Proceso de Combustión Diesel

La combustión diesel ocurre cuando se inyecta gasóleo en el interior del cilindro contra el aire que está comprimido, con una relación que puede llegar a 1:24. Esta mezcla se inflama debido a las altas temperaturas, que pueden alcanzar hasta los 800 °C.

Ciclo de Trabajo Diesel

  • Admisión: El pistón se desplaza desde el Punto Muerto Superior (PMS) al Punto Muerto Inferior (PMI) y aspira aire debidamente filtrado a través de la válvula de admisión, permitiendo rellenar el cilindro con este fluido gaseoso.
  • Compresión: Las dos válvulas están cerradas; el pistón sube del PMI al PMS comprimiendo el aire en el espacio destinado para la cámara de combustión. El aire puede alcanzar temperaturas de entre 500 y 700 °C.
  • Inyección-combustión: Unos grados antes de que el pistón llegue al PMS, se inyecta gasóleo finamente pulverizado el cual, poco después de entrar en contacto con el aire muy caliente que se ha comprimido, produce la combustión, con lo que las partículas de combustible se queman.
  • Escape: Hacia el final del recorrido precedente, la válvula de escape se abre permitiendo a los gases quemados salir voluntariamente del cilindro, gracias a que su presión es superior a la atmosférica.

Tipos de Cámaras de Combustión

Cámara de Precombustión

En este sistema, el aire está comprimido en la antecámara y en la cámara principal. El combustible se inyecta en la antecámara mediante un inyector de un solo orificio, comenzando aquí la precombustión y terminando en la cámara. La presión suele oscilar entre 110 y 150 bares. Las combustiones son suaves y progresivas; para este sistema se necesitan calentadores situados en la antecámara.

Cámara de Turbulencia

Se trata, en cierto modo, de un sistema mejorado con respecto al anterior. Un canal tangencial une la cámara de turbulencia con la principal. Cuando se comprime el aire, este pasa casi en su totalidad a la cámara; el gasóleo se inyecta en esta, produciéndose allí casi la totalidad de la combustión. Las combustiones también son suaves y se necesitan calentadores para el arranque en frío.

Combustión Directa

El chorro de combustible se dirige al interior del cilindro contra la cabeza del pistón, donde suele estar la cámara de combustión. Esto supone una mayor facilidad para crear remolinos en el aire y, como consecuencia, una mejora en la vaporización del combustible. Se emplean inyectores de varios orificios y la presión de inyección suele estar entre 160 y 250 kg/cm². Tiene la ventaja de un menor consumo de combustible y un fácil arranque; el calentador no es siempre necesario y se usan habitualmente en motores de pequeña cilindrada y baja temperatura.

El Gasóleo: Composición y Características

El gasóleo se define como una mezcla de hidrocarburos que proceden del refinado del petróleo. Su composición es variable.

Características Principales

Las propiedades fundamentales incluyen: número de cetano, punto de inflamación, poder calorífico, densidad, punto de cristalización, contenido de azufre, volatilidad, viscosidad, contenido de cenizas, y contenido de agua y sedimentos.

