Ciclos Teóricos y Reales de los Motores de Combustión Interna

Parámetros Geométricos: Definiciones

• Punto Muerto Superior (P.M.S.): Posición del pistón más cercana a la cabeza del cilindro.
• Punto Muerto Inferior (P.M.I.): Posición del pistón más lejana de la cabeza del cilindro.
• Diámetro o Calibre (D): Diámetro interior del cilindro. Generalmente medido en mm.
• Carrera (s): Distancia entre el P.M.S. y el P.M.I., igual al doble del radio de manivela del cigüeñal.
• Volumen Total del Cilindro (V₁): Volumen comprendido entre la cabeza o culata y el pistón cuando este está en el P.M.I., medido en cm³ o en litros.
• Volumen de la Cámara de Combustión o Volumen de Espacio Libre (V₂): Volumen comprendido entre la cabeza y el pistón cuando este está en el P.M.S., en cm³ o en litros.
• Volumen Desplazado por el Pistón o Cilindrada Unitaria (V₁ – V₂): Volumen generado por el pistón en movimiento desde el P.M.S. al P.M.I.

Relación Volumétrica de Comprensión ( ): Relación entre el volumen total del cilindro V₁ y el volumen de la cámara de combustión V₂. Generalmente se la llama simplemente relación de compresión:

Los motores alternativos son de 4 tiempos cuando el ciclo se cumple con 4 carreras del pistón y de 2 tiempos cuando el ciclo se cumple sólo con dos carreras del pistón.

Las 4 fases del ciclo de 4 tiempos son:

1. Admisión de la carga al cilindro.
2. Compresión de la carga.
3. Combustión y Expansión.
4. Expulsión o Escape de los productos de la combustión.

1. Admisión: El pistón, en su carrera hacia el P.M.I., crea una aspiración del fluido hacia el cilindro. Se abre la válvula de admisión hasta que se llena el cilindro, y entonces se cierra.
2. Compresión: La carga es comprimida en la cámara de combustión hasta un valor máximo que se alcanza en el P.M.S.
3. Combustión y Expansión: Se produce el encendido de la mezcla por medio de una chispa eléctrica, o bien el encendido espontáneo del combustible inyectado en la cámara de combustión, con el consiguiente y repentino aumento de temperatura y de presión causado por el calor de la combustión.
4. Escape: Durante su carrera de regreso hacia el P.M.S., el pistón expulsa los gases quemados.

Ciclo Operativo de 2 Tiempos

1. Primer tiempo: Corresponde a la carrera de trabajo. Comienza con el encendido y la combustión, y prosigue con la expansión hasta que el pistón abre la lumbrera de escape.
2. Segundo tiempo: Corresponde a la carrera de retorno del pistón al P.M.S. Durante el primer tramo de la carrera (hasta que se cierra el paso C), se completa la fase de barrido y admisión; durante el segundo, se realiza la fase de compresión.

El ciclo de dos tiempos ha sido concebido para simplificar el sistema de distribución, puesto que se eliminan las válvulas o se reduce su número, y para obtener una mayor potencia a igualdad de dimensiones del motor.

El aumento de la frecuencia de las carreras útiles presenta, sin embargo, problemas de carácter térmico derivados de la mayor temperatura media de las piezas del motor.

Diferencias Principales entre Motores MEP (Otto) y MEC (Diesel)

No existen diferencias sustanciales desde el punto de vista mecánico. Esencialmente se diferencian por sus ciclos teóricos, ya que el motor MEP funciona según el ciclo Otto y el motor MEC según el ciclo Diesel.

Ciclos Teóricos y Reales

• Ciclo Ideal: Se supone que el fluido de trabajo está constituido por aire y que se comporta como un gas perfecto. Por tanto, . Se supone además que las fases de introducción y de extracción de calor tienen una duración bien determinada, que depende del tipo de ciclo (Otto, Diesel, Sabathé) y que en las demás fases del ciclo no se producen pérdidas de calor. Representa, por lo tanto, el límite máximo que el motor puede teóricamente alcanzar en lo concerniente a prestaciones.
• Ciclo Real: Es determinado experimentalmente mediante alguno de los numerosos aparatos indicadores capaces de registrar el diagrama de las presiones en función de los volúmenes en el cilindro. El diagrama indicado refleja las condiciones reales del ciclo y, por lo tanto, tiene en cuenta también las pérdidas de calor, la duración de la combustión, las pérdidas debidas al rozamiento en el fluido, a la duración del tiempo de apertura de las válvulas, al tiempo de encendido, al tiempo de inyección, y las pérdidas en el escape.

