Diferencias Fundamentales entre Motores de Explosión y Diésel
El ciclo de 2 tiempos se realiza en dos carreras, una vuelta de eje o de cigüeñal. Por lo tanto, la aspiración debe efectuarse durante una fracción de la carrera de compresión y el escape durante la carrera de expansión o de trabajo.
Fases de Trabajo de un Motor Diésel de 2 Tiempos
Primer Tiempo (Aspiración y Compresión): Corresponde a la carrera ascendente del pistón. La primera parte está dedicada a la admisión, así como a la… (por tener la galería de escape abierta). Al continuar subiendo hacia el PMS (Punto Muerto Superior), cerrándose la galería de escape, se realiza la fase de compresión.
Segundo Tiempo (Combustión y Escape): Se inicia en el Punto Muerto Superior (PMS) con el encendido, dando paso a la expansión hasta que el pistón, al descender, descubre las lumbreras de escape o abre las válvulas. En ese punto, los gases, a causa de su elevada presión, se precipitan a salir por la galería de escape. Justo después, se abren las válvulas de aspiración y el fluido activo empuja a los gases de la combustión.
Motor de Explosión (Ciclo Otto)
- Mezcla introducida: aire y combustible.
- Requiere una bujía para encender una chispa que inicie la combustión.
- Utiliza combustibles fósiles ligeros (gasolina) o combustibles gaseosos de alto poder calorífico.
- Relación de compresión (Rc) entre 6 y 10.
- Funciona principalmente sobre el ciclo de 4 tiempos (4T), salvo en casos especiales como motores fuera de borda, ciclomotores y motores pequeños que operan en 2 tiempos (2T).
Motor Diésel
- Se introduce solo aire y, al comprimirlo, se inyecta el combustible.
- El encendido se produce por el aumento de temperatura (T) y presión (P) al comprimir el aire.
- Utiliza los llamados combustibles pesados (gasóleo, diésel, fuelóleo) de características inferiores, menos volátiles y con un peso específico superior.
- Relación de compresión (Rc) entre 14 y 22.
- Funciona tanto en ciclo de 2 tiempos (2T) como de 4 tiempos (4T).
Impacto de la Relación de Compresión (Rc) en el Rendimiento del Motor
Al aumentar la relación de compresión, el rendimiento global del motor se incrementa. Esto se puede deducir a partir de la fórmula del rendimiento térmico.
La relación de compresión no es inherentemente mayor en un tipo de motor (Diésel o Otto) debido a su diseño, sino que depende de los materiales de fabricación. Sin embargo, es cierto que los motores diésel pueden operar con relaciones de compresión más elevadas que los motores Otto. Esto se debe al funcionamiento de la combustión en cada uno: en los motores diésel, lo que se comprime es solo aire, lo que evita el autoencendido prematuro de la mezcla combustible.
Presión Media Indicada (Pmi): Concepto, Cálculo y Diagnóstico
La Presión Media Indicada (Pmi) es una presión hipotética que, si actuase de forma constante durante la carrera del pistón, produciría el mismo trabajo sobre este que la presión real, la cual varía continuamente a lo largo del ciclo y queda reflejada en el diagrama del indicador. Por lo tanto, es un concepto fundamental que nos permite calcular el trabajo y la potencia de un motor.
Su cálculo se basa en el diagrama del indicador, donde:
- Sd: Superficie del diagrama en mm²
- Ld: Longitud del diagrama en mm
- er: Constante del resorte en mm/Pa
El diagrama abierto (P-alfa) representa la presión en el interior del cilindro en función del ángulo de giro del cigüeñal. Es el diagrama fundamental para evaluar la evolución del fluido en un cilindro.
Un diagrama indicado se considera incorrecto cuando no coincide con el diagrama de referencia del mismo motor, obtenido en perfectas condiciones (por ejemplo, en un banco de pruebas) y bajo las mismas condiciones ambientales y de operación.
Pérdidas y Rendimientos en Motores de Combustión Interna
Rendimiento de Diagrama
Se incluyen todas las pérdidas que hacen que el diagrama indicado sea de menor superficie que el diagrama teórico.
