Características del Combustible Diésel

El gasóleo, empleado como combustible en motores diésel, presenta una serie de características que definen su comportamiento y eficiencia:

• Poder de autoinflamación: Debe ser elevado. Se mide mediante el número de cetano o índice de cetano, que indica cuánto se puede comprimir el combustible antes de autoinflamarse. Para un funcionamiento suave del motor, es necesario que el gasóleo se inflame rápidamente. Este índice se obtiene comparando el punto de autoinflamación de una mezcla de cetano y alfa-metilnaftaleno. Un buen índice de cetano disminuye el retraso en el inicio de la combustión, aumenta la eficiencia, reduce el ruido del motor y el consumo, y mejora el arranque en frío.
• Poder calorífico: Es menor que el de la gasolina, aproximadamente 42000 Kj/Kg.
• Punto de inflamación y de autoinflamación: El punto de inflamación es la temperatura a la que el gasóleo comienza a arder cuando se le aproxima una llama (debe ser superior a 55ºC). El punto de autoinflamación es la temperatura mínima a la que el gasóleo arde espontáneamente en contacto con el aire (aproximadamente 220ºC).
• Volatilidad: Es menor que la de la gasolina, ya que el combustible diésel se quema a medida que se va inyectando, comenzando a evaporarse a partir de 200ºC.
• Densidad: Se encuentra entre 820 y 845 kg/m³ a 15ºC.
• Viscosidad: Afecta a la forma en que se pulveriza el combustible dentro de la cámara de combustión.
• Punto de apariencia cerosa: A bajas temperaturas, el gasóleo forma cristales cerosos que pueden obstruir los conductos. Este fenómeno comienza en el punto de apariencia cerosa, que disminuye a medida que aumenta la calidad del gasóleo.
• Pureza: Es fundamental evitar impurezas abrasivas que puedan dañar la bomba de inyección. El contenido en azufre se ha reducido a 10 mg/kg para disminuir las emisiones contaminantes. Además, el azufre puede dañar el motor, ya que tras la combustión forma óxidos de azufre que, en contacto con la condensación de agua en las paredes del cilindro, pueden generar ácido sulfúrico corrosivo. Sin embargo, el azufre actúa como lubricante y ayuda a prolongar la vida útil de las bombas de inyección en línea y rotativas. El contenido en agua debe reducirse al máximo para evitar la corrosión del circuito de combustible, la formación de hielo y la proliferación de bacterias. Estas bacterias pueden ingerir el gasóleo y excretar sustancias que obstruyen y corroen los conductos.

Aditivos para el Gasóleo

Se utilizan diversos aditivos para mejorar las propiedades del gasóleo:

• Mejoradores del índice de cetano: Favorecen la autoinflamación, mejorando el arranque en frío y reduciendo el ruido de la combustión.
• Anticorrosivos: Protegen los metales contra la oxidación y la corrosión.
• Modificadores de fricción: Optimizan la función lubricante del combustible a todas las temperaturas y reducen la fricción entre los elementos metálicos.
• Antiespumantes: Evitan la formación de espuma, permitiendo un llenado del depósito más rápido y completo, y evitando derrames.
• Antiemulsionantes: Impiden la formación de emulsiones con el agua, algo importante debido a la capacidad del gasóleo para absorber la humedad ambiental.
• Detergentes: Mantienen limpios los conductos y la cámara de combustión, evitando la acumulación de carbonilla en las toberas de inyección.

Biodiésel: Una Alternativa Sostenible

El biodiésel se produce a partir de aceites vegetales (como colza, girasol y soja) y grasas animales. Es biodegradable y no tóxico. La calidad del biodiésel depende del aceite utilizado y de su proceso de fabricación.

Propiedades del Biodiésel

• Índice de cetano: Mayor que el del gasóleo convencional.
• Poder calorífico y densidad: Aproximadamente un 10% inferior al del gasóleo en términos de poder calorífico, pero con mayor densidad.
• Punto de inflamación: Mayor que el del gasóleo, lo que implica menos riesgos en su manipulación.
• Punto de apariencia cerosa: Más elevado en el biodiésel, lo que lo hace más sensible a climas fríos.
• Contenido en azufre: Prácticamente nulo, lo que reduce las emisiones contaminantes.

El biodiésel se obtiene mediante un proceso de alcoholisis.

Ventajas del Biodiésel frente al Gasóleo

• Mayor lubricidad, lo que reduce el desgaste del motor.
• Mayor índice de cetano, que mejora la combustión.
• Menores emisiones contaminantes debido a la ausencia de azufre y a una combustión más eficiente.

