Motores Diesel vs Motores Gasolina Opciones

[lmario]

Como creo que tenemos algunos errores de concepto voy a intentar explicarlos como mejor sepa.

AVISO: No soy ingeniero ni nada parecido, solo tengo algunos conocimientos de mecánica.

El ciclo de funcionamiento de los motores diesel y gasolina comparados son:

GASOLINA:
- Aspiración de la mezcla aire-gasolina (proporción en peso 17:1. Cantidad de aire regulada por el acelerador)
- Compresión de la mezcla 9-11:1 (entre 9 y once)
- Encendido por chispa (producida por la bujía) - Explosión
- Escape

DIESEL:
- Aspiración de aire puro
- Compresión del aire 17-22:1 (entre 17 y veintidós)
- Inyección de gasoil en cantidad regulada por el acelerador y autoinflamación por el calor de la compresión. Combustión a medida que entra.
- Escape

Como se puede observar solo el último de los cuatro tiempos, el escape, es idéntico.

Voy a suponer que todos conocemos suficientemente el motor de gasolina y a centrarme únicamente en el de gasoil.

El motor de gasoil funciona según el ciclo DIESEL y también es conocido como motor de combustión interna o autocombustión. En cambio el motor de gasolina funciona según el ciclo OTTO y es conocido como motor de explosión.

Un motor DIESEL aspira aire puro, cuanto más mejor (por eso les gustan tanto los turbos) porque no están sometidos a una relación estequiométrica (menuda palabrita), que no es más que la proporción FIJA de aire/combustible que necesita la gasolina para explotar. Un motor de gasolina con mayor proporción de gasolina en la mezcla (mezcla rica) no puede quemarla toda y, por consiguiente, no consigue mejor rendimiento y si calentarse más. Si invertimos los términos y ponemos menos gasolina (mezcla pobre) ésta se quemará más lentamente con lo que tendremos menos rendimiento y también un sobrecalentamiento del motor.

La relación de compresión en un motor OTTO viene limitada, principalmente, por el índice de octano de la gasolina (el octano es un hidrocarburo) que no es más que su capacidad para no explotar por sí misma. Cuando la gasolina detona, o sea explota por autocombustión sin necesidad de la chispa de la bujía, se produce un lo que conocemos como "picado de biela" que es el choque de dos frentes de llama, uno el de la autodetonación de la gasolina y otro el del resto de la gasolina inflamada por la chispa de la bujía.

Un motor DIESEL comprime el AIRE PURO mucho más, entre 15:1 los motores de camiones, 17:1 los motores más pequeños de inyección directa y 23:1 los motores de inyección indirecta. Este aire alcanza temperaturas superiores a 400º centígrados, suficientes para que el gasoil arda. Pero para conseguir que se queme completamente y rápidamente es necesario mezclarlo muy bien, por lo que se inyecta a altas presiones. Además, y esto es común con los motores de gasolina, cuanto más turbulencia tenga el aire mejor se mezclará.

Un motor de gasoil tiene un rendimiento térmico aproximado de un 40% frente a un 33% de un motor de gasolina, y aunque estos valores se mejoran con los últimos avances de la electrónica, la proporción entre ellos se mantiene. Este es el motivo por el que un motor DIESEL gasta menos combustible que uno OTTO a igualdad de potencia producida.

Y aquí llegamos al eje del problema, producir potencia. La potencia (CV) como tal es una función del PAR MOTOR (PM) y las Revoluciones Por Minuto (RPM) según la fórmula empírica CV = (PM x RPM) / 716. No tengo ni idea de por que 716.
Con esto tenemos que para conseguir un motor con más caballos o aumentamos el PM o aumentamos las RPM.

El problema de un motor de gasoil para aumentar las RPM está en varios puntos. Los principales son: al tener unas relaciones de compresión tan elevadas se necesitan materiales muy resistentes, y por lo tanto pesados, tanto en la culata como en, y ahí le duele, las piezas móviles como pistón, biela y cigüeñal. Al ser más pesadas ejercen una mayor inercia, resistencia a cambiar de movimiento, y necesitan rodamientos mayores, mejor engrase, mejor refrigeración, etc. Por otro lado el ciclo DIESEL se desarrolló para trabajar a PRESION CONSTANTE por lo que si cuando el pistón ha empezado su carrera descendente el gasoil no se ha quemado del todo el rendimiento (y por tanto los CV) decrece de forma brutal. Esto es lo podemos observar de una manera muy sencilla mirando un gráfico de la potencia de un motor, en cuanto se supera el régimen de potencia máxima la curva de potencia se desploma.

