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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