Inconvenientes del Biodiésel

• Punto de apariencia cerosa elevado, lo que lo hace incompatible con temperaturas muy bajas (se puede minimizar usando aceite de colza).
• Viscosidad alta, que puede provocar pérdidas de carga en filtros e inyectores.
• Disolución del lubricante: El biodiésel puede disolverse en el lubricante, por lo que se debe usar un aceite adecuado.
• Corrosión: Puede causar corrosión debido a la presencia de cloro, sales y ácidos.
• Compatibilidad con juntas: El glicol puede descomponer el caucho, por lo que a veces se sustituye por metanol.
• Saturación de filtros: El biodiésel tiene un gran poder diluyente que puede arrastrar la suciedad de los conductos del circuito, colmatando los filtros.

El Proceso de Combustión en Motores Diésel

Características de los Motores Diésel

• Dosado: Trabajan con exceso de aire. La regulación de la carga se realiza variando la cantidad de combustible inyectado.
• Relación de compresión: Se encuentra entre 17:1 y 22,5:1. El rendimiento térmico depende de esta relación, aumentando con ella.
• Lazo de renovación de la carga: Mientras que los motores de gasolina regulan la carga con una mariposa de gases, los motores diésel lo hacen admitiendo una mayor cantidad de aire y controlando la cantidad de combustible inyectado, ya que no tienen mariposa.
• Poder calorífico: Inferior al de la gasolina, pero con mayor densidad, lo que se traduce en más energía por unidad de volumen.

Factores que Afectan a la Temperatura del Aire al Final de la Compresión

• Temperatura del aire exterior y temperatura del motor: El arranque en frío es un momento crítico.
• Diseño de la cámara de combustión: Se debe minimizar el volumen de aire para evitar pérdidas de calor.
• Relación de compresión: Un aumento en la relación de compresión eleva la temperatura del aire al final de la compresión. Una relación elevada favorece la formación de la mezcla y minimiza las pérdidas de calor, pero debe limitarse, ya que llega un punto en el que el rendimiento del motor comienza a disminuir y aumentan las pérdidas por rozamiento.

El régimen de giro influye en la calidad de la combustión, ya que hay muy poco tiempo para inyectar el combustible, formar la mezcla e iniciar la combustión. La eficiencia disminuye a regímenes elevados, por lo que el régimen de giro máximo en los motores diésel es menor que en los de gasolina.

Fases del Proceso de Combustión

1. Tiempo de retraso: Es el tiempo que transcurre entre el inicio de la inyección y el inicio de la combustión. Se produce al final de la carrera de compresión, dura aproximadamente 1 ms, y durante este tiempo el gasóleo se volatiliza y se mezcla con el aire comprimido.
2. Combustión rápida: El gasóleo inyectado durante el tiempo de retraso arde bruscamente, provocando un aumento súbito de la presión sin apenas movimiento del pistón. Se produce a volumen constante, y este brusco aumento de presión genera el ruido característico de los motores diésel.
3. Combustión lenta o controlada: Se sigue inyectando combustible. Como el pistón ha iniciado su descenso, la presión y la temperatura del cilindro disminuyen. La combustión se ve favorecida por la turbulencia generada por la mezcla ya quemada, terminando en un determinado punto de la carrera de expansión.

Tipos de Motores Diésel Según la Forma de Inyectar el Combustible

• Inyección indirecta: El combustible se inyecta en una cámara auxiliar. Durante la fase de compresión, el aire entra en la precámara a través de un pequeño orificio que genera una gran turbulencia. Cuando el inyector aporta combustible a la precámara, se inicia la combustión. Como no hay suficiente oxígeno para quemar todo el combustible, la nube de mezcla inflamada se expande hacia el cilindro, donde, junto con la cabeza del pistón y la culata, forman la cámara principal. Allí se mezcla con el resto del aire y termina la combustión. Existen dos tipos de precámaras:
  • De precombustión: Ocupan aproximadamente 1/3 del volumen total. La mayor parte de la turbulencia se genera al inflamarse el combustible gracias a un deflector.
  • De turbulencia: Tienen forma esférica. La mayor parte de la turbulencia se genera durante la fase de compresión. Las presiones de inyección suelen ser mayores que en las cámaras de precombustión, llegando a 140 bar.
• Inyección directa: El combustible se inyecta directamente en el cilindro, sobre la cabeza del pistón, que suele tener labrada la mayor parte de la cámara de combustión con forma toroidal. Se minimizan las pérdidas de calor y aumenta el rendimiento térmico, por lo que se pueden utilizar relaciones de compresión menores. Es el sistema más utilizado en la actualidad gracias al avance de la electrónica y al aumento de las presiones de inyección, permitiendo motores de gran rendimiento con un funcionamiento suave.