Ciclo Otto Teórico

El ciclo Otto teórico es el ciclo ideal del motor de encendido por chispa (ECh), y está representado gráficamente en la figura en coordenadas p-v. Los procesos termodinámicos que tienen lugar durante el ciclo son:

• 1-2. Adiabático o Isentrópico (sin transferencia de calor con el exterior): compresión del fluido de trabajo, correspondiente al trabajo W₁ realizado por el pistón.
• 2-3. A volumen constante: introducción instantánea del calor aportado Q₁.
• 3-4. Adiabático: expansión, correspondiente al trabajo W₂ realizado por el fluido de trabajo.
• 4-1. A volumen constante: extracción instantánea del calor Q₂.

En realidad, en los motores de 4 tiempos, la extracción del calor se produce durante la carrera de escape 1-0 y el fluido es introducido en el motor en la carrera de admisión 0-1. Sólo valen los puntos del espacio p, V, T que cumplen con la ecuación de los gases perfectos.

Se llega al resultado final del rendimiento térmico del ciclo de Otto:

Ciclo Diesel Teórico

Es el ciclo teórico de los motores de encendido por compresión. La diferencia fundamental entre los ciclos Otto y Diesel está en la fase de aportación del calor. En el ciclo Otto, el calor es introducido a volumen constante, mientras que en el ciclo Diesel es introducido a presión constante.

Se obtiene la expresión final del rendimiento:

Ciclos Reales

El ciclo real refleja las condiciones reales de funcionamiento de un motor y se identifica con el diagrama de las presiones medidas en el cilindro, correspondientes a las diferentes posiciones del pistón. Este diagrama se llama diagrama indicado, y el aparato que sirve para trazarlo, indicador.

Diferencias entre los Ciclos Otto y Diesel, Reales y Teóricos

• Pérdidas de Calor: En el ciclo teórico son nulas; en el ciclo real, son apreciables. Las líneas de compresión y expansión no son, por lo tanto, adiabáticas, sino politrópicas con exponente n diferente de . Se verifica, por lo tanto, una pérdida de trabajo útil correspondiente a las áreas A.
• Combustión no Instantánea: En el ciclo Otto teórico, la combustión se realiza a volumen constante, es decir, es instantánea; en el ciclo real, se requiere un cierto espacio de tiempo. Conviene anticipar el encendido de modo que la combustión pueda llevarse a cabo en su mayor parte cuando el pistón se encuentra en las cercanías del P.M.S. Esto produce un redondeo de la línea teórica de aportación de calor y, por lo tanto, una pérdida de trabajo útil representada por las áreas B, pero esta pérdida resulta de magnitud mucho menor que la que se tendría sin adelanto del encendido.
• Tiempo de Apertura de la Válvula de Escape: En el ciclo teórico, se ha supuesto que también la extracción de calor se lleva a cabo instantáneamente, coincidiendo con la posición del pistón en el P.M.I. En el ciclo real, la extracción de calor se produce durante un tiempo relativamente largo. La válvula de escape debe abrirse anticipadamente para dar tiempo a una parte de los gases quemados para salir del cilindro antes de que el pistón alcance el P.M.I. Este hecho produce una pérdida, que es menor que la que se tendría sin el avance de la apertura de la válvula de escape.
• Aumento de los Calores Específicos del Fluido con la Temperatura.
• Pérdidas en la Renovación de la Carga: Durante la carrera de admisión, la presión en el cilindro es inferior a la que se tiene durante la carrera de escape. Durante la admisión, la presión es inferior a la atmosférica, y durante el escape es superior. Se crea, por lo tanto, en el diagrama indicado, un área negativa (área D) que corresponde a trabajo perdido. Este trabajo es el trabajo de bombeo y generalmente se evalúa como trabajo perdido por rozamiento, incluyéndose en las pérdidas mecánicas.

Rendimientos, Par Motor, Potencia, Presión Media

Presión Media Indicada: Es la presión constante que, durante la carrera de expansión, produciría un trabajo igual al trabajo indicado.

