Castro Vicente Manuel - Mecanica El Motor Diesel en El Automovil

EL MOTOR DIESEL EN

EL AUTOMVIL

ENaODPEDlA DaAUTDMOVlL

EL MOTOR DIESEL EN

EL AUTOMVIL Miguel de Castro Vicente

^ ^ ^ ediciones C O a C Per, 164 - 08020 Barcelona - Espaa

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EDICIONES CEAC, S.A. - 1987 Per, 164 - 08020 Barcelona (Espaa) Primera edicin: Noviembre 1987 IBN 84-329-1026-0 Depsito-Legal: B-41765 - 1987 Impreso por GERSA, Industria Grfica Tambor del .Bruc, 6 08970 Sanl Joan Desp (Barcelona) Prinied iu Spain Impreso en Espaa

CONTENIDO

Prlogo 7

Introduccin tcnica al motor Diesel 11

El motor Diesel y el automvil 53

Estructura del motor Diesel 83

La combustin 147

La inyeccin (I) Las bombas en lnea 191 La inyeccin (II) Las bombas rotativas 245 Inyectores y circuito de alimentacin 287

Puesta a punto de motores Diesel 325

La sobrealimentacin 357

Parte elctrica 389

Localizacin de averas 403

La conduccin de un automvil con motor Diesel 427

PROLOGO

El alza progresiva en el precio de la gasolina ha conseguido que los auto-mviies dotados de motor de explosin sean cada vez ms caros de manteni-miento y su utilizacin para el transporte, tanto por ciudad como por carre-tera, sea cada vez ms cuestionable desde el punto de vista econmico. Para poner un ejemplo de corta duracin en la historia, existe la realidad de que en Espaa, la evolucin de los precios de las gasolinas ha sufrido en los aos que van desde 1973 hasta 1983 cifra escogida al azar y con el objetivo de llenar una dcada un aumento de casi un 700 %, es decir, la gasolina se ha ido subiendo de precio a un promedio de cerca de un 70% cada ao. No es nuestro propsito, en este momento y en este prlogo de introduccin al tema, entrar en detalles de las ms o menos justificadas causas que se han producido para llegar a alcanzar esta desproporcionada situacin. Cierto que el aumento del precio del petrleo, la sobrevaloracin del dlar americano, la fuerte presin fiscal, la inflacin que se ha producido en todos los pases occidentales, y otras causas, son parmetros flindamentales de cuyo estudio saldra la clara justificacin de estos precios en insaciable alza, pero es evidente que tal justificacin no consuela al usiurio del automvil que, en 1973, con un precio de la gasolina a 13,50 pts. el litro, con una relacin salario/litro de gasolina que le permita, con una hora de trabajo comprar casi 11 litros de carburante super, se encuentra, diez aos ms tarde, que con su salario equi-valente solamente puede comprar 6,72 litros. Ello forzozamente ha de plan-tear en la mente del usuario una recomposicin del tema pues, en igualdad de circunstancias, ahora solamente puede realizar un 60 % de los kilmetros mensuales que realizaba en 1973. Pero la readad cruda es todava ms grave si se tiene en cuenta que en aquellas fechas un automvil equipado con motor

EL MOTOR DIESEL EN AUTOMOCION

de 1.200 cm^ era ya considerado un automvil de tipo medio que rozaba las fronteras del automvil de representacin. El abaratamiento de los coches y la creacin de las rpidas autopistas llevaron insensiblemente a nuestro usuario de tipo medio a la compra de automviles dotados con motores de 1.600 a 2.000 cm^, que si bien tienen unas condiciones de comodidad, seguridad y potencia muy por encima de los productos de 1973, tambin tienen, a la con-tra, un consumo entre im 25 y un 30 % superior. De lo dicho se deduce que en estos momentos, no solamente el usuario de nuestro ejemplo ha de reducir su kilometraje mensual en un 60 % sino que a ello ha de considerar tambin los 8 litros a los cien kms que gastaba en 1973 con los 11 litros que por igual recorrido est gastando en este momento. Total; se acabaron las excursiones de fin de semana y los largos viajes aprovechando los puentes del calenda-rio; el automvil, con un combustible de un precio superior al de un litro de leche o de vino, ha de permanecer en funcionamiento el tiempo indispensable porque otra solucin resulta demasiado cara.

Parece que ante esta evidencia el mercado debera dirigirse supuesto que los gobiernos no estn en absoluto dispuestos a bajar el precio del com-bustible hacia la compra de vehculos de pequea cilindrada, tal como ocu-rra, por ejemplo, en los aos cuarenta y cincuenta. Sin embargo, la reahdad es muy otra: el usuario no sabe renunciar a la comodidad de sus grandes co-ches, de sus amplios maleteros, de sus buenos y amplios asientos, de las cua-tro puertas bien accesibles, etc. y, en todo caso, a lo nico que est dispuesto a renimciar es a las brillantes prestaciones del motor. En estas condiciones, los fabricantes han encontrado la solucin perfecta: El motor Diesel.

Como nos explicar el autor de este hbro a lo largo de las pginas que nos esperan, el motor Diesel ha sido trabajado y elaborado en los diseos con el criterio de acercarlo lo ms posible a las condiciones que son caractersticas del motor de explosin. Al hablar pues, de un motor Diesel para automvil estamos hablando de un motor que presenta ciertas particularidades con res-pecto a los motores de su misma especie. Signos distintivos los encontramos en sus plevadas relaciones de compresin, en su acekrado rgimen de giro con respecto a todos sus congneres fabricados para otros usos, y en la gran proliferacin de ejemplares turboalimentados. El xito de estos modelos es evidente dada su aceptacin en el mercado y los magnficos resultados que estn proporcionando. Con esta solucin, el automvil actual rebaja su con-sumo a los 100 kms, rebaja el precio de su combustible y sigue manteniendo sus condiciones de automvil seguro, fierte y cmodo.

La oferta de automviles equipados con motores Diesel ligeros es, en estos momentos, muy considerable. Todas las grandes fbricas productoras de automviles se han afanado por realizar su versin Diesel de los automviles de gasolina ms populares, de modo que el comprador tiene muchas y dife-rentes opciones para elegir la versin que considere ms adecuada a sus ape-tencias y necesidades. A la vista de sus ventajas, en pocos aos el parque de automviles con planta motriz Diesel ha aumentado considerablemente y cada da son ms los adeptos a este tipo de motor que si bien no alcanza las acele-raciones de los motores de explosin tiene la gran ventaja de su alto valor en

la curva de par motor lo que lo hace de una conduccin ms reposada al no tener que hacerse uso del cambio de velocidades con tanta insistencia como se hace en los motores de gasolina.

Pues bien: este incremento de unidades en el mercado hace que los me-cnicos de automviles que conocen a fondo el tradicional motor de explosin se vean visitados cada vez ms por vehculos turismos equipados con motores Diesel. Estos motores no hace falta decirlo no son iguales que los moto-res de explosin, pero tampoco son iguales que los motores de los autocamio-nes, de modo que no basta con el conocimiento de unos y de otros para hacer un trabajo de reparacin perfecto. Hay singularidades que es preciso conocer.

A ello va encaminado el plan y desarrollo de este libro. Su objetivo man-tiene el criterio prioritario de ofrecer al mecnico de automviles un libro de motores Diesel aplicado a los motores que en su taller de reparacin de auto-mviles de gasolina va a recibir cada vez con mayor insistencia. Pretende, por consiguiente, dejar bien claro en qu se parecen ambos motores y en qu se diferencian, haciendo hincapi en aquellas operaciones de reparacin o de mantenimiento que son propias del motor Diesel y no lo son del motor de explosin (o lo son de otra manera). En este sentido el libro es nico hasta este momento en la bibliografa, bastante extensa por otra parte, que existe en castellano sobre el tema general del motor Diesel. De hecho son numerosos ios tratados, manuales y diversos tipos de obras que tratan con mayor o me-nor extensin el tema, pero en todos ellos se tiene siempre'en cuenta o bien el gran motor Diesel marino, o el usado en las locomotoras de ferrocarril, o en los grandes camiones, o, si se quiere, en pequeos grupos estacionarios, motores todos estos que, como se ha dicho, presentan particularidades de cierta importancia a la hora de trabajar en ellos con respecto a la estructura de los motores que se dedican modernamente al automvil, fruto de un diseo que tiene como finalidad conseguir mejorar en mucho las aceleraciones.

Por ltimo nos queda hacer algunas puntualizaciones con respecto a la presencia de este tomo en la coleccin que compone la Enciclopedia del Motor y el Automvil que edita nuestra Editorial. Por lo pronto resulta necesario es-tablecer la diferencia que el lector puede encontrar entre este volumen y el titulado El motor Diesel, del que es autor D. Juan Villalta Esquius, All encontramos un trabajo dedicado al motor Diesel del modo ms amplio y especialmente dedicado a los motores grandes y medianos. Un ejemplo puede ilustramos al respecto. Un motor que gira a un nmero de rev/min. mximas de 2.200 ya se le considera un motor veloz porque son muchos los motores descritos en el libro que no sobrepasan en mucho las 1.000 r/min, motores, por supuesto, de grandes dimensiones. Teiendo en cuenta que los motores de automviles estn girando a regmenes que oscilan entre 4.000 a 4.600 rev/ min ya encontramos aqu motivos para sospechar ciertas diferencias. En efec-to: el presente libro se distingue en su contenido por la descripcin exclusiva-mente de motores ligeros, de poco peso en relacin a la potencia obtenida, tal como el automvil requiere como condicin imdamental.

Por otra parte, y dado que en tomos como Transmisin y bastidor ya se habla de las partes estructrales del automvil no se tratar en este libro'

10 EL MOTOR DIESEL EN AUTOMOCION

de repetir estos conceptos, sino que ei autor se centra en la exposicin del motor Diesel presuponiendo incluso en el lector el conocimiento del motor de explosin j que se hace con mucha frecuencia referencias comparativas. De todos modos hay que dejar bien sentado que no se requiere la lectura atenta de El motor Diesel de esta misma coleccin para la comprensin del presente tomo ya que, en lo fundamental, guarda su autonoma en la exposi-cin de los temas bsicos, sin perder de vista en ningn momento sus dos objetivos iindamentales que, resumiendo, son: Hacer la exposicin lo ms claramente posible de las realizaciones llevadas a cabo en los motores Diesel proyectados para su utilizacin en el automvil, y, por otra parte, contar con un lector provisto de los conocimientos generales que se presuponen en un aScionado o en un profesional, no estrictamente especializados, en el tema de los automviles de motor de gasolina.

Esperamos que se pueda decir de este texto que se aviene totalmente a los deseos de sus lectores, de modo que sea im libro que les resulte convin-cente y que responda a las necesidades que les llevaron a adquirirlo.

