Mecánica de Motores: Compresión, Fases de Combustión y Comparativa Diésel-Otto

Compresión en Motores de Combustión Interna

Principios de la Compresión

Se produce una alta compresión de aire.

Alta Temperatura (Tª):

• Cuanto más alta sea esta temperatura, mejores serán las condiciones para realizar la mezcla; por tanto, la inflamación es más rápida y la combustión más completa.

El rendimiento térmico depende fundamentalmente de la relación de compresión.

Niveles de Presión y Relación de Compresión (Rc)

Las presiones alcanzadas al final de la compresión son de 30 a 60 bares.

Relaciones de compresión (Rc) típicas:

• Inyección directa: Rc de 16/1 a 19/1.
• Inyección indirecta: Rc de 20/1 a 23/1.

Con mayores relaciones de compresión (Rc) pueden surgir:

• Problemas de estanqueidad.
• El mayor trabajo mecánico necesario para conseguir la presión más alta no siempre compensa el aumento de rendimiento térmico obtenido.

Es importante recordar que el combustible no se inflama instantáneamente; primero debe mezclarse con el aire y alcanzar la temperatura suficiente para la autoignición.

Condiciones para una Combustión Completa y Eficiente

Para lograr una combustión completa y eficiente, se requieren las siguientes condiciones:

• Alta temperatura (Tª) del aire comprimido.
• Gran turbulencia para facilitar la mezcla aire-combustible.
• Buena pulverización del combustible inyectado.
• Suficiente cantidad de oxígeno disponible.

Fases de la Combustión en Motores Diésel

Primera Fase: Retraso del Encendido (Periodo A-B)

Las primeras gotas de combustible inyectado se calientan, se vaporizan y comienzan a reaccionar con el oxígeno (O₂) del aire, preparándose para arder. En esta fase, se facilita la gasificación del combustible. El tiempo que transcurre entre el inicio de la inyección y el encendido efectivo de la mezcla acumulada se denomina retraso del encendido (identificado comúnmente como el periodo A-B en diagramas de presión).

Segunda Fase: Combustión Rápida o No Controlada

Durante esta fase, se quema rápidamente la mayor parte del combustible que se acumuló y mezcló con el aire durante el periodo de retraso del encendido. La velocidad de combustión es muy alta, lo que produce una brusca subida de presión en la cámara de combustión (alcanzando valores de 70 a 90 bares). Este rápido aumento de presión es una de las causas principales del ruido característico y la marcha algo más "dura" de los motores diésel. Si el retraso del encendido es excesivamente largo, se acumula más combustible, lo que resulta en un incremento de presión aún mayor y más brusco. Para mitigar esto y asegurar un funcionamiento suave, se utilizan combustibles con una alta capacidad de autoencendido, medida por su índice de cetano (cetanaje).

Tercera Fase: Combustión Controlada o Progresiva

La temperatura (Tª) en la cámara de combustión es ahora muy elevada debido a la combustión de la fase anterior. El combustible que continúa siendo inyectado se mezcla con el oxígeno (O₂) restante y se quema de manera progresiva y controlada a medida que entra, hasta que finaliza la inyección. El avance a la inyección (iniciar la inyección antes de que el pistón alcance el Punto Muerto Superior) está diseñado para compensar el retraso del encendido. Los sistemas de inyección modernos regulan con precisión el momento de inicio de la inyección en función del número de revoluciones por minuto (RPM) y la carga del motor, buscando que el valor máximo de presión (P) ocurra justo después de que el pistón haya pasado el Punto Muerto Superior (PMS) para optimizar el trabajo útil.

Diferencias Fundamentales de Funcionamiento: Motor Diésel vs. Motor Otto

Motor Diésel

• Admisión: Se admite la máxima cantidad de aire posible en el cilindro.
• Compresión: Alto grado de compresión del aire (relaciones de compresión de hasta 22/1 e incluso superiores).
• Inyección: El combustible se inyecta a alta presión (entre 250 y más de 2.000 bares) directamente en el aire caliente comprimido.
• Encendido: Autoinflamación del combustible debido a la alta temperatura del aire comprimido, sin necesidad de bujías.
• Combustión: Relativamente más lenta y progresiva en comparación con el motor Otto.
• Presión de combustión: Elevada, típicamente entre 70 y 90 bares, pudiendo ser mayor en motores modernos.

Motor Otto (Gasolina)

• Admisión: Se admite una mezcla de aire y combustible previamente dosificada en una proporción específica.
• Compresión: Grado de compresión relativamente bajo (generalmente hasta 11/1, aunque algunos motores modernos pueden alcanzar valores ligeramente superiores).
• Encendido: La mezcla aire/combustible se enciende mediante una chispa eléctrica generada por una bujía.
• Combustión: Rápida y casi instantánea una vez iniciada por la chispa.
• Presión de combustión: Moderada, típicamente entre 30 y 40 bares, aunque puede variar.

Ventajas e Inconvenientes Característicos de los Motores Diésel

Ventajas

• Mejor rendimiento térmico: Debido a las mayores relaciones de compresión y, por ende, mayores temperaturas (Tª) y presiones de trabajo.
• Menor consumo específico de combustible: Consecuencia directa de su mayor rendimiento.
• Menos emisiones de ciertos contaminantes (ej. CO, HC en algunas condiciones): Aunque pueden generar más NOx y partículas si no cuentan con sistemas de postratamiento adecuados. (Nota: La afirmación original "Menos contaminantes" es una simplificación; se matiza para mayor precisión).
• Mayor duración y robustez: Generalmente construidos para soportar mayores presiones, lo que puede traducirse en una vida útil más larga con un coste de mantenimiento potencialmente menor en ciertos aspectos a largo plazo.

Inconvenientes

• Mayor peso: Debido a la necesidad de una construcción más robusta para soportar altas presiones.
• Más ruidoso y funcionamiento más brusco: Especialmente en modelos más antiguos, debido a la naturaleza de la combustión por autoencendido.
• Coste inicial más elevado: La complejidad de los sistemas de inyección y la robustez de los componentes suelen encarecer su fabricación.
• Peor adaptación a cambios rápidos de régimen: Aunque los motores modernos han mejorado significativamente en este aspecto.
• Arranque en frío más dificultoso: Requieren sistemas de precalentamiento (calentadores o bujías de incandescencia) en bajas temperaturas.