• Ensayo de Potencia al Freno: El objeto de los ensayos al freno es conocer las prestaciones y el nivel de acabado de los motores. Los ensayos de potencia de los motores suelen realizarse con un dispositivo que se denomina freno dinamométrico. Todo freno lleva un eje (rotor) conectado directa o indirectamente al motor, que gira solidario al volante. Junto al rotor se encuentra el estator, que es el elemento que ofrece resistencia al rotor. M_resistente = M_motor = F * b (N m)
• Tipos de Frenos de Absorción
  • Freno Hidráulico: El principio de funcionamiento está basado en el empuje que ejerce una corriente de agua impulsada por las paletas del rotor sobre las del estator. En el freno, entre el rotor y el estator, se puede interponer una carcasa que limita el paso de agua y, en consecuencia, el par de arrastre.
  • Frenos Eléctricos: La bobina crea un campo magnético cuando circula en ella una corriente eléctrica en la que se puede variar la intensidad. Dicho campo provoca que el estator atraiga al rotor. La fuerza de atracción se puede regular modificando la intensidad de la corriente. Cuando el rotor, al girar, vence dicha resistencia, el campo magnético varía y ello genera en el estator corrientes parásitas o de Foucault que calientan el estátor. Por ello hay que refrigerar el estátor.
• Parámetros de Funcionamiento Obtenidos en el Ensayo al Freno
  • 
  • Potencia N_e: Según la expresión (M_resistente = M_motor = F * b (N m)), el par motor M_motor = F * b; por tanto, la potencia viene dada por la expresión:

  siendo «K» la constante del freno, que toma un valor entero fácil de operar con las otras variables (por ejemplo, 10000).

  • Consumo Horario C_h, que se expresa en kg/h.
  • Consumo Específico C_e (g/kWh): Indica la cantidad de combustible que proporciona una energía mecánica de 1 kWh.
• Curvas Características: Las curvas características representan los parámetros de funcionamiento del motor cuando se somete a este a distintas cargas (esfuerzos) de frenado. Dichas curvas se obtienen realizando sucesivos ensayos al freno sobre el motor. Se empieza con el acelerador en posición de máximo recorrido (al máximo) y se van repitiendo los ensayos para posiciones intermedias.

Los valores que se obtienen en las curvas características son los siguientes:

• Velocidad Nominal: Es la que desarrolla el motor al final de la zona de actuación del regulador en su posición de máximo recorrido.
• Potencia Nominal: Es la potencia máxima a la velocidad nominal.
• Potencia Máxima: Es la mayor de las obtenidas en el ensayo al freno.
• Potencia a la Velocidad Normalizada de la Toma de Fuerza: Es el valor máximo obtenido cuando la toma de fuerza gira a la velocidad normalizada.
• Par Motor Máximo: Es el mayor de los obtenidos en el ensayo al freno.
• Par Motor Nominal: Es el que corresponde a la potencia y velocidad nominales.
• Reserva de Par: Es la diferencia entre el par máximo y el nominal expresada en porcentaje de este último.
• Intervalo de Utilización del Motor: Es la variación del régimen correspondiente a la reserva de par. Diferencia entre la velocidad nominal del motor y la del par máximo.
• Intervalo de Potencia Máxima: Es la diferencia entre la velocidad nominal y la que corresponde a la misma potencia en dicha curva característica. En otras palabras, el intervalo de velocidad donde la potencia tiende a mantenerse constante.
• Curvas de Isoconsumo: El mapa de curvas de isoconsumo se representa en unos ejes: en el eje de ordenadas se representa el par motor y, en abscisas, la velocidad. Ambos parámetros se expresan en términos relativos respecto de los valores del punto nominal; es decir, al valor de la potencia nominal, par motor y número de revoluciones correspondiente a dicha potencia, se le asigna el valor de 100, y el resto de los valores de par y velocidad se expresa como porcentaje. Se representan líneas de igual potencia, que son hipérbolas equiláteras. El conocimiento de dichas curvas nos permite determinar las zonas de consumo útil, o consumo óptimo, para cada potencia utilizada.
• Renovación de Carga: El proceso de renovación de la carga de un motor consiste, tal como su nombre indica, en evacuar los gases quemados del ciclo anterior y reemplazarlos con carga fresca para ser quemados en el ciclo siguiente.
• Clasificación de los Motores con Relación a la Renovación de la Carga:
  • Atmosféricos: La fase de admisión se realiza a una presión inferior a la atmosférica.
  • Sobrealimentados: La fase de admisión se realiza a una presión superior a la atmosférica.

Importancia de la Renovación de Carga e Influencia sobre la Potencia del Motor

El interés que tiene la renovación de la carga de aire, o mezcla, se pone de manifiesto, en primer lugar, por la influencia en la potencia del motor, ya que el oxígeno reacciona con el carbono e hidrógeno del combustible produciendo anhídrido carbónico y vapor de agua, entre los principales gases residuales. Para que la reacción química se produzca, debe haber una proporción adecuada entre la masa de combustible (m_c) y la de aire (m_a):

Siendo:

• W_e: Trabajo efectivo (J)
• n: Velocidad angular del motor (r/min)
• m_ar: Masa real de aire o mezcla que entra en el motor (g/ciclo)
• PCI: Poder calorífico inferior (J/g)
• _e: Rendimiento efectivo del motor

Evaluación de la Calidad del Llenado: Rendimiento Volumétrico

La calidad del llenado de aire, o mezcla, de un motor viene dada por el parámetro rendimiento volumétrico (η_v). Se define como la relación entre la masa de aire, o mezcla, efectiva que absorbe el motor y la que admitiría este si el volumen de su cilindrada se encontrase en unas condiciones de presión y temperatura de referencia, generalmente las ambientales.