Según los desarrollos de Harry Ricardo (uno de los sistemas de precámara para los motores DIESEL de inyección indirecta lleva su nombre) el aumento de presión (ojo no compresión) en el interior de un cilindro en torno al Punto Muerto Superior (PMS) se verifica en tres fases: retardo del encendido, encendido en la primera fase de la combustión, que sucede en un tiempo muy breve y determina un rápido aumento de la presión (transformación casi a volumen constante), y combustión más lenta, al final de la cual se registra la máxima presión del ciclo. Según Ricardo el tiempo de las 2 primeras fases tiende a mantenerse constante independientemente del régimen del motor (RPM) y nosotros sólo podemos actuar sobre el tercero. Este tercer tiempo podemos acelerarlo mediante la inyección a mayor presión o mediante una mayor turbulencia del aire. No obstante aquí también tenemos limitaciones porque al aumentar las revoluciones nos encontraremos con que no hay tiempo para que todo el combustible se queme. El límite en la turbulencia (la velocidad del aire dentro del cilindro) puede estar al alcanzar velocidades supersónicas (aunque esto es solo una suposición mía por como se comporta el aire con respecto a otros fenómenos físicos), y la presión de inyección puede estar limitada por demasiados factores.

No obstante lo anterior recordar que el rendimiento efectivo de un motor no depende sólo de la Presión Máxima, sino de la Presión Media Efectiva y ahí nos encontramos con otros factores como la distribución, porque el cruce de válvulas está más limitado en un motor de gasoil si queremos mantener la PME.

El límite real para la aplicación de motores DIESEL en competición lo desconozco, creo que lo desconoce todo el mundo, en un motor de gasoil no puedes utilizar artimañas como la inyección de agua, tan de moda y necesaria en los F 1 Turbo. Pero como orientación el reglamento de las 500 millas de Indianápolis con respecto a motores era el siguiente en 1.968:
- Motores con compresor 2.800 cc.
- Motores con compresor pero sin árboles de levas en cabeza 3.333 cc.
- Motores sin compresor con árboles de levas en cabeza 4.200 cc.
- Motores sin compresor y sin árboles de levas en cabeza 5.000 cc.
- Motores de 2 Tiempos con compresor o sin compresor 2.800 cc.
- Motores DIESEL con compresor 3.333 cc.
- Motores DIESEL sin compresor 5.000 cc.

El primer coche con motor DIESEL corrió en Indianápolis en 1.931 con escasa fortuna.

Perdonar el rollo y espero que le sea útil a alguien.

Salu2


lmario

[Colin]

Imario,

Haber si me explico porque creo que no me has entendido.

El motor de inyección directa de gasolina «GDI», que se caracteriza por tener el rendimiento más alto conocido hasta hoy y que se está utilizando ya en modelos de producción en el modelo Carisma.(o Lancer):Se como funciona un motor, pero me explico.
La evolución de los motores ha seguido dos ciclos termodinámicos característicos, uno basado en el ciclo Otto, es el motor de encendido por chispa o motor de gasolina. El otro es el motor de encendido por compresión o motor diesel. El motor de gasolina tiene la gran ventaja de desarrollar una gran potencia con una pequeña cilindrada gracias a la calidad de combustible que se evapora fácilmente, lo que produce una combustión satisfactoria. Esto ha conducido a que el motor de gasolina sea la principal fuente de energía para los turismos, aunque este tipo de motor no es necesariamente adecuado para una combustión pobre, Por otra parte, es bien sabido que el motor diesel tiene la ventaja inherente de una excelente economía de combustible gracias a su combustión superpobre. Sin embargo, tiene el inconveniente de la emisión de humos que limita la potencia generada a menos que se utilicen motores de mayor cilindrada. Después de considerar estos dos motores de esta manera, quizá te preguntes, amigo Imario, si es posible desarrollar un motor ideal que herede las ventajas de ambos motores.

Pues a esta pregunta hay que contestar que sí, que es posible, y ese motor es el motor de gasolina de inyección directa que ha sido un sueño largamente acariciado por el sector. Este motor, que se caracteriza tanto por una excelente economía de combustible como por su capacidad de entregar una alta potencia puede convertirse en la evolución definitiva del motor para el futuro!!!
Si analizamos más de cerca el progreso habido en el sistema de alimentación de combustible, nos encontramos que el sistema de inyección multipunto MPI controlado electrónicamente, que se ha adoptado desde finales de la década de los 70 en la mayoría de los motores actuales, ha mejorado mucho la eficacia de la inyección de combustible. hasta aquí estamos de acuerdo, pero sin embargo, el sistema MPI tiene una desventaja intrínseca en el límite de respuesta y facilidad de control, ya que el combustible se mezcla previamente con la masa de aire y se introduce en los cilindros. Para superar estas restricciones en la alimentación de combustible y para conseguir un motor ideal, se han llevado a cabo estudios sobre la inyección de combustible directamente en los cilindros, tanto en la industria como en los laboratorios de investigación durante los últimos 50 años.