INTRODUCCIN TCNICA

AL MOTOR DIESEL

Introduccin

En el ya muy lejano ao de 1892 la Oficina de Patentes de Berln estam-paba el niimero 67.207 sobre-una memoria para patente que haba presentado el ingeniero alemn Rodolfo Diesel en donde, a lo largo del escrito, se deca textualmente despus de su debida traduccin: ...el mbolo comprime aire puro en un cilindro, de modo que la temperatura resultante de la compresin es mucho mayor que la temperatura de inflamacin del combustible que se ha de emplear. Despus de la compresin y a partir del punto muerto, se efecta la introduccin gradual del com-bustible. .. etc. Teniendo en cuenta que Diesel estaba trabajando con un motor del tipo Otto, es decir, del clsico cuatro tiempos, con el fincionamiento de las cuatro carreras que son tambin tpicas en los motores de cuatro tiempos de explosin, tenemos en esta breve descripcin la base de la gran diferencia que existe entre el motor de gasolina y el motor Diesel. En efecto: Tal como deca el texto de la patente, mientras en el motor de explosin, en el tiempo de admisin y al abrirse la vlvula del mismo nombre, penetra en el interior del cilindro una mezcla de aire y gasolina debidamente mezclados, formando una niebla, en el motor Diesel, y en las mismas circunstancias el cilindro se llena exclusivamente de aire aspirado directamente de la atmsfera a travs de un filtro. Posteriormente, en el tiempo de combustin que sigue segn el ciclo, en el motor de gasolina se precisa de una chispa elarica que inicie la combustin de la mezcla comprimida y en virtud de esta chispa la mezcla se quema a buena velocidad transformando su energa en calor de modo que se dilata con tal fuerza que obliga al mbolo o pistn a desplazarse violentamente a lo largo del cilindro hasta llegar al punto muerto inferior (P.M.l.) del mismo


Figura 1. Vista seccionada del famoso motor RAT bilbero. Se trata de un motor de explosin de 1.592 cm^ que proporciona 95 CV a las 6.000 r/min.

producindose de este modo el tiempo de trabajo. En el motor Diesel, del que habamos dicho que solamente estaba lleno de aire comprimido, el com-bustible es escupido en el interior de esta densa atmsfera por medio de un aparato de alta presin llamado inyector. Cuando este combustible inyectado se pone en contacto con el aire altamente comprimido, y por lo tanto a una temperatura muy elevada, inmediatamente inicia su combustin con gran de-sarrollo de calor y aumento de su volumen, al igual que en el caso de la ga-solina. Este es el momento en que el mbolo resulta impelido con fuerza hacia su P.M.I. de modo que se crea as el tiempo de trabajo.

Esta es, bsicamente, la gran diferencia entre el motor de explosin y el motor Diesel. Pero de esta diferencia que podra parecer a primera vista insig-nificante, o por lo menos poco significativa, se va a derivar sin embargo tma serie de caractersticas que acaban haciendo ambos motores tan dispares en sus prestaciones y en su comportamiento que parezcan motores de una tcnica mucho ms desigual de lo que resulta de lo que acabamos de ver. Pronto entraremos en detalles del porqu de estas diferencias y se aclararn las dudas

INTRODUCCIN TCNICA AL MOTOR DIESEL 13

Figura 2. Vista seccionada de un motor VOLKSWAGEN. Se trata de un motor Diesel, de 1.588 cm^ sobrealimentado, que alcanza una potencia mxima de 68 CV a las 4.500 r/min.

que-a este respecto podamos tener. Y estudiando las caractersticas tcnicas que son peculiares de cada motor podremos ver tambin el porqu durante muchos aos el motor Diesel no ha sido aceptado en el mundo del automvil, por lo menos de la manera masiva en que se est aceptando durante toda la dcada de los aos ochenta, debido a su dificultad en poder competir con la relacin peso/potencia que proporciona el motor de gasolina pese a tener otras envidiables condiciones para la traccin de autovehculos que los camiones y las locomotoras s pudieron apreciar y utilizar desde el principio.

A este respecto podemos ver en la figura 1 el dibujo de un motor seccio-nado, de 1.592 cm'' y de explosin o de encendido por chispa. Este motor con una compresin de 9:1 consigue los 95 CV a 6.000 r/min y es un diseo originario de FAT que ha sido montado en muchos tipos diferentes de carro-ceras a conveniencia de la marca. Por otro lado, y en las mismas condiciones tenemos, en la figura 2, el dibujo de un motor Diesel de 1.588 cm'' utilizado por la fbrica alemana VOLKSWAGEN para sus berlinas del modelo Golf y tam-bin para algunos modelos de AUDI 80. Este motor se halla sobrealimentado


por medio de un turbocompresor que se aprecia en la figura, y consigue una potencia de 68 C V a 4.500 r/min. A pesar de la diferencia en la potencia ob-tenida puede decirse que este motor Diesel representa uno de los mximos hitos a los que puede llegar un motor de este tipo. La versin de este mismo motor sin sobrealimentar alcanza los 54 CV a 4.000 r/min.

La simple comparacin de estas caractersticas tcnicas ya nos propor-ciona una serie de pistas que forzozamente nos han de hacer meditar. Con respecto al motor Diesel de VOLKSWAGEN es fcil que salten a la vista de inme-diato una serie de preguntas como las siguientes: Por qu el motor Diesel no puede superar las 4.500 r/min que es, por otra parte, una velocidad de giro muy tranquila para el motor FAT de gasolina que puede llegar hasta las 6.000?

Otra observacin podra ser: Es posible que el motor Diesel tenga una relacin de compresin de 23:1 mientras el motor de explosin del ejemplo solamente alcanza 9:1?

Otra pregunta; Qu ocurrira si, en igualdad de circunstancias, el motor FIAT fuera tambin sobrealimentado por medio de un turbocompresor?

A todas estas preguntas y a muchas ms que pudieran formularse vamos a tratar de dar respuesta en este captulo. Para ello resulta forzoso recurrir a una exposicin atractiva de la teora para lo cual tendremos que valemos de los principios bsicos de la misma. Para comprender las diferencias de carcter de ambos motores es de todo punto necesario profundizar un poco en las leyes fsicas a las que, en su funcionamiento, ellos no pueden sustraerse. Ocu-rre aqu lo mismo que con la Msica (y dispnsenos el lector por esta compa-racin aparentemente tan dispar). Sin conocimientos de su estructura y de su lenguaje, la Msica podremos siempre sentirla, pero nunca comprenderla. Algo semejante puede ocurrirle a un mecnico que desprecie el conocimiento de las leyes fsicas que posibilitan el funcionamiento de los diversos tipos de motores: sin el estudio de estas leyes podr hacer reparaciones perfectas, pero estar lejos de comprender el porqu. Y no hay que olvidar que saber el por-qu de las cosas viene a ser la base para poder determinar con acierto el diag-nstico de sus averas.

De acuerdo con lo dicho resulta conveniente que pasemos, lo ms rpi-damente posible, a hacer una comparacin previa entre el motor de gasolina y el Diesel partiendo desde el mismo comportamiento en la forma de desarro-llar el ciclo de cuatro tiempos. De este estudio ya se ver cmo se advierten las diferencias que determinan el carcter de uno y otro tipo de motor y que hemos esbozado con brevedad en estas primeras pginas.

Comportamiento durante el ciclo

El motor Diesel puede construirse de modo que funcione por el ciclo de cuatro tiempos o por el de dos tiempos, al igual que ocurre con el motor de


explosin. Lo que sucede es que los motores Diesel que funcionan bajo el ciclo de dos tiempos son motores extraordinariamente grandes, propios para la propulsin de grandes motonaves, mediante los cuales se obtienen unas elevadas potencias que han llegado hasta los 50.000 CV (poco ms de 37.000 kW), pero con unas velocidades de giro que oscilan entre las 100 a las 150 r/min. Por el contrario, y como ya es conocido,' resulta curioso consignar como en los motores de explosin el ciclo de dos tiempos se reserva para motores de pequeas cilindradas en la gran mayora de los casos, tales como para ser planta motriz de velomotores y motocicletas pequeas de hasta 250 cm' . As pues, el ciclo de dos tiempos parece designado a utilizarse para los ms grandes y los ms pequeos motores, pero no para los de la zona inter-media.

En la prctica pues, se utiliza exclusivamente el ciclo de cuatro tiempos para los motores Diesel que son diseados y fabricados con el objetivo de propulsar automviles, del mismo modo que ocurre con los motores de ex-plosin. Por ello vamos a ver solamente la comparacin del comportamiento de estos dos motores durante cada uno de los tiempos de que consta su ciclo. . En la figura 3 presentamos el estado del motor de gasolina en cada una de las carreras de que consta el ciclo (admisin-compresin-explosin y esca-pe) y que ya, sin duda, deben serle familiares al lector.

Por otro lado, en la figura 4 presentamos tambin la disposicin de un motor Diesel frente a cada uno de los momentos tpicos de su situacin en cada una de las carreras que componen el ciclo de cuatro tiempos. Al tercer tiempo, el de trabajo, se le llama aqu combustin porque la forma en que se produce el quemado del combustible tiene unas caractersricas diferenciales que estudiaremos en su momento.

Acto seguido pasemos a comentar las caractersticas que presentan cada una de las carreras del ciclo en ambos tipos de motores.

ADMISIN En el motor de gasolina se ircia este tiempo cuando la vlvula de admi-

sin se abre al mismo tiempo que se inicia la carrera descendente del mbolo, es decir, el mbolo se dirige desde el PMS hacia el PMI, permaneciendo la vlvula de escape totalmente cerrada. Al descender el mbolo se crea el vaco en el interior del cilindro por el que se desplaza. Debido a la presin atmos-frica y a que, al abrirse la vlvula de admisin, se pone el cilindro en comu-nicacin con la atmsfera, se crea una fierte corriente de aire que atraviesa por el centro del condurto del carburador (C) desde donde recoge pulverizada la gasolina, de modo que el producto resultante que entra en el cilindro es aire mezclado con gasolina pulverizada.

En el motor Diesel, y tal como puede verse en este tiempo de la figura 4, la entrada de aire se produce directamente de la atmsfera sin intermedio de carburador alguno por lo que el cilindro se llena exclusivamente.de aire.


ADMISIN COMPRESIN

EXPLOSIN ESCAPE

Figura 3. Desarrollo del ciclo de cuatro tiempos en un motor de gasolina.


ADMISIN COMPRESIN

COMBUSTIN ESCAPE

Rgura 4. Desarrollo del ciclo de cuatro tiempos en un motor Diesel.

