1.13.2. Alimentación y encendido del motor diésel

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Video resumen 1.13.2. Alimentación y encendido del motor diésel

Los gases contaminantes del motor diésel

El hecho de que la aceleración en el motor diésel se base en incrementar el caudal de gasóleo, implica que el dosado es muy variable en las diferentes condiciones de funcionamiento, lo que hace que la proporción de los gases contaminantes, ya conocidos de la contaminación del motor de gasolina, no sea constante, requiriendo de diferentes elementos para neutralizar sus efectos.

Además, al iniciarse la combustión por la auto inflamación del gasóleo las primeras gotas no se queman completamente, generando partículas sólidas muy nocivas para la salud, especialmente las que son de muy reducido tamaño, las micropartículas, para evitar que salgan la exterior es necesario un elemento anticontaminante adicional.

Estos son los contaminantes del motor diésel, viéndolo sobre un motor de cuatro cilindros en línea con inyección directa “common rail”:

HC hidrocarburos no quemados; son residuos de gasóleo sin quemar
- Su emisión es variable según las condiciones de marcha
- Afecta al sistema respiratorio; asma, cáncer,…
CO monóxido de carbono; se genera por la asociación del carbono del gasóleo con el oxígeno del aire
- Se genera de forma variable según las condiciones de circulación
- El CO potencia enfermedades cardiacas
- Como el motor diésel funciona con dosados pobres la emisión de HC y CO es sensiblemente menor que en el motor de gasolina
NO_X óxidos de nitrógeno; el nitrógeno que forma parte del aire es en principio inerte en la combustión, pero al haber un dosado más pobre sobra oxígeno que se combina con el nitrógeno por la alta temperatura
- Este es uno de los dos principales contaminantes del motor diésel al funcionar con exceso de aire para lograr la temperatura de auto inflamación del gasóleo
- Su emisión produce irritación de los ojos, afectando al sistema respiratorio y aumentando el riesgo de infecciones
CO₂ dióxido de carbono; son gases residuales que salen por el escape en los motores con sistemas anticontaminación, anteriormente los gases contaminantes que se expulsaban al exterior se iban transformando progresivamente en CO₂
- Su emisión es proporcional al consumo de gasóleo
- Este no es un contaminante directo, está en las bebidas carbónicas, pero potencia el efecto invernadero
SO_X óxidos de azufre; se producen durante la combustión por el contenido de azufre del gasóleo y la elevada temperatura
- Producen irritación de los ojos y afectan al sistema respiratorio
MCP micropartículas; se producen al inicio de la auto inflamación de las primeras gotas de gasóleo que inciden sobre el aire caliente; posteriormente al haber ya una combustión el resto del gasóleo inyectado se va quemando más fácilmente
- Se producen más MPC a bajas RPM y cuando hay más aportación de gasóleo por aceleración
- Provocan problemas respiratorios, potencian las alergias y el riesgo de cáncer

La contaminación en el motor diésel es muy variable, depende principalmente de las condiciones de marcha y de la actuación sobre el acelerador.

Anticontaminación del motor diésel

El dosado variable del motor diésel hace bastante más complejo evitar que los gases contaminantes salgan al exterior, y se requieren diferentes sistemas y elementos para conseguirlo, estos se van haciendo aún más complejos con la evolución más estricta de las directivas anticontaminación.

