¿Se quema el diesel? Quema, y bastante fuerte. Su residuo que no participó en la combustión premezclada se consume en la fase de combustión a tasa variable.
La combustión en los motores diesel es muy difícil. Hasta la década de 1990, sus mecanismos detallados no se entendían bien. La temperatura de combustión del combustible diesel en la cámara de combustión también varió de un caso a otro. Durante décadas, la complejidad de este proceso pareció desafiar los intentos de los investigadores por desentrañar sus muchos secretos, a pesar de la disponibilidad de herramientas modernas como la fotografía de alta velocidad utilizada en motores "transparentes", la potencia de procesamiento de las computadoras modernas y muchos modelos matemáticos. diseñado para simular la combustión en diesel La aplicación de imágenes de láminas láser al proceso de combustión diésel tradicional en la década de 1990 fue la clave para mejorar en gran medida la comprensión de este proceso.
Este artículo cubriráel modelo de proceso más establecido para un motor diésel clásico. Esta combustión convencional del combustible diesel se controla principalmente mediante la mezcla, que puede ocurrir debido a la difusión del combustible y el aire antes del encendido.
Temperatura de combustión
¿A qué temperatura se quema el diesel? Si antes esta pregunta parecía difícil, ahora se le puede dar una respuesta completamente inequívoca. La temperatura de combustión del combustible diesel es de aproximadamente 500-600 grados centígrados. La temperatura debe ser lo suficientemente alta para encender la mezcla de combustible y aire. En países fríos donde predominan las bajas temperaturas ambientales, los motores tenían una bujía incandescente que calienta el puerto de admisión para ayudar a arrancar el motor. Es por eso que siempre debe esperar hasta que el ícono del calentador en el tablero se apague antes de arrancar el motor. También afecta la temperatura de combustión del combustible diesel. Consideremos qué otros matices hay en su trabajo.
Características
El requisito previo principal para quemar combustible diesel en un quemador controlado externamente es su forma única de liberar la energía química almacenada en él. Para llevar a cabo este proceso se debe disponer de oxígeno para facilitar la combustión. Uno de los aspectos más importantes de este proceso es la mezcla de combustible y aire, a menudo denominada premezcla.
Catalizador de combustión diésel
En los motores diésel, el combustible suele inyectarse en el cilindro del motor al final de la carrera de compresión, solo unos pocos grados del ángulo del cigüeñal antes del punto muerto superior. El combustible líquido generalmente se inyecta a alta velocidad en uno o más chorros a través de pequeños orificios o boquillas en la punta del inyector, se atomiza en finas gotas y entra en la cámara de combustión. El combustible atomizado absorbe el calor del aire comprimido calentado circundante, se evapora y se mezcla con el aire circundante a alta temperatura y alta presión. A medida que el pistón continúa acercándose al punto muerto superior (TDC), la temperatura de la mezcla (principalmente aire) alcanza su temperatura de ignición. La temperatura de combustión del combustible diesel Webasto no es diferente de la de otros grados de diesel, alcanzando alrededor de 500-600 grados.
El encendido rápido de algunos combustibles premezclados y aire se produce después de un período de retardo del encendido. Este encendido rápido se considera el inicio de la combustión y se caracteriza por un fuerte aumento en la presión del cilindro a medida que se consume la mezcla de aire y combustible. El aumento de presión que resulta de la combustión premezclada comprime y calienta la porción no quemada de la carga y acorta el tiempo antes de que se encienda. También aumenta la tasa de evaporación del combustible restante. Su pulverización, evaporación, mezcla con el aire continúa hasta que se quema todo. La temperatura de combustión del queroseno y del combustible diesel a este respecto puede ser similar.
Característica
Primero, analicemos la notación: entonces A es aire (oxígeno), F es combustible. La combustión diésel se caracteriza por una baja relación general A/F. La relación A/F promedio más baja se observa a menudo en condiciones de par máximo. Para evitar una generación excesiva de humo, el par máximo A/F normalmente se mantiene por encima de 25:1, muy por encima de la relación de equivalencia estequiométrica (químicamente correcta) de aproximadamente 14,4:1. Esto también se aplica a todos los activadores de combustión diésel.
