El sonido característico de un viejo motor diésel es inconfundible. El rugido metálico y áspero, acompañado de un traqueteo peculiar, fue durante décadas la tarjeta de presentación de estos motores. Muchos están convencidos de que la causa reside exclusivamente en la alta relación de compresión, pero en la práctica, todo es mucho más complejo.
Los orígenes del famoso "traqueteo" diésel se esconden en las particularidades del proceso de combustión del combustible. Además, fue precisamente la lucha contra este efecto lo que llevó al surgimiento de muchas tecnologías modernas que hicieron que los motores diésel fueran notablemente más silenciosos, económicos y ecológicos.
En qué se diferencia un diésel de un motor de gasolina
La principal diferencia entre un motor de gasolina y uno diésel radica en la forma en que se enciende la mezcla de combustible.
En un motor de gasolina, el proceso lo inicia la bujía. La chispa enciende una mezcla de combustible y aire previamente preparada, después de lo cual el frente de llama se propaga gradualmente por la cámara de combustión.
Como resultado, la presión dentro del cilindro aumenta de manera suave y relativamente uniforme.
En un diésel, todo sucede de manera diferente.
Aquí no hay sistema de encendido por chispa. El aire en el cilindro se comprime tan fuertemente que su temperatura aumenta bruscamente. Solo al final de la carrera de compresión, el inyector pulveriza combustible, que se enciende al contacto con el aire incandescente.
Este principio es el que determina todas las características posteriores del funcionamiento del motor diésel.
Por qué la combustión diésel es más "dura"
Después de la inyección de combustible, comienza el llamado retraso de la ignición. Aunque se trata de fracciones de milisegundo, durante este tiempo parte del combustible logra mezclarse con el aire.
Cuando la temperatura es suficiente para la ignición, se produce la primera fase de combustión.
Se caracteriza por:
- la aparición simultánea de múltiples focos de combustión;
- una liberación brusca de energía térmica;
- un rápido aumento de la presión en el cilindro.
De hecho, una parte significativa de la mezcla preparada se enciende casi simultáneamente.
Es este momento el que crea una carga de impacto en las piezas del motor.
Después de esto, comienza la segunda etapa: la combustión por difusión. El resto del combustible continúa quemándose de manera más controlada alrededor de los chorros de inyección.
En el diésel también hay una llama completa, pero la etapa inicial transcurre de manera significativamente más brusca que en un motor de gasolina.
De dónde viene el característico sonido metálico
El principal indicador de la "dureza" del funcionamiento del diésel es la velocidad de aumento de la presión en el cilindro.
Los ingenieros designan este parámetro como dp/dφ, el cambio de presión en relación con el ángulo de giro del cigüeñal.
Durante la ignición intensa, la presión puede aumentar a una velocidad de aproximadamente 8-10 bar por cada grado de giro del cigüeñal en motores que funcionan de manera "dura".
Al mismo tiempo, la presión máxima en los turbodiésel modernos alcanza los 150-200 bar, mientras que en los diésel atmosféricos antiguos este indicador solía estar dentro de los 70-90 bar.
Un aumento tan brusco de la presión crea un fuerte impacto en la parte inferior del pistón y otros elementos del mecanismo de biela-manivela.
Son las vibraciones de las piezas metálicas del motor las que forman ese característico traqueteo diésel, que muchos comparan con el sonido de un tractor en funcionamiento.
Cómo los ingenieros aprendieron a controlar el aire
Para un funcionamiento eficiente del motor diésel, no basta con simplemente inyectar combustible en el cilindro.
Dado que solo quedan milisegundos para mezclar el combustible con el aire, los ingenieros tuvieron que utilizar soluciones aerodinámicas complejas.
La cámara de combustión moderna funciona de hecho como un sistema aerodinámico en miniatura, donde el movimiento del aire está estrictamente controlado.
Tres tipos de remolinos juegan un papel principal.
Swirl — rotación axial del aire
El Swirl representa la rotación del flujo de aire alrededor del eje vertical del cilindro.
Este movimiento se forma ya en la etapa de admisión gracias a la forma especial de los conductos de la culata.
