1. Diferencias entre Motores de Explosión y Diésel

Los motores de explosión (ciclo de combustión a temperatura constante) y los diésel (ciclo de combustión a presión constante) se distinguen principalmente por sus ciclos teóricos. Independientemente de ello, se diferencian por:

  • Introducción de combustible:
    • Explosión: Mezcla de aire y combustible.
    • Diésel: Solo aire (el combustible se introduce posteriormente).
  • Forma de iniciar la combustión:
    • Explosión: Sistema de encendido por chispa.
    • Diésel: Sistema de encendido por compresión.
  • Combustible utilizado:
    • Explosión: Hidrocarburos ligeros con elevado poder calorífico y que se evaporan fácilmente (gasolina).
    • Diésel: Hidrocarburos líquidos, menos volátiles y más pesados (fuel-oil, gasoil, diésel-oil).
  • Relación de compresión:
    • Explosión: Valor oscila entre 6-10.
    • Diésel: Valor oscila entre 14-22.
  • Ciclo operativo:
    • Explosión: Generalmente de 4 tiempos (excepciones como fueraborda).
    • Diésel: Tanto de 2 tiempos como de 4 tiempos.

Ciclo de Trabajo de un Motor Diésel de 2 Tiempos

El ciclo de 2 tiempos se realiza en 2 carreras y una vuelta del eje del cigüeñal:

  • 1er Tiempo: Aspiración y Compresión
    • Corresponde a la carrera ascendente del pistón (del PMI al PMS).
    • La primera parte está dedicada a la fase de admisión, así como a la de barrido (por tener las galerías de escape abiertas), pero al continuar subiendo el pistón hacia el PMS (cuando cierra la galería de escape) se realiza la fase de compresión.
  • 2º Tiempo: Combustión y Escape
    • Este tiempo corresponde a la carrera de trabajo.
    • Se inicia en el PMS con el encendido y la combustión, dando paso a la expansión hasta que el pistón en su carrera descendente

2. Impacto de la Relación de Compresión en el Rendimiento del Motor

El aumento de la relación de compresión tiene un efecto significativo en el rendimiento global de un motor, especialmente en motores diésel. Este aumento conduce a una mejora en el rendimiento térmico debido a la mayor eficiencia de la combustión.

En motores diésel, la compresión más alta es posible porque comprimen solo aire, mientras que los motores de explosión (como los de ciclo Otto) deben considerar la inflamabilidad de la mezcla aire-combustible. En igualdad de relación de compresión, el ciclo teórico con mejor rendimiento térmico es el ciclo Otto, seguido por el ciclo mixto y luego el ciclo diésel. Esto se debe a que el ciclo Otto trabaja con una mayor proporción de calor añadido a volumen constante, lo cual optimiza su rendimiento térmico teórico.

El límite para aumentar la relación de compresión en motores de explosión incluye el riesgo de detonación o autoencendido prematuro de la mezcla aire-combustible, lo que limita el aumento de la compresión. En motores diésel, los límites están más relacionados con las cargas adicionales en los componentes del motor y las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx), que pueden aumentar con la temperatura más alta de la cámara de combustión debido a la mayor compresión.

3. Presión Media Indicada (PMI) y Diagramas Indicados

La PMI es una presión que, si actuase de forma constante durante la carrera, produciría el mismo trabajo sobre el pistón que la presión real, la cual varía continuamente en el ciclo y queda reflejada en el diagrama indicador. Por lo tanto, es un concepto que nos permite calcular el trabajo y, consecuentemente, la potencia de un motor.

La fórmula para calcular la PMI es:

Pmi = Sd / (Ld * er)

Donde:

  • Pmi: Presión media indicada.
  • Sd: Superficie del diagrama en mm2.
  • Ld: Longitud del diagrama en mm.
  • er: Constante (o escala) del resorte en mm/Pa.

Utilidad del Diagrama Indicado

Un diagrama indicado sirve para visualizar y comparar la presión real y la PMI a lo largo del ciclo de trabajo del motor. Es crucial para operaciones de regulación y mantenimiento, facilitando ajustes para restaurar el motor a sus condiciones óptimas.

Se considera correcto cuando coincide con el diagrama tomado en condiciones ideales (en el banco de pruebas), mientras que se considera incorrecto cuando no refleja fielmente el funcionamiento del motor, indicando posibles problemas o desgaste.