En los motores diesel turboalimentados, la relación A/F en ralentí puede superar los 160:1. En consecuencia, el exceso de aire presente en el cilindro después de la combustión del combustible continúa mezclándose con los gases quemados y ya agotados. Cuando se abre la válvula de escape, se expulsa el exceso de aire junto con los productos de la combustión, lo que explica la naturaleza oxidativa del escape diésel.
¿Cuándo se quema el diésel? Este proceso ocurre después de que el combustible vaporizado se mezcla con el aire para formar una mezcla localmente rica. También en esta etapa se alcanza la temperatura adecuada de combustión del combustible diesel. Sin embargo, la relación A/F general es pequeña. En otras palabras, se puede decir que la mayor parte del aire que ingresa al cilindro de un motor diesel se comprime y calienta, pero nunca participa en el proceso de combustión. El oxígeno del exceso de aire ayuda a oxidar los hidrocarburos gaseosos y el monóxido de carbono, reduciéndolos a concentraciones extremadamente bajas en los gases de escape. Este proceso es mucho más importante que la temperatura de combustión del combustible diésel.
Factores
Los siguientes factores juegan un papel importante en el proceso de combustión diésel:
- La carga inducida del aire, su temperatura y su energía cinética en varias dimensiones.
- Atomización del combustible inyectado, penetración de salpicaduras, temperatura y características químicas.
Aunque estos dos factores son los más importantes, existen otros parámetros que pueden afectar significativamente el rendimiento del motor. Desempeñan un papel secundario pero importante en el proceso de combustión. Por ejemplo:
- Diseño de la entrada. Tiene una fuerte influencia en el movimiento del aire de carga (especialmente en el momento en que ingresa al cilindro) y en la tasa de mezcla en la cámara de combustión. Esto puede cambiar la temperatura de combustión del combustible diesel en la caldera.
- El diseño del puerto de admisión también puede afectar la temperatura del aire de carga. Esto se puede lograr transfiriendo el calor de la camisa de agua a través del área superficial de la entrada.
- Tamaño de la válvula de admisión. Controla la masa total de aire admitido en el cilindro durante un tiempo finito.
- Relación de compresión. Afecta a la evaporación, la velocidad de mezcla y la calidad de la combustión, independientemente de la temperatura de combustión del gasóleo en la caldera.
- Presión de inyección. Controla la duración de la inyección para un parámetro de apertura de boquilla dado.
- Geometría de atomización, que afecta directamente la calidad y la temperatura de combustión del combustible diesel y la gasolina paracuenta de uso de aire. Por ejemplo, un ángulo de cono de rociado más grande puede colocar combustible encima del pistón y fuera del tanque de combustión en motores diésel DI de cámara abierta. Esta condición puede conducir a un "humo" excesivo ya que al combustible se le niega el acceso al aire. Los ángulos de cono anchos también pueden hacer que el combustible salpique en las paredes del cilindro en lugar de dentro de la cámara de combustión donde se requiere. Rociado sobre la pared del cilindro, eventualmente se moverá hacia el cárter de aceite, acortando la vida útil del aceite lubricante. Debido a que el ángulo de rociado es una de las variables que afecta la tasa de mezcla de aire en el chorro de combustible cerca de la salida del inyector, puede tener un efecto significativo en el proceso de combustión general.
- Configuración de válvula que controla la posición del inyector. Los sistemas de dos válvulas crean una posición inclinada del inyector, lo que significa una pulverización desigual. Esto conduce a una violación de la mezcla de combustible y aire. Por otro lado, los diseños de cuatro válvulas permiten el montaje vertical del inyector, la atomización simétrica del combustible y el acceso equitativo al aire disponible para cada atomizador.
- Posición del segmento superior del pistón. Controla el espacio muerto entre la parte superior del pistón y la camisa del cilindro. Este espacio muerto atrapa aire que se comprime y expande sin siquiera participar en el proceso de combustión. Por lo tanto, es importante comprender que el sistema del motor diesel no se limita a la cámara de combustión, las boquillas de los inyectores ysu entorno inmediato. La combustión incluye cualquier parte o componente que pueda afectar el resultado final del proceso. Por lo tanto, nadie debería tener dudas sobre si el combustible diesel se quema.
Otros detalles
Se sabe que la combustión diésel es muy pobre con una relación aire/combustible:
- 25:1 a par máximo.
- 30:1 a velocidad nominal y máxima potencia.
- Más de 150:1 en ralentí para motores turboalimentados.
