Como se produce la combustion en un motor diesel
Postcombustión en el motor diesel
Los motores diesel convierten la energía química del combustible en energía mecánica. La energía se libera en una serie de combustiones cuando el combustible reacciona con el oxígeno del aire. La ecuación química de la combustión del gasóleo es 4 C12H23 +71 O2 -> 48 CO2 + 46 H2O. Las reacciones de combustión son espontáneas y producen un -∆G. La reacción pasa de 71 moles de gas O2 a 48 moles de CO2 y produce un -∆S. Las reacciones de combustión rompen los enlaces entre las moléculas señalando una reacción exotérmica o -∆H.
El objetivo final del motor diésel es convertir la energía potencial del combustible diésel en energía mecánica que haga avanzar el coche. Ya se ha explicado que la reacción de combustión del gasóleo es la responsable de ello. La reacción es 4 C12H23 +71 O2 -> 48 CO2 + 46H2O. Por supuesto, hay más cosas que ocurren. Esto se refiere a la combustión completa del gasóleo, que en realidad no se produce. Hay otros productos que pueden incluir CO y combustible no quemado. Cuando la reacción no es la combustión completa, esto hace que la reacción produzca menos energía. Esto ocurre cuando hay una falta de oxígeno, por lo que no todo el combustible puede combustionar y también puede verse en un mechero Bunsen. Para simplificar, supondremos que el gasóleo se quema completamente.
Combustión interna
Los motores diésel DI típicos funcionan con una inyección de combustible que tiene lugar dentro de un rango de unos 30 grados de ángulo del cigüeñal antes del punto muerto superior, al final de la carrera de compresión. Cuando la inyección tiene lugar mucho antes, al principio de la carrera de compresión, se produce otra forma de combustión, que denominamos combustión diesel pobre premezclada o PREDIC. Con el funcionamiento PREDIC, el autoencendido se produce cerca del punto muerto superior y las emisiones de NOx son drásticamente menores. Cuando se produce la ignición, se cree que la mezcla de combustible y aire es casi homogénea, con sólo una ligera heterogeneidad. La formación adecuada de la pulverización de combustible es muy importante para el éxito del funcionamiento de PREDIC. Utilizando un modelo de formación de NOx en una sola zona, los cálculos mostraron que la relación media de exceso de aire en la zona de combustión PREDIC era de 1,87, lo que dio lugar a emisiones de NOx muy bajas (20 ppm). La combustión convencional en las mismas condiciones dio lugar a una relación media de exceso de aire en la zona de combustión de 0,88. Las emisiones de NOx extremadamente bajas de PREDIC son el resultado de una relación combustible-aire muy pobre y de un patrón de liberación de calor suave. Una de las deficiencias del funcionamiento de PREDIC es la falta de control del tiempo de encendido, lo que abre la posibilidad de un mayor consumo de combustible y velocidad de combustión (golpeteo), y limita la región de funcionamiento del motor. Para ello, se mezclaron varias especies de gases inertes con el aire de admisión. El uso de CO2 fue el más prometedor en términos de control del tiempo de encendido.
Tiempo de retardo del encendido en el motor diesel
El ciclo de combustión de un motor diesel es sencillo. Consta de cuatro fases, que tienen la misión de transformar la energía térmica, suministrada por el gasóleo y el aire, en energía mecánica. Cabe destacar que el motor diesel, como todos los motores de combustión interna, es muy ineficiente, ya que en las cuatro fases de su ciclo, sólo una produce energía mecánica útil para moverse, mientras que las otras tres absorben la energía. Sin embargo, veamos en detalle las cuatro partes.
Las válvulas de admisión se abren para permitir la entrada de aire. El pistón va desde el punto muerto superior (PMS) hasta el punto muerto inferior (PMI), durante este recorrido la biela realiza 1 carrera y el cigüeñal gira 180º. Al descender, crean una fuerte depresión en la cámara de combustión; gracias a esta depresión y a la introducción de combustible por un inyector, la cámara se llena.
Las válvulas se cierran y el pistón sube comprimiendo el combustible dentro de la cámara de combustión. En los motores diésel, las presiones que se alcanzan al final de esta fase son superiores a las de los motores de encendido por chispa para permitir el autoencendido de la mezcla.
Motor de combustión interna
El motor diésel, que lleva el nombre de Rudolf Diesel, es un motor de combustión interna en el que el encendido del combustible se produce por la elevada temperatura del aire en el cilindro debido a la compresión mecánica; por lo tanto, el motor diésel es un motor llamado de encendido por compresión (motor CI). Esto contrasta con los motores que utilizan el encendido por bujía de la mezcla de aire y combustible, como un motor de gasolina o un motor de gas (que utiliza un combustible gaseoso como el gas natural o el gas licuado de petróleo).
Los motores diésel funcionan comprimiendo sólo aire, o aire más los gases de combustión residuales del escape (lo que se conoce como recirculación de los gases de escape (EGR)). El aire se introduce en la cámara durante la carrera de admisión y se comprime durante la carrera de compresión. Esto aumenta la temperatura del aire en el interior del cilindro hasta tal punto que el combustible diesel atomizado inyectado en la cámara de combustión se enciende. Al inyectar el combustible en el aire justo antes de la combustión, la dispersión del combustible es desigual; esto se denomina mezcla heterogénea de aire y combustible. El par que produce un motor diésel se controla manipulando la relación aire-combustible (λ); en lugar de estrangular el aire de admisión, el motor diésel se basa en alterar la cantidad de combustible que se inyecta, y la relación aire-combustible suele ser alta.