Cómo funciona un motor diesel
Tradicionalmente, los motores diesel siempre se han visto como motores ruidosos, olorosos, de poca potencia y de uso exclusivo para camiones, taxis y camionetas. Los motores diesel y sus controles en el sistema de inyección se han vuelto más refinados, y la década de los 80 ha visto este cambio de situación. En el Reino Unido en 1985 había casi 65.000 autos diesel vendidos (alrededor de 3,5 % del número total de autos vendidos), en comparación a los 5.380 en 1980.
Muchos autos diesel se basan en diseños de motores de combustible ya existentes, pero con los principales componentes reforzados para hacer frente a las mayores presiones involucradas. El combustible se suministra por una bomba de inyección y una unidad de medición, que generalmente se montan a un lado del bloque del motor. No se necesita ningún sistema de encendido eléctrico.
La principal ventaja de los motores diesel sobre los motores a nafta (gasolina) es su menor costo de funcionamiento. Esto es debido a la mayor eficiencia del alto índice de compresión del motor diesel y por el menor precio del combustible diesel. A pesar de que el precio es variable, la ventaja de tener un auto diesel se reducirá levemente si vive en un lugar donde el precio del diesel es alto. Los intervalos de mantenimiento son a menudo más largos también, pero muchos modelos diesel requieren cambios de aceite más frecuentes que los de gasolina.
Cómo funcionan los motores diesel
Admisión
A medida que el pistón comienza a moverse hacia abajo del orificio, la válvula de entrada se abre y el aire es aspirado.
Compresión
La válvula de entrada se cierra en la parte inferior del golpe. El pistón se eleva para comprimir el aire.
Encendido
El combustible se rocía en la parte superior del golpe, encendiendo al pistón y forzándolo a descender.
Escape
En el desplazamiento hacia arriba del pistón, la válvula de escape se abre y el gas quemado se expulsa.
Un motor diesel funciona de forma diferente a uno de gasolina, a pesar de compartir componentes principales y ambos funcionar con un ciclo de cuatro tiempos. Las principales diferencias son el encendido del combustible y la regulación de la potencia de salida.
En un motor a nafta, la mezcla de combustible/aire se enciende con una chispa. En un motor diesel, el encendido se consigue simplemente por medio de la compresión de aire. Una relación de compresión típica para un motor diesel es de 20:1 y para un motor de gasolina 9:1. Las compresiones tan grandes como ésta calientan el aire a una temperatura lo suficientemente alta como para encender el combustible de forma espontanea, sin necesidad de una chispa y por lo tanto de un sistema de encendido.
Un motor a nafta se basa en cantidades variables de aire para el ciclo de aspiración, la cantidad exacta depende de la apertura del acelerador. Un motor diesel, por otro lado, siempre atrae la misma cantidad de aire (en cada una de las velocidades) a través de un conducto de admisión sin ahogo. Éste únicamente se abre y cierra por medio de la válvula de entrada (no hay ni un carburador ni una válvula de mariposa).
Cuando el pistón llega al final de su golpe de inducción, la válvula de entrada se cierra. El pistón, movido por la potencia de los otros pistones y el impulso del volante de inercia (volante motor), se desplaza a la parte superior del cilindro, comprimiendo el aire a una vigésima parte de su volumen original.
A medida que el pistón alcanza la parte superior de su recorrido, una cantidad precisa y dosificada de combustible diesel se inyecta en la cámara de combustión. El calor de la compresión enciende la mezcla de combustible/aire de manera inmediata, haciendo que se queme y expanda. Esto fuerza al pistón a ir hacia abajo, girando al cigüeñal.
A medida que el pistón mueve el cilindro hacia arriba en el ciclo de escape, la válvula de escape se abre y permite que los gases quemados y expandidos salgan por el caño de escape. Al final del ciclo de escape el cilindro está pronto para una carga fresca de aire.
Construcción del motor
Los componentes principales de un motor diesel se parecen a los de un motor de gasolina (cumplen las mismas funciones). Sin embargo, las piezas del motor diesel tienen que ser fabricadas con mayor resistencia que las del motor a nafta. De esta manera podrán soportar las cargas mayores que hay implicadas.
Las paredes del bloque de un motor diesel son mucho más gruesas que las de un bloque diseñado para un motor a gasolina. Tienen más refuerzos que proporcionan resistencia adicional y absorben las tensiones. Además de ser más fuerte, el bloque de alta resistencia también puede reducir el ruido de manera más efectiva.
Los pistones, bielas, cigüeñales y tapas de rulemanes tienen que ser fabricados con mayor resistencia que sus contrapartes para el motor a nafta. El diseño de la culata tiene que ser muy diferente debido a los inyectores de combustible, la forma de su combustión y las cámaras de turbulencia.
Inyección
Inyección directa significa que el combustible se rocía directamente en la cámara de combustión en la parte superior de la corona del pistón. La forma de la cámara es mejor, aunque le es más difícil hacer adecuadamente la mezcla de combustible con aire y quemarla sin producir el crudo, característico “golpe” del diesel.