Con el motor ya conocido funcionando, se exponen los sistemas anticontaminación del motor diésel:

El monóxido de carbono CO e hidrocarburos no quemados HC se neutralizan en el catalizador de dos vías o funciones y se hace de forma similar al del motor de gasolina, con metales preciosos
Como el motor diésel funciona con dosados más pobres se generan bastantes menos CO y HC que en el motor de gasolina
El motor diésel al funcionar con exceso de aire genera mucha mayor cantidad de óxidos de nitrógeno NO_X, que no pueden ser neutralizados en el catalizador de tres vías por la gran cantidad y el mayor contenido en azufre del gasóleo que dañaría el metal precioso que los elimina (rodio)
Como su generación durante la combustión se produce por el oxígeno sobrante y la elevada temperatura, se reduce la cantidad de aire que entra al cilindro sustituyendo una parte por gases de escape ya quemados, recirculándolos de nuevo hacia admisión por la EGR (recirculación de gases de escape)
La EGR funciona hasta medias RPM, pues a partir de este régimen al haber más gasóleo inyectado la cantidad de oxígeno sobrante de la combustión es menor. De momento esta solución es suficiente
Para neutralizar las micropartículas MPC, que produce el motor a bajas RPM y aceleración, estas se acumulan en el filtro antipartículas FAP
Cuando está saturado se eliminan incrementando la temperatura de salida de los gases de escape mediante post-inyecciones
La mayor severidad de las directivas anticontaminación (2015) exige menos emisión de NO_X, y no se puede incrementar más la recirculación de gases de escape por la EGR pues afectaría a la calidad de la combustión
Esta exigencia precisa de nuevos elementos anticontaminantes, que son dos; la trampa de NO_X y el catalizador de reducción selectiva SCR
La trampa de NO_X los acumula y cuando está saturada se regenera con post-inyecciones
El catalizador SCR almacena los NO_X y cuando está lleno se inyecta un aditivo (AdBlue) que los elimina mediante procesos químicos
El dióxido de carbono CO₂ es proporcional al gasóleo quemado en la combustión, y se reduce disminuyendo el consumo del automóvil
No es un gas contaminante pero potencia el calentamiento global del planeta
Los óxidos de azufre SO_X se generan por la reacción del oxígeno del aire en la combustión con el azufre del gasóleo, y se reduce la emisión disminuyendo el contenido de azufre en el gasóleo
Los SO_X son unos de los componentes de las micropartículas sólidas, por lo que al reducir el contenido de azufre también disminuye la generación de MPC

Se ha visto lo compleja que es la anticontaminación del motor diésel, pero como su rendimiento y el equilibrio prestaciones–consumo es muy favorable, se continúan adoptando soluciones para que siga siendo interesante para los conductores de automóviles.

Esquema didáctico de la anticontaminación del motor diésel en función de las RPM y aceleración

Como complemento a las explicaciones sobre la contaminación del motor diésel se incluye este gráfico didáctico ⁽¹⁾ que la relaciona con las RPM y las soluciones anticontaminantes:

Se ven los gases contaminantes que se producen desde bajas RPM hasta altas, incluyendo las fases de aceleración brusca
A continuación aparecen los sistemas que intervienen para neutralizar los gases contaminantes antes de salir al exterior

Se aprecia como la contaminación es muy variable según las condiciones de circulación:

Hasta medias RPM se producen muchos NO_X y MPC requiriendo para su limpieza del trabajo intensivo de; la EGR, la trampa de NO_X y el catalizador SCR (según el equipamiento del automóvil) y del filtro antipartículas FAP
A medias RPM es cuando menos gases contaminantes se generan. Las MPC que se puedan producir se queman en el FAP durante el recorrido, si este es suficientemente largo para mantener la adecuada temperatura del FAP
A altas RPM, con más caudal de gasóleo, se producen HC y CO (menos que en el motor de gasolina) interviniendo el catalizador de dos vías
También en estas condiciones, y sobre todo en aceleraciones bruscas, hay de nuevo MPC que requieren de la colaboración del FAP para su neutralización
La emisión de CO₂ es proporcional al consumo de gasóleo por lo que se va incrementando con las RPM y en aceleraciones

⁽¹⁾Los gases contaminantes emitidos por el motor diésel, además de variar con las RPM y la aceleración, son muy sensibles a la temperatura de la combustión, con más temperatura se propician más NO_X y a la inversa, en lo que también influye mucho la cantidad de oxígeno sobrante, como se ha explicado anteriormente.

