Motores nafteros y gasoleros: Algunos conceptos - 2

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La aplicación del “downsizing” en los motores Diesel, persigue la reducción del consumo de gasoil, y la disminución de las pérdidas por fricción mecánica.

Los límites del “downsizing” en los Diesel. Las cilindradas unitarias y sus problemas. La combustión homogénea HCCI. La menor cantidad de NOx, de carbono particulado, y de ruidos. El efecto swirl (torbellino) y su atenuación. Las ventajas de la inyección directa. La recirculación de los gases de escape (EGR).

La aplicación y los límites del “downsizing” (reducción de dimensiones y cilindrada) en los propulsores Diesel, están en la reducción del consumo, disminuyendo el aspecto de las pérdidas por fricción. La reducción de la cilindrada permite un uso, en la zona de mejor rendimiento, de la parte que fricciona que es menor con relación a la carga efectiva realizada.

Pero pueden aparecer muchos límites, por ejemplo una cilindrada unitaria demasiada pequeña, va a incrementar las transferencias térmicas disminuyendo el rendimiento. De la misma forma, las fricciones o frotamientos, no siguen una función lineal, de la cilindrada, es decir que los valores no son iguales en las diferentes partes del motor. Por ejemplo, el caso de las bancadas del cigüeñal -sus niveles de fricción- o los sistemas auxiliares como es el caso de la bomba inyectora de gasoil.

Sin duda, en aquellos motores que utilicen la doble sobrealimentación (biturbo), los costos se verán incrementados. Respecto al sistema de combustión HCCI. (Homogeneous Combustion Compression Ignition), es considerado una etapa importante en la evolución de los motores gasoleros. La combustión homogénea HCCI., puede tener diferentes características, pero es seguro que produce un proceso de “baja temperatura” generando un bajo nivel de óxido de nitrógeno NOx. Y si la temperatura es demasiado baja, la generación de un bajo nivel de partículas carbonosas u hollín.

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El sistema de combustión de alta presión homogénea HCCI., es considerado de importancia en la evolución de los motores Diesel.

Esta combustión no es totalmente homogénea. La misma puede comenzar con una combustión en “pre-mezcla”, seguida por una del tipo “llama de difusión”, controlada por el inyector.

Es decir que en esta combustión disminuye la cantidad de carbono particulado, y que la parte de la “premezcla”, es considerablemente mayor que la parte de las “inyecciones piloto” existentes, además la reducida velocidad de combsutión limita la generación de ruidos.

Por lo tanto, algunos características de este sistema serían;

• Bajo nivel de NOx. (óxidos de nitrógeno).
• Bajo nivel de Carbono particulado u hollín.
• Menor generación de ruidos.

Para los fabricantes de motores, lograr éstos beneficios, es un trabajo complejo de “puesta a punto”, en cuanto al equilibrio del proceso de combustión. Pero el interés de lograr una emisión contaminante pobre en NOx. debido a las bajas temperaturas, y en ciertos casos la reducción de las partículas carbonosas, es grande.

La penetración en el mercado de los motores con HCCI. se va realizando de manera muy progresiva, existen algunas marcas con estos motores, pero no es grande su difusión. Un caso es el motor D4-D fabricado por Toyota, que utiliza una importante relación de recirculación de gases de escape (EGR), cuando existen estados de carga reducidos.

Los fabricantes de motores Diesel, se esfuerzan para poder superar los obtáculos que son las reglamentaciones anti-contaminación internacionales, y normalmente trabajan en dos direcciones;

- En el proceso mismo de combustión
- En las técnicas de post-tratamiento

En el primer caso, los que se dedican a la fuente generadora de combustión, saben que se pueden obtener los mejores resultados, con un bajo costo, y con una influencia limitada con respecto al consumo.

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Se busca reducir el conocido efecto Sw irlen la cámara de combustión, para disminuir las pérdidas por energía cinética y las transferencias térmicas a las paredes.

El primer paso al respecto, consta en atenuar el efecto Swirl en la cámara de combustión, es decir el movimiento de rotación del aire dentro de la misma (movimiento turbulento), con la finalidad de disminuir las pérdidas de energía cinética y las transferencias térmica a las paredes.

Es sabido que, cuanto más importante sea este efecto Swirl, más importante será la homogeneidad de la mezcla aire/gasoil, pero en contrapartida se aumenta el NOx y el consumo.

La inyección directa de gasoil, respecto a la inyección indirecta, en una precámara, en donde se producen fuertes turbulencias de aire, permite una reducción de velocidad del mismo de 10 a 20 veces. Esto significa, un beneficio considerable de energía y de transferencia de calor.

El objetivo en los investigados es lograr efectos Swirl casi nulos. Esto significa, poder aumentar las presiones de inyección, de manera significativa para mejorar el nivel de pulverización del gasoil, y la homogeneidad de la mezcla.

Cabe señalar, la importancia de obtener una elevada precisión, en las cantidades inyectadas, y el tiempo de duración de la inyección, con el fin de mejorar el control del proceso de combustión.

Respecto a la recirculación de los gases de escape (EGR), esta permite una disminución parcial de la presión del oxígeno contenido en el  aire, y de la temperatura máxima de la combustión. Estos dos parámetros son fundamentales en la formación de los NOx.

En lo referente al post-tratamiento de los gases de escape, existe siempre el catalizador clásico, para la reducción de los hidrocarburos incombustos HC. y de los óxidos de carbono CO. Pero a partir de la norma anticontaminación Euro 5, la tendencia es el uso generalizado del conocido FAP., es decir del filtro anti-partículas.

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Recirculación de los gases de escape EGR. de baja presión, en donde los gases se toman detrás del catalizador, y se alimentan junto con el ingreso de aire, antes del compresor del turbo: 1- Motor. 2- Conducto de admisión. 3- Enfriamiento del aire presurizado (intercooler). 4- Turbo. 5- Caudalímetro. 6- Catalizador. 7- Mariposa de regulación. 8- Válvula EGR. 9- Radiador de EGR.

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La recirculación de los gases de escape (EGR), es controlada por la sonda Lambda de oxígeno: 1- Motor Diesel. 2- Inyector “Common rail”. 3- Mariposa de regulación. 4- Medidor de masa de aire (película caliente). 5- Turbo. 6- Unidad de Control Electrónico (ECU). 7- Sonda Lambda banda ancha. 8- Válvula EGR. de recirculación de gases de escape.

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