4. Pérdidas en el Rendimiento de Motores Térmicos

Se contemplan diversas pérdidas que afectan el rendimiento de un motor:

  • Rendimiento Térmico: Se tienen en cuenta las pérdidas por calor.
  • Rendimiento de Diagrama: Se incluyen todas las pérdidas que resultan en una superficie menor del diagrama indicado en comparación con el diagrama teórico.
  • Rendimiento Indicado: Se tienen en cuenta tanto las pérdidas incluidas en el rendimiento de diagrama como las correspondientes al rendimiento térmico.
  • Rendimiento Mecánico: Se tienen en cuenta las pérdidas por fricción, bombeo, accionamiento de auxiliares y accionamiento del compresor.
  • Rendimiento Global: Se tienen en cuenta todas las pérdidas mencionadas anteriormente.

5. Potencia Efectiva y Presión Media Efectiva en Motores

La potencia efectiva es la potencia medida en el eje del motor mediante frenos o torsiómetros. Esta potencia es siempre menor que la indicada debido a las pérdidas mecánicas reflejadas en el rendimiento mecánico.

Métodos para Obtener la Potencia Efectiva

Para obtener la potencia efectiva, se utilizan principalmente dos tipos de dispositivos:

Frenos (Medida Directa)

Los frenos absorben la potencia del motor y miden el par, permitiendo calcular la potencia. Existen diferentes tipos:

  • Frenos de fricción (no se emplean actualmente).
  • Frenos hidráulicos.
  • Frenos eléctricos (de corriente continua, alterna, de corrientes parásitas).

Torsiómetros (Medida Indirecta)

Los torsiómetros miden el ángulo de torsión en el eje del motor debido al par motor. Sirven para medir la potencia efectiva a bordo, calculando la potencia a partir del ángulo de torsión, el número de revoluciones y los parámetros del eje y del torsiómetro. Pueden ser:

  • Mecánicos.
  • Ópticos.
  • Eléctricos.
  • Electromagnéticos.
  • Con bandas extensiométricas.

Presión Media Efectiva (PME)

La presión media efectiva (PME) es una presión teórica que, introducida en la fórmula de la potencia indicada, daría la potencia efectiva del motor. Es un concepto comparativo entre motores y se obtiene multiplicando la presión media indicada por el rendimiento mecánico.

6. Combustiones Anormales en Motores de Explosión y el Índice de Octano

Las combustiones anormales en motores de explosión incluyen el encendido superficial y el autoencendido.

Encendido Superficial

El encendido superficial ocurre cuando puntos calientes en la cámara de combustión, como la válvula de escape o partículas carbonosas incandescentes, provocan la ignición del combustible antes de la chispa de la bujía, creando un frente de llama distinto del normal.

Autoencendido (Detonación)

El autoencendido se produce a partir de ciertas temperaturas (315°C) durante la fase de compresión, donde compuestos inestables provocan una combustión incontrolada, aumentando la temperatura y causando turbulencias que disminuyen el rendimiento del motor.

Influencia del Índice de Octano

El índice de octano mide la capacidad antidetonante de las gasolinas, comparando con mezclas de isoctano y heptano. Un mayor índice de octano indica una mayor resistencia a la detonación, mejorando así la estabilidad de la combustión y el rendimiento del motor.

7. Combustiones Anormales en Motores Diésel y el Número de Cetano

Las combustiones anormales en motores diésel incluyen el picado, que es una combustión brusca del combustible acumulado durante el retardo al encendido.

Si el retardo es breve, la combustión se inicia con un gradiente de presión bajo, resultando en un funcionamiento suave. Si el retardo es mayor, se acumula más combustible, causando un fuerte gradiente de presión y un funcionamiento rudo. En casos extremos, la acumulación excesiva de combustible puede provocar un aumento instantáneo de presión y violentas vibraciones, conocidas como picado.

Para reducir el picado, es crucial reducir el retardo al encendido.

Influencia del Número de Cetano

El número de cetano, que mide la capacidad de inflamación del combustible, indica que un valor más alto reduce el retardo al encendido y mejora el rendimiento del motor, ya que el combustible se quema más rápidamente y de manera más uniforme.