18 EL MOTOR DIESEL EN AUTOMOCON

COMPRESIN Cuando al final del tiempo de admisin el mbolo llega hasta su PMI se

cierra la vlvula de admisin, la vlvula de escape contina cerrada y el con-junto del cilindro queda totalmente estanco de modo que ni gas ni aire puedan salir al exterior. El mbolo comienza a ascender hacia su PMS con lo que el gas encerrado en su recinto se ve en la absoluta necesidad de comprimirse, o lo que es igual, de reducir su tamao.

En el motor de gasolina hemos dicho que lo que haba entrado era una mezcla de aire/gasolina. Esta mezpla va reduciendo su tamao con una rela-cin volumtrica que puede ser de 7,50 a 10, es decir, se hace de 7,50 a 10 veces ms pequea que el volumen inicial. Esta mezcla, al comprimirse, va aumentando su temperatura y su presin. Con respecto a la primera, si entr a una temperatura ambiente de 18 C, puede aumentar hasta alrededor de los 300 C cuando el mbolo liega a su PMS. En cuanto a la presin, que inicial-mente fue de 1 atmsfera (o un bar) puede terminar con presiones del orden de los 10 a 15 bar al final de la compresin.

Este mismo tiempo de compresin en el motor Diesel recordemos que se efecta con aire solamente. Por lo tanto, al no contener el aire ninguna mezcla de combustible podemos comprimirlo a mucha mayor relacin volu-mtrica. De hecho, en los motores Diesel utilizados en el automvil, las rela-ciones de compresin se establecen entre 18 y 23, de modo que la compresin resulta extraordinariamente ms elevada. Al igual que en el caso del motor de gasolina, el aire, al verse comprimido, aumenta su temperatura hasta alre-dedor de unos 600 C y las presiones alcanzadas al final del tiempo de com-presin se encuentran entre los 30 a los 50 bar.

Al hacer una comparacin de este tiempo entre el motor de gasolina y el Diesel ya vemos que este ltimo tiene que ser forzosamente mucho ms robusto para alcanzar con facilidad estas presiones que son tres veces ms ele-vadas. De ah que el Diesel se vea obligado a reforzar sus piezas mviles y sea por lo tanto menos gil que el motor de gasolina, y tenga dificultades para obtener los regmenes de giro que ste alcanza, adems de los problemas de combustin de los que nos vamos a ocupar seguidamente.

EXPLOSIN-COMBUSTIN En el momento de la llegada del mbolo al PMS, en el motor de gasolina

salta una chispa elctrica entre los electrodos de una buja que se encuentran en contacto con las paredes internas de la cmara de combustin. Esta chispa dentro de la misma densa atmsfera de la mezcla aire/gasolina comprimida ocasiona la combustin rpida de esta mezcla de una manera semejante a una explosin. En este instante aumenta considerablemente la presin dentro de la cmara y alcanza valores que, segn el diseo del motor, pueden ser de los' 40 a los 60 bar. Tambin la temperatura se acrecienta considerablemente. La fuerza de estas presiones desplaza al mbolo hacia el PMI y ste constituye el tiempo de trabajo de la mquina.


En el motor Diesel el proceso es diferente. Cerca del final del tiempo de compresin que vimos antes, se inyecta en la cmara de combustin una can-tidad muy determinada y precisa de combustible pulverizado. Esta inyeccin dura, a plena carga, de 20 a 35 grados del giro del cigeal. Casiinmediata-mente despus de empezar la inyeccin se produce el encendido espontneo del combustible dada la circunstancia de que el aire comprimido est a alrede-dor de los 600 C que hemos visto antes y el punto de encendido del combus-tible es mucho ms bajo (280 C), de modo que van aumentando las presiones en el interior de la cmara con valores que ahora pueden llegar de 60 a 90 bar y un aumento tambin considerable de la temperatura.

La caracterstica fundamental de este tiempo es la enorme presin a que se. ha de conseguir introducir el combustible en el interior de la cmara dado el caso de que sta ya se encuentra con valores de 30 a 40 bar, tal como diji-mos. En efecto, la presin de inyeccin se estipula entre los 100 a 175 bar segn el diseo del motor Diesel en cuestin.

Con esta combustin y el aumento de presiones indicadas el mbolo es empujado hacia el PMI constituyendo este tiempo el de trabajo. ESCAPE

En las figuras 3 y 4 vemos el ltimo tiempo del ciclo que es semejante para los motores de gasolina y los Diesel. Al iniciar el ascenso del mbolo, la vlvula de escape se abre y deja el interior del cilindro en comunicacin con la atmsfera para permitir la evacuacin de los gases quemados y porhlo tanto inservibles. Al mismo tiempo que el mbolo asciende hace las veces de bomba que impele a los gases a salir a travs de la vlvula. Tericamente, cuando el mbolo ha llegado a su PMS, los gases quemados han salido del recinto y se abre la vlvula de admisin de nuevo mientras se cierra la de escape, para proceder a formalizarse de nuevo el tiempo de admisin, con lo que el ciclo recomienza.

Aqu acabamos de ver cmo se produce el fiancionamiento de un cilindro de acuerdo con el ciclo de cuatro tiempos, tanto para un motor de explosin como para un Diesel. Por supuesto que en la prctica los motores de autom-vil disponen casi siempre de cuatro cilindros y en algunos casos, hasta cierto punto excepcionales, de seis, o de ocho cilindros en V. (Se fabrican todava automviles deportivos de gran clase con motores de 12 cilindros en V, pero son casos nada corrientes, desde luego.) En lo que respecta al motor Diesel fabricado para equipar automviles, el tipo de motor ms corriente es el de cuatro cilindros, aunque tambin los americanos fabrican motores de 6 y 8 cilindros en V, de grandes cilindradas, para algtmos de sus modelos que tienen ms venta. Pero como que el motor de cuatro cilindros resulta ser el ms popular vamos a referimos a l. En este caso, el ciclo que acabamos de des-cribir se produce del mismo modo en todos los cilindros del motor pero con la particularidad de que los tiempos se han desfasado, unos con respecto a los otros, de modo que cuando un cilindro est, por ejemplo, en el tiempo d admisin otro cilindro se halla en tiempo de expansin, otro en compresin y\


otro en escape, todo lo cual depende del orden de combustin que le haya asignado el ingeniero que lo proyect. Por ejemplo, si se trata de un motor que tiene un orden de combustin de 1-3-4-2, quiere decir que mientras el cilindro 1 est en tiempo de admisin, el cilindro 3 estar en tiempo de escape de su ciclo correspondiente; el 4 estar en su tiempo de expansin o combus-tin, y el 2 en el de compresin. Cuando, a continuacin, el giro del cigeal desplace los mbolos hacia otra carrera, en el cilindro nmero 1 se estar pro-duciendo el tiempo de compresin mientras en el cilindro nmero 3 se pasar al tiempo de admisin; en el 4 se pasar al escape, y en el 2 se estar en el tiempo de combustin, etctera.

. El comportamiento de cada uno de los cilindros con respecto a los dems queda representado a continuacin en el cuadro que sigue, teniendo en cuenta el orden de combustin de 1-3-4-2 que hemos dicho. Cuando el cilindro n-mero 1 se halla en cualquiera de sus tiempos se ve la situacin en que estn todos los dems cilindros de este motor.

Cilindro 1

Admisin Compresin Combustin

Escape

Cihndro 2

Compresin Combustin

Escape Admisin

Cilindro 3

Escape Admisin

Compresin Combustin

Cilindro 4

Combustin Escape

Admisin Escape

El motor de cuatro cilindros resulta pues, bien equilibrado, porque, como puede observarse, a cada media vuelta del cigeal siempre hay un ci-lindro que se encuentra en el tiempo de combustin, lo que quiere decir que siempre se dispone de una carrera motriz o tiempo de trabajo mientras los otros cilindros van preparndose para la llegada de este tiempo primordial en virtud.de la inercia que el motor ha adquirido por medio del cigeal y el volante de inercia que lleva a su extremo.

A lo largo de nuestra exposicin muchas veces vamos a hablar del motor considerando un solo cihndro, pero, aunque no se indique expresamente, se deber tener en cuenta que nos referinios a la forma de actuar un solo cilindro como representativo de todos los dems en los cuales el proceso de funciona-miento descrito se efecta de la misma forma.

Algunos principios elementales

Hace poco decamos que la Msica puede ser sentida por cualquiera, pero slo comprendida por aquellos que han llegado a penetrar en la estructura de la composicin, es dedr, en la armona, el ritmo, las formas musicales, etc-tera. Del mismo modo, tambin se puede ser un excelente mecnico si sola-mente se sabe de los motores las piezas de que estn compuestos y las cone-

INTRODUCCION TCNICA AL MOTOR DIESEL 21

xiones de estas piezas entre s; su fundn en el conjunto, la manera como estn sujetas unas a otras y las medidas y sus tolerandas que deben ser respe-tadas en ellas. Sin embargo, un buen mecnico que solamente sepa esto estar lejos de comprender al motor, porque para comprenderlo tendr que tener claras ciertas ideas sobre la estructura y los condicionantes que le imponen el mundo fsico que lo rodean, es dedr, de los combustibles, la forma de poder sacar energa de donde la haya, los problemas que presenta esta liberacin de energa de un combustible, las leyes fsicas a que estn sometidos todos los cuerpos y que condicionan el aprovechamiento de la energa liberada, etctera.

Previamente a ninguna otra cosa consideramos necesario hacer un estu-dio, lo ms sendllo posible, de ciertos aspectos de la Termodinmica que es la parte de la Fsica que estudia las relaciones que existen entre el calor y el movimiento, es decir, entre la energa calorfica y la energa dntica, condi-ciones fundamentales dentro de las que se mueven nuestros motores de explo-sin y tambin los Diesel. Si alguien se cree tan preparado que estos conceptos no van a dedrle nada nuevo puede pasar directamente al captulo que sigue, en el que ya entramos de una manera prctica en el estudio de los motores Diesel que nos interesan; pero si alguien tiene alguna duda o, por lo menos, alguna curiosidad, le aconsejamos que lea lo que sigue, pues es muy probable que despus no se arrepienta y le sirva para hacerse cargo, con mayor segu-ridad, de lo que es un motor de combustin interna.

Vayamos pues, a ello y comencemos primero por ver a qu se designa con el nombre de energa.

La energa

Por supuesto que antes de inventarse cualquier tipo de motor el hombrt; tuvo que observar primero que dentro de algn elemento haba una fuerza capaz de produdr unos efectos. As, cuando el hombre observ los efectos del viento se le ocurri ponerle un trapo a una embarcadn o unas aspas a un molino de viento, pero no fue al revs, desde luego. Del mismo modo, cuando el hombre observ que el carbn poda encenderse y que mientras quemaba estaba produdendo una energa capaz de elevar la temperatura del agua se las ingeni para crear la mquina de vapor. Ms tarde cre los moto-res de combustin interna, al darse cuenta de las condidones que reum'a el gas produddo por el carbn u otros combustibles.

