La formación de la Mezcla y la Combustión en Motores Diesel

La formación de la mezcla y la combustión

Factores que intervienen en la formación de la mezcla.

Posiciones de elementos bombantes Bosch para distintas cargas.

En los motores de explosión se comprime una mezcla homogénea de proporciones adecuadas de las masas de aire y combustible previamente preparada en el carburador o directamente en el múltiple de admisión en el caso de motores con sistema de inyección electrónica.

Carburador Básico.

En cambio, en los motores Diesel la mezcla del combustible con el aire se realiza al mismo tiempo que su combustión, únicamente las primeras partículas de combustible inyectado encuentran a su entrada en el cilindro aire puro, las restantes tienen que atravesar los productos de una combustión en los que el aire ya ha sido utilizado. Esto da lugar a que en el cilindro existan zonas con exceso de combustible, mientras que en otras el aire es difícilmente alcanzado por el combustible.
Por consiguiente, es necesario que el combustible inyectado quede distribuido perfectamente en la cámara de combustión con la mayor rapidez posible. Para conseguir esto, a la cámara de combustión se le ha dado formas especiales de modo que se adapte a la forma del chorro.
Al aire de aspiración se le imprime un movimiento de rotación durante la carrera de aspiración, valiéndose para ello de la pantalla deflectora, dispuesta en la válvula de admisión o en virtud de la forma especial del conducto de aspiración, que da lugar a que al entrar el aire en una sola dirección y ser desviado por las paredes del cilindro adquiere un movimiento de rotación, contándose así para la combustión con una ayuda eficaz que favorece a la formación de la mezcla. Y por último, dotando a los inyectores con toberas de agujeros múltiples.

La temperatura y la compresión en el desarrollo de la combustión.
EL proceso de combustión en los motores de explosión se inicia por la inflamación de la mezcla en un punto perfectamente determinado de la cámara de combustión, propagándose con gran rapidez por toda la masa.
En los motores Diesel, el encendido se inicia simultáneamente en una zona considerable de la cámara de combustión, complicándose el desarrollo de la combustión por la simultaneidad de los fenómenos de la mezcla del combustible pulverizado con el aire y del calentamiento del combustible hasta su punto de encendido.
La duración de la combustión en los motores Diesel, depende de la rapidez con que la temperatura de encendido alcance el centro de las partículas combustibles. La combustión que se inicia en la superficie de la partícula crea a su alrededor una atmosfera de gases inertes que dificultan la continuación de esta. Sin embargo, el movimiento relativo que se produce entre el combustible pulverizado y el aire, origina una especie de barrido de los gases quemados permitiendo que el combustible en franca combustión entre nuevamente en contacto con el aire aportado.
La acción de este barrido que favorece en gran manera la rapidez de la combustión, es tanto más acusado cuanto mayor sea la turbulencia del aire y la velocidad relativa de las partículas combustibles, especialmente si son opuestas las direcciones del chorro de combustible y del aire.
Otros de los hechos que favorecen la combustión en los motores Diesel es el descenso del punto de encendido del combustible al aumentar la presión de compresión.
En un motor Diesel el aumento de la presión de compresión se manifiesta en un aumento de la temperatura del aire comprimido en la cámara de combustión, lo cual se traduce en una mayor diferencia de temperatura entre las partículas de combustible y el aire que las rodea, favoreciendo su calentamiento y disminuyendo el retardo del encendido y, por consiguiente, la tendencia del "pistoneo" propio de los motores Diesel, llamado por algunos autores como "Golpe Diésel".