• m_ar: Masa real de aire por unidad de tiempo (g/min)
• m_at: Masa teórica de aire por unidad de tiempo (g/min)
• V_c: Cilindrada del motor (l)
• 
• V’_c: Volumen (l) ocupado por la masa real de aire en las condiciones de referencia (ambientales)
• _o: Densidad del aire o mezcla en las condiciones ambientales (g/l)
• _a: Densidad del aire o mezcla en el motor (g/l)

Factores que Afectan al Rendimiento Volumétrico

• Velocidad del Motor: Un valor máximo que se sitúa entre el 60 y 65% de la velocidad máxima. Este valor puede oscilar entre 0,85-0,87 cuando el motor trabaja en vacío y 0,81-0,83 cuando lo hace a plena carga.

La pérdida de rendimiento volumétrico a bajas revoluciones se explica por el retraso del cierre de la válvula de admisión (RCA). Cuanto más rápido gira el motor, tanto mayor es dicho retraso. Un motor diseñado para funcionar a regímenes elevados tiene un ángulo de retraso en el cierre de la válvula de aspiración más bien amplio. Sin embargo, por debajo de cierto régimen, la inercia de la columna de gas aspirado disminuye. A altos regímenes, el menor rendimiento volumétrico se debe al aumento de las resistencias hidráulicas (pérdida de carga) por fricción en las conducciones.

• Presencia de Gases Residuales: Ni el barrido más perfecto del cilindro puede expulsar totalmente estos gases. En el ciclo real, hay un momento en que están abiertas las válvulas de admisión y escape al mismo tiempo; este periodo se llama cruce de válvulas. Pretende ayudar a barrer los gases residuales.
• Efecto del Calentamiento. Temperatura de Refrigeración: Al aumentar la temperatura de refrigeración, aumenta el rendimiento volumétrico. Esto tiene como límite la lubricación y la temperatura óptima de trabajo.
• Secciones de Paso y Forma de las Válvulas: Se ha observado que la relación óptima entre el levantamiento de la válvula y su diámetro varía entre 0,25 y 0,30. Comparativamente con la de escape, esta última presenta una sección de paso inferior en un 30-35% a la de admisión. Con ello se pretende aumentar la cantidad de aire introducido, a expensas de reducir el tamaño de la de escape.
• Otros Sistemas del Motor: Recirculación de los Gases de Escape (EGR).

La recirculación de los gases de escape es una técnica usada actualmente para controlar las emisiones de NOx en los MCI.

Sobrealimentación: Definición, Justificación e Influencia en la Potencia del Motor

La sobrealimentación de los MCI consiste en el aumento de la densidad del aire de admisión por medio de un aumento de la presión. El aumento de la presión en el colector de admisión se consigue mediante un compresor. El aumento de la densidad del aire permite aumentar el flujo másico de aire, o de la mezcla, que a su vez permite incrementar el consumo de combustible.

El aumento de potencia de un motor sin aumentar su cilindrada puede efectuarse de dos maneras, según podemos observar en la siguiente expresión, supuesto que se mantienen constantes el dosado F y el rendimiento efectivo:

1. Aumentando el régimen de funcionamiento del motor, n.
2. Incrementando el valor de la presión media efectiva.

La única manera de aumentar la presión media efectiva a 8 o 10 bar es renunciar a la aspiración natural e introducir aire a una presión superior a la atmosférica.

Turbocompresor: Componentes y Funcionamiento

Consiste en aprovechar la fuerza con la que salen los gases de escape para impulsar una turbina colocada en la salida del colector de escape. Dicha turbina se une mediante un eje a un compresor. El compresor está colocado en la entrada del colector de admisión. El compresor eleva la presión del aire que entra a través del filtro y consigue que mejore la alimentación del motor, gracias al movimiento giratorio que le transmite la turbina a través del eje común. Los turbocompresores son dispositivos que pueden adaptarse fácilmente al motor. Ocupan un espacio reducido y tienen un peso razonable; pero su principal ventaja es que no necesitan ser accionados por el cigüeñal del motor y, por tanto, no existe ningún tipo de unión con este. Su diseño comporta ciertas dificultades por las distintas condiciones de trabajo de sus principales componentes: compresor y turbina.