Pero, qu es la energa, y cmo pudo darse cuenta el hombre de la pre-sencia de la energa en los cuerpos?

La Fsica define la energa como la habilidad latente o aparente para producit un cambio en as condiciones existentes. La energa implica, pues, una capaddad para la acdn. /

Hay elementos que poseen una energa potendal provocada por fuerzas de origen mucho mayor, por ejemplo, un cuerpo colocado en una determi-nada altura por la accin de la fuerza de la gravedad puede ser una fuente de energa cuando se le obliga a caer. Cuando se ponga en acdn poseer energa


1 kg de gasolina

Figura 5. La energa que contiene un li-tro de gasolina permite calentar 105 li-tros de agua desde O C hasta 100 C.

cintica dado el hecho de que modificar su velocidad; pero esta energa aca-bar cuando esta masa haya llegado al fondo o final del desnivel.

Tambin hay otro tipo de energa, llamada energa interna, de la que se ven provistos ciertos cuerpos de una manera muy abundante (aunque, en rea-lidad todos los cuerpos disponen de energa interna en sus formas qumica y molecular y atmica; pero a los cuerpos especiales, a los que nosotros nos referimos en este momento con principal atencin, es a los combustibles y en particular a las gasolinas y los gasleos). Estos cuerpos pueden liberar su energa interna por medio de calor. Veamos, por ejemplo, el caso de la gaso-lina. Por medio de ella podemos hacer el siguiente experimento que, por otra parte, ha de ser de muchos conocido y que podemos llevar a cabo utilizando un infiernillo (un hornillo casero). Colocando en su depsito gasolina podre-mos prender fuego a una mecha, con todo lo cual se ocasionar un despren-dimiento de caloj:. Si encima colocamos un recipiente con agua, sta se ir calentando. Con esta sencilla prueba ya tenemos la evidencia de que la gaso-lina contiene en su interior una importante energa interna que se demuestra en forma de energa calorfica.

Para medir hasta qu punto es importante el valor de esta energa pode-mos acudir al montaje que muestra la figura 5. Suponiendo que no fuera po-sible que existieran prdidas de calor en este montaje (cosa que aqu es evi-dente que s ocurre) podramos comprobar que con un kilogramo de gasolina podramos conseguir elevar u volumen de 105 litros de agua desde la tempe-ratura de O grados centgrados hasta 100 C; es decir, hacer pasar este volumen de agua desde un punto rayano a la congelacin hasta el estado de ebullicin.


Por lo tanto, este producto tiene una importante energa interna ya que es capaz de inflamarse y de conseguir grandes cantidades de calor.

De hecho, el hombre se dio cuenta muy temprano, en los das oscuros de su prehistoria, de que la gran mayora de los cuerpos que haban tenido una vida previa (rboles, plantas, etc.) estaban dotados de una energa calor-fica ms o menos importante de modo que desde tiempos muy remotos en-contr ei sistema de poder aprovechar estas caractersticas. Su primer gran descubrimiento fue, por supuesto, el fuego, mediante el cual consegua con-vertir la energa interna de la madera en energa calorfica que adems le pro-porcionaba luz. As era como calentaba lo que se coma, se calentaba en el invierno y se iluminaba plidamente durante la noche, pero sobre todo, calen-taba el estao y el cobre, luego el hierro, etc. que fueron las bases del progreso de todos aquellos antiguos pueblos.

Cuando el hombre empez a pensar cientficamente, a preguntarse y tra-tar de explicarse sobre el principio de las cosas y de los fenmenos, y ms tarde, cuando empez a experimentar midiendo resultados con el mayor rigor posible, se dio cuenta de la relacin que exista entre el calor y la energa, y vio la posibilidad de utilizar el calor para producir fuerza por medio de mqui-nas muy elementales; pero el problema estaba en dar el siguiente paso, es de-cir, lograr convertir la energa calorfica de los combustibles en energa mec-nica. Este fue el gran reto que solamento tuvo su principio de solucin prc-tica en ei siglo xviii cuando se consigui hacer funcionar, con cierto rendi-miento, la primera mquina de vapor. Se trataba de un motor de combustin extema en el que el combustible actuaba aumentando la temperatura del agua, no solamente hasta evaporarla, sino hasta ir aumentando la presin del vapor dentro de una caldera hasta conseguir elevados valores. Por medio de vlvulas se diriga la presin de este vapor hasta la mquina en donde un elernento distribuidor del vapor lo diriga sobre un mbolo mvil que reciba la presin ya por una cara, ya por otra, originndose as el movimiento mecijico. El posterior aprovechamiento de ste ya no era gran problema en su tiempo ya. que tanto los engranajes como las bielas las utilizaba el hombre desde antiguo en mquinas movidas por traccin animal.

Pero la mquina de vapor, que fue la inicial herramienta que dio lugar a la revolucin industrial del siglo siguiente, tena grandes inconvenientes de cara a un transporte ligero que pudiera llegar a sustituir a las muas y los caballos para el arrastre de vehculos. En primer lugar necesitaba largo tiempo para calentar y evaporar el agua; luego necesitaba tambin ir acompaado de importantes provisiones de carbn que resultaban voluminosas y sudas, y, adems, restiltaba todo un conjunto muy pesado. Con todo, y dejando aparte las primeras locomotoras de ferrocarril, se construyeron muchos vehculos de vapor en los primeros tiempos del automvil, los llamados locomviles, que dieron un pobre resultado, como era de esperar.

El gran adelanto dentro del transporte terrestre, sin vas, tendra que ve-nir de un invento que fiera capaz de sacarle a un lquido, fcilmente transpor-table y de poco peso, toda o buena parte de la energa que ya se conoca exista en l, y este lquido era el petrleo y sus derivados.


Antes de llegar aqu el hombre haba experimentado con otro tipo de combustible que era mucho ms limpio y ventajoso que el carbn. Este com-bustible era el gas. Este producto se consegua de la combustin incompleta de muchos productos poseedores de energa calrica, entre ellos, el mismo carbn, y se poda utilizar para el alumbrado cuando an no se utilizaba la electricidad para este fin, y tambin para otras muchas aplicaciones. Estu-diando cmo se podra utilizar el gas apUcado a otro tipo de mquinas nacie-ron los motores entre los cuales destac los que utilizaban el principio o sis-tema de Otto, as llamados por haber sido el alemn Nicols Augusto Otto quien hizo construir por primera vez un motor de combustin interna dotado de compresin, utilizando el gas como combustible, y cuya concepcin tc-nica se apartaba considerablemente de los procedimientos utilizados en la m-quina de vapor. Los motores que fabric Otto hacia 1870 eran motores que funcionaban por el ciclo de cuatro tiempos, es decir, tal como se ha descrito al principio de este captulo.

Como que los primeros motores Otto eran estacionarios, es decir, fijos y por lo tanto no autotransportbles, su tamao y peso no constituan para los ingenieros que los proyectaban un objetivo primordial. Sin embargo, s era cierto que los motores de gas tenan grandes ventajas sobre las mquinas de vapor pues eran ms limpios y ms potentes a igualdad de tamao. Por ello cuando se trataba de proyectar un motor para un vehculo automvil, es decir, autopropulsado, los ingenieros vieron en el motor de tipo Otto mucho ms porvenir que en la mquina de vapor si se poda solucionar el problema del combustible. Un verdadero avance se consigui cuando los ingenieros empezaron a poner su atencin en los combustibles lquidos de alto ndice de volatilidad, y entre ellos en el alcohol y el petrleo. El invento y apUcacin del primer rudimentario carburador fue la solucin a este problema ya que por medio de l se consegua, de alguna manera, convertir el combustible lquido en gas. Ello se consegua por un sencillo procedimiento: Una corriente de aire pasaba por la parte superior de un recipiente desde donde recoga los vapores de gasoHna que se producan por el sistema siguiente: en el fondo del recipiente haba un cepillo de crin sobre el que iba cayendo, gota a gota y regulada por medio de una llave, la gasolina. Al mismo tiempo tambin tem'a entrada en el recipiente el agua caliente de la refrigeracin. La elevada tempe-ratura del agua provocaba la evaporacin de la gasolina que, adems, por ser de diferente densidad, la gasolina sobrenadaba por encima del agua- y dejaba sus impurezas ms pesadas en el fondo del recipiente. Los vapores ascendan hada la parte alta que era donde pasaba la corriente de aire que atenda al tiempo de admisin del motor. As pues, por este o por procedimientos ms o menos semejantes, se consegm'a gasificar el combustible y poder aplicar los motores de gas a las necesidades que un motor autotransportable poda reque-rir.

Pero estos procedimientos no solamente podan llevarse a cabo con com-bustibles tan elaborados como la gasolina. Tambin los aceites pesados del petrleo, entre los que podemos encontrar el antecesor de nuestro gasleo, podan aplicarse a los motores de este tipo por medio de ingeniosos carbura-


Figura 6. Motor RAGOT que funcionaba con aceites pesados del petrleo, abricado hacia 1880.

dores. En la figura 6 tenemos, como curiosidad, un motor de este tipo, fabri-cado por la marca francesa RAGOT hacia 1880, el cual funcionaba por el ciclo Otto (cuatro tiempos y uno de ellos de compresin) y cuyo carburador gasi-ficaba el aceite pesado del modo que brevemente vamos a explicar. Este car-burador (Fig. 7) se compone de un tubo vertical de fundicin, liso interior-mente, y provisto extetiormente de aletas helicoidales. Se halla calentado por una fuerte lmpara de petrleo en la parte baja del tubo vertical, tal como

.puede apreciarse en la figura 6, parte de la izquierda en la zona superior. El aceite pesado penetra por un embudo desde la parte alta cuando se abre la

lllave de combustible. A continuacin baja siguiendo la direccin de las espi-ras, cuyo desarrollo es bastante considerable, y que estn cada vez ms calien-tes a medida que se acercan a la lmpara. Las partes Ugeras del combustible son vaporizadas en primer lugar y solamente las partes pesadas llegan hasta el fondo del tubo en donde la temperatura es suficientemente elevada como para gasificar tambin los residuos. El aire que se trata de mezclar con los vapores corre en sentido inverso del aceite; se cahenta primero en un man-guito exterior al tubo, el cual envuelve la hlice de hierro fundido, y encuentra despus el vapor el aceite a lo largo de sta. De este modo arrastra los vapores hacia el interior de la cmara de combustin y all se produce el tiempo mo-triz.

Despus de todo lo dicho queda bastante claro que el motor es una m-quina que tiene por objetivo poder acceder a sacarle al combustible la mayor


Figura 7. Esquema del carburador del motor RAGOT de la figura anterior.

cantidad de energa posible y, para hacerla aprovechable, convierte esta ener-ga calorfica del combustible en energa cintica, o lo que es igual, en movi-miento. Se trata pues, de conseguir algo tan asombroso como hacer que un tranquilo lquido, que podemos guardar y transportar en poco sitio y en un senclo lecipient, pueda, sometido a los procesos que esta mquina va a pro-porcionarle, liberar toda la energa que contiene. Desde este punto hemos de considerar al motor de combustin interna.