Coeficiente de exceso de aire.
En los motores de explosión se consigue formar una mezcla de proporciones adecuadas de las masas de aire y combustible apta para desarrollar la máxima cantidad de calor. La mezcla intima se realiza antes del encendido con lo que el combustible puede arder totalmente si se mezcla con la cantidad de aire preciso.
Por el contrario, en el motor Diesel la formación de la mezcla y la combustión se realiza simultáneamente, no siendo por ello posible que las partículas de combustible encuentren el oxigeno necesario para su combustión, a no ser que el aire esté presente en abundancia.
La cantidad de aire que necesita un combustible para arder completamente depende de su composición química, o sea de los cuerpos que entran en su composición y la cantidad de cada uno de ellos. Teóricamente se admite que la combustión de 1 kg. de combustible liquido precisa 15 kg. de aire. Sin embargo, el proceso de la formación de la mezcla y su combustión, requiere, con objeto de alcanzar la combustión completa, una mayor cantidad de aire del que resulta del calculo teórico, con el fin de asegurar la suficiente aportación de oxigeno y originar una combustión rápida y completa.
En la práctica, y especialmente por lo que se refiere al motor Diesel, es necesario un exceso de aire para que la combustión sea completa.

Este exceso de aire, conocido por coeficiente de exceso de aire, lamentablemente reduce la potencia que podría obtenerse de un cilindro de determinadas condiciones, al ser menor la cantidad de combustible que teóricamente puede quemar.
El coeficiente de exceso de aire, se expresa mediante la relación:

C= Gr/Gt

Siendo C el coeficiente de exceso de aire, Gr a cantidad de aire real y Gt a la teórica.
La mejor práctica aconsejable es contar con un 60% de exceso de aire para obtener una combustión eficiente.

La combustión; procedencia de los humos.
La combustión es el fenómeno que da lugar a la producción de trabajo. El estudio del problema de la combustión, ha conducido a ciertas observaciones importantes.
La observación de los gases quemados a su salida de los colectores de escape es un medio precioso que sirve para averiguar cómo se realiza la combustión en el interior del cilindro, y constituye un elemento importante para la condición del motor.
No se debe olvidar que un motor bien regulado, atendido y sin sobrecarga, ha de facilitar en el escape unos gases quemados incoloros, la señal corriente de una combustión mala es el humo que aparece en el escape.
Es evidente que se pueden sacar múltiples consecuencias de la aparición de humos azules o negros en la salida de los colectores de escape del motor Diesel.

Los humos azulados indican que los gases contienen aceites recalentados en estado de vapor sin quemar. Los humos son sensiblemente más grises y menos azulados cuando el aceite de engrase se quema, esto es debido a que algunos aros no son suficientemente estancos por haberse rota o deformado, lo que permite que el aceite de engrase pase a la cámara de combustión.

Los humos gris/negros o negruzcos indican en general un exceso de combustible o bien que este se quema parcialmente. En los motores de dos tiempos la presencia de humo negro puede ser debida a una defectuosa regulación de la presión de barrido o también a una avería de las bombas de barrido.

En todos los casos es preciso eliminar las causas de la aparición de los humos negros, porque van siempre acompañados de efectos desastrosos para el funcionamiento del motor. Aparecen inevitablemente depósitos bituminosos y de carbón que se depositan en los vástagos de las válvulas produciendo su agarrotamiento, así como en toda la superficie troncocónica de los émbolos, donde puede ser la causa de que los aros de peguen.

Los humos blancos en el escape proceden de la vaporización de cierta cantidad de agua, este hecho se presenta por lo general al arrancar el motor a causa de las condensaciones de agua en los cilindros y colectores de escape.

Los cilindros que producen humo denotan temperaturas más elevadas indicadas por el pirómetro colocado en el escape, puesto que la combustión retardada hace que salgan los gases aun en franca combustión a través de las galerías o válvulas de escape.