• Limitador de Velocidad: Los turbocompresores disponen de un elemento que reduce la velocidad de la turbina, limitando, de este modo, la presión del aire en el colector de admisión. Este elemento es un regulador de membrana y resorte que separa dos zonas. La primera recibe presión del aire a la salida del compresor, mientras que la segunda se conecta a una derivación del colector de escape en comunicación con el ambiente.
• Enfriadores Intermedios o Intercooler: Este dispositivo es un intercambiador de calor (radiador) aire-aire o aire-agua que se encarga de enfriar el aire comprimido por el turbocompresor de un motor de combustión interna. El intercooler rebaja la temperatura del aire de admisión a unos 60°C, con lo que la ganancia de potencia gracias al intercooler está en torno al 10-15%, respecto a un motor solamente turboalimentado (sin intercooler).
• Turbocompresor de Geometría Variable: Se diferencia del turbo convencional en la utilización de un plato o corona en el que van montados unos álabes móviles que pueden ser orientados, todos a la vez, un ángulo determinado mediante un mecanismo de varilla y palancas empujados por una cápsula neumática parecida a la que usa la válvula de descarga. Para conseguir la máxima compresión del aire a bajas revoluciones, deben cerrarse los álabes, ya que, disminuyendo la sección entre ellos, aumenta la velocidad de los gases de escape, que inciden con mayor fuerza sobre las paletas del rodete de la turbina.

Componentes del Circuito de Combustible Comunes a los MCI

Los componentes comunes a los MEP y MEC son:

• Deposito. Es el lugar donde se almacena el combustible, su capacidad está relacionada con la potencia del motor y el grado de autonomía del vehículo o máquina en la que se monta. Se construye de chapa galvanizada con una protección interior para evitar la corrosión.
• Bomba de alimentación. Su finalidad es transportar el combustible al sistema de dosificación. Puede ser accionada mecánicamente por medio del motor o eléctricamente. En ambos casos debe disponer de un sistema para equilibrar el caudal emitido con el consumo del motor.
• Sistemas de inyección Diesel (MEC).
• Definición y funciones

La función del sistema de dosificación del combustible es asegurar la mezcla de este con el aire en el interior del cilindro, de la forma más eficaz posible. Para lograrlo han de cumplir una serie de requisitos:

.- Dosificación precisa de pequeñas cantidades de combustible.

.- Idéntica para cada uno de los cilindros del motor.

.- La aportación ha de efectuarse en el momento exacto.

.- Durante un determinado periodo de tiempo, lo más corto posible.

.- A una presión elevada.

.- En forma de pequeñas gotas, según un chorro, orientado sobre la cámara de combustión.

• Tipos de sistemas de inyección Diesel.
• Inyección indirecta. La cámara de combustión está dividida en dos partes, una por encima del pistón, llamada cámara principal, y otra que se encuentra en la culata, llamada cámara auxiliar, donde se prepara la mezcla que, una vez que se quema, suministra la potencia motriz. El aire asume el protagonismo para generar los campos difusivos y convectivos necesarios para el proceso de mezcla. presión de inyección no necesita ser tan elevada.
• Inyección directa.

Este sistema es el que se utiliza en la actualidad. El combustible se pulveriza directamente sobre la cámara de combustión. En este sistema el combustible es el que se responsabiliza de realizar la mezcla.

El combustible tiene que ser inyectado a elevada presión, finamente atomizado y convenientemente repartido para asegurar su mezcla con el comburente.

• Funcionamiento de un sistema de inyección Diesel: El sistema “common rail”

El sistema “common rail” consta de una parte de baja presión que suministra combustible a la parte de alta presión y de una Unidad de Control Electrónico (ECU). La parte de baja presión está integrada por los dispositivos comunes de los sistemas de dosificación: depósito de combustible, el filtro de combustible y la bomba de alimentación que impulsa el combustible desde el depósito hasta la bomba de alta presión. En la parte de alta presión, se genera una elevada presión en el combustible y se realiza la distribución y dosificación del mismo. Sus elementos fundamentales son: la bomba de alta presión, la válvula reguladora de la presión, el acumulador de presión, llamado conducto o “Rail”, el sensor de presión, la válvula limitadora de presión y los inyectores.

• Sistema de Dosificación en MEP En los motores MEP actualmente se utilizan sistemas de inyección aunque algunos motores pequeños de bajo coste siguen empleando carburadores.
•  Dosificación por depresión. Carburador.

Su principio de funcionamiento es la depresión llevada a cabo en la garganta de de una tobera que absorbe combustible de la cuba, todo ello basado en el efecto Venturi. La masa real de aire viene afectada por un coeficiente de descarga:

Análogamente podemos determinar el caudal de combustible aplicando el teorema de Bernuilli.

