El Motor Diesel

Rudolf Diesel, nacido en París el 18 de marzo de 1858, en el seno de una familia alemana, se matriculó en el Instituto Politécnico de Munich con sólo 17 años, y a los 22 se graduó en ingeniería. Antes de los 30 años había hecho fortuna con algunas representaciones industriales en Francia.

En 1890, ya como director de una importante empresa berlinesa, comenzó a trabajar para resolver un problema que le había llamado la atención desde su época de estudiante: el bajo rendimiento de los motores térmicos.

El 28 de febrero de 1892 registró la patente de su “procedimiento de trabajo y tipo de realización de motores de combustión interna”, la base del motor diesel. El primer prototipo, sin embargo, explotó y el propio Diesel resultó herido, pero no cejó en su empeño. Tardó cinco años en conseguir que uno de sus motores funcionara correctamente.

Los resultados obtenidos provocaron una fuerte controversia: Diesel malgastó su salud en las disputas y sufrió un fuerte estrés psicológico, que le obligó a someterse a diversas curas.

En 1943 publicó un libro, “El nacimiento del motor diesel”. Rudolf Diesel desapareció en extrañas circunstancias la noche del 29 al 30 de septiembre de 1913, mientras atravesaba el canal de la Mancha en el vapor Dresden; el Almirantazgo británico lo había llamado porque quería estudiar la posibilidad de adaptar motores diesel a sus submarinos.

El motor Diesel, historia

Muchos lo consideraron un motor térmico en rendimiento elevado y menos contaminante. Ideado por Rudolf Diesel, de quien tomo el nombre genérico, este tipo de motor fue diseñado originalmente para fabricar con carbón pulverizado.

El 28 de febrero de 1892, Rudolf Diesel obtuvo la primera patente del motor que le hizo famoso. De hecho, este se diferencia de los de gasolina en un pequeño detalle: no precisa chispa para iniciar la combustión. Diesel, en su búsqueda de un motor de alto rendimiento, tuvo en cuenta que según los principios termodinámicos del físico N.L Sadi Carnot, uno de los padres de la termodinámica, existía la posibilidad de que una mezcla de aire y combustible pudiera explotar simplemente si se comprimía lo suficiente.

Durante años, los motores Diesel tuvieron aplicaciones limitadas a causa de dificultades prácticas. Eran pesados, ruidosos y producirán grandes vibraciones. Su potencia, además, era muy inferior a la de los motores de gasolina de cilindrada similar. Solo la llegada de nuevas tecnologías, como el turbocompresor o la inyección directa, permitió que se popularizasen entre los automovilistas, hasta el punto de que, en el año 2000, en algunos mercados europeos, los turismos Diesel igualaron y superaron en ventas a los de gasolina. Sin embargo, en Estados Unidos continuaron siendo poco menos que anecdóticos.

Diesel ideo un motor de cuatro tiempos y elevada compresión, capaz de funcionar con diversos tipos de combustibles pesados, tanto líquidos como sólidos. La primera tentativa, auspiciada por la firma Man, fue un fracaso. El motor simplemente exploto, Diesel necesito tres años más para poner a punto el primer motor practico de este tipo. Fue en 1898, seis años después de registrar su patente, cuando presento en Munich, su primer motor practico, un cuatro tiempos monocilíndrico, refrigerado por agua. Un cervecero norteamericano. Adolphus Busch, adquirió la patente para Estados Unidos y muy pronto un moto bicilindrico comenzó a producir electricidad para sus factorías.

Diesel se dio cuenta de que los motores de gasolina ofrecían un rendimiento muy pobre debido a su baja relación de compresión. En aquellos tiempos esta era de apenas 6/1 (es decir, la mezcla se comprimía hasta que su volumen inicial), para evitar la detonación (explosión incontrolada) de la misma. Los motores Diesel debían funcionar con relaciones de compresión de 20/1 e incluso superiores.

La violencia de la explosión, así como la necesidad de una gran cantidad de aire para funcionar, fueron los puntos débiles iniciales. Peso, volumen, ruido y vibraciones hicieron que los primeros motores Diesel solo se utilizaran en instalaciones estáticas, es decir, para generar electricidad o mover máquinas. En 1903, el Vandal fue el primer barco propulsado por motores Diesel y, hacia 1912, este sistema se había popularizado. En 1910, H. Saurer presento el primer motor Diesel para la automoción, aunque todavía fueron necesarios varios años para que el sistema se hiciera realidad. En 1923, Daimler Benz presento un motor Diesel de 40 CV, que fue instalado en el camión 5K3. Se trataba de un motor por entonces liviano y rápido (ya giraba a 1.000 rpm), con cuatro cilindros. Para evitar o paliar los problemas prácticos, le mezcla de aire y gasoil no se inyectaba directamente en el cilindro, sino en una precamara. El primer turismo Diesel, un Mercedes, no llego hasta 1934.