La energa y el calor

El calor es una de las formas de la energa; pero como que es precisa-mente a travs del calor como se consigue, en nuestros modernos motores de gasolina y Diesel, sacarle la energa interna al combustible, es evidente que vamos a tener que ocuparnos con todo cuidado de la relacin que existe entre el calor y la energa mecnica y es por ello que tendremos que acudir a revisar los postulados de la Termodinmica. En efecto: La primera Ley de la Termo-dinmica es aquella que relaciona el calor en este sentido. La primera observa-cin qu se llev a cabo por los cientficos del siglo xvm es el hecho curioso de que cyando se efecta algn trabajo mecnico aparece calor; por ejemplo, y entre otros muchsimos que se podran poner, cuando se procede a taladrar se observa claramente que la broca se calienta. Pero de lo que s trataba era


Figura 8. Aparato ideado por el cient-fico ingls Joule para comprobar el equivalente mecnico del calor. A, rotor de paletas. C, carrete de accionamiento del rotor. E, masa de un peso determi-nado, ti, altura a que puede descender el peso. R, recipiente. T, termmetro de precisin.

de ver hasta qu punto el calor que apareca en estos procesos guardaba rela-cin con las condiciones en que se administraba la energa mecnica que se le proporcionaba. Estudiando este fenmeno se lleg a la conclusin de que siempre que se convierte trabajo mecnico en calor, o se obtiene trabajo me-cnico a expensas del calor, existe una relacin constante entre el trabajo dado y el calor producido. A la cantidad de trabajo que al convertirse en calor pro-porciona una unidad de cantidad de calor, es a lo que se llama equivalente me-cnico del calor.

La primera Ley de la Termodinmica a la que hacamos mencin se la enuncia de la siguiente manera:

Siempre que se convierte energa mecnica en calor (o calor en energa mecnica) es constante la razn de la energa mecnica al calor.

A la formulacin de esta Ley se pudo llegar gracias a los trabajos del cientfico ingls Jacobo Joule quien, entre los aos 1843 y 1878 trabaj para encontrar el equivalente mecnico del calor por medio de una serie de expe-rimentos por medio de los cuales lleg a demostrar que este equivalente me-cnico del calor era siempre el mismo aunque fueran diferentes los sistemas utilizados para convertir la energa mecnica en calor. Estos experimentos los realiz con una mquina de su invencin, cuyo esquema simplificado se puede ver en la figura 8, y por medio de la cual se puede medir el calor desarrollado


cuando se emplea trabajo para agitar agua. Como puede deducirse por la fi-gura, esta mquina consta de un recipiente (R), originariamente lleno de agua, en el hay dispuesto un rotor (A) provisto de paletas y sumergido en el lquido. Por otra parte, por medio de un carrete (C) sujeto al eje y atado a una cuerda, se encuentra un cuerpo de una masa determinada que podr deslizarse, al sol-tarlo, en una carrera desde una altura (h), haciendo con ello girar el carrete y con l las paletas de agitador.

El trabajo proporcionado ser el producto del peso (E) por la altura (h) y el calor provocado se ver por el aumento de temperatura del agua, medido por medio de un termmetro de precisin (T).

Por supuesto, para que este aparato funcionara bien. Joule realiz una serie de correcciones para evitar la inercia de las paletas al cesar la cada de la masa, as como tambin que la cada de la masa no estuviera frenada de golpe por el choque. Tambin hizo la prueba con diferentes tipos de masa y diferen-tes tipos de lquido, sustituyendo el agua por el mercurio, etctera. Pero en todos los casos pudo demostrar que la cantidad de calor era proporcional al trabajo realizado. Con ello pudo calcular el equivaleiiteniecnico del calor que dej establecido en 1 Kcal = 426,40 kilogrmetros.

Pongamos un ejemplo que a los mecnicos podr sernos muy alecciona-dor de cara al rendimiento de nuestros motores. Se sabe que la gasolina con-tiene una energa calorfica que tiene un valor de 10.500 a 11.000 Kilocloras por cada kg. de peso. Pues bien: si pudiramos transformar toda esta energa calorfica en energa mecnica (cosa que, sin embargo, es imposible en la prc-tica) podramos obtener una potencia en nuestros motores igual a lo que los siguientes clculos muestran.

Si un kg de gasolina dispone de 11.000 Kcal. quiere decir que dispone de: 11.000 X 426,40 = 4.690.400 kgm.

Ahora bien: la unidad con la que se mide la potencia de un motor es el CV que equivale a 75 kgm/seg. Por lo que, en una hora, cada CV equivaldr a

75 X 60 X 60 = 270.000 kgm.

(Multiplicamos 60 x 60 para hacer la conversin a horas de los sesenta segun-dos que tiene el minuto y los 60 minutos que tiene la hora).

En su consecuencia, un kg. de gasolina podra dar una potencia de 4.690.400 , 270.000 17,37 CV/h

Para damos una idea de lo que significa este valor podramos dedr que un motor perfecto, que aprovechara toda la energa de la gasolina, podra con 3,50 kg. de este combustible (lo que traducido a htros podra ser del orden de los 5 Utros, ya que la densidad de la gasolina viene a ser de unos 700 gra-mos por litro) obtener durante una hora una potencia continuada de 17,37 x 3,50 = 60,79 CV, valor quiz suficiente para arrastrar una tonelada de peso


de un automvil a velocidades muy parecidas a los 150 kms/h, con un con-sumo deducido de ello de 3,33 Htros a los cien kilmetros. Como veremos ms adelante, la diferencia entre esto y la realidad es el mal rendimiento de nuestros motores.

Volvamos de nuevo al tema del calor y la energa que cada vez se pone ms interesante. La experiencia nos demuestra que resulta mucho ms fcil obtener calor a partir de una energa que no hacerlo al revs, es decir, obtener energa mecnica a partir de la energa calorfica, tal como consiguen, sin em-bargo, nuestros motores. De hecho, con el solo acto de frotamos las manos ya estamos obteniendo esta energa calorfica a partir de la mecnica; pero al revs, como decimos, ya estamos en un problema mucho ms difcil de resol-ver. Los fsicos que en el siglo pasado estudiaron este problema llegaron a sacar conclusiones si bien muy acertadas tambin hasta cierto punto descora-zonadoras. Entre estas conclusiones cabe destacar las que formul el fsico francs N.L.S. Camot quien estableci una de las leyes findamentales de la Termodinmica cuando dijo:

Es imposible obtener trabajo mecnico con un solo manantial de calor, siendo necesarios dos por lo menos y a temperaturas diferentes. Es decir, para sacarle trabajo a un manantial de calor es necesario que

exista un desnivel trmico, o dicho de otra manera, que al foco caliente se le oponga un foco fro. Y esto se est cumpUendo, por supuesto, en nuestros motores, en donde el tiempo de combustin, de alta temperatura, se opone al tiempo de escape que es el foco fro.

Del desarrollo de este postulado de Camot por medio de estudios lleva-dos a cabo ms tarde se vio que precisamente el rendimiento de las mquinas estudiadas para extraer energa mecnica de la calorfica dependa de la dife-rencia entre el calor suministrado y el cedido a su parte de manantial bajo, o foco fro, ya que resultaba indispensable durante el dclo de fimcionamiento que existiera una cesin perdida de calor entre el foco caente y el foco fro. Esta es una importante razn por la que el tipo de mquina que conocemos con el nombre de motor de combustin interna, ya sea en su versin de ex-plosin o en la versin Diesel, ntmca podr disponer de los 17,37 CV/h por cada kg de combustible, tal como hace poco vimos que tericamente podra obtener. Siempre deber ceder calor que no se traducir en trabajo lo que ser objeto, junto con otras causas, del bajo rendimiento de estos motores moder-nos que nos parecen a primera vista tan perfectos.

Todo esto nos conduce a la segunda Ley de la Termodinmica, la cual fue enunciada por el fsico Max Plank y que dice textualmente:

Es imposible construir una mquina que trabaje en un ciclo completo y no pro-duzca otro efecto excepto el de elevar un peso y enfriar un depsito de calor. Dicho en otras palabras: Cualquier sistema que opere en un ciclo que

reciba calor mientras realiza trabajo se ver obligado a tener un proceso de


rechazo de calor como parte del ciclo. Por lo tanto resulta un sueo inalcan-zable pensar en la posibilidad de que algn da se logre una mquina o motor tan perfectos que puedan aprovechar completamente toda la energa calorfica que pueda contener un combustible.

De hecho, al profindizar en las pginas siguientes sobre el tema, ya ve-remos hasta qu punto, con una perfeccin ideal de los motores que ahora tenemos, se podr conseguir un rendimiento mximo, es decir, un aprovecha-mietito, lo ms completo posible, de la energa calorfica que contienen los combustibles. Pero ahora, vayamos primero por otro camino.

La termodinmica y sus ciclos

Por lo que hemos visto hasta ahora nuestros motores son, en el fondo, motores que se alimentan de gas. El combustible lquido que llevamos en los depsitos de los vehculos resulta finamente pulverizado por el inyector (nos referimos ahora al caso del motor Diesel) de forma que entra en la cmara de combustin a una muy alta presin, pero muy fraccionado, de modo que se conduce como si fuera un gas. Tambin en el motor de explosin la gaso-lina se pulveriza en el carburador y entra mezclada con el aire, formando una niebla que puede perfectamente interpretarse como un gas. Estos motores son, pues, en lo fundamental, como los motores de gas a que hemos hecho referencia y que se inventaron y utilizaron en la segunda mitad del pasado siglo.

Cuando, al principio de este captulo, describimos el ciclo de cuatro tiem-pos, ya tuvimos ocasin de darnos cuenta cmo son tratados los gases en el interior de la cmara de combustin. El aire, en el caso Diesel, es admitido a temperatura ambiente y presin atmosfrica; luego es cpmprimido (reduc-cin de volumen) y con ello aumenta su presin y su temperatura. Por otra parte, en el momento de la inyeccin del gasleo aumentan las presiones y la temperatura hasta alcanzar elevados valores que luego se rebajan extraordi-nariamente en el momento del escape, al ponerse la cmara de combustin en contacto con el exterior. A poco que meditemos nos daremos cuenta de que hay un foco altamente caliente cuando se produce la combustin que con-trasta con el foco fro del escape, tal como requieren las leyes de la Termodi-nmica y el principio enunciado por Camot. Y tambin vemos que para ello el gas est permanentemente sometido a constantes variaciones de presiones y de volmenes de los que se deducen variaciones en las temiperaturas.

