COMBUSTIBLES CONVENCIONALES Carlos Sousa AGENEAL, Agencia Municipal de Energía de Almada

MOTORES DIÉSEL Y DE GASOLINA Ciclo de 4 tiempos Componentes principales Sistemas auxiliares

DIÉSEL – Ciclo de 4 Tiempos ADMISIÓN Entrada de aire en la cámara de combustión

DIÉSEL – Ciclo de 4 Tiempos COMPRESIÓN Con todas las válvulas cerradas, el pistón sube, comprimiendo el aire en el interior del cilindro Aumentan la presión y la temperatura del aire.

DIÉSEL – Ciclo de 4 Tiempos INYECCIÓN Una vez comprimido el aire, se inyecta el combustible a alta presión en el cilindro.

DIÉSEL – Ciclo de 4 Tiempos EXPLOSIÓN Se produce el encendido al entrar en contacto el combustible con el aire caliente. Se transmite la energía mecánica generada al motor.

DIÉSEL – Ciclo de 4 Tiempos ESCAPE Después de la combustión, los gases calientes salen del cilindro por las válvulas de escape.

DIÉSEL – Ciclo de 4 Tiempos ADMISIÓN COMPRESIÓN INYECCIÓN EXPLOSIÓN ESCAPE

Relación de Compresión =

COMPONENTES PRINCIPALES DEL MOTOR

COMPONENTES DEL MOTOR Pistón – Transmite el movimiento a la biela Biela – Transmite el movimiento al cigüeñal Cigüeñal – Transforma el movimiento alterno en rotatorio

PRINCIPALES SISTEMAS AUXILIARES Distribución (apertura y cierre de las válvulas) Sistema de refrigeración (evita el sobrecalentamiento de los componentes) Lubricación (reduce el rozamiento, limpia los componentes, etc.) Combustible (admisión de combustible)

DISTRIBUCIÓN Doble Árbol de Levas en Cabeza (DOHC) Leva Lateral

DISTRIBUCIÓN

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Objetivos Enfriar los componentes del motor: mantener el motor a una temperatura de funcionamiento adecuada (p.ej. evitar que se fundan los componentes) mantener las propiedades físicas y químicas del aceite lubricante (una excesiva temperatura podría deteriorarlo) Proporcionar calor para climatizar el interior del vehículo Mejorar el arranque en frío

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Bomba de agua Termostato Radiador Ventilador Circuito de calefacción

SISTEMA DE LUBRICACIÓN La función del aceite de motor va más allá de la mera lubricación. El aceite también debe tener: Gran capacidad detergente y dispersante Gran capacidad anti-oxidante Buena capacidad de refrigeración (ayuda a refrigerar el motor) Buena capacidad de neutralizar ácidos Capacidad de mantener sus propiedades ante cambios de temperatura (en frío y en caliente)

SISTEMA DE LUBRICACIÓN

SISTEMA DE COMBUSTIBLE Objetivo: Introducir combustible en el motor para su mezcla con el aire caliente en el interior del cilindro y posterior evaporación, auto-ignición y combustión

SISTEMA DE COMBUSTIBLE Inyección indirecta INYECCIÓN DIRECTA Inyección directa en los cilindros Mayor presión de inyección Tecnología más cara y exigente Múltiples inyectores de compresión

INYECCIÓN DIRECTA vs. INYECCIÓN INDIRECTA Pérdidas Menor pérdida de temperatura Mayor pérdida de temperatura entre cámaras Rendimiento Mayor Menor Régimen Régimen de revoluciones más lento Régimen de revoluciones más rápido Combustible Necesita combustibles de mayor calidad Funciona con combustibles de menor calidad (viscosidad, índice de cetano) Inyección Multipunto – varios inyectores (mayor presión de inyección) Monopunto – 1 inyector (menor presión de inyección)

INYECCIÓN DIRECTA vs. INYECCIÓN INDIRECTA Ventajas Inconvenientes Menor consumo de combustible Precio Potencia Ruido Arranque en frío Vibraciones

INYECCIÓN DIRECTA

INYECCIÓN DIRECTA Turbulencias (“squish”) y remolinos (“squirl”) del aire en la cámara de combustión

TIPOS DE SISTEMAS DE INYECCIÓN Bomba radial y en línea Bomba-inyector Conducto común (“common-rail”)

TIPOS DE SISTEMAS DE INYECCIÓN Bomba en línea 600...700 bares  1 000 bares en la punta del inyector