Debo mencionar que el concepto de la inyección directa en el cilindro no es ninguna novedad: está registrado que el Dr. Diesel construyó un motor experimental de gasolina de inyección directa en 1893 utilizando este concepto.
Y en 1957, Mercedes Benz fabricó unas 3.000 unidades de motores para vehículos de carreras que incorporaban un sistema de inyección de combustible en los cilindros. Respecto al 300 SL de 1954 completaría tu info con la cilindrada 2.996 cc, 12 válvulas, disposición del motor delantera, eje motor trasero y refrigeración por agua; ¡¡vaya bomba!!, pero estos motores Mercedes sólo pretendían conseguir una mayor potencia mediante la alimentación de una mezcla homogénea directamente a los cilindros y no consiguieron compatibilizar la potencia con el menor consumo de combustible, siendo este segundo aspecto el que tiene una mayor importancia para la tecnología actual.

Los objetivos de desarrollo del GDI son: consumo de combustible ultratrabajo, mejor que el de los motores diesel, potencia superior a la de los motores MPI convencionales.
El nuevo motor aprovecha plenamente la ventaja de la inyección directa en los cilindros gracias su planteamiento. El motor se controla para que marche en dos modos de funcionamiento cambiando el calado de la inyección de acuerdo con la velocidad del vehículo. De esta manera, se consiguen los dos objetivos de excelente economía de combustible y alta potencia. En la conducción normal por ciudad la inyección de combustible se realiza en la fase final de la carrera de compresión. Esto da como resultado una mezcla óptima estratificada o combustión superpobre lo que implica un excelente consumo de combustible. El funcionamiento con carga máxima correspondiente a la fase de aceleración y al funcionamiento a alta velocidad. Aquí, el combustible se inyecta en la carrera de admisión de tal manera que se produce una combustión de una mezcla homogénea en el cilindro para conseguir una alta potencia igual que en los motores convencionales.

Los cuatro elementos principales de la nueva tecnología son:
- lumbrera de admisión recta vertical que controla la dinámica del flujo de aire en el cilindro,
- bomba de combustible de alta presión que alimenta combustible a presión a los cuatro inyectores,
- inyectores de turbulencia de alta presión que preparan la mezcla apropiada mediante el control eficaz de la dispersión del combustible inyectado
- pistones con la parte superior curvada que sirven para orientar y controlar la formación de la mezcla de combustión.

En primer lugar, la lumbrera de admisión recta y vertical está pensada para crear una dinámica del flujo de aire ideal en el cilindro. El flujo de aire en el motor convencional se comporta como un flujo lateral hacia la cámara de combustión desde la lumbrera de admisión. En el GDI, la entrada de aire se produce a través de la lumbrera de admisión recta vertical, que genera un flujo forzado hacia abajo o en caída en el cilindro. El flujo se produce en sentido inverso al de los motores convencionales. Debe mencionarse que la mayor parte de los esfuerzos de investigación se realizaron sobre la dinámica del flujo de aire en el cilindro y que la formación de mezcla resultante y la lumbrera recta vertical se seleccionaron debido a que daban lugar al flujo de aire óptimo dentro del cilindro.
A continuación viene el inyector de turbulencia de alta presión. Éste desempeña un papel importante en la formación de un chorro de combustible atomizado que es indispensable para el éxito de la inyección directa. Sin embargo, en una fase temprana del desarrollo de este nuevo motor, no existían inyectores de alta presión para motores de gasolina y desarrollaron el inyector de combustible requerido, es decir, el inyector de turbulencia de alta presión. El éxito del nuevo motor se debe en gran parte a este inyector específico que puede proporcionar una atomización ideal del combustible gracias al movimiento altamente turbulento que se comunica al chorro del combustible.
El secreto está en la cuña cilíndrica de turbulencia que le comunica un giro al combustible inyectado mientras pasa a través del conducto de turbulencia situado en la parte inferior de la cuña cilíndrica de turbulencia y de esta manera puede obtenerse en todas las condiciones de funcionamiento del motor la pulverización óptima del combustible, formada por vapor de combustible finamente pulverizado y difundido en el sentido del flujo.
Y finalmente, el pistón con la parte superior curvada que desempeña un importante papel en el control y direccionamiento de la mezcla de aire/combustible optimizando al mismo tiempo la dinámica del flujo del aire en el cilindro. El hueco existente en la cabeza del pistón es de una importancia fundamental para mantener el combustible pulverizado en forma compacta, sin dispersión, hasta el momento mismo del encendido.