Para que cualquier motor de combustión interna pueda operar sin problemas y de forma eficiente, el combustible y aire deben ser mezclados apropiadamente. Los problemas de mezcla de combustible/aire son grandes en un motor diesel debido a que estos se introducen en diferentes momentos durante el ciclo y tienen que ser mezclados en los cilindros.
Hay dos enfoques principales: inyección directa e inyección indirecta. La inyección indirecta se ha utilizado más en el tiempo por ser la forma más sencilla de introducir turbulencia. De esta manera la pulverización de combustible inyectado se mezcla bien con el aire altamente comprimido en la cámara de combustión.
En un motor de inyección indirecta hay una pequeña cámara de turbulencia en espiral (también llamada cámara de pre-combustión). Allí los inyectores lanzan el combustible antes de que éste alcance la cámara de combustión principal. La cámara crea turbulencia en el combustible para que se mezcle mejor con el aire en la cámara de combustión.
El inconveniente de este sistema es que la cámara de turbulencia pasa a ser parte de la cámara de combustión. Esto significa que la cámara de combustión en su conjunto es de forma irregular y genera problemas de combustión, obstaculizando la eficiencia.
Inyección directa
Inyección indirecta significa que el combustible se rocía en una pequeña cámara de precombustión. Esto conduce a la cámara principal de combustión. Con este diseño, la forma ideal de la cámara de combustión se ve comprometida.
Un motor de inyección directa no tiene una cámara de turbulencia en donde poder inyectar el combustible. Éste pasa directamente a la cámara de combustión. Los ingenieros tienen que prestar mucha atención en el diseño de la cámara de combustión, en la corona del pistón, para asegurar la creación de suficiente turbulencia.
Control de velocidad
Bujías incandescentes
Para precalentar la culata y el bloque del motor antes de arranques en frío, el diesel utiliza bujías incandescentes. Parecen bujías anchas y cortas, y se encuentran conectadas al sistema eléctrico del auto. Los elementos internos se calientan rápidamente una vez que se aplica energía. Las bujías incandescentes se activan ya sea por una posición auxiliar en el interruptor de la columna de dirección o por un interruptor independiente. En los últimos diseños éstas se apagan automáticamente una vez que el motor se ha encendido y es acelerado por encima del ralentí.
El motor diesel no se acelera como el de gasolina. La cantidad de aire aspirado -más allá de la velocidad- es siempre la misma. La velocidad del motor se regula exclusivamente por medio de la cantidad de combustible lanzado a la cámara de combustión. Cuanto más combustible haya en la cámara, la combustión será más feroz y más potencia se producirá.
El pedal del acelerador está conectado a la unidad de medición del sistema de inyección del motor, en vez de a la mariposa del acelerador como sucede en el motor a nafta.
La detención de un diesel implica desconectar la llave de “encendido”, pero en lugar de cortar las chispas, esto cierra un solenoide eléctrico que corta el suministro de combustible en la bomba de inyección de la unidad de medición y distribución de combustible. El motor sólo tiene que utilizar una pequeña cantidad de combustible antes de detenerse. De hecho, los motores diesel descansan más rápido que los motores a nafta debido a su mayor compresión, la cual provoca un efecto más grande al detener el motor.
Arranque de un diesel
Al igual que los motores a nafta, los motores diesel arrancan por medio de un motor eléctrico, que comienza el ciclo de encendido por compresión. Cuando el clima es frío, sin embargo, es difícil arrancar un motor diesel porque la compresión del aire no conduce a una temperatura suficientemente alta como para encender el combustible.
Para solucionar este problema, los fabricantes colocan bujías incandescentes. Se trata de pequeños calentadores eléctricos, alimentados por la batería del auto, que se encienden unos segundos antes de intentar arrancar el motor.
Combustible diesel
El combustible utilizado en los motores diesel es muy diferente al de nafta. Éste es apenas menos refinado, lo que resulta en un líquido más pesado, viscoso y menos volátil. Por estas características es que se suele mencionar como “aceite diesel” o “aceite de combustible”. En algunos surtidores diesel, en las estaciones de servicio, se indica como “derv”, abreviatura de vehículos de motor diesel en inglés (diesel-engined road vehicles).
El combustible diesel se puede endurecer o solidificar en un clima muy frío. Esto se ve agravado por el hecho de que éste puede absorber pequeñas cantidades de agua, las cuales se pueden congelar. Todos los combustibles absorben pequeñas cantidades de agua de la atmósfera y las fugas en los tanques de almacenamiento subterráneos es algo bastante común. El combustible diesel puede soportar un contenido de agua de hasta 50 o 60 partes por millón sin problema. Esta es una cuarta parte de una taza llena de agua por cada 38 litros de combustible.
Cualquier solidificación o “encerado” puede bloquear las líneas de combustible e inyectores, evitando el funcionamiento del motor. Por este motivo es que, en un clima muy frío, de vez en cuando se puede ver a la gente pasarle con un soplete a las líneas de combustible de sus vehículos.
De forma preventiva puede utilizar un aditivo en el tanque de combustible, aunque la mayoría de los combustibles diesel ya tienen un aditivo incorporado y no tienen ningún problema en temperaturas superiores a los 12°C.