Rendimiento Indicado
Se incluyen tanto las pérdidas contempladas en el rendimiento de diagrama como las del rendimiento térmico.
Rendimiento Mecánico
Pérdidas por fricción, bombeo, accionamientos auxiliares y de compresores.
Rendimiento Global
Se incluyen todas las pérdidas del rendimiento térmico, mecánico, indicado y de diagrama.
Rendimiento Térmico
Se incluyen las pérdidas por calor.
Potencia Efectiva y Presión Media Efectiva (Pme)
La potencia efectiva es la potencia medida en el eje del motor mediante frenos o torsiómetros. Siempre será menor que la potencia indicada como consecuencia de las pérdidas mecánicas. Se puede obtener mediante:
- Frenos: Dispositivos que absorben la potencia desarrollada por el motor. Miden el par motor, a partir del cual se puede calcular la potencia.
- Torsiómetro: Instrumento que mide el ángulo de torsión producido en el eje del motor como consecuencia del par motor al que está sometido.
La Presión Media Efectiva (Pme) es un valor de presión hipotético que, al introducirlo en la fórmula de la potencia indicada, nos daría la potencia efectiva desarrollada por el motor. Es un concepto teórico, no una presión que exista realmente, y sirve principalmente para la comparación entre motores.
Parámetros Clave en la Combustión: Exceso de Aire, CO2 y Poder Calorífico
Índice de Exceso de Aire (Lambda)
Es la relación entre la cantidad de aire realmente suministrada y la cantidad de aire teóricamente necesaria para oxidar completamente el combustible (combustión estequiométrica). Generalmente, se suministra un exceso de aire o de oxígeno por encima de la cantidad teórica.
CO2 Máximo Obtenible en el Dosado Motor
Es el porcentaje máximo de CO2 contenido en los productos de la combustión estequiométrica. Es decir, la cantidad de CO2 que contienen los gases de la combustión al reaccionar con la cantidad exacta de aire para oxidar completamente todo el carbono, hidrógeno y azufre del combustible.
Poder Calorífico Superior e Inferior
El poder calorífico es la cantidad de calor generada por la combustión completa de una unidad de masa de combustible.
El Poder Calorífico Superior (PCS) incluye el calor latente de vaporización del agua formada durante la combustión y se determina dejando que los productos de la reacción vuelvan a las condiciones normales. El Poder Calorífico Inferior (PCI) no incluye el calor latente de vaporización del agua y es el que se emplea habitualmente en el caso de combustibles para Motores de Combustión Interna (MCI).
Combustiones Anormales en Motores de Explosión (Otto)
Encendido Superficial
Se produce por puntos calientes dentro de la cámara de combustión y puede ocurrir antes de la chispa (preencendido) o después de la chispa (postencendido). Puede ser causado por un recalentamiento excesivo en ciertas zonas de las paredes del cilindro, como la válvula de escape o el electrodo de la bujía, o por la formación de partículas carbonosas incandescentes.
Autoencendido (Detonación)
Durante la fase de compresión, se empiezan a formar compuestos inestables que provocan una combustión incontrolada. Esto genera un aumento de la temperatura (T) y un desplazamiento de los gases de la zona de detonación hacia el centro de la cámara de combustión, donde chocan con los gases de la combustión normal. Este choque produce incrementos bruscos de la presión (P) y turbulencias que disminuyen el rendimiento del motor.
Índice de Octano
Expresa la capacidad antidetonante de las gasolinas por comparación con mezclas de isooctano (al que se le asigna un valor de 100) y n-heptano (al que se le asigna un valor de 0) en un motor de prueba. Se puede aumentar con aditivos antidetonantes; actualmente, se utilizan compuestos oxigenados como alcoholes y éteres.