Para estudiar ms cmodamente estas variaciones y la forma cmo se producen se acude a representarlas en un plano semejante al que vemos dibu-jado en la figura 9. Aqu, cualquier tipo de variacin en el volumen del gas la podemos representar por la lnea horizontal en el sentido de que el volumen es tanto ms grande cuanto ms a la derecha se encuentre el punto que lo representa. En iguales condiciones tambin podremos representar las presio-nes a que el gas se encuentra sometido, pero esta vez por medio de la lnea vertical, tal como se indica en el dibujo. Por supuesto, aqu la presin es tanto


Figura 9. Forma de representar el volumen y la presin que se producen en el interior de un cilindro por medio de un diagrama de Clapeyron.

Figura 10. Representacin de una transfor-macin isoterma sobre un diagrama de Clapeyron.

ms elevada cuanto ms hacia arriba se encuentre el punto que tratemos de representar.

Este tipo de representacin se llama diagrama y se suele llamar de Clape-yron por ser este ingeniero francs quien lo lleg a crear. Pero pueden existir tambin otros tipos de representaciones en los que se tengan en cuenta las temperaturas en la lnea vertical y la cantidad de energa calorfica dividida por la temperatura absoluta en la parte de la lnea horizontal. Nosotros vamos a referimos al diagrama de Clapeyron para ver qu es lo que ocurre en el interior de un motor con la corriente de gases que atraviesan sus cmaras de combus-tin.

Diferentes transformaciones termodinmicas

Antes de pasar adelante es preciso hacer algunas definiciones para poder entendernos en lo sucesivo.. En realidad, vamos a ponerle nombre a cada uno de los estados que determinan una transformacin en los gases. Estas transfor-maciones pueden ser:

1. Transformacin isoterma o a temperatura constante

La palabra isoterma est formada por unas races griegas en donde la par-tcula isos significa igual, y termo o terma, caliente. As todas las palabras que comienzan con la partciJa inseparable iso dan a entender igualdad. Esto es importante para que recordemos lo que quiere decirse al emplear la palabra isotermo, y otras que veremos ms adelante.


En la figura 10 tenemos representado sobre un diagrama de Clapeyron una transformacin isoterma en la que el gas conserva una temperatura cons-tante. Como puede verse, disminuye su volumen y aumenta su presin. El primero pasa de V, hasta V, y la segunda de P, a Pi. La temperatura se supone aqu la misma en el estado 1 que en el 2.

Esta transformacin responde a la llamada ley de Mariotte en la que se establece;

Presin x Volumen = Constante

2. Transformacin isocora o a volumen constante

Durante este proceso la transformacin de gases se produce sin que haya una variacin en el volumen, tal como se indica sobre el diagrama de la figura 11. De forma prctica esta situacin se produce si la transformacin del gas se efecta estando el mbolo inmvil como podra ocurrir si la combustin se efectuara instantneamente cuando el mbolo permanece parado en el PMS en la fraccin de segundo en que invierte el giro de su carrera. El hecho de que su volumen permanezca constante no quiere decir que no puedan haber importantes variaciones de presin debidas a los efectos que pueden derivarse de un aumento de la temperatura. En efecto: la transformacin isocora viene determinada por la relacin proporcional que existe entre la presin y la tem-peratura, del modo siguiente:

Presin 1 Presin 2

Temperatura 1 Temperatura 2

El valor de la temperatura se refiere siempre a la escala de Kelvin que es la que corresponde a la llamada temperatura absoluta. Como es sabido el cero absoluto, aquel por debajo del cual ya no puede existir una temperawra ms fra, se encuentra a 273 grados bajo cero de nuestra escala centgrada, de modo que una temperatura de 20 C de esta escala correspondern, en grados Kelvin, a la suma de 273 ms 20, es decir a 293 Kelvin ya que lo que vara en esta escala es el punto de partida con respecto a la centgrada que habitual-mente utilizamos.

3. TransfoTmacin isbara o a presin constante

Este es el caso contrario al anterior, en el que vemos (figura 12) que el valor de la presin permanece estable, pero no as el volumen, que sufre desde el punto V, al punto Vj una reduccin.

En el caso de la transformacin isbara, cuando el volumen aumenta se necesitar un aporte de calor para mantener el valor de la presin sin variacio-


t

-

2

1

1 2

Rgura 11, Representacin de una transfor-macin isocora sobre un diagranna de Cla-peyron. El volumen V es constante, pero la presin pasa de P, a P2.

Figura 12. Representacin de una transfor-macin isbara sobre un diagrama de Cla-peyron.

nes, es decir, constante. Este es el caso de la combustin a presin constante dentro de un motor. Por el contrario, si el volumen disminuye y se precisa mantener la presin con un valor constante se necesitar una refrigeracin del gas.

La temperatura absoluta de un gas sometido a transformacin isobrica vara segn la siguiente ley:

Temperatura final = Temperatura inicial x Volumen fmal Volumen inicial

4. Transformacin adiabtica o sin cambio de calor al exterior

En las transformaciones que hemos visto hasta ahora los gases han su-frido variaciones que determinaban prdidas o ganancias de calor. En el caso de las transformaciones adiabticas esto no ocurre as, de modo que no existe cambio de calor con el exterior. En la figura 13 tenemos este caso represen-tado en un diagrama de Clapeyron. Tericamente son adiabticos los tiempos de compresin y expansin durante el funcionamiento de imo de nuestros motores, pero en la prctica, tal como veremos, debido a la presencia de la refrigeracin, estos tiempos no cumplen con el cometido tcico estricto que corresponde a una transformacin adiabtica.

En esta transformacin la relacin entre presin y volumen est regida por una ley que establece:

P X V^ = Constante


Figura 13. Representacin de una transformacin adiabtica.

En esta frmula P es, por supuesto, la presin; V, el volumen, en este caso con el exponente 7 que en el caso del aire adquiere un valor de 1,40 y en el caso de lo que se denomina mezcla carburante (el gas salido del carburador) puede considerarse sobre 1,41.

La temperatura absoluta vara en la siguiente relacin:

Temperatura 2 Temperatura 1 ( Volumen 1 [ Volumen 2 / --i

La transformacn adiabtica tambin se conoce con el nombre de trans-formacin isoentrpica, y as es nombrada en algunos tratados de Termodin-mica.

5. Transformacin politrpica

La transformacin politrpica es una variante de la adiabtica que acaba-mos de definir ya que se produce de la misma manera aunque el gas puede ceder o recibir calor durante el movimiento del mbolo. Tal es el caso del tiempo de compresin en la prctica, el cual constituye una autntica transfor-macin politrpica.

La frmula que determina esta transformacin es la misma que hemos explicado en la transformacin adiabtica o isoentrpica con la nica variante de que el exponente 7 cambia de valor.

Los ciclos teimodintnicos

A la sucesin peridica de diferentes estados de presin, volumen y tem-peratura a la que es sometido un gas dentro de una mquina o de un motor

INTRODUCCIN TEClMiCA AL MOTOR DIESEL 35

de modo que sufra determinadas transformaciones es a lo que se le llama ciclo termodinmica Todos los motores trmicos trabajan con ciclos de este tipo, tanto la mquina de vapor, como los motores de explosin o el Diesel y las turbinas de gas.

El ciclo puede representarse con toda propiedad sobre un diagrama de Clapeyron y nos indica en todo momento no solo la presin y el volumen de los gases en cada una de las partes deJ ciclo, sino tambin el rendimiento del mismo que queda claro por la superficie ocupada por las lneas que indican las transformaciones de los gases. Por ejemplo, veamos la figura 14, que nos muestra como una pelcula de la forma como se relaciona uno de estos diagra-mas con el ciclo de cuatro tiempos de un motor Diesel. En A tenemos el momento de la admisin de aire al estar abierta la vlvula de admisin (Va). La lnea 1-2 aumenta ei volumen pero no la presin ya que trabaja a la presin atmosfrica. En B nos hallamos frente al momento de la compresin que constituye el segundo tiempo de este ciclo. El mbolo sube y al mismo tiem-po, tal como indica la Knea 2-3 disminuye el volumen y aumenta la presin hasta valores considerables. Al llegar el mbolo al PMS, tal como vemos en Cl y C2 de esta figura, se produce la entrada de combustible con lo que, durante un perodo de tiempo, crece el volumen sin descender la presin (es el punto 3-4). El mbolo es impelido a descender con lo que el volumen sigue aumentando y la presin decrece hasta el punto 5. Posteriormente, la abettiu-a de la vlvula de escape, tal como puede verse en D, hace que el volumen decrezca sin presin para la expulsin del gas quemado.

La repeticin constante de este mismo proceso explica porqu se Je deno-mina con la palabra ciclo.

Ahora bien, los ciclos pueden ser de varias maneras, lo que determina, por otra parte, los diferentes tipos de motores que se encuentran en el merca-do. El ciclo termodinmico bsico es el que ide ei propio Camot que est constituido, simplificando su descripcin por las siguientes fases (vase tam-bin la figura 15);

1*. Expansin isotrmica, durante la cual absorbe calor y entrega trabajo. 2'. Expansin adiabtica, durante la cual se realiza trabajo sin intercambio de calor. 3'. Compresin isotrmica, en la que el cuerpo recibe trabajo procedente de las fuerzas extemas, entregando calor; y 4'. Compresin adiabtica, en la cual el cuerpo recibe trabajo sin intercambio de calor.

La representacin grfica del ciclo de Camot se puede ver en la figura 15. Como puede deducirse de la breve explicacin se trata de un ciclo que trabaja con dos lneas isotermas y dos adiabticas y adems se trata de im ciclo reversible, es decir, puede ser recorrido en sentido inverso.

Diferentes tipos de ciclos

Con las transformaciones isotermas, isocoras, isbaras y adiabticas se pueden idear varios tipos de ciclos termodinmicos y de ellos se pueden hacer


X

3

h

B

1^

PMS " PMI ADMISIN DE AIRE

PMS PMI COMPRESIN

1 1

3j * l \ 1 \ 1 \ 1 N, 1 1 (

1! '

C1

^ ' ^ ^ ' N . . , ^ , ^ !

1

^ 1

PMS p. PMI COMBUSTIN

Figura 14. Diferentes fases del ciclo termodinmico de un motor Diesel representadas sobre un diagrama de Clapeyron.


Rgura 15. Ciclo de Carnot. De 1 a 2, ex-pansin isotrmica. De 2 a 3, expansin adiabtica. De 3 a 4, compresin isotrmi-ca. De 4 a 1, compresin adiabtica.

cuatro variantes que nos va a resultar preciso considerar para hacemos cargo ms a fondo de lo que son las mquinas creadas por el hombre para sacar trabajo del calor. Estos ciclos son:

Ciclo a temperatura constante. Ciclo a volumen constante. Ciclo a presin constante. Ciclo de dos tiempos.

