Combustión En Motores Diesel

Combustión en motores Diesel

Los fenómenos que llevan a la combustión en un motor Diesel comienzan cuando, al final de la compresión (recuérdese que en un motor Diesel sólo se comprime aire), estando el aire a una presión que en motores fuertemente sobrealimentados (como los Diesel de hoy en día) puede ser de unos 80 bares, y temperaturas de 1000 K, se empieza a inyectar el combustible, como se observa en la figura 1, donde se ven multitud de gotitas de combustible que entran en contacto con el aire caliente.

Cuando el combustible penetra en ese ambiente, inmediatamente comienza a vaporizarse, porque además es inyectado en gotas muy pequeñas, y se empieza a formar una nube de aire y combustible vaporizado. Es la región gris de la figura 2. Nos encontramos con una situación que nos resulta familiar... ahí empiezan a producirse choques entre moléculas, y a generarse radicales. Pasado un cierto tiempo, esa nube entra en ignición, e instantáneamente se quema una cierta cantidad de combustible, convirtiéndose en la zona roja de la figura 3.

Eso es una explosión, una combustión que se llama de premezcla, en la que se libera bastante energía en poco tiempo. Lógicamente, la temperatura de esa zona sube mucho, y hay una subida de presión bastante brusca, que es la responsable del ruido, más bien del traqueteo, del motor Diesel. A plena carga, ahí se quema entre un 20 y un 40% del combustible, entre lo que explota en la primera ignición y lo que ya está vaporizado y reacciona rápidamente.

A continuación, nos encontramos con que hay en la cámara gotas líquidas de combustible, y otras que aún se pueden seguir inyectando, rodeadas de aire y gas residual de la combustión de premezcla a alta temperatura.

En esas condiciones, aumenta la tasa de vaporización de las gotas combustible, y el vapor que sale de la gota se difunde por la cámara. En cuanto encuentra oxígeno, reacciona y se quema. Es la segunda fase de la combustión e el motor Diesel, la combustión de premezcla, que está esquematizada en la figura 4. Es una combustión mucho más lenta, y está gobernada por la tasa de inyección que se tiene, la tasa de vaporización de las gotas y la facilidad con que el vapor encuentre oxígeno (que no siempre ocurre).

Visto cómo se realiza la combustión, podemos comentar ciertos aspectos de la misma que se traducen en características intrínsecas del motor Diesel:

En principio, puede ser conveniente, para reducir el ruido generado por el motor, que la cantidad de combustible quemada por premezcla sea lo más pequeña posible. Ya se ha comentado que es la causante del ruido del motor Diesel. Para ello, se utilizan distintas técnicas; la más común consiste en, con bastante adelanto respecto a la inyección principal, inyectar una pequeña cantidad de combustible, que se quemará relativamente pronto. Así, cuando se inyecte el resto, se encontrará con un ambiente mucho más agresivo, tanto térmica como químicamente (la cámara se ha sembrado de radicales). Las nuevas gotas se evaporarán rápidamente y reaccionarán sin producir grandes elevaciones de presión. Incluso, en motores de última generación, lo que se hace es la preinyección, y después varias inyecciones parciales, controlando así la tasa de quemado y por tanto la liberación de energía, consiguiendo una sustancial reducción del ruido y las vibraciones.

Otro tema de gran importancia en la combustión del motor Diesel es el diámetro de las gotas de combustible cuando se inyectan en la cámara, relacionado con el tamaño de los orificios del inyector y con la presión de inyección.

Una gota muy grande tardará más tiempo en evaporarse, y por tanto se acumulará mucho combustible antes de explotar y la premezcla será más intensa. Además, la combustión por difusión se prolongará más en el tiempo, lo que después veremos que puede no ser bueno. También habrá problemas para que en la difusión el combustible encuentre oxígeno.

Un problema típico de los Diesel de Inyección Directa es el goteo por el inyector. Si el inyector está sucio, inyecta gotas muy grandes que pueden llegar a impactar con el émbolo. Gotas ardiendo a alta velocidad dan como resultado una especie de soplete que puede acabar agujereando el émbolo, o calentándolo tanto que el pie de biela o el bulón se reblandecen y se puede producir su rotura.

Todo ésto hace que una de las luchas tradicionales del motor Diesel es buscar una presión de inyección lo más alta posible, conseguida a base de tener unos orificios de inyección cada vez más pequeños. Ya se está llegando al límite de tamaño de orificio de los inyectores con los métodos de fabricación actuales.

Además, resulta que el tamaño de las gotas tampoco debe ser demasiado pequeño, porque en esas condiciones en cuanto entran en la cámara son arrastradas por la corriente de aire, y al no haber velocidad relativa entre gotas y aire, se dificulta la vaporización. A mi parecer, los 2000 bares a los que actualmente se ha llegado, pueden parecer un límite superior a la presión de inyección bastante razonable.

Esta combustión, primero por premezcla y después por difusión, marcan un límite al régimen de giro del motor Diesel. Ésto es debido a que hay procesos cuya duración no depende del régimen de giro, y a medida que éste aumenta, la combustión va ocupando un ángulo cada vez mayor, es decir, por poner un ejemplo con números, si una gota tarda 3 milisegundos en evaporarse, eso son 36º de cigüeñal a 2000 rpm, pero 72º a 4000 rpm, y a más alto régimen todavía se está quemando cuando

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