  • Número de cetano: Es el índice que nos indica la capacidad que tiene un gasóleo para inflamarse.
  • Punto de inflamabilidad: Es la temperatura más baja a la cual el combustible desprende vapores en cantidad suficiente para inflamarse momentáneamente cuando se pone en contacto con una llama. En el caso del gasóleo, debe ser superior a 55 °C.
  • Poder calorífico: Indica la cantidad de calor producido por el gasóleo cuando se quema completamente. Refleja, por tanto, la energía térmica potencialmente disponible. Se expresa en kcal/kg o en kJ/kg. Existen dos tipos:
    • Poder calorífico superior: Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de 1 kg de gasóleo.
    • Poder calorífico inferior: Es el poder calorífico superior menos la cantidad de calor que cede el vapor de agua al condensarse.
  • Densidad: Se llama densidad de un producto a la masa del mismo por unidad de volumen a una temperatura dada. La densidad está en función de la temperatura. La densidad del gasóleo comercializado en Europa oscila entre 0,825 y 0,860 kg/l.
  • Punto de cristalización: Cuando las temperaturas son muy bajas, la parafina contenida en el gasóleo tiende a solidificarse en forma de cristales, los cuales pueden llegar a bloquear los filtros del vehículo. El punto de cristalización debe estar entre -20 y -30 °C.
  • Contenido de azufre: El azufre, durante el proceso de combustión, se transforma en dióxido de azufre (SO2) y en otros óxidos de azufre conocidos como SOx. Son nocivos para el medio ambiente y también para el ser humano debido a su gran acidez. El porcentaje de azufre en los gasóleos no debe superar el 0,05%. En el gasóleo A, el contenido máximo de azufre es de 50 mg/kg; a partir de enero de 2009, su contenido está limitado a 10 mg/kg. Tanto en el gasóleo B como en el C, el contenido de azufre es de 1000 mg/kg a partir del 1 de enero de 2008.
  • Volatilidad: Es la rapidez con la que un líquido pasa de estado líquido a vapor. Cuanto menor sea la temperatura, menor será la volatilidad. Debido al tipo de mezcla y de combustión, en los motores diesel no se necesita que el combustible sea demasiado volátil. El campo de destilación de los gasóleos está aproximadamente entre 200 y 300 °C.
  • Viscosidad: Mide la resistencia de un líquido al fluir. A mayor viscosidad, mayor resistencia y menos fluidez. Esta propiedad se ve afectada por la temperatura: cuanto mayor sea esta, menos viscoso será el líquido. Por tanto, cuando se defina la viscosidad de un producto, se deberá expresar su temperatura.
  • Contenido de ceniza: Las cenizas suelen estar compuestas de arenas y hollín, que son muy abrasivos. El contenido de ceniza debe ser el más bajo posible para eludir un desgaste prematuro de los motores.
  • Contenido de agua y sedimentos: Proceden de la manipulación y el almacenamiento de los mismos. Están formados de materia carbonosa y metales u otros materiales inorgánicos. Pueden ser el origen de corrosión y desgaste tanto de la bomba inyectora como de los inyectores. Una cantidad de agua excesiva provoca anormalidades en el funcionamiento.
  • Aditivos: Contribuyen a proteger contra la corrosión, aumentar el Número de Cetano (NC), mejorar la limpieza de los inyectores e incrementar la operatividad en frío.

Especificaciones Técnicas y Resumen de Propiedades

La presión de inyección suele estar entre 160 y 250 kg/cm². Esto ofrece la ventaja de un menor consumo de combustible y un fácil arranque, donde el calentador no es siempre necesario, utilizándose comúnmente en motores de pequeña cilindrada y baja temperatura.

El gasóleo, como mezcla de hidrocarburos procedentes del refinado del petróleo, posee una composición variable. Entre sus características fundamentales destacan el número de cetano, punto de inflamación, poder calorífico, densidad, punto de cristalización, contenido de azufre, volatilidad, viscosidad, contenido de cenizas, y contenido de agua y sedimentos.

Detalles Adicionales de las Propiedades:

  • Número de cetanos: Es el índice que nos indica la capacidad que tiene un gasóleo para inflamarse.
  • Punto de inflamabilidad: Es la temperatura más baja a la cual el combustible desprende vapores en cantidad suficiente para inflamarse momentáneamente al contacto con una llama (mínimo 55 °C para el gasóleo).
  • Poder calorífico: Refleja la energía térmica disponible. El poder calorífico superior es el calor total desprendido, mientras que el poder calorífico inferior descuenta el calor cedido por el vapor de agua al condensarse.
  • Densidad: Masa por unidad de volumen, dependiente de la temperatura (en Europa: 0,825 – 0,860 kg/l).
  • Punto de cristalización: Evita que la parafina bloquee los filtros (rango de -20 a -30 °C).
  • Contenido de azufre: Limitado estrictamente por normativas ambientales (hasta 10 mg/kg en gasóleo A desde 2009) para reducir la emisión de SOx.
  • Volatilidad y Viscosidad: Propiedades críticas para la formación de la mezcla y la fluidez del combustible, altamente dependientes de la temperatura de operación.
  • Cenizas, agua y sedimentos: Factores que deben minimizarse para evitar la abrasión, corrosión y desgaste de componentes críticos como la bomba e inyectores.
  • Aditivos: Elementos esenciales para mejorar el Número de Cetano, la limpieza y la protección anticorrosiva del sistema.