TIPOS DE SISTEMAS DE INYECCIÓN Bomba radial 1000 - 1500 bares en la punta del inyector

SISTEMAS DE INYECCIÓN Ventajas Bomba-inyector  2000 bares Sin tuberías Mayor presión de inyección Menor consumo de combustible Mejor par y potencia a regímenes de revoluciones bajos

SISTEMAS DE INYECCIÓN Conducto Común (“Common-Rail”) Ventajas 1800  2 000 bares Ventajas Mejor control de la inyección Disminución del ruido y de la vibración Buen consumo de combustible Buen par y potencia Disminución de emisiones contaminantes

ADMISIÓN EN LOS MOTORES DE GASOLINA Un motor de gasolina puede admitir: Una mezcla de aire y combustible Aire, con inyección directa del combustible al interior del cilindro – Motores de Inyección Directa Source: Total

TURBOCOMPRESIÓN Objetivo: Aumentar la relación potencia/peso Un compresor aumenta la densidad del aire antes de su admisión en los cilindros Desventajas (en relación con los motores atmosféricos sin turbocompresor): Mayor complejidad y coste Mayor esfuerzo físico y térmico del motor Ventajas: Mayor par y potencia Mejor consumo de combustible

TURBOCOMPRESIÓN

TURBOCOMPRESIÓN

TURBOCOMPRESIÓN Geometría variable Mayor par en todos los regímenes de revoluciones por minuto Mejor consumo de combustible Mayor potencia

TURBOCOMPRESIÓN INTERENFRIADOR O “INTERCOOLER” Objetivo: Aumentar la relación potencia/peso Enfría el aire después de la compresión antes de su admisión en los cilindros: Admisión de una mayor masa de aire en los cilindros Mayor consumo Mayor par Mayor potencia

FORMACIÓN Y CONTROL DE LOS CONTAMINANTES La combustión en los motores Diésel se caracteriza por una alta concentración de gotículas de combustible (baja vaporización del combustible). Principales contaminantes: Partículas (PM) Hidrocarburos sin quemar (HC) Monóxido de carbono, (CO) Óxidos de nitrógeno (Nox )

FORMACIÓN Y CONTROL DE LOS CONTAMINANTES Control de las emisiones: Recirculación de los gases de escape (EGR) Filtro de partículas Convertidor catalítico

FORMACIÓN Y CONTROL DE LOS CONTAMINANTES Control de las emisiones Diésel: Recirculación de los gases de escape o EGR (evita la formación de NOx) Filtros de partículas, activos y pasivos (disminución de PM) Convertidor catalítico de oxidación (reducción de HC y CO) Reducción catalítica selectiva o SCR (transforma el NOx en N2 y H2O) Petrol: Convertidores catalíticos con tres vías Catalizadores de oxidación (transforma CO y HC en CO2 y H2O) Catalizadores de reducción (transforma NO en N2 y O2)

Calidad del combustible Diésel: El Diésel es un derivado del cetano (C10H22) Cetanaje o Índice de cetano: Indica la mayor o menor capacidad de autoignición del combustible ( menor lapso hasta la autoignición) 15: Baja capacidad de autoignición: isocetano 100: Alta capacidad de autoignición: cetano Menor índice de cetano requerido: 51 Contenido de azufre: Menos de 50 ppm  combustible de bajo contenido en azufre Eliminación de las emisiones de dióxido de azufre (SO2) Reducción de las emisiones de PM Menos de 10 pmm: Combustible sin azufre (a partir de 2009)

Regeneración por filtro

FORMACIÓN Y CONTROL DE LOS CONTAMINANTES HC CO NOx PM Diésel Gasolina

NORMAS EUROPEAS SOBRE EMISIONES Vehículos de pasajeros Diésel  2,5t (valores en g/km) Norma Año CO HC HC + Nox Nox PM Euro 1 1992 2,72 - 0,97 0,14 Euro 2 - IDI 1996 1,00 0,70 0,08 Euro 2 - DI 1999 0,90 0,10 Euro 3 2001 0,64 0,56 0,50 0,05 Euro 4 2005 0,30 0,25 0,025

EFICIENCIA ENERGÉTICA PAR Energía generada por el motor en una revolución, resultante de la combustión del combustible [kg.m o N.m]. 1 kg.m=9,8 N.m Cuanto más alto el par, mayor es la eficiencia del motor a un régimen de revoluciones determinado. POTENCIA Energía generada por unidad de tiempo [W o CV]. 1kW = 1,36 CV 1 CV = 0,736 kW

EFICIENCIA ENERGÉTICA Curva de par de giro Muestra la distribución del par a cualquier régimen de revoluciones, a plena carga. Debería ser lo más baja posible, lo que significa buena respuesta del motor a cualquier régimen de revoluciones. RPM x N.m (o kg.m).