Para los motores diésel, este remolino se considera uno de los elementos clave para una formación eficiente de la mezcla.
Squish — desplazamiento del aire hacia la cámara de combustión
El efecto Squish juega un papel no menos importante.
Para crearlo, la parte central del pistón se realiza en forma de una copa especial, y la superficie exterior permanece relativamente plana.
Cuando el pistón se acerca al punto muerto superior, el aire es expulsado a gran velocidad desde la zona periférica hacia la parte central de la cámara de combustión.
Esto permite:
- acelerar la mezcla de combustible y aire;
- aumentar la eficiencia de la combustión;
- reducir la formación de zonas de sobrecalentamiento local.
Tumble — volteo adicional del flujo
El tercer tipo de remolino es el Tumble.
Representa la rotación del aire en el plano vertical.
Para los motores diésel, este efecto juega un papel auxiliar, mientras que en los motores de gasolina modernos con inyección directa su importancia es significativamente mayor.
Por qué incluso una aerodinámica ideal no salva del hollín
Incluso los flujos de remolino más perfectos no pueden eliminar por completo una de las deficiencias fundamentales del diésel.
Debido a las particularidades de la combustión por difusión, parte del combustible inevitablemente se encuentra en condiciones de falta de oxígeno.
Es por eso que se forman partículas de hollín.
Para cumplir con los requisitos ambientales modernos, los automóviles diésel están equipados con:
- filtros de partículas diésel (DPF);
- sistemas de recirculación de gases de escape;
- algoritmos complejos de control de inyección.
Sin estas soluciones, las normas de toxicidad modernas serían inalcanzables.
Qué cambió el sistema Common Rail
Incluso después de optimizar la forma de la cámara de combustión, el problema del funcionamiento "duro" del motor seguía siendo relevante.
La causa principal seguía siendo el retraso de la ignición.
Mientras el combustible esperaba alcanzar las condiciones necesarias para la combustión, parte de él se acumulaba en el cilindro. Luego se producía un brusco aumento de la liberación de calor.
El sistema Common Rail revolucionó esto.
Su principal ventaja fue la capacidad de realizar múltiples inyecciones de combustible en un solo ciclo de trabajo.
La inyección piloto resultó ser la más importante.
En un tiempo muy corto antes del suministro principal de combustible, la electrónica envía una pequeña porción preliminar al cilindro.
Su tarea es la siguiente:
- aumentar suavemente la temperatura;
- preparar las condiciones para la ignición;
- reducir el retraso de la combustión principal.
Cuando llega la porción principal de combustible, se enciende casi de inmediato, sin acumular una gran cantidad de mezcla combustible.
Como resultado, la velocidad de aumento de la presión se reduce significativamente y el nivel de ruido del motor disminuye.
Por qué los diésel modernos son más silenciosos
Un motor diésel moderno representa un complejo conjunto de soluciones de ingeniería.
La reducción del ruido se logró gracias a la combinación de varias tecnologías:
- forma optimizada de la cámara de combustión;
- aerodinámica compleja de los flujos de aire;
- inyección de combustible de alta precisión;
- sistema Common Rail con inyecciones piloto;
- control electrónico del proceso de combustión.
Si los diésel antiguos acompañaban su funcionamiento con un fuerte rugido metálico, los motores modernos a menudo solo recuerdan ligeramente su origen con un ritmo de trabajo característico.
El famoso traqueteo diésel no surge solo por la alta relación de compresión. Su causa radica en las particularidades de la ignición del combustible y el crecimiento extremadamente rápido de la presión dentro del cilindro.
Durante décadas, los ingenieros buscaron formas de suavizar este proceso. Para ello, se desarrollaron cámaras de combustión complejas, esquemas especiales de movimiento del aire y sistemas de inyección de combustible de alta precisión.
Como resultado, el diésel moderno se ha convertido en un ejemplo de cómo la aerodinámica, la mecánica y la electrónica pueden resolver conjuntamente un problema que alguna vez se consideró una característica inherente del propio principio de funcionamiento del motor.
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