Combustiones Anormales en Motores Diésel
Picado Diésel
Se refiere a la combustión brusca del combustible acumulado en la cámara de combustión durante el retardo al encendido. Durante este retraso, mientras las primeras partículas de combustible inyectado tardan en encenderse, continúan entrando otras en la cámara. Si el retardo es breve, las primeras gotas comienzan a quemarse tras un corto lapso, y la cantidad de combustible acumulado es pequeña. Sin embargo, si el retardo es mayor, se acumula una cantidad considerable de combustible, lo que, al quemarse, produce un fuerte gradiente de presión y, por ende, un funcionamiento rudo del motor. Cuando el retraso es muy prolongado, puede acumularse tanto combustible que, al encenderse, el aumento de presión es casi instantáneo. En estas condiciones, se generan variaciones de presión muy elevadas y violentas vibraciones en la masa de gas, características de la detonación, manifestándose como el llamado ‘picado’. Este fenómeno es similar a la detonación en el motor de explosión, aunque en el diésel ocurre al comienzo de la combustión. Para reducir el picado en el motor diésel, es fundamental reducir el retardo al encendido.Número de Cetano
Representa un índice de la capacidad de autoignición o inflamación del combustible diésel. Se define como el porcentaje en volumen de cetano (una parafina a la que se le asigna un valor de 100) en una mezcla con alfa-metilnaftaleno (al que se le asigna un valor de 0), que ofrece el mismo retraso de encendido que el combustible en cuestión. Cuanto más alto sea el número de cetano, menor será el retraso de encendido, lo que beneficia el rendimiento y la suavidad de operación del motor.
Proceso de Destilación del Petróleo para Combustibles Marinos
El petróleo crudo, proveniente de los yacimientos, se almacena en grandes tanques para su posterior destilación. Mediante una bomba, la carga se conduce hasta un precalentador hasta que alcanza la temperatura de destilación (aproximadamente 370°C) y se introduce en la torre de destilación atmosférica (también conocida como ‘topping’ o ‘dopping’). Debido a que la presión en el interior de la torre es menor que en el precalentador, la carga comienza a hervir dentro de la torre. Los vapores del líquido en ebullición, que son los componentes más volátiles, se elevan hacia la parte superior de la torre. A medida que ascienden, se van condensando en líquidos a diferentes temperaturas y se depositan en las distintas bandejas por densidad. De esta manera, se obtienen los componentes más volátiles como el propano y el butano, seguidos de las naftas, el queroseno, el gasóleo ligero y el gasóleo pesado. En la base de la torre, se encuentran los residuos sin destilar, que se hacen pasar por un rehervidor para una segunda destilación, generando más vapores que se reintroducen en la torre para obtener una mayor variedad de combustibles. El residuo restante se envía a una unidad de vacío, que permite destilar sin alterar la composición a presiones muy bajas, obteniendo así gasóleo ligero y pesado.
En la unidad de vacío, aún se encuentran residuos de los que se pueden seguir destilando para obtener más derivados. Este residuo es conducido hacia una unidad para un tratamiento llamado Craqueo Térmico, donde los productos se calientan a 500°C y pasan a una torre de fraccionamiento donde se separan por destilación. El gasóleo pesado se conduce a un tratamiento llamado Craqueo Catalítico, obteniendo metano, etano, propano, butano, nafta y gasóleo ligero que, al mezclarse con restos del fondo, permiten obtener fuelóleo para su uso en el transporte marino.
Combustibles Marinos: Clasificación y Componentes Clave
Marine Fuel Oil (MFO)
Es un término utilizado para describir una amplia variedad de productos destilados y residuales empleados en el sector marítimo. Bajo la clasificación de la ASTM (American Society for Testing and Materials), los combustibles se gradúan: el número 1 para combustibles ligeros (querosenos), el número 2 para calefacción de hogares, y los números 4, 5 y 6 son los más pesados (heavy fuel oil) o combustibles residuales. Suelen caracterizarse por su alta viscosidad y precios más bajos.Marine Gasoil (MGO)
Es una fracción ligera y de mejor calidad que los fuelóleos, con una calidad de ignición que los hace apropiados para su empleo en motores diésel marinos de alta velocidad.Importancia del Vanadio
El vanadio está presente en los combustibles en compuestos solubles que no pueden ser fácilmente extraídos. Un alto contenido de vanadio puede generar corrosión en las válvulas y la formación de depósitos en las turbosoplantes.Importancia del Sodio
El sodio puede estar presente en los combustibles marinos como consecuencia de la contaminación por agua de mar o por el procesamiento en la propia refinería del combustible. Puede eliminarse eficazmente mediante centrifugado.