1. Carburador de membrana

El carburador de membrana, permite a la máquina trabajar en todas las posiciones, se compone de la bomba y el dosificador. La bomba es totalmente independiente al carburador.

• Funcionamiento de la bomba. Cada cambio del movimiento del pistón provoca en el cárter del motor un cambio de presión. Durante la carrera de trabajo se forma una depresión y durante la carrera de admisión una sobrepresión. El flujo de combustible se efectúa por medio de dos válvulas de bisagra que van estampadas en la membrana.
• Funcionamiento del carburador presión uniforme entre la atmósfera y la cámara de la membrana esta se encuentra en posición de reposo. El cono de la aguja de admisión se oprime por la fuerza de resorte contra el asiento de la válvula. Cuando el motor está en marcha, la cámara se llena con combustible. Durante el proceso de aspiración se produce en el tubo Venturi una depresión y por las perforaciones de los surtidores (de alta y de ralentí) se aspira combustible. En la cámara de la membrana también se produce una depresión, que hace moverse a dicha membrana del carburador. La diferencia de presión x la superficie de la membrana genera una fuerza que alza la aguja de admisión de su asiento y puede entrar combustible en la cámara.

1. Dosificación por inyección en los MEP

Desde hace algunos años aumentó la tendencia a preparar la mezcla por medio de la inyección de combustible en el colector de admisión.

VENTAJAS

1. Consumo reducido. // 2. Mayor potencia. // 3. Gases de escape menos contaminantes.  // 4. Arranque en frío y fase de calentamiento más seguros y rápidos. // 5. Permite dar forma a los conductos de admisión y producir corrientes aerodinámicamente favorables, mejorando el llenado de los cilindros.

Clasificación de los sistemas de inyección de gasolina.

Según el lugar donde inyectan: Figura 3.11.

INDIRECTA: El inyector introduce el combustible en el colector de admisión, encima de la válvula dc admisión, que no tiene por qué estar necesariamente abierta.

DIRECTA: El inyector introduce el combustible directamente en la cámara de combustión.

Los sistemas de inyección indirecta, según el número de inyectores se pueden clasificar en: monopunto y multipunto

MONOPUNTO: Un solo inyector alimenta a todos los cilindros.

MULTIPUNTO: Cada cilindro dispone de su propio inyector.

1. Inyección indirecta. Mezcla homogénea.

Se busca una mezcla homogénea. El valor del dosado debe mantenerse próximo al dosado estequiomético.Para modificar la potencia del motor es necesario modificar en la misma proporción la masa de combustible y la masa de aire admitida.

• Inyección directa.

El combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión. La distribución de la mezcla será distinta si el motor opera a plena carga (mezcla homogénea) o si opera a cargas parciales (mezcla estratificada).

1. Mezcla homogénea.

El combustible se inyecta durante la fase de admisión, lográndose de esta forma una mezcla homogénea en toda la cámara (similar a lo que ocurre en la inyección indirecta).

1. Mezcla estratificada.

A cargas parciales se busca una mezcla estratificada, con un dosado alto en las proximidades de la bujía y más pobres en las zonas más alejadas de ella. Para conseguir esto el combustible se inyecta durante la compresión.

• Combustión. Definición

La combustión es el conjunto de procesos físico-químicos gracias a los cuales se libera parte de la energía interna del combustible. Es una reacción de oxidación (reacción de un elemento químico con oxígeno) que va a liberar gran cantidad de energía, gran parte de ella en forma de calor. Es una reacción exotérmica que se realiza muy rápidamente.

• Combustión en los MEP
• Combustión normal el encendido se produce en el instante deseado como consecuencia de la chispa y las partículas individuales comienzan a quemarse cuando son alcanzadas por el frente de llama y no antes.
• Combustión anormalEn determinadas condiciones pueden aparecer ciertas anomalías en el proceso de combustión que pueden trae consigo peligros importantes para el motor. Las dos principales anomalías son la combustión con autoinflamación y el encendido superficial:
• Combustión anormal con autoinflamación: Tiene lugar cuando parte de la mezcla sin quemar se autoinflama (antes de que llegue el frente de llama). Se verifica como consecuencia de condiciones especiales de presión y de temperatura. El autoencendido de la parte final de la mezcla tiene las siguientes consecuencias:

a) Provoca un incremento busco de la temperatura y presión,lo que genera una onda de presión que se propaga violentamente en la cámara de combustión.

b) La onda de presión genera un ruido característico (picado de biela). Además el gradiente de presión elevado castiga mecánicamente al motor.

c) La onda de presión puede romper la “capa límite térmica” que existe en las proximidades de la cámara de combustión.

