos para

pulverizar directamente el gasoil en el torbellino de aire.

La turbulencia se consiguepor la forma del hueco en el mbolo, muchas veces

ayudadapor un deflector en la vlvula de admisin.

La cavidad del pistn ofrece diversas formas, de las que son ejemplo la

toroidalesfrica (detalles 1 y 2).

El sistema (4) tiene dos ventajas: es el ms econmico en consumo de gasoil

sin que la diferencia con los otros sea grande y, si la relacin de compresin es superior

a 15, como es lo corriente, el arranque es fcil sin necesitarse la ayuda de resistencias

para el calentamiento del aire, pues ste tiene pocas paredes por las que pueda perder

calor y, adems las cavidades estn en la cabeza del pistn, que es la parte ms caliente

del motor.

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Como inconvenientes se puede citar que es muy ruidoso al ralent y a bajo

rgimen.

Elpistn de Saurer es parecido al de la figura 12 detalle 1, pero el hueco tiene

una forma de corazn (figura13) en la que penetra el aire, orientado por el deflector de la

vlvula, hacia los bordes; de manera que baja girando y sube por el centro a chocar en la

culata y unirse al que sigue entrando, para volver a las paredes, bajar de nuevo y as

sucesivamente.

Figura 13: Pistn de Saurer

Durante la compresin, este doble torbellino aumenta de velocidad,

consiguindose que la inyeccin por varios orificios resulte muy bien pulverizada y

mezclada.

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2.1.7.2. PRECOMBUSTIN O ANTECMARA

La presin de inyeccin es menor que en la directa, pues aqu est comprendida

entre 80 y 120 bar. Al subir el pistn (Figura 14) encierra casi la mitad del aire

comprimido en la antecmara, que comunica con el cilindro por los finos orificios del

pulverizador o atomizador. El inyector lanza su nico chorro de gasoil en el aire caliente

y agitado de la antecmara, donde se quema parcial, pero rpidamente; la expansin

producida expulsa el resto del combustible sin inflamar (unas dos terceras partes del

total), mezclado con aire muy caliente, a travs de los orificios del atomizador, que

terminan de pulverizarlo, finalizando su combustin en el interior del cilindro.

Figura 14: Ejemplo de cmara de precombustin

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Comparando este sistema con la inyeccin directa, la cantidad de paredes que

rodean al aire es aqu mucho mayor, y por tanto, el calor de la compresin se perder

con ms facilidad hacia la refrigeracin. En este caso, el arranque resultara difcil por la

lentitud del calentamiento del aire, si ste no se ayudara con las bujas de

precalentamiento, que se activan en el momento del arranque. La menor presin de

inyeccin, el usar inyector de agujero nico y el ser menos ruidoso a bajo rgimen son

sus ventajas, frente a los inconvenientes de que necesita bujas de precalentamiento para

el arranque en fro y el ligero aumento del consumo respecto a los de inyeccin directa.

2.1.7.3. COMBUSTIN SEPARADA, CMARA AUXILIAR O

CMARA DE TURBULENCIA

La presin de inyeccin en este sistema oscila entre 80 y 130 bar, como en el

caso de antecmara.

Es una variante perfeccionada del anterior, tambin llamada "Ricardo-Comet"

por el apellido de su autor y la forma alargada del torbellino.

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Figura 15: Ejemplo de cmara decombustin auxiliar, tipo Ricardo-Comet

Casi todo el aire, alrededor de los 2/3 del volumen total de la cmara, (Figura

15) se acumula en la cmara auxiliar (situada en una parte no refrigerada de la culata),

que comunica con el cilindro por un slo conducto ms ancho y de forma circular, de

manera que el aire, al entrar, adquiere un fuerte movimiento de torbellino.

El inyector lanza el combustible en esta masa giratoria, se produce la

inflamacin y los gases ardiendo pasan violentamente al cilindro; la forma del conducto

y la de la cabeza del pistn continan la turbulencia, favoreciendo la rpida inflamacin

de todo el combustible, que se quema ntegro en la cmara auxiliar.

