¿Buscas aumentar la potencia y el par motor de tu motor diésel? Existen grandes diferencias en el funcionamiento de un motor diésel en comparación con uno de gasolina, y es necesario comprenderlas antes de comenzar la puesta a punto.
En este artículo: Encendido por chispa vs. Encendido por compresión | Comparación del funcionamiento de motores de cuatro tiempos | Relaciones aire-combustible y control de par | El proceso de combustión diésel | ¿Los motores diésel detonan? | Resumen
Encendido por chispa frente a encendido por compresión
Si bien ambos tipos de motor comparten muchas similitudes mecánicas, la forma en que se inicia la combustión dentro del cilindro es completamente diferente, y esto tiene importantes implicaciones para la puesta a punto.
La diferencia más significativa entre los motores de gasolina y diésel radica en cómo se enciende la mezcla de aire y combustible. Un motor de gasolina funciona mediante un sistema de encendido por chispa, donde las bujías ubicadas en la cámara de combustión inician la combustión de una mezcla premezclada de aire y combustible.
Por otro lado, un motor diésel funciona mediante un proceso de encendido por compresión. En lugar de depender de una bujía, el calor generado durante la carrera de compresión enciende el combustible una vez inyectado en el cilindro, y esta dependencia del calor de compresión es la característica que define el funcionamiento de un motor diésel.
Comparación del funcionamiento de motores diésel y de gasolina
Al igual que los motores de gasolina, la mayoría de los motores diésel para automóviles funcionan según el principio de cuatro tiempos. Estos son los tiempos de admisión, compresión, expansión y escape, cada uno de los cuales ocupa 180 grados de rotación del cigüeñal. Esto significa que un ciclo completo requiere que el cigüeñal gire dos veces, es decir, 720 grados.
Sin embargo, existen algunas diferencias clave entre el funcionamiento con gasolina y con diésel.
Durante la carrera de admisión de un motor de gasolina, una mezcla de aire y combustible entra en el cilindro. En un motor diésel, solo se introduce aire durante esta carrera.
Durante la carrera de compresión, la carga de aire se comprime. A medida que aumenta la presión, la temperatura también se eleva significativamente. Los motores diésel utilizan relaciones de compresión mucho más altas que los motores de gasolina, generalmente entre 15:1 y 20:1 o superiores. Estas altas relaciones de compresión son necesarias para generar la temperatura requerida para la ignición del combustible.
Cerca del final de la carrera de compresión, el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión mediante un inyector montado en la culata. Una vez inyectado, la combustión comienza debido a la alta temperatura del aire comprimido, y no por ningún tipo de chispa.
Las fases de potencia y escape se desarrollan de forma similar a un motor de gasolina, donde los gases de combustión en expansión empujan el pistón hacia abajo antes de ser expulsados a través del sistema de escape.
Estas diferencias operativas también otorgan a los motores diésel una ventaja significativa en cuanto al consumo de combustible en comparación con sus homólogos de gasolina. Las principales razones para ello son:
- Una mayor relación de compresión también implica una mayor relación de expansión, lo que permite extraer más energía de los gases de combustión antes de que se abra la válvula de escape.
- Al no existir una mariposa de admisión que restrinja el flujo de aire, el pistón no tiene que trabajar contra un vacío parcial durante la carrera de admisión a velocidad de crucero, lo que reduce significativamente las pérdidas por bombeo.
- El gasóleo tiene una densidad energética aproximadamente entre un 10 y un 11 por ciento superior a la de la gasolina.
En conjunto, estos factores hacen que un motor diésel turboalimentado common rail moderno suela lograr entre un 20 y un 25 por ciento más de eficiencia de combustible que un motor de gasolina comparable.
Relación aire-combustible y control de par
Una de las mayores diferencias operativas entre los motores de gasolina y diésel tiene que ver con la forma en que se controla el par motor.
Debido a que los motores de gasolina operan dentro de un rango relativamente estrecho de relación aire-combustible, generalmente entre 0,6 y 1,3 lambda (una medida de nuestra relación aire-combustible, o AFR), el par motor se controla ajustando el flujo de aire a través de un cuerpo de aceleración, y el combustible se ajusta en consecuencia. Los motores diésel funcionan de manera muy diferente, ya que pueden funcionar de forma fiable en un rango de relación aire-combustible extremadamente amplio y pobre, desde lambda 1,0 hasta lambda 10 o incluso más pobre.