Factores que afectan a la aparición de combustión por autoinflamación: Régimen de giro. , Dosado, EGR, Relación de compresión, Recorrido del frente de llama.

1. Combustiones anormales por encendido superficial: Cuando en determinadas circunstancias en algún punto caliente de la cámara de combustión se inicia un frente de llama en cualquier momento del ciclo.

Los puntos calientes que pueden dar lugar a esta anomalía suelen ser:

– el electrodo de la bujía, que a causa del aislamiento eléctrico que lo envuelve está a una temperatura muy elevada

– algunas deposiciones carbonosas en la culata o en la cabeza del pistón que por entorpecer la evacuación de calor se encuentran a una temperatura muy elevada.

• Combustión en los MEC
• Combustión normal En estos motores, el combustible se introduce directamente en la cámara de combustión por medio del inyector, a través de cuyos pequeños orificios se pulveriza. En los MEC no se forma un verdadero y definido frente de llama sino que la combustión puede iniciarse en distintos focos.

En el motor EC se verifica también un retraso del encendido. En la combustión de los MEC se distinguen tres fases:

1ª.- Desde el comienzo de la inyección hasta el comienzo de la combustión Esta etapa está condicionada por el tiempo de retraso en el autoencendido. Pueden distinguirse dos periodos: retraso físico, durante el cual tiene lugar la entrada del combustible, su evaporación y mezclado con el aire; y el retraso químico, que es mucho más largo, y durante el cual se desarrolla la acción intermolecular que prepara la mezcla para el encendido.

2ª.- Combustión rápida La combustión, iniciada por los focos de encendido y alimentada por el líquido que se ha introducido durante el retraso del encendido, provoca un rápido aumento de presión y de temperatura.

3ª.- Combustión lenta Se va quemando el combustible inyectado después en la cámara y se verifica un aumento de presión menos notable. Para que todo el combustible inyectado se queme, cada partícula finamente dividida ha de ponerse en contacto íntimo con una adecuada cantidad de oxígeno.

• Combustión anormal

Si el retraso es mayor, se acumula mayor cantidad de combustible; de forma que cuando se quema se produce un fuerte gradiente de presión y un funcionamiento áspero del motor. Cuando el retraso es muy largo, puede suceder que se acumule tanto combustible que el aumento de presión resulte casi instantáneo. En estas condiciones se producen enormes variaciones de presión y las violentas vibraciones en la masa del gas que son propias de la detonación y que se evidencia por el llamado golpeteo.

Para reducir la tendencia a la detonación es necesario que la combustión comience lo más pronto posible después del inicio de la inyección; es decir, es conveniente reducir el retraso del encendido para impedir que se acumule en la cámara de una cantidad excesiva de combustible antes de que empiece la combustión de las primeras gotas.

• Combustibles Los combustibles son sustancias capaces de reaccionar exotérmicamente con el oxígeno, transformando por tanto la energía asociada a su estructura molecular en energía térmica.
• Combustibles de origen fósil derivados del petróleo por destilación.

El petróleo es una mezcla de hidrocarburos con una pequeña proporción de compuestos oxigenados, nitrogenados y organometálicos. La diferente volatilidad de todos estos componentes permite su separación por medio de destilación fraccionada. Se calienta gran cantidad de petróleo a 350 – 400 ºC, lo que produce la vaporización de la mayor parte de las cadenas de hidrocarburos. Estos vapores pasan a la columna de destilación

• Combustibles de origen renovable.

Los biocombustibles que se han consolidado como sustitutos parciales de los combustibles de origen fósil son el biodiesel y el bioetanol. El biodiesel es un combustible de origen vegetal o animal de carácter renovable, que se obtiene por transesterificación de triglicéridos (aceites). El bioetanol es alcohol etílico o etanol (CH3-CH2-OH). Se obtiene por fermentación de semillas o granos ricos en almidón (cereal) o en azúcares (remolacha, sorgo, caña de azúcar).

• Algunas propiedades físico-químicas de los combustibles
  Poder calorífico: Cantidad de calor desprendido en su combustión completa por unidad de masa o volumen.

Volatilidad: Tendencia de un combustible líquido a evaporarse en unas determinadas condiciones.
Temperatura de inflamabilidad: Mínima temperatura a la que existe peligro de inflamación de un combustible ante la proximidad de un agente exterior, a presión ambiental.
Número de octano N.O.: Es la resistencia a la autoinflamación de un combustible. Tiene interés en los MEP. Su valor numérico indica el porcentaje en volumen de iso-octano (2-2-4-trimetilpentano) contenido en una mezcla con n-heptano (combustibles de referencia) que produciría la misma intensidad de picado al quemarse en las mismas condiciones.
Número de cetano N.C: Es una magnitud relacionada con el tiempo de retraso de los MEC. Es por tanto una medida de la calidad de autoencendido de los gasóleos. El valor numérico del NC indica el porcentaje en volumen de n-cetano, (n-hexadecano) contenido en una mezcla con -metilnaftaleno (combustibles de referencia), con la cual se obtiene el mismo retraso a la autoinflamación que el del combustible a analizar.