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La violencia de la detonacin que queda un tanto sujeta en dicha cmara, se va

aplicando con cierta progresividad o freno, al tener que pasar por el conducto hacia la

parte superior del pistn.

Tiene como ventajas que precisa menos presin de inyeccin que la directa y

consume menos que en el sistema anterior; como inconveniente se puede citar que

precisa bujas de precalentamiento.

En la figura 16 se ve en A la ltima culata "Ricardo-Comet", con rehundido

formando un ocho en el pistn (detalle 1) y bujas de precaldeo; en el detalle 2 se aprecia

en B el sistema "Airflow" de Perkins con doble chorro en el inyector y sin las citadas

bujas, pues el calentamiento del aire para arrancar se hace, en esta marca como en

algunas otras, con una "estufa elctrica" en el colector de admisin.

Figura 16: Ejemplo de cmara de combustin, tipo Ricardo-Comet con bujias de precaldeo

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2.1.7.4. ACUMULADOR DE AIRE O SISTEMA ACRO-BOSCH

En este sistema con una presin de inyeccin de 100 a 130 bares, el aire es

comprimido y reducido en el acumulador (Figura 17), lanzando el inyector el chorro al

venturi o difusor de comunicacin, donde empieza a inflamarse el combustible.

El calor dilata el aire del acumulador, que puede estar formado en el pistn (Figura 18)

como ocurra en los Berliet, saliendo al cilindro y terminando la combustin del gasoil a

medida que se inyecta.

Figura 17: Sistema acumulador de aire Acro-Bosch

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Este sistema es ahora poco usado, pues aunque tiene como ventajas que el

arranque con bujas es fcil, la combustin completa y el funcionamiento suave; en

cambio, el consumo resulta mayor que con las otras formas de culata.

Figura 18: Sistema acumulador de aire Acro-Bosch II

El sistema Lanova, incluido en este grupo, es un desarrollo del Acro realizado

por el mismo autor, el ingeniero alemn Lang. En su forma actual (Figura 19) el aire es

comprimido en el espacio circular A (debajo de la vlvula de escape) y tambin en los

acumuladores seguidos B y C. En el detalle 1 se ve cmo el gasoil desde el inyector

alcanza el fondo de C, se inflama (detalle 2), y la expansin hacia atrs en 3, imprime un

rpido movimiento circular al aire en A, facilitando la buena combustin.

Por lo que predomina la inyeccin Directa en los motores del sistema Lanova,

es porque generalmente no precisan de bujas o calentadores de aire para el arranque.

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En algunos motores se conserva el corte antiguo, con la cmara A doble

formando un ocho, a cuyo centro apunta el doble acumulador B y C.

Una variante usada por Hrcules, lleva el acumulador de aire, de forma

esfrica, a un costado de la parte alta del cilindro.

Figuara 19: Cmara decombustin Lanova

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2.1.7.5. COMPARACIN ENTRE SISTEMAS DE

COMBUSTIN

Las ventajas e inconvenientes que presenta cada sistema, prcticamente vienen

a compensarse entre s, como lo prueba la subsistencia de todos ellos en marcas

acreditadas. Sin embargo, parece declinarse el 4 (acumulador de aire) en beneficio del1 (inyeccin directa, siendo la opcin ms usada hoy en da en todo el mundo).

Tambin se aprecia una lenta evolucin del 2 (precombustin) hacia el 3 (cmara

auxiliar "Ricardo-Comet"). El Lanova acompaa en su actual boga, sobre todo en

Estados Unidos, a los sistemas 1Y 3. Recurdese que los motores con inyeccin

directa son los que menos combustible consumen, pero con ms golpeo y sacudidas y

que los que emplean el sistema de antecmara o cmara auxiliar tienen un

funcionamiento ms suave y silencioso a costa de un ligero aumento en el consumo. En

todo caso, las diferencias son pequeas.

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2.1.8.EL EQUIPO DE INYECCIN

2.1.8.1. SIS

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