EFICIENCIA ENERGÉTICA Curva de potencia Muestra la distribución de la potencia en cualquier régimen de revoluciones, a plena carga. RPM x kW (o CV).

EFICIENCIA ENERGÉTICA Emisiones de CO2 por litro: la gasolina supera ligeramente al Diésel Emisiones de CO2 por km: menor consumo de Diésel y menor emisión La eficiencia energética es una función de las relaciones de compresión Los motores Diésel utilizan una relación variable de combustible y aire Los motores de gasolina utilizan una relación constante de aire y combustible (estequiométrica de 14,7 a 1), independientemente de la velocidad y la carga El tipo de admisión de los motores Diésel permite que la relación de aire y combustible en régimen de ralentí pueda descender hasta 100 a 1, siendo su eficiencia de consumo mucho mayor que la de los motores de gasolina

EFICIENCIA ENERGÉTICA Motores de gasolina Rendimiento teórico del motor Motores Diésel Relación de compresión

EFICIENCIA ENERGÉTICA Trabajo útil Variaciones de velocidad Pérdidas por combustión Pérdidas Pérdidas por mezcla Pérdidas por fricción Proceso ideal Pérdidas 87% Motor de gasolina, conducción en ciudad

DIÉSEL vs. GASOLINA Diésel Gasolina Admisión Combustión Combustible Aire Aire y combustible Combustión Autoignición provocada por la alta presión y temperatura en el interior del cilindro Encendido por bujías Combustible Debe ser de vaporización fácil y favorecer la autoignición (cetanaje alto) Debe ser resistente a la autoignición (octanaje algo) Relación de compresión La máxima posible (15 a 24) Limitada por las características del combustible (9 a 12) Eficiencia ~35% Menor de 30% Turbocompresión Siempre que sea posible. Aumenta la eficiencia y mejora la combustión Solución poco frecuente, pero cada vez más popular

DIÉSEL vs. GASOLINA Diésel Gasolina Consumo Precio Peso Arranque Menor Mayor Precio Normalmente menor, pero depende de los impuestos con que se grave en cada país Peso Más pesado Más ligero y compacto Arranque Cuasi-inmediato Inmediato Nivel de vibración y ruido Alto Bajo Velocidad del motor Limitada por las características del combustible y del ciclo Alta

INDUSTRIA DEL AUTOMÓVIL - CURIOSIDADES En 1976, Volkswagen presentó la denominación “GTI”, pero no la registró. Casi todos los fabricantes la utilizaron. Sin embargo, en 1991, Volkswagen presentó la denominación “TDI”, pero esta vez sí la registró. El resultado fue el siguiente …

INDUSTRIA DEL AUTOMÓVIL - CURIOSIDADES TDI – VAG Group TiD - Saab JTD - Alfa, Fiat, Lancia D- 4D - Toyota d - BMW D5- Volvo CRD - Chrysler, Jeep HDI - Peugeot, Citroën TDdi - Ford Di-D – Mitsubishi TDCi - Ford dTi - Renault CDTi - Honda dCi - Renault CRDi - Hyundai CDT – Rover DvTdi – Mazda DTI – Opel DiTD – Mazda CDI – Mercedes DDTi – Nissan

Resumen Ventajas de los motores Diésel: Mejor eficiencia energética: menor consumo de combustible/uso de energía (funciona con relaciones de compresión mayores) Ventajas de los motores de gasolina: Mejor arranque en frío Menor nivel de ruido y vibraciones Mayor elasticidad (velocidades de motor más altas) Más ligero Más potencia con un mismo tamaño de motor

Resumen La tendencia actual en motores y tecnologías Diésel se dirige a: mejorar la pulverización del combustible (mayor presión de inyección) mejorar el flujo en el interior del cilindro optimizar la inyección para reducir el ruido y las vibraciones maximizar la potencia y el par sin sacrificar la economía de combustible (optimizar la turbocompresión) optimizar la inyección de combustible para reducir el consumo de combustible (p.ej. tecnologías de inyección)

Resumen La tendencia actual de las petroleras se dirige a: Aumentar el cetanaje Reducir el contenido de azufre

Nuestro agradecimiento al Profesor Tiago Farias Universidad Técnica de Lisboa

¡Muchas gracias por su atención!