Por este motivo, los motores diésel no necesitan una mariposa de admisión para controlar el par motor. En su lugar, el par se controla simplemente ajustando la cantidad de combustible inyectado. Para reducir el par, se inyecta menos combustible.
Dicho esto, cabe aclarar que muchos motores diésel modernos incluyen una mariposa de admisión, pero esta no se utiliza para la modulación del par motor. En cambio, su función es facilitar el apagado del motor y la recirculación de los gases de escape.
Desde el punto de vista de la puesta a punto, esta diferencia es crucial. En los motores de gasolina, una mezcla pobre bajo carga elevada puede ser peligrosa e impedir una correcta ignición. En los motores diésel, ocurre lo contrario. Las mezclas pobres son normales y seguras, mientras que las mezclas excesivamente ricas aumentan el par motor, el calor y las emisiones.
Preguntas frecuentes: ¿El exceso de combustible diésel (mezcla rica) reduce las temperaturas de los gases de escape y de la combustión como ocurre en los motores de gasolina ?
Un error común que conviene aclarar es que añadir más combustible a un motor diésel NO reduce la temperatura de los gases de escape. Ocurre lo contrario. A medida que la mezcla aire-combustible se enriquece, acercándose y superando lambda 1.1, la temperatura de la cámara de combustión aumenta y, con ella, la temperatura de los gases de escape (EGT). La forma correcta de reducir la EGT manteniendo la potencia es mediante la sincronización de la inyección: adelantar el inicio de la inyección permite que una mayor parte de la combustión se produzca más cerca del punto muerto superior (PMS), generando más par motor con el mismo combustible y reduciendo el calor de los gases de escape. Cuando se produce un exceso de combustible, el resultado visible es humo negro en el escape, que corresponde al combustible sin quemar que sale en forma de partículas de hollín cuando la mezcla excede la capacidad de combustión de la carga de aire disponible.
El proceso de combustión diésel
Los motores diésel common rail modernos funcionan a presiones de combustible extremadamente altas, y no es raro ver presiones de alrededor de 220 megapascales, lo que equivale aproximadamente a 32.000 psi. Esta alta presión cumple varias funciones importantes:
- El combustible debe inyectarse contra una presión muy alta en el cilindro cerca del punto muerto superior (PMS). Para lograrlo, la presión del combustible debe superar la presión del cilindro para crear el diferencial de presión necesario.
- La ventana de inyección disponible es muy pequeña, por lo que la alta presión permite suministrar rápidamente el volumen de combustible necesario sin que los tiempos de apertura de los inyectores sean excesivamente prolongados.
- La alta presión mejora la atomización del combustible. Las gotas de combustible más pequeñas se vaporizan más rápidamente y se encienden con mayor eficacia, lo que mejora la calidad de la combustión.
¿Los motores diésel hacen ruido al golpear?
Si has estado cerca de motores diésel, estarás familiarizado con el característico golpeteo que producen, sobre todo al ralentí y con poca carga. Este es el golpeteo diésel, y aunque comparte nombre con el golpeteo o detonación que daña los motores de gasolina, ambos fenómenos son fundamentalmente diferentes.
En un motor de gasolina, el picado de bielas es un fenómeno de combustión anormal y destructivo. Ocurre después de que la chispa inicia la combustión, cuando el aumento de calor y presión en el cilindro provoca que pequeñas bolsas de combustible y aire sin quemar se autoenciendan espontáneamente delante del frente de llama. El resultado son picos de presión bruscos e incontrolados que pueden dañar rápidamente los pistones, los cojinetes y las juntas de culata.