Aunque el Diesel estaba diseñado para funcionar con numerosos combustibles, pronto quedo muy claro que el gasoil era el idóneo. Aunque liquido, se trata de un combustible pesado, y por lo tanto, casi imposible de vaporizar. Para conseguir la mezcla, debía introducirse en el cilindro muy pulverizado. Ello fue posible gracias a la invención de los sistemas de inyección.

Para conseguir motores más pequeños, los ingenieros recurrieron a introducir aire a presión en los cilindros, primero mediante la adopción de compresores volumétricos y más adelante de turbocompresores. Además, la inyección de precamara fue sustituida a finales de los años noventa y principios de 2000 por la inyección directa. Este paso había sido dado en los camiones hacia algún tiempo, pero, en 1990, aun no se habían conseguido inyectores tan rápidos y con la elevada presión necesaria para los motores de turismo, que giraban entre 4.000 y 4.500 rpm, un régimen que duplicaba con creces el de un motor de camión.

Principio de funcionamiento

Un motor diesel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o precámara, en el caso de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de autocombustión, sin necesidad de chispa como en los motores de gasolina. Esta es la llamada autoinflamación.

La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde unos orificios muy pequeños que presenta el inyector de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión (entre 700 y 900 °C) Como resultado, la mezcla se inflama muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo.

Esta expansión, al revés de lo que ocurre con el motor de gasolina, se hace a presión constante ya que continúa durante la carrera de trabajo o de expansión. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento lineal del pistón en un movimiento de rotación.

Para que se produzca la autoinflamación es necesario alcanzar la temperatura de inflamación espontánea del gasóleo. En frío es necesario pre-calentar el gasóleo o emplear combustibles más pesados que los empleados en el motor de gasolina, empleándose la fracción de destilación del petróleo fluctuando entre los 220 °C y 350 °C, que recibe la denominación de gasóleo o gasoil en Inglés.

Tipos de motores diesel

Existen motores diesel tanto de 4 tiempos (los más usuales en vehículos terrestres por carretera) como de 2 tiempos (grandes motores marinos y de tracción ferroviaria). En la década de los 30 la casa Junkers desarrolló y produjo en serie un motor aeronáutico de 6 cilindros con pistones opuestos, es decir doce pistones y dos cigueñales opuestos montado en su bimotor Junkers Ju 86

Ventajas y desventajas

La principal ventaja de los motores diesel, comparados con los motores a gasolina, es su bajo consumo de combustible. Debido a la constante ganancia de mercado de los motores diesel en turismos desde la década de 1990 (en muchos países europeos ya supera la mitad), el precio del combustible ha superado a la gasolina debido al aumento de la demanda. Este hecho ha generado quejas de los consumidores de gasóleo, como es el caso de transportistas, agricultores o pescadores.

En automoción, las desventajas iniciales de estos motores (principalmente precio, costos de mantenimiento y prestaciones) se están reduciendo debido a mejoras como la inyección electrónica y el turbocompresor.

No obstante, la adopción de la precámara para los motores de automoción, con la que se consiguen prestaciones semejantes a las de los motores de gasolina, presenta el inconveniente de incrementar el consumo, con lo que la principal ventaja de estos motores prácticamente desaparece.

Actualmente se está utilizando el sistema common-rail en los vehículos automotores pequeños. Este sistema brinda una gran ventaja, ya que se consigue un menor consumo de combustible, mejores prestaciones del motor, menor ruido (característico de los motores diesel) y una menor emisión de gases contaminantes.

Aplicaciones

• Maquinaria agrícola 2T (pequeña) y 4T (tractores, cosechadoras)

• Propulsión ferroviaria2T

• Propulsión marina 4T hasta una cierta potencia, a partir de ahí 2T

• Vehículos de propulsión a oruga

• Automóviles y camiones (4T)

• Grupos generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia)

• Accionamiento industrial (bombas, compresores, etc., especialmente de emergencia)

• Propulsión aérea

El automóvil de motor diesel cumplió 75 años

Aun cuando transcurran 20 años más, hoy en día el motor de diesel permanecerá como uno de los tipos de trenes motrices más importantes para automóviles creados en las últimas décadas. Bosch, uno de los proveedores con mayor experiencia en el desarrollo de estos sistemas, pronostica que esta tecnología tendrá un gran potencial de desarrollo a futuro pues permite que el consumo de combustible diesel y las emisiones generadas por los carros comunes disminuyan de forma importante. Según los promotores de la división de Sistemas de Diesel de Bosch, el consumo de combustible para el año 2015 será de 3.6 litros por cada 100 kilómetros recorridos, para un carro compacto con motor de diesel.