Veamos por separado cada uno de estos ciclos para comentarlos breve-mente.

Ciclo a temperatura constante

A este tipo corresponde el ciclo de Carnot y es el que se utiliza en los motores que funcionan bajo el sistema de la mquina de vapor. En la gura 16 tenemos el diagrama que le corresponde. Tanto las lneas A-B como C-D

Figura 16. Representacin sobre un dia-grama de un ciclo a temperatura constante como el utilizado en la mquina de vapor.


Figura 17. Representacin sobre un dia-grama de un ciclo a volumen constante como es el utilizado en los motores de ex-plosin del ciclo Otto.

son adiabticas y corresponden a la compresin y a la expansin respectiva-mente; las otras dos lneas son isotermas.

A pesar de guardar gran parecido con el ciclo de Carnot tiene el incon-veniente de que la mquina de vapor no logra conseguir diferencias de tem-peratura muy sustanciales para sus focos de calor, tal como quiere el principio de Carnot que ya comentamos en su momento. Por esta razn su rendimiento es bastante bajo. En efecto: mientras en los motores de combustin interna se pueden encontrar saltos trmicos de ms de 1.000 C, en la mquina de vapor y por razones tcnicas de su estructura, estas diferencias no pueden ser superiores a los 300 o 350 grados. Pero no vamos a ocuparnos de este tipo de mquinas pues no es este nuestro objetivo.

Ciclo a volumen constante

El diagrama terico tpico de este ciclo para los motores de cuatro tiem-pos lo podemos ver en la figura 17. Corresponde al llamado ciclo Otto y es el propio de los motores de explosin que tanto se utilizan en los automviles modernos. Sus tiempos estn aqu reproducidos en cada una de las lneas como es corriente en los diagramas y desde el punto de vista termodinmico hemos de interpretarlas del siguiente modo:

La lnea E-A corresponde al tiempo de admisin. Se trata de una isbara que aumenta el volumen manteniendo la presin ligeramente inferior a la at-mosfrica.

La lnea A-B corresponde a la compresin y es una adiabtica que reduce volumen y aumenta la presin. El valor de presin obtenido una vez acabada la carrera del mbolo correspondiente a este tiempo resulta mucho ms baja que en el ciclo Diesel debido a que la relacin de compresin de estos motores est limitada por el autoencendido a que es propensa la gasolina mezclada con el aire.

La lnea B-C representa el mismo momento de la explosin o salto de la chispa elctrica entre los electrodos de la buja. Durante una fraccin de segundo el gas aumenta la presin considerablemente produciendo una isoco-ra. Acto seguido comienza la mezcla encendida a liberar su calor y a aumentar


Figura 18. Representacin sobre un dia-grama de un ciclo a presin constante como es el utilizado por los motores Diesel que ide Rodolfo Diesel.

de volumen lo que constituye la carrera descendente y motriz de este ciclo y se halla representada por la lnea C-D que es adiabtica.

La lnea D-A corresponde a la primera parte del escape que se produce por medio de una isbara. Al llegar el mbolo a su PMI el valor de la presin ha descendido de una manera importante; pero en el momento de abrirse la vlvula de escape la presin decae hasta muy cerca del valor de la presin atmosfrica. Este es el momento en que se produce la carrera ascendente del mbolo correspondiente al tiempo de escape, es decir, la lnea A-E, que es tambin una isbara. Sobre este punto hay que destacar que el escape se realiza en la prctica a una presin ligeramente superior a la atmosfrica, lo que fa-cilita la salida de los gases, mientras la admisin difcilmente logra valores que estn igualados al de una atmsfera, tal como ya se ha dicho.

El presente ciclo se llama a volumen constante porque el tiempo que lo singulariza es aquel momento en que se produce la chispa y se enciende la mezcla: la primera reaccin del gas consiste en aumentar la presin (lnea B-C de la figura 17) manteniendo el volumen constante hasta que empieza la ex-pansin. Esta lnea B-C, como ya hemos indicado en su lugar, es una lnea que indica una transformacin isocora, o lo que es igual, a volumen constante.

Ciclo a presin constante

En el motor que ide Rodolfo Diesel las cosas funcionan con ciertas di-ferencias, tal como vimos al explicar su ciclo, y tambin termodinmicamen-te; ello hace que se proporcionen otros resultados en cuanto a presiones y volmenes. En la figura 18 tenemos el diagrama terico que se produce du-rante el fincionamiento de este sistema. Recordemos que la compresin se hace con solo aire y que luego el combustible ser inyectado. Pues bien: El aire, a diferencia de la mezcla (que contiene aire y gasolina), puede ser some-tido a muy altas compresiones sin el ms mimo peligro de autoencendido, de modo que ello determina el aumento de presin que delata la lnea A-B en la figura 18. Esta es una lnea adiabtica.

En el momento en que el aire ha sido comprimido y ha alcanzado con ello la temperatura adecuada para la combustin se le aporta, por medio de


la inyeccin, el gasleo necesario y se produce el tiempo de combustin (B-C) tiempo que se realiza por medio de una transformacin isbara o de presin constante. Obsrvese que se trata de una lnea recta en la que va disminu-yendo el volumen pero no as el valor de !a presin, de ah su nombre de presin constante que se aplica a todo el conjunto de este ciclo.

La lnea C-D que sigue corresponde a la expansin del gas en el interior del cilindro, formado por una lnea adiabtica en la que desciende la presin y aumenta el volumen y que queda definida hasta el punto D. En cuanto a D-A es una lnea isocora, o de volumen constante, que determina el momento de la expulsin o escape, tiempo que se complementa con la lnea isbara A-E.

Por supuesto, la admisin se hace con otra lnea isbara que correspon-der al recorrido E-A. La permanente repeticin de este ciclo es lo que hace que el motor nos pueda proporcionar su potencia.

Ciclo de dos tiempos

El diagrama del ciclo de los motores de dos tiempos ha de ser, por su-puesto diferente, tanto en su versin de volumen constante, tal como es el ciclo Otto, como en el caso de presin constante, o ciclo Diesel, ya que con slo dos carreras del mbolo se realizan los cuatro tiempos que son la base de estos ciclos. Dado el hecho que ya comentamos de que los motores utili-zados en el automvil son de cuatro tiempos no vamos a entrar en detalles sobre la forma de producirse estos diagramas desde el punto de vista termo-dinmico.

Solamente, y como orientacin, tenemos, en la figura 19 un diagrama de un motor Diesel de dos tiempos, el cual se compone de dos lneas adiab-ticas y dos lneas isbaras.

Advertencia sobre estos cides tericos

Lo que se ha descrito hasta aqu son los ciclos tericos en que termodi-nmicamente se define el funcionamiento de los motores actuales. Pero en la prctica, y debido a una serie de factores que ya estudiaremos en su momento, para obtener el mayor rendimiento posible del diagrama se efectan algunos cambios que a la larga dan mejor resultado en cuanto a la potencia proporcio-nada. A este respecto resulta singularmente importante la variacin que ter-modinmicamente se hace del ciclo de presin constante o ciclo Diesel, hasta tal punto de que algunos tratadistas han llegado a designarlo con el nombre de ciclo mixto terico Diesel, ya que, en efecto, participa, en una parte del de-sarrollo del diagrama, de un momento en que acta con una lnea isocora, o de volumen constante, al igual que lo hace el motor de explosin. Puede de-cirse que todos los motores modernos Diesel, y en especial los motores rpi-dos y ligeros que propulsan a los automviles, debemos analizarlos en su fun-


Figura 19. Representacin sobre un dia-grama de un ciclo a presin constante para los motores Diesel de dos tiempos.

Rgura 20. Forma de producirse el ciclo mixto Diesel que es el propio de nuestros actuales motores Diesel.

cionamiento terico a travs de este ciclo mixto Diesel en preferencia al ciclo de presin constante que es, sin embargo, el que lgicamente les conviene. Veamos la forma de comportarse en este ciclo terico la transformacin de los gases dentro del diagrama de Clapeyron.

En la figura 20 se puede ver un diagrama de tipo mixto cuya interpreta-cin es como sigue: Una vez producido el tiempo de admisin, el aire es so-metido a la compresin habitual en la parte de las lneas de A a B. A partir de este punto B, se inicia ya la inyeccin de combustible, de modo que en la zona B-C se produce ima fase isocora, es decir, aumenta la presin a volu-men constante, tal como es tpico en el diagrama de los motores de explosin.

Durante la fase C-D la combustin se sigue produciendo, aunque esta vez, como se advierte, a presin constante (isbara) y es el tiempo motriz o el productor de trabajo, situacin que se prolonga tambin en la lnea D-E hasta que el mbolo llega a su PMI.

Por ltimo queda la fase de escape (E-A-F) que se produce del mismo modo que ya se ha descrito.

Rendimiento tertnodinmico

El rendimiento termodinmico puede defirse como la relacin que existe entre el trabajo producido por el ciclo y la energa consumida procedente del combusti-ble. La gran ventaja de los diagramas de Clapeyron a este respecto, es que la superficie que queda encerrada entre las lneas representativas (la superficie rayada, por ejemplo, en la figura 20) es proporcional al rendimiento que el ciclo experimenta, de modo que comparando la superficie que encierra cada


uno de estos diagramas tenemos una idea de cul de ellos obtiene un rendi-miento mayor.

Por otra parte, no ha de resultarnos difcil conocer la cantidad de energa liberada por la combustin si conocemos la masa de combustible utilizada en ella y sabemos que el poder calorfico del gasleo es, aproximadamente, de unas 10.300 kcal/kg.

El rendimiento termodinmico en los ciclos de volumen constante, tal como es el ciclo Ot to de los motores de explosin, obtienen unos valores mximos que se acercaron al 50%, pero su rendimiento termodinmico est muy condicionado por la relacin volumtrica o relacin de compresin, que en estos motores, y dado el hecho de que mezclan el aire con la gasolina, presentan muchos problemas de autoencendido cuando la compresin alcanza determinados lmites. Esta caracterstica condiciona su rendimiento que sera tericamente mayor si se pudieran alcanzar compresiones del orden de los 15 o ms.

En cuanto al rendimiento termodinmico del ciclo Diesel, en su versin mixta, puede establecerse, en los motores de inyeccin directa, en unos valo-res que estn entre los 65 a 70%, mucho ms ventajosos que los que el motor de gasolina presenta. De cualquier manera, si observamos con atencin los diagramas de las figuras 17 y 18 que presentamos anteriormente, ya podremos damos cuenta de que, en igualdad de circunstancias, la superficie presentada por el diagrama de volumen constante es superior al presentado por el dia-grama de presin constante (Fig. 17) que es el propio del motor de explosin. El hecho de poder aumentar considerablemente la relacin de compresin en los motores Diesel proporciona un aumento de temperatura de considerable importancia a la hora de la combustin que se refleja claramente en el rendi-miento terico de este motor .