Efecto de la combustión imperfecta: origen de las chispas.
Cuando el combustible no encuentra la suficiente cantidad de aire para la perfecta combustión, una parte del carbono contenido en el combustible se quemara de manera imperfecta, dando como resultado oxido de carbono. Por lo tanto la presencia de oxido de carbono en el escape es un síntoma que acompaña a la combustión incompleta.
El resultado de una mala combustión es la formación de depósitos que se producen en las cámaras de combustión, los cuales pueden ocasionar perturbaciones en el funcionamiento del motor, especialmente cuando estos depósitos de carbón se han endurecido y se encuentran en las válvulas, en la cabeza del embolo y en toda la cámara de combustión.
El origen de las chispas es una consecuencia de los residuos de la carbonilla, sedimentos y suciedades procedentes del combustible y del aire que no pudieron ser retenidos en los filtros, así como del contenido de cenizas.
El porcentaje de depósitos y cenizas de los combustibles debe de ser bajo con el fin de evitar el desgaste de los cilindros, válvulas y aros del motor. Es necesario que el combustible utilizando este relativamente libre de impurezas que son las que forman la mayor parte de las cenizas que contienen los depósitos de carbonilla.

"Pistoneo", autoencendido y detonación.
Por "pistoneo" se entiende un ruido claro, estridente y duro, que surge a veces en el punto muerto alto del cilindro y que no debe de confundirse con los otros más sordos, producidos, por ejemplo, por la flojedad o desgaste de las articulaciones.
El "pistoneo" en el motor Diesel está motivado por el adelanto de la inyección, que a su vez depende del tiempo requerido por el combustible para iniciar su combustión. En efecto, entre el momento en que se inicia la inyección del combustible y el instante en que comienzan a apreciarse los efectos de su combustión, existe un cierto intervalo de tiempo que se llama retardo al encendido. El combustible inyectado no se enciende instantáneamente, pues requiere un breve tiempo para comenzar su combustión, que depende entre otros factores de la calidad, presión en el interior del cilindro y temperatura del aire. Es evidente que cuanto mayor sea este retardo al encendido mayor será la acumulación de combustible en el cilindro que debe encenderse espontáneamente, el cual producirá un rápido aumento de presión que se percibe como un fuerte golpe o detonación.
Interesa, a fin de reducir este "pistoneo" perjudicial, además de la calidad del combustible utilizado con un alto índice de cetano, que facilita una mejor tendencia a la detonación, conseguir una relación de compresión elevada que contribuya a acelerar la combustión y se pueda, con ello, disminuir el adelanto de la inyección.

El autoencendido y la detonación son dos fenómenos propios de los motores de explosión.
El autoencendido se produce siempre durante el periodo de compresión al rebasar la temperatura de encendido del combustible y sin necesidad de chispa eléctrica. De ello, se deduce la necesidad, para evitar el autoencendido, que la temperatura alcanzada por la mezcla en la compresión sea bastante inferior a la de dicho punto. Es necesario disponer de cierto margen, toda vez que no es la temperatura media de la masa gaseosa comprimida la que debe de considerarse, sino la máxima temperatura que pueda existir en un punto cualquiera de la cámara de combustión, que es lo que en definitiva puede provocar la explosión anticipada. Los valores que esta temperatura máxima suele alcanzar es considerable y muy superior a la temperatura media de la masa gaseosa, ello es debido a la presencia de puntos incandescentes en las válvulas de escape o en los electrodos de las bujías, o bien por depósitos incandescentes de carbonilla adheridos a las paredes del cilindro o en la cabeza del embolo.

En cambio, la detonación se produce durante la última fase de la combustión, a consecuencia de la combustión espontanea y simultanea de toda la mezcla que aun no ha sido quemada, inicialmente solo se enciende una pequeña parte de la masa explosiva próxima a la bujía.
A medida que la combustión se propaga progresivamente con una velocidad variable que depende de la riqueza de la mezcla y de su temperatura, el frente de la llama se ensancha y al hacerlo comprime la mezcla sin quemar hasta el punto de encendido, dando lugar a una combustión instantánea con un aumento considerable de la presión, que origina una onda explosiva que, a su vez, golpea las paredes del cilindro y que se percibe como un ruido metálico u agudo que acompaña a la combustión.
La detonación produce un calentamiento excesivo de las válvulas, embolo, culata, bujías y bloque del cilindro, así como una considerable pérdida de potencia. Para evitar la detonación en los motores de explosión, es preciso que los combustibles tengan una mayor estabilidad química, lo cual se consigue mediante los llamados antidetonantes que aumentan convenientemente el índice de octano de los combustibles utilizados.
Vemos, pues, que los factores que tienden a aumentar la tendencia a la detonación en un motor de explosión, tienden en cambio a disminuirla en un motor Diesel. En un motor de explosión, es conveniente que el punto de encendido sea lo más elevado posible, a fin de evitar la detonación de la última porción de la carga que se quema. Por el contrario, en el motor Diesel interesa que el punto de encendido sea lo más bajo posible, a fin de que el combustible pueda entrar en combustión en el tiempo más breve posible después de su inyección en la cámara de combustión.