Pensando precisamente en el futuro y en el desarrollo de nuevas tecnologías, el constante mejoramiento de los motores de diesel para vehículos ha sido una tradición durante los 125 años de trayectoria de Bosch. Hace 75 años esta marca desarrolló la tecnología de inyección del primer motor de diesel para carros de pasajeros. Su fundador, Robert Bosch, creó en 1922 el contrato para el desarrollo de surtidores de diesel, inicialmente para ser utilizado por grandes camiones. Más adelante en 1924, la primera serie de camiones de diesel fue lanzada al mercado en Alemania, con una producción a gran escala de tecnología de inyección de diesel. Ya para 1927, Bosch sentó las bases del éxito del motor de este tipo de motores, éxito que continúa hoy en día con miras a tener un prometedor futuro.

Innovaciones en motores

En 1930, Daimler-Benz planificó expandir el uso de motores de diesel para carros de pasajeros con sistemas de inyección Bosch. El primer automóvil producido en serie con motor de diesel fue un Mercedes-Benz 260 D, cuyo lanzamiento se realizó en la Exhibición de Automóviles de Berlín en el año 1936. El carro utilizaba tres veces menos combustible diesel que el mismo carro con motor regular a gasolina. Las ventas inicialmente fueron decepcionantes pues el carro con motor de diesel no era rival para sus homólogos de gasolina en términos de rendimiento y suavidad. Sin embargo, se había dado un paso importante, y los motores de diesel ganarían importancia en el período de la postguerra.

En 1950, Bosch fabricó un millón de bombas de inyección de diesel para carros de pasajeros y para camiones. Gracias a su relación costo-efectividad, los carros de diesel ganaron popularidad, particularmente para ser utilizados como taxis pues tenían que soportar duras condiciones de manejo. En ese momento, Bosch ya se estaba enfocando en las competencias del sistema y en el suministro de componentes ajustados con precisión a las bombas de inyección de diesel, tales como bombas para suministro de combustible, filtros, toberas de inyección y bujías de incandescencia.

En 1960, Bosch dio a conocer el primer distribuidor de bombas -más ligero y compacto que los existentes en el mercado- pavimentando así la vía para el uso de motores de diesel en carros de pasajeros más pequeños. Los ingenieros de Bosch identificaron una tendencia hacia un verdadero boom del diesel para la década de los 70. El fenómeno detrás de este boom era el VW Golf Diesel.

En 1975 se convirtió en el primer carro compacto en tener un motor de diesel de alta velocidad, el cual permitía alcanzar altas revoluciones al mismo tiempo de ser económico, gracias a la tecnología implementada por Bosch. Con un turbocompresor, el Golf “GTD” se posicionó como el primer carro deportivo con motor de diesel. Todos los fabricantes de Europa siguieron el ejemplo desarrollando automóviles similares, también con motor de diesel. La bomba de distribución de Bosch, que fue utilizada en numerosos modelos, sustentó este éxito.

Los 80: La era electrónica

A mediados de los 80, ocurrió el amanecer de la era electrónica para los modelos de diésel. En 1986, Bosch lanzó al mercado el primer sistema de control electrónico para sus distribuidores y bombas en línea.

En 1987, BMW se convirtió en uno de los primeros fabricantes de automóviles en utilizar bombas en línea controladas electrónicamente. “El placer de conducir” era ahora posible con el nuevo motor turbo de diesel elaborado por BMW, el cual estuvo disponible en 6 cilindros 524 td -la serie de producción más rápida del mundo para carros de pasajeros con motor de diesel en aquella época. En 1989, la primera bomba de pistones axiales de inyección directa de diesel revolucionó el motor de diesel. Esta innovación fue lanzada al mercado con el Audi 100 TDI (Turbodiesel Direct Injection).

Esta nueva tecnología Bosch permitía que el diesel se inyectara directamente en los cilindros con una alta presión de 1.000 bar, lo que permitía una combustión particularmente eficiente. Esto significaba mucho más poder y suavidad junto a la disminución en el consumo de combustible y menos emisiones. La inyección directa se convertiría en una norma después de algunos años tanto para motores de vehículos de pasajeros como para camiones. Más tarde en 1990, la admisión de los motores de diesel en los consumidores recibió un gran impulso con el desarrollo de otros tres productos de inyección de alta presión: la bomba de pistones radiales (1996), el sistema de “common rail” o riel común (1997), y la unidad inyector (1998); los cuales que fueron utilizados en vehículos como el Volkswagen Lupo de tres litros.