Al contar los motores diésel de automóvil actualmente con sobrealimentación por turbocompresor, la temperatura de la combustión es más elevada potenciando la generación de NO_X.

La animación que acompaña a las anteriores explicaciones está elaborada según las evoluciones de la combustión exclusivamente con fines didácticos, para facilitar la comprensión de la variabilidad contaminante del motor diésel y las soluciones correspondientes.

Resumen de este módulo

Repaso del contenido de este módulo del motor diésel con inyección directa y “common rail”.

Los cuatro tiempos del motor diésel:
- 1- Admisión con succión de aire exclusivamente
- 2- Compresión del aire para lograr elevada temperatura en la cámara de turbulencia del pistón
- 3- Combustión del gasóleo inyectado por varias salidas y en varias fases para reducir ruido y vibraciones, se produce auto inflamación por el contacto de las gotas de gasóleo con el aire muy caliente
- 4- Escape, salida de los gases quemados
Acelerador en el motor diésel:
- Consiste en ir aumentando el gasóleo inyectado al acelerar para incrementar la energía de la combustión, lo que implica más par motor y subida de RPM
- El acelerador puede ser mecánico cuando la actuación del acelerador varia directamente el caudal de inyección, o electrónico cuando el calculador electrónico de inyección amortigua las aceleraciones para reducir picos de contaminación
- En el sistema “common rail” el calculador además de controlar el acelerador determina las secuencias de actuación de cada inyector mediante su control electrónico independiente
Precalentamiento del motor diésel:
- Para facilitar el arranque en frío del motor se incorporan las bujías de precalentamiento o calentadores en las proximidades de la salida de los inyectores; al poner el contacto un testigo se enciende para apagarse cuando las bujías de precalentamiento están incandescentes y el arranque es posible

Anticontaminación del motor diésel; los gases contaminantes generados por el motor diésel se neutralizan mediante estos elementos:
- Monóxido de carbono CO e hidrocarburos no quemados HC; se limpian en el catalizador de dos vías
  - Estos contaminantes se producen a altas RPM y aceleración, siendo bastante menor su cantidad que en el motor de gasolina
- Óxidos de nitrógeno NO_X; se producen muchos más que en el motor de gasolina
  - Se reduce su generación con la EGR y con normas más estrictas se requiere la trampa de NO_X y el catalizador SCR (que necesita un aditivo)
  - Se generan a bajas RPM y poca aceleración
- Micropartículas de hollín MPC; cuando más las genera el motor diésel es a bajas RPM, se acumulan y queman en el filtro antipartículas FAP
- Dióxido de carbono CO₂; es proporcional al consumo de gasóleo, por lo que para reducir su emisión se ha de disminuir el consumo de combustible
- Óxidos de azufre SO_X; se deben a la presencia de azufre en el gasóleo, por lo que disminuyen reduciendo su contenido en el combustible
- La limpieza de los gases contaminantes en el motor diésel es mucho más compleja que en el de gasolina, requiriendo de diferentes complementos y aditivos
- Para su correcto funcionamiento se necesita que se mantengan la temperatura del motor y del sistema de escape durante recorridos de al menos 50 a 80 km a medias RPM, de no ser así su actuación es incompleta y se necesitarán acciones concretas para su regeneración, como circular por carretera o realizar una intervención en taller

Anticipación de módulos siguientes

Bomba mecánica de inyección en línea en un motor con inyección directa
Bomba mecánica rotativa de inyección en un motor con inyección directa
Bomba electrónica rotativa de inyección en un motor con inyección directa
Bomba de presión de inyección y control electrónico independiente de los inyectores “common rail” en un motor con inyección directa
Precámara de combustión; es la tecnología que permitió la utilización del motor diésel en motores de pequeño tamaño desde los grandes diésel con inyección directa

Otros enlaces

La realidad de la contaminación de los coches diésel