El golpeteo del diésel tiene una causa completamente diferente. Dado que la combustión diésel se produce por ignición por compresión en lugar de por chispa, siempre existe un breve retardo entre la inyección del combustible y el inicio de la combustión. Durante este retardo, el combustible inyectado se mezcla con el aire caliente comprimido. Cuando comienza la combustión, esta mezcla de combustible y aire se quema muy rápidamente, liberando su energía con rapidez y provocando un fuerte aumento de la temperatura y la presión dentro de la cámara de combustión. Es este marcado gradiente de presión el que produce el sonido de golpeteo característico de los motores diésel.
El golpeteo del diésel se nota más al ralentí y con poca carga. Con poca carga, la mezcla aire-combustible es más pobre, las temperaturas de combustión son más bajas y, como resultado, los componentes internos del cilindro están más fríos. Dado que la combustión en un diésel se inicia principalmente por la temperatura, estas condiciones más frías prolongan el retardo de la ignición, lo que permite que se premezclen más combustible y aire antes de que comience la combustión, intensificando así el golpeteo.
La forma más eficaz de reducir el golpeteo del diésel es acortar el retardo de la ignición, lo que reduce el tiempo de premezcla de la mezcla de combustible y aire antes de que comience la combustión. Los experimentos han demostrado que el retardo mínimo de la ignición se produce cuando la inyección comienza aproximadamente entre 10 y 15 grados antes del punto muerto superior. Inyectar antes o después de este valor reduce la temperatura y la presión del cilindro en el punto de inyección, lo que tiende a aumentar el retardo de la ignición y empeorar el golpeteo. Una mayor presión de inyección también puede producir una reducción moderada del retardo de la ignición. La técnica principal que utilizan los fabricantes de equipos originales para reducir el golpeteo del diésel es la introducción de inyecciones piloto, en las que se inyecta una cantidad muy pequeña de combustible ligeramente antes de la inyección principal para comenzar a elevar gradualmente la temperatura del cilindro, acortando así el retardo antes de que se encienda la carga principal.
Aquí puede obtener más información sobre el pulso piloto y el golpeteo del diésel .
Fundamentalmente, el picado de bielas en un motor diésel no daña el motor como sí lo hace en uno de gasolina. Un motor diésel no está limitado por el picado de la misma manera que un motor de gasolina, lo que explica en parte por qué los motores diésel pueden funcionar con relaciones de compresión tan altas. La preocupación con la sincronización de la inyección en un motor diésel no radica en el picado de bielas como en el de gasolina, sino en la presión excesiva en el cilindro derivada de un avance excesivo de la inyección, un riesgo distinto que debe controlarse mediante una puesta a punto precisa.
Esto nos lleva a la cuestión de la detección de detonaciones. En la optimización de motores de gasolina, el equipo de detección de detonaciones por audio se considera esencial; sin él, se puede adelantar el avance del encendido a niveles peligrosos sin que la lectura del par en el dinamómetro por sí sola proporcione suficiente advertencia. La optimización de motores diésel no requiere el mismo enfoque. En cambio, los parámetros clave a monitorizar y gestionar son la temperatura de los gases de escape, la relación aire-combustible y el momento de la inyección, y es aquí donde las herramientas de optimización específicas para diésel se vuelven cruciales. Plataformas como EFILive y HP Tuners se utilizan ampliamente para reprogramar las ECU diésel de fábrica en plataformas populares como Duramax y Powerstroke, mientras que WinOLS se utiliza comúnmente en el mercado europeo de optimización de motores diésel. Comprender cómo utilizar estas herramientas para gestionar correctamente la inyección de combustible, la presión del turbo y el momento de la inyección es donde reside el verdadero trabajo de la optimización de motores diésel.
Resumen
Los motores de gasolina y diésel comparten ciclos mecánicos de cuatro tiempos similares, pero difieren fundamentalmente en la forma en que se inicia y controla la combustión.
Los motores de gasolina se basan en el encendido por chispa, funcionan dentro de un rango estrecho de relación aire-combustible y controlan el par motor mediante el flujo de aire a través de una mariposa de admisión. Los motores diésel se basan en el encendido por compresión, funcionan con mezclas extremadamente pobres y controlan el par motor únicamente mediante la cantidad de combustible.
Es fundamental comprender estas diferencias antes de intentar ajustar cualquiera de los dos tipos de motor, ya que las estrategias y los riesgos que implican son fundamentalmente diferentes.
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