Sin embargo, este aire adicional no está incluido en el proceso de combustión. Se calienta bastante y se agota, por lo que el escape de diésel se vuelve pobre. Aunque la relación aire-combustible promedio es baja, si no se toman las medidas adecuadas durante el proceso de diseño, las áreas de la cámara de combustión pueden ser ricas en combustible y generar emisiones de humo excesivas.
Cámara de combustión
Un objetivo clave del diseño es garantizar una mezcla suficiente de combustible y aire para mitigar los efectos de las áreas ricas en combustible y permitir que el motor alcance sus objetivos de rendimiento y emisiones. Se ha encontrado que la turbulencia en el movimiento del aire dentro de la cámara de combustión es beneficiosa para el proceso de mezclado y puede usarse para lograrlo. El vórtice creado por la entrada se puede amplificar y el pistón puede crearapretando a medida que se acerca a la culata para permitir más turbulencia durante el acto de compresión debido al diseño correcto de la copa en la cabeza del pistón.
El diseño de la cámara de combustión tiene el impacto más significativo en las emisiones de partículas. También puede afectar a los hidrocarburos no quemados y al CO. Aunque las emisiones de NOx dependen del diseño del recipiente [De Risi 1999], las propiedades del gas a granel juegan un papel muy importante en sus niveles de gases de escape. Sin embargo, debido a la compensación de NOx/PM, los diseños de los combustores tuvieron que evolucionar a medida que disminuían los límites de emisión de NOx. Esto se requiere principalmente para evitar el aumento de las emisiones de PM que de otro modo ocurriría.
Optimización
Un parámetro importante para optimizar el sistema de combustión del combustible diésel en el motor es la proporción de aire disponible que interviene en este proceso. El factor K (relación entre el volumen de la copa del pistón y el espacio libre) es una medida aproximada de la proporción de aire disponible para la combustión. La reducción de la cilindrada del motor conduce a una disminución del coeficiente relativo K ya una tendencia a empeorar las características de combustión. Para un desplazamiento dado y con una relación de compresión constante, el factor K se puede mejorar eligiendo una carrera más larga. La selección de la relación entre el diámetro interior del cilindro y el motor puede verse afectada por el factor K y una serie de otros factores, como el embalaje del motor, los diámetros interiores y las válvulas, etc.
Posibles dificultades
Un problema particularmente importante al configurarLa relación máxima entre cilindro y carrera radica en el muy complejo empaque de la culata. Esto es necesario para acomodar el diseño de cuatro válvulas y el sistema de inyección de combustible de riel común con el inyector ubicado en el centro. Las culatas de cilindros son complejas debido a los muchos canales, que incluyen refrigeración por agua, pernos de retención de la culata de cilindros, puertos de admisión y escape, inyectores, bujías incandescentes, válvulas, vástagos de válvulas, huecos y asientos, y otros canales utilizados para la recirculación de gases de escape en algunos diseños.
Las cámaras de combustión de los modernos motores diésel de inyección directa pueden denominarse cámaras de combustión abiertas o secundarias.
Abrir cámaras
Si el orificio superior de la taza en el pistón tiene un diámetro menor que el máximo del mismo parámetro de taza, entonces se llama retornable. Tales cuencos tienen un "labio". Si no, entonces esta es una cámara de combustión abierta. En los motores diesel, estos diseños de sombrero mexicano se conocen desde la década de 1920. Se usaron hasta 1990 en motores de servicio pesado hasta el punto en que el recipiente de retorno se volvió más importante de lo que solía ser. Esta forma de cámara de combustión está diseñada para tiempos de inyección relativamente avanzados, donde el recipiente contiene la mayoría de los gases de combustión. No es adecuado para estrategias de inyección retardada.
Motor diésel
Lleva el nombre del inventor Rudolf Diesel. Es un motor de combustión interna en el que la ignición del combustible inyectado es causada por el aumentotemperatura del aire en el cilindro debido a la compresión mecánica. Diesel funciona comprimiendo solo aire. Esto eleva la temperatura del aire dentro del cilindro hasta tal punto que el combustible atomizado inyectado en la cámara de combustión se enciende espontáneamente.