Medios para evitar el "pistoneo": índice de octano, cetano y ceteno; su determinación.
El aumento del rendimiento teórico, requiere para ello aumentar el grado de compresión. Por lo que se refiere al motor de explosión, ello entraña una mayor facilidad de producir el autoencendido, siendo preciso emplear los medios necesarios para combatirlo. Pera ello se utilizan procedimientos químicos que facilitan una elevada estabilidad química de los combustibles, es decir, una mayor aptitud antidetonante, la cual viene determinada por el índice de octano. Este índice de octano, definido como la resistencia que poseen los combustibles de oponerse al fenómeno de la detonación, se determina por comparación con un combustible compuesto de heptano y de iso-octano.
En los motores Diesel en cambio, interesa que los combustibles utilizados posean una temperatura de encendido baja con objeto de disminuir en lo posible el retardo del encendido, que es un factor de gran importancia en el funcionamiento del motor, porque de él dependen la violencia o la suavidad de la combustión.
Con el fin de valorar el comportamiento de los combustibles utilizados en los motores Diesel, se estableció el índice de cetano de cualidades totalmente opuestas al índice de octano. El índice de cetano nos define la facilidad de encendido del combustible; este número o índice expresa el porcentaje de una mezcla de cetano y alfametilnaftaleno que produce igual comportamiento que el del combustible que se ensaya.
Para determinar la cualidad de encendido se empleo el ceteno (C16H32) y el alfametilnaftaleno (C11 H10) como combustible de referencia, pero siendo el cetano un combustible de la serie de los hidrocarburos no saturados, se mostro bastante inestable y, en consecuencia, con resultados poco satisfactorios, motivo por el cual fue sustituido por el cetano (C16H34) de la serie de los hidrocarburos saturados.
Así, pues, la cantidad de cetano contenida en una mezcla con alfametilnaftaleno, determina por comparación con un combustible su índice de cetano, siendo el índice del cetano puro 96.

Índice diesel.
La determinación del índice de cetano presenta el inconveniente de precisar equipos costosos además de tener que realizar constantes ensayos de laboratorio. Por dicho motivo, se pensó en relacionar algunas de las propiedades físicas de los combustibles utilizados en los motores Diesel, a fin de establecer un juicio más fácil sobre el comportamiento de un combustible dado. En este sentido se estableció el índice Diesel, que viene dado por la formula:

Índice Diesel = Punto de anilina (grados F) x Densidad A.P.I./100

El punto de anilina se halla calentando al baño de maría una mezcla de partes iguales de anilina y de la muestra del combustible cuyo índice Diesel se desea determinar, hasta que forme una solución clara; seguidamente se deja enfriar y en el instante en que la mezcla empieza a enturbiarse, la temperatura que entonces acuse, expresada en grados Fahrenheit, constituirá el llamado índice de anilina.

La densidad A.P.I. (American Petroleum Institut) guarda una estrecha relación con el peso específico, expresada mediante la siguiente ecuación:

Densidad A.P.I. = 141,5/Peso especifico - 131,5

El índice Diesel no difiere mucho en magnitud al índice de cetano del mismo combustible.

FUENTES:

M.J.D.

http://elmotordieselmarino.blogspot.com.ar/2011/10/la-formacion-de-la-mezcla-y-la.html

Maq 306 Motores a Explosión Capítulo 9 Carburación