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

COMBUSTIBLES Y VEHÍCULOS ALTERNATIVOS

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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



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.




INYECCIÓN

Una vez comprimido el aire, se inyecta el combustible a alta presión en el cilindro.




EXPLOSIÓN

Se produce el encendido al entrar en contacto el combustible con el aire caliente.

Se transmite la energía mecánica generada al motor.




ESCAPE

Después de la combustión, los gases calientes salen del cilindro por las válvulas de escape.




ADMISIÓN COMPRESIÓN EXPLOSIÓN ESCAPEINYECCIÓN




• Relación de Compresión = resV

Vmax



COMPONENTES PRINCIPALES DEL MOTOR



• Pistón – Transmite el movimiento a la

biela

• Biela – Transmite el movimiento al

cigüeñal

• Cigüeñal – Transforma el movimiento

alterno en rotatorio

COMPONENTES DEL MOTOR









• 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)

PRINCIPALES SISTEMAS AUXILIARES



Doble Árbol de Levas en Cabeza (DOHC)

Leva Lateral

DISTRIBUCIÓN



DISTRIBUCIÓN



Objetivos

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

1. 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)

2. Proporcionar calor para climatizar el interior del vehículo

3. Mejorar el arranque en frío



• Bomba de agua

• Termostato

• Radiador

• Ventilador

• Circuito de

calefacción

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN



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 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



1. Inyección indirecta

2. INYECCIÓN DIRECTA

• Inyección directa en los cilindros

• Mayor presión de inyección

• Tecnología más cara y exigente

• Múltiples inyectores de compresión

SISTEMA DE COMBUSTIBLE



Directa Indirecta

PérdidasMenor pérdida de

temperaturaMayor pérdida de temperatura

entre cámaras

Rendimiento Mayor Menor

RégimenRégimen de revoluciones

más lentoRégimen 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 vs. INYECCIÓN INDIRECTA



INYECCIÓN DIRECTA



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

INYECCIÓN DIRECTA



TIPOS DE SISTEMAS DE INYECCIÓN

• Bomba radial y en línea

• Bomba-inyector

• Conducto común (“common-rail”)




Bomba en línea

600...700 bares 1 000 bares en la punta del inyector




Bomba radial

1000 - 1500 bares en la punta del inyector



SISTEMAS DE INYECCIÓN

Ventajas

• Sin tuberías

• Mayor presión de inyección

• Menor consumo de combustible

• Mejor par y potencia a regímenes de revoluciones bajos

Bomba-inyector

2000 bares



SISTEMAS DE INYECCIÓN

Conducto Común (“Common-Rail”)

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



Geometría variable

• Mayor par en todos los regímenes

de revoluciones por minuto

• Mejor consumo de combustible

• Mayor potencia

TURBOCOMPRESIÓN



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 )




Control de las emisiones:

• Recirculación de los gases de escape (EGR)

• Filtro de partículas

• Convertidor catalítico



FORMACIÓN Y CONTROL DE LOS CONTAMINANTESControl 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



HC CO NOx PM

Diésel

Gasolina




NORMAS EUROPEAS SOBRE EMISIONES

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 1,00 - 0,90 - 0,10

Euro 3 2001 0,64 - 0,56 0,50 0,05

Euro 4 2005 0,50 - 0,30 0,25 0,025

Vehículos de pasajeros Diésel 2,5t (valores en g/km)



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




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).




Curva de potencia

• Muestra la distribución de la potencia en cualquier régimen de revoluciones, a plena carga.

• RPM x kW (o CV).




• 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




Relación de compresión

Ren

dim

ient

o te

óric

o de

l mot

or

Motores Diésel

Motores de

gasolina

resV

Vmax




Trabajo útil

Proceso ideal

Pérdidas por mezcla

Pérdidas por combustión

Variaciones de velocidad

Pér

dida

s

Pérdidas por fricción

Pérdidas

87%

Motor de gasolina, conducción en ciudad



DIÉSEL vs. GASOLINA

Diésel Gasolina

Admisión Aire Aire y combustible

CombustiónAutoignición provocada por la alta presión y temperatura en el interior del cilindro

Encendido por bujías

CombustibleDebe 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%

TurbocompresiónSiempre que sea posible. Aumenta la eficiencia y mejora la combustión

Solución poco frecuente, pero cada vez más popular



DIÉSEL vs. GASOLINA

Diésel Gasolina

Consumo Menor Mayor

Precio

Normalmente menor, pero depende de los impuestos con que se grave en cada país

Mayor

Peso Más pesado Más ligero y compacto

Arranque Cuasi-inmediato Inmediato

Nivel de vibración y ruido Alto Bajo

Velocidad del motorLimitada 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 - CURIOSIDADESTDI – 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)



La tendencia actual de las petroleras se dirige a:

• Aumentar el cetanaje

• Reducir el contenido de azufre

Resumen



Nuestro agradecimiento al

Profesor Tiago Farias

Universidad Técnica de Lisboa



¡Muchas gracias por su atención!

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