Esto es diferente de los motores de encendido por chispa, como los de gasolina o GLP (que usan combustible gaseoso en lugar de gasolina). Utilizan una bujía para encender la mezcla de aire y combustible. En los motores diésel, las bujías incandescentes (calentadores de la cámara de combustión) se pueden usar para facilitar el arranque en climas fríos y también con relaciones de compresión bajas. El diesel original opera en un ciclo de presión constante de combustión gradual y no produce un estampido sónico.
Características generales
Diesel tiene la eficiencia térmica más alta de cualquier motor de combustión interna y externa práctico debido a su relación de expansión muy alta y su combustión pobre inherente, lo que permite que el exceso de aire disipe el calor. También se evita una pequeña pérdida de eficiencia sin inyección directa, ya que no hay combustible sin quemar cuando se cierra la válvula y el combustible no fluye directamente desde el dispositivo de admisión (inyector) al tubo de escape. Los motores diésel de baja velocidad, como los que se utilizan en los barcos, pueden tener eficiencias térmicas superiores al 50 por ciento.
Los motores diésel se pueden diseñar como motores de dos o cuatro tiempos. Originalmente se usaron comoReemplazo efectivo de las máquinas de vapor estacionarias. Desde 1910 se han utilizado en submarinos y barcos. Más tarde siguió su uso en locomotoras, camiones, equipos pesados y centrales eléctricas. En los años treinta del siglo pasado, encontraron un lugar en el diseño de varios automóviles.
Ventajas y desventajas
Desde la década de 1970, ha aumentado el uso de motores diésel en vehículos de carretera y todoterreno más grandes en los EE. UU. Según la Sociedad Británica de Fabricantes y Fabricantes de Motores, la media de vehículos diésel en la UE es del 50 % de las ventas totales (entre ellas, el 70 % en Francia y el 38 % en el Reino Unido).
En climas fríos, arrancar motores diesel de alta velocidad puede ser difícil ya que la masa del bloque y la culata absorben el calor de la compresión, evitando la ignición debido a la mayor relación superficie-volumen. Anteriormente, estas unidades usaban pequeños calentadores eléctricos dentro de cámaras llamadas bujías incandescentes.
Vistas
Muchos motores usan calentadores de resistencia en el colector de admisión para calentar el aire de admisión y para arrancar o hasta alcanzar la temperatura de funcionamiento. Los calentadores de bloque de motor resistivos eléctricos conectados a la red eléctrica se utilizan en climas fríos. En tales casos, debe estar encendido durante mucho tiempo (más de una hora) para reducir el tiempo de puesta en marcha y el desgaste.
Los calentadores de bloque también se utilizan para suministros de energía de emergencia con generadores diésel, que necesitan descargar energía rápidamente en caso de un corte de energía. En el pasado, se ha utilizado una variedad más amplia de métodos de arranque en frío. Algunos motores, como el Detroit Diesel, usaban un sistema para introducir pequeñas cantidades de éter en el colector de admisión para iniciar la combustión. Otros han utilizado un sistema mixto con un calentador de resistencia que quema metanol. Un método improvisado, especialmente en motores que no funcionan, es rociar manualmente una lata de aerosol de líquido esencial en la corriente de aire de admisión (generalmente a través del conjunto del filtro de aire de admisión).
Diferencias con otros motores
Las condiciones del diésel son diferentes a las del motor de encendido por chispa debido al diferente ciclo termodinámico. Además, la potencia y velocidad de su giro está directamente controlada por el suministro de combustible, y no de aire, como en un motor cíclico. La temperatura de combustión del combustible diesel y la gasolina también puede diferir.
El motor diesel promedio tiene una relación potencia-peso más baja que un motor de gasolina. Esto se debe a que el diésel tiene que funcionar a RPM más bajas debido a la necesidad estructural de piezas más pesadas y resistentes para soportar la presión de funcionamiento. Siempre es causado por una alta relación de compresión del motor, lo que aumenta las fuerzas en la pieza debido a las fuerzas de inercia. Algunos motores diesel son para uso comercial. Esto se ha confirmado repetidamente en la práctica.
Los motores diésel normalmentetener un golpe largo. Básicamente, esto es necesario para facilitar el logro de las relaciones de compresión requeridas. Como resultado, el pistón se vuelve más pesado. Lo mismo puede decirse de las varillas. Se debe transmitir más fuerza a través de ellos y del cigüeñal para cambiar el impulso del pistón. Esta es otra razón por la que un motor diésel debe ser más potente para obtener la misma potencia que un motor de gasolina.