Ciclo real de los motores Diesel

Todo cuanto hemos dicho sobre el ciclo terico en pginas anteriores, es decir, la forma de producirse el ciclo de cuatro tiempos y la forma como se representan los tiempos en el diagrama de Clapeyron, sufre algunas impor-tantes modificaciones cuando el motor se pone a funcionar, en la prctica. U n ejemplo lo tenemos en algo tan sencillo como la resistencia que el aire encuentra al verse obligado a pasar a travs de tubos. En el diagrama terico suponamos que los gases podan entrar y salir libremente sin estar sometidos al freno que representa sus cambios de direccin, el paso por los estrechos conductos de las vlvulas, los giros de turbulencia a que se les obliga para obtener una mayor rapidez de la combustin y poder aumentar as su rgimen de giro, etctera. En un motor real, y sobre todo si gira a un rgimen de r/min relativamente elevado, la resistencia que ofrecen los conductos, por ejemplo, determinan que en el tiempo de aspiracin el cilindro se llene sola-mente en un mximo de un 70% de la cilindrada total del mismo debido a

. que la admisin se efecta a una presin ms baja a la atmosfrica.


Figura 21. La lnea de la admisin (a-b) se produce en la prctica por debaio de la presin atmosfrica por lo que la compre-sin no comienza en el PMI sino en el punto B, en una p^ne de la carrera de compre-sin.

Para poder juzgar la calidad de un motor es necesario, sin embargo, co-nocer con detalle el ciclo terico pues hay que comparar el diagrama terico con el prctico. Si el motor pudiese funcionar de acuerdo con el ciclo terico obtendramos el mximo de potencia con el mnimo de consumo de combus-tible. Cuanto ms se parezca el diagrama prctico o real con el terico mejores sern las condiciones que definirn al motor en concreto.

Las condiciones de la marcha del ciclo real son las siguientes:

Primero. Por rozamientos del aire en los conductos de admisin y al paso por la vlvula, la aspiracin se realiza a presin inferior a la atmosfrica (figura 21, lnea a-b) resultando que en la aspiracin el cilindro no puede llenarse por completo.

Segundo. C o m o quiera que el cilindro contiene el aire a presin inferior a la atmosfrica, no se consigue compresin hasta que el mbolo ha recorrido una cierta parte de su carrera ascendente; por lo tanto, partimos de un volu-men menor del que tericamente se supona (punto B del diagrama de la fi-gura 21).

A este factor hay que unir las prdidas de calor a travs de las paredes y a las fugas que pueden producirse por los aros y asientos de las vlvulas todo lo cual da como resultado una lnea de compresin en el diagrama situada por debajo de la terica y, consecuentemente, una presin final de de compre-sin tambin inferior de la tericamente posible. (Ver figuras 22 y 23).

Tercero. C o m o se ha dicho al describir el ciclo mixto correspondiente al Diesel, la combustin no es enteramente a presin constante, pues es impo-sible regular la inyeccin de forma que la progresiva combustin de las gotitas de combustible compense la cada de presin que se origina por el aumento de volumen de" la cmara al separarse el mbolo del PMS (Fig. 24). Para esto debera arder inmediatamente despus de entrar en el cilindro, pero a pesar de la ptima pulverizacin conseguida en la inyeccin por aire, es necesario un lapso de tiempo para que el calor penetre en las gotitas y eleve su tempe-ratura hasta el momento en que las inflame y se ircie la combustin. Este tiempo se denomina de encendido y es brevsimo, del orden de milsimas de segundo.

En el motor Diesel de inyeccin directa la fase de combustin a volumen constante es imposible de conseguir, pues debido al retraso del encendido y


' Presin mx. terica

, Presin mx. real

- Presin compre: ton terica

2* fase t la combustin

4 tiempos

Figura 22. Diagrama real de un motor Die-sel de inyeccin directa. La parte de pun-tos corresponde al diagrama terico y la zona rayada indica las prdidas de rendi-miento entre el diagrama real y el terico.

Figura 23. Diagrama real de un motor Die-sel obtenido con un indicador de diagra-mas.

al no ser la combustin instantnea, no puede desarrollarse del todo con el mbolo en PMS. La segunda parte de la combustin, que se puede ver en la zona f de la figura 24 vara con respecto al diagrama terico tal como se liiues-tra en esta figura.

Cuarto. Debido a que la combustin se inicia a menor presin de la que se acredita en el diagrama terico, tal como acabamos de ver en la figura 24, la presin mxima alcanzada es tambin menor y, unido esto a las prdidas de calor durante la expansin, resulta que la lnea de la citada expansin nos queda en el diagrama real a menor presin que en el terico, como puede observarse en g de la figura 24. Por otro lado, la vlvula de escape se abre

\\ , V

1. 7" ^ i^^ata

Rgura 24. Comparacin entre un diagrama terico y uno real, a, estrangulacin final de la admisin, b, depresin en la carrera de aspiracin, c, sobrepresin durante la ex-pulsin de gases, d, refrigeracin al com-primir, e, calda de presin al abrirse el es-cape, f, prdidas durante la combustin, g, refrigeracin durante la expansin, b,, abertura de la admisin, c ,^ cierre del esca-pe.


antes de completar el mbolo la carrera de expansin, por lo cual la expansin de los gases no dura la carrera completa tal como se consideraba en el dia-grama terico que se ha comentado con anterioridad. (Ahora nos referimos a la cada sealada con e, en la figura 24.)

Quinto. El escape, debido a los rozamientos de los gases con las paredes del cilindro, al paso por la vlvula y conductos, se realiza a presin superior a la atmosfrica (valores sealados en c de la citada figura 24).

Mediante la figura 21 podemos seguir el fenmeno del escape. La vlvula se abre en la parte indicada AAE (adelanto abertura escape), antes de alcanzar el PMI y los gases bajan de presin hasta el punto 1, momento de la llegada del mbolo al PML Sube el mbolo y los gases continan saliendo a gran velocidad; debido a ello ejercen una succin en el cilindro experimentando la presin de los gases una cada suave (la lnea de escape se aproxima a la atmos-frica). Cuando llega el mbolo al punto sealado con 2, la velocidad de los gases ya no es tan elevada, dando lugar a que el mbolo los empuje, ocu-rriendo que al no poder salir por la vlvula de escape tan deprisa como empuja el mbolo, experimentan un aumento de presin que se aprecia en el diagrama por la subida ligera de presin que se observa al final de la lnea de escape.

Al finalizar la citada carrera de escape queda en el espacio muerto una cierta cantidad de gases a una temperatura de unos 300 "C. El cerrar la vlvu-la, despus del PMS tiene por objeto lograr que por inercia sigan saliendo los gases; as, de esta forma, los gases residuales que an quedan en el cilindro disminuyen su presin hasta casi un valor igual al de la presin atmosfrica. Por otra parte, la vlvula de admisin debe abrirse un poco antes de que el mbolo alcance su PMS para facilitar que la entrada del aire nuevo se produzca exactamente en el momento en que el mbolo comienza a bajar. Esta situacin hace que en un momento dado las dos vlvulas de escape y de admisin se hallen abiertas, situacin que se denomina cruce de vlvulas.

Parece a primera vista que el cruce de vlvulas puede ser contraprodu-cente pues al estar abiertas simultneamente las vlvulas de admisin y escape cuando sta posea cierta presin podra provocar una derivacin de los gases hacia el conducto de admisin; pero en la prctica no ocurre as, ya que debido a la velocidad que poseen los gases de escape, por inercia, continan saliendo. Adems ejercen una succin al pasar cerca de la vlvula de admisin que fa-cilita la posterior entrada de aire.

Los gases residuales originan dos tipos de prdidas. Una de ellas es el resultado de que se mezclan con el aire aspirado, impidiendo, por falta de aire puro, inyectar toda la cantidad de combustible de que es capaz la cilindra-da; y otra, consistente en que, en la aspiracin o admisin, no penetra de nuevo aire hasta que la presin de estos gases no resulta inferior a la presin atmosfrica.

Todo lo dicho en estos cinco puntos es el cmulo de causas que producen prdidas en el funcionamiento del motor real de modo que su rendimiento sea menor que el que debera ser si se cumpliera el ciclo terico; o dicho de otra manera, el diagrama real tiene menos superficie que el diagrama terico. En las figuras 22 y 24 tenemos, en la parte rayada en el primer caso y sealada


con letras en el segundo, la indicacin de las prdidas de superficie que se dan entre los dos diagramas bsicos.

Rendimiento efectivo

Desde el punto de vista prctico, lo que ms nos interesa de un motor es su rendimiento efectivo que es la relacin que existe entre la energa pro-porcionada por el motor en forma de trabajo y la energa que posea la masa de combustible que consumi para lograr este mismo trabajo. El rendimiento efectivo es el resultado final de una serie de rendimientos intermedios como son el rendimiento termodinmico, el rendimiento del ciclo y el rendimiento mecnico relativo a los rganos auxiliares para hacer posible la funcin del motor.

En la prctica este rendimiento se suele dar de una forma global estable-ciendo lo que se llama el consumo espeafico que consiste en los gramos de combustible que se consumen por CV y por hora, o bien, en el caso de utilizar las unidades ms modernas de potencia, el consumo en gramos por kW/h.

En los motores actuales se estn dando las siguientes cifras para estos valores indicados:

Motores Otto de gasolina:

De 200 a 230 g/CV/h (o 270 a 310 g/kW/h) lo que viene a representar un rendimiento efectivo de un 27 a un 30%

Motores Diesel con inyeccin indirecta:

En este grupo de inyeccin indirecta se encuentran casi todos los motores Diesel que se fabrican actualmente para automvil ya que esta disposicin de la inyeccin permite elevar el nmero de r/min del motor. Sus rendi-mientos son los siguientes: De 190 a 210 g/CV/h (o 260 a 285 g/kW/h), lo que viene a representar un rendimiento efectivo de un 30 a un 32 %

Motores Diesel de inyeccin directa: Los motores Diesel de inyeccin directa se utilizan en automocin para constituir la planta motriz de los autocamiones. Son, desde luego, de ma-yor rendimiento, pero son mucho ms lentos por lo que su relacin peso/ potencia es mucho ms elevada que en el caso de los motores de inyec-cin indirecta. De 150 a 170 g/CV/h (o 200 a 230 g/kW/h), lo que representa un rendi-miento de un 36 a un 40 %

' Como puede verse de los nmeros que se dan, las prdidas son bastante im-portantes, tanto para los motores de gasolina como para los Diesel, pero me-

INTRODUCCION TCNICA AL MOTOR DIESEL

REFRIGERUION

ENERGA KECASICA

APflOVEEKAO*

Figura 2

Castro Vicente Manuel - Mecanica El Motor Diesel en El Automovil

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