• Contaminación de los motores. Fuentes de emisión de contaminantes
• Combustible evaporado del depósito. Responsable, aproximadamente, de un 20% de los hidrocarburos sin quemar que emite el motor principalmente en los MEP.
• Gases procedentes del cárter del motor que fluyen al exterior por el respiraderos Son responsables de otro 25% del total de hidrocarburos emitidos por el vehículo.
• Gases de escape. Los gases procedentes de la combustión aportan prácticamente el 100% de productos contaminantes tales como el monóxido de carbono, óxido de nitrógeno
• Principales productos contaminantes de los gases de escape

Los cuatro contaminantes más importantes son el monóxido de carbono (CO), los óxidos de nitrógeno (NOx), los hidrocarburos sin quemar (HC) y las particular sólidas (PM). Las emisiones de CO, NOx y HC son muy dependientes del dosado.

a.- Monóxido de carbono (CO)

El CO es muy tóxico por su gran afinidad con la hemoglobina de la sangre, 300 veces mayor que la del

oxígeno.

MEP: El CO es un producto intermedio de la combustión. Para FR ~ 1, la formación de CO en la combustión se debe fundamentalmente a la disociación del CO2.
MEC: Cuantitativamente la concentración de CO es despreciable, puesto que estos motores funcionan con dosados relativos menores que la unidad, del orden de 0,70 como máximo.

b.- Oxidos de nitrógeno (NOx)
MEP: Las altas temperaturas tienen una gran influencia en la formación de óxido de nitrógeno.
MEC: Los óxidos de nitrógeno aparecen en menor cantidad que en los MEP debido a los dosados de funcionamiento que poseen.

c.- Hidrocarburos sin quemar (HC)

MEP: Las emisiones de HC se componen fundamentalmente de: – Alcanos (parafinas): Metano, etano. – Alquenos (olefinas): Eteno, propeno. – Aromáticos: Benzol, toluol, etil-benzol, aldehidos aromáticos polinucleares.

MEC: La emisión de HC tiene una importancia similar al caso de los MEP.
d. Oxidos de azufre (SO2)

Provienen de la oxidación del azufre que contiene el combustible.
e. Partículas sólidas (PM)

Entre todas las más importantes es el hollín. Se trata de largas cadenas de hidrocarburos parcialmente oxidadas que tienden a reagruparse y es perceptible por el denso h.

Métodos y tratamientos para reducir la emisión de contaminantes.

• Soluciones activas: aquellas que tratan de evitar la formación de sustancias contaminantes. Generalmente se centran en optimizar los procesos del ciclo de funcionamiento (combustión, diseño cámaras, etc..), utilización de combustibles de buena calidad, etc.. Tipos de soluciones ACTIVAS:
• Recirculación de los gases del escape. Válvula EGR (Exhaust Gas Recirculation)

Su objetivo es reducir la formación de óxidos de nitrógeno (NOx). El sistema EGR reenvía una parte de los gases de escape al colector de admisión; de esta forma, se aportan sustancias inertes al cilindro que durante la combustión absorben calor de la masa de gases. Al disminuir la temperatura instantánea de los gases de combustión, se inhibe la formación de NOx.

Soluciones pasivas: una vez que se han formado los compuestos contaminantes, persiguen su eliminación: sistemas de retención de vapores, catalizadores, filtros. Tipos de soluciones PASIVAS:

a) Reciclado de los gases del carter antes de la combustión y Canister.

Los gases que provienen de la evaporación del aceite del cárter se comunican con el colector de admisión y se queman en la cámara de combustión.

b) Catalizador de tres vías para MEP.
Se trata de reactores catalíticos que actúan simultáneamente sobre los tres contaminantes HC, CO y NOx de tal forma, que el NOx se reduce y cede su oxígeno para oxidar el HC y CO.
c) Reactores químicos SCR (Selective Catalic Reduction) para MEC.

Los catalizadores de tres vías de los MEP no actúan correctamente en los MEC, ya que debido a la mayor presencia de O2 en los gases del escape, no son capaces de reducir los NOx a los niveles exigidos.
d) Filtros de partículas

Para oxidar las partículas sólidas (PM) se utilizan filtros especiales. Estos dispositivos constan de una estructura de material cerámico con un gran número de canales paralelos de reducida sección transversal.