El primer objetivo de una mayor economía de combustible se consigue mediante el efecto combinado de estas tecnologías básicas utilizadas en el nuevo motor. Es decir, realizando la inyección en la carrera de compresión, la mezcla se estratifica en unas condiciones ideales en las cuales es más rica alrededor de la bujía para facilitar el encendido de la carga global y obtener una relación aire/ combustible ultrapobre. De esta manera se produce una combustión ultrapobre en el cilindro que se traduce en un consumo reducido de combustible, inferior incluso al de los motores diesel. Debe tenerse en cuenta que esta estratificación de la carga tan exclusiva no es posible lograrla en los motores con inyección A/IPI o en otros motores convencionales de gasolina.El chorro de combustible en el cilindro se vaporiza en un tiempo muy breve del orden de 1,6 milésimas de segundo y que forma una mezcla gaseosa estratificada ideal alrededor de la bujía.Mira hasta que punto es pobre esta relación de aire-combustible de 40 a 1 si se compara con la relación estequiométrica o teórica de 15 a 1, según la cual funcionan la mayoría de los motores convencionales.
También se puede comparar el efecto de la relación aire/combustible sobre la variación del par y el consumo de combustible durante el funcionamiento de los dos motores a una velocidad de crucero de 40 km/h. Como supongo que sabes, pero seguramente no otros foristas, la variación de par es un índice de la estabilidad de la combustión. Cuanto mayor es la variación del par, peor es la estabilidad de la combustión. En los motores MPI convencionales, la estabilidad de la combustión se deteriora a partir de una relación aire/ combustible de 20 a 1 mientras que el GDI mantiene una combustión estable incluso para una relación ultrapobre de 40 a 1, lo que permite obtener un ahorro del 35 % en el consumo de combustible.
Se reconoce en general que el control del NOx es un problema importante en cualquier motor que utilice una mezcla pobre, ya que los catalizadores actualmente disponibles de 3 vías no son lo suficientemente eficaces para reducir las emisiones de NOx de dichos motores.Sin embargo, en el motor GDl, puede reducirse casi el 97% de las emisiones NOx durante la marcha a baja velocidad a 40 km/h, para flipar, gracias a una proporción de recirculación de gases de escape bastante alta del orden del 30% y a un nuevo catalizador para NOx para mezclas pobres, denominado «Lean NOx», de reciente desarrollo.y puede funcionar con una relación aire-combustible superpobre del orden de 40 a 1 y que, no obstante, las emisiones de NOx pueden reducirse con una eficacia del 70%.

La obtención de una mayor potencia fue otro objetivo en el desarrollo. Este objetivo se ha alcanzado por medio de una mejora en el rendimiento volumétrico y de una mayor relación de compresión debida a la inyección directa de combustible durante la carrera de admisión. El rendimiento volumétrico es el índice de la cantidad de aire que puede entrar en el cilindro Evidentemente, la potencia desarrollada por el motor aumenta al aumentar el rendimiento volumétrico. El éxito de la mejora en el rendimiento volumétrico es debido a la refrigeración del aire de admisión por medio de la vaporización del combustible en el cilindro, conseguida mediante la inyección directa de combustible en la carrera de admisión. Además esta refrigeración del aire de admisión tiene otra ventaja que es el mejor control de las detonaciones del motor lo cual posibilita utilizar una relación de compresión de 12 a 1 que permite obtener mejoras tanto en el rendimiento térmico como en la potencia desarrollada. Gracias a todos estos efectos, el GDI ha conseguido una mejora aproximadamente del 10% en potencia desarrollada y par respecto al motor MPI convencional.
UN RESPIROOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOHHHHHHHHHHHHHHHHH

Una de las más avanzadas tecnologías que se utilizaron en el desarrollo de estos motores es el llamado «método coloreo con láser», que se ha usado para el análisis detallado del flujo del aire dentro del cilindro, conjuntamente con el láser de efecto Doppler y la cámara de alta velocidad. Estas tecnologías han permitido observar claramente los procesos que ocurren en el interior del cilindro, con lo cual el desarrollo del motor ha podido realizarse de una manera eficaz.
Gracias a este proceso de desarrollo y a las avanzadas técnicas utilizadas, se ha conseguido éxito en la creación de algunas nuevas tecnologías que han permitido mejorar el rendimiento térmico y llegar concretamente a la mejor de combustión pobre MVV (Mitsubishi Vertical Vortex) introducido en 1991 que utiliza tecnología de carga estratificada por vértice vertical y que ha sido el escalón anterior que ha permitido llegar al motor GDI, que es el motor definitivo de alto rendimiento.

Pues esto es lo que hay.
Un pesado servidor os saluda.

Pedro, a tope "tiu"