Fundamentos del motor diésel e identificación de los sistemas principales
Un motor diésel es un equipo fundamentalmente fiable. Más que un motor de gasolina. Sin embargo, a lo largo de las décadas hemos visto muchas averías en motores de embarcaciones de recreo, pero lo que rara vez hemos visto es un motor diésel desgastado. Esto difiere de las aplicaciones industriales y comerciales.
En las embarcaciones de recreo, los motores fallan debido a ciclos de trabajo inadecuados (principalmente, por funcionar durante largas horas con cargas ligeras), combinados con un mantenimiento inadecuado y descuidado. Los problemas eléctricos impedirán que el motor arranque. Los problemas relacionados con el combustible provocarán que se pare. El óxido y la corrosión lo atacarán en su exterior.
Aunque el aceite sucio, o la falta de aceite, y el sobrecalentamiento pueden provocar daños catastróficos instantáneos, la mayoría de las averías se desarrollan con el tiempo. Por lo general, existe la posibilidad de evitarlas. Si no se hace, en el mejor de los casos las averías del motor son un inconveniente costoso; y en el peor, amenazan la seguridad de la tripulación y del barco.
Casi todas estas averías se pueden evitar. Si un motor está bien instalado y bien mantenido, y se le somete a un ciclo de trabajo apropiado, funcionará entre 5.000 y 15.000 horas sin que se necesite nada más que el mantenimiento rutinario, y seguro que sin ninguna revisión importante.
En este módulo vamos a tratar todos aquellos aspectos relacionados con la posesión de un motor diésel que, si se cumplen, garantizarán una larga vida útil sin problemas. En caso de que surjan problemas, abordaremos técnicas que le permitirán identificar y resolver la mayoría de ellos.
El objetivo es eliminar la ansiedad que supone tener un motor diésel para que pueda disfrutar de un tiempo relajante en el agua y sin estrés.
Sin sistema de encendido
Primero nos sumergiremos en un poco de teoría. Comprender los componentes principales y los mecanismos básicos de funcionamiento de un motor diésel le ayudará a entender por qué es tan importante el mantenimiento que vamos a tratar. También le resultará útil cuando lleguemos a la resolución de problemas.
A diferencia de un motor de gasolina, un motor diésel no tiene sistema de encendido. Esto plantea la pregunta de cómo vamos a conseguir que el combustible diésel se queme, lo cual es una condición previa esencial para el funcionamiento del motor. Por improbable que le parezca a mucha gente, esto se consigue comprimiendo aire. Quizás recuerde de niño cuando inflaba las ruedas de su bicicleta. La bomba se calentaba. Esto se debe a que el aire contiene siempre algo de calor, independientemente de la temperatura ambiente. Al comprimir el aire, se concentra el calor y la temperatura aumenta. Incluso los modestos niveles de presión necesarios para inflar las ruedas de una bicicleta generan calor. A niveles de compresión suficientemente altos, la temperatura superará la temperatura de ignición del combustible diésel, por lo que cualquier cantidad de diésel añadida a esta masa de aire altamente comprimido y sobrecalentado se quemará «espontáneamente» sin necesidad de una fuente de ignición adicional.
Un motor diésel funciona comprimiendo el aire hasta un nivel en el que, independientemente de lo frío que sea el aire entrante, la temperatura resultante es lo suficientemente alta como para encender el combustible diésel. Esta compresión se consigue atrapando aire en un cilindro y luego forzando un pistón hacia arriba en el cilindro para comprimir el aire.
Se ha descubierto que si el aire se comprime hasta una decimocuarta parte de su volumen original —lo que se conoce como relación de compresión de catorce a uno, o 14:1—, el aire comprimido casi siempre estará lo suficientemente caliente como para que se produzca la ignición. Las relaciones de compresión más altas —algunos motores diésel llegan hasta 25:1— proporcionan un margen adicional para condiciones realmente frías y para el desgaste, el cual reduce la compresión. La eficiencia de un motor aumenta con relaciones de compresión más altas, pero también lo hace la fricción, hasta que se cancela en torno a una relación de compresión de 24:1.
En las relaciones de compresión más bajas, para garantizar que el aire comprimido alcanza la temperatura de ignición independientemente de lo frío que sea el clima, es habitual disponer de algún tipo de elemento calefactor (normalmente, una bujía de incandescencia o calentador, que es un elemento calefactor eléctrico) que se activa antes de arrancar el motor. Este elemento precalienta parte del aire antes de que sea comprimido, lo que garantiza la temperatura de ignición cuando el aire es comprimido. Tan pronto como el motor arranca, el calor de la combustión calienta el aire entrante y el precalentador ya no es necesario, aunque en los motores más nuevos algunos pueden encenderse y apagarse durante determinadas condiciones de funcionamiento, como a bajas velocidades del motor con temperaturas ambientales bajas.
Si tiene que mantener girada la llave de contacto contra la presión de un muelle, o pulsar un botón accionado por un muelle, durante unos diez segundos antes de arrancar el motor, es porque su motor tiene bujías incandescentes (u otro dispositivo de precalentamiento). Del mismo modo, si en un motor controlado electrónicamente hay un retraso después de activar el ciclo de arranque hasta que el motor está listo para arrancar, entonces es posible que se haya activado un circuito de bujías incandescentes.
Dado que rara vez navegamos en condiciones de frío extremo y que la mayoría de los motores diésel están en buen estado, normalmente se puede arrancar el motor sin pasar completamente por el ciclo de las bujías incandescentes y, en muchos casos, sin pasar ni siquiera por él.
El ratio entre el volumen A y el B es el ratio de compresión.
Las relaciones entre el ratio de compresión y la presión, y entre el ratio de compresión y la temperatura.
En los EE.UU. hay dos formulaciones de diesel que están ampliamente disponibles - #1 and #2 – con temperaturas de ignición ligeramente distintas. La número 1 se enciende a 210˚C/410˚F; la número 2 se enciende a 257˚C/494˚F.
El diésel número 2 se encuentra en todos los estados con clima cálido durante todo el año y en verano en la mayoría de los estados fríos. El número 1 es una fórmula para climas fríos que se encuentra en los estados del norte de EE.UU. durante el invierno. Evita la solidificación de las ceras que bloquean el sistema de combustible y que se produce con el diésel número 2 en temperaturas extremadamente frías. Excepto para aquellos que tengan intención de navegar en temperaturas muy por debajo de cero, tanto el diésel n.º 1 como el n.º 2 son adecuados para nuestras embarcaciones de recreo. Si se tiene intención de navegar en un clima realmente frío, es importante acabar el diésel n.º 2 a tiempo para poder llenar el depósito con el n.º 1.
En Europa existe una diferenciación similar con el «diésel de invierno», que se vende en los países del norte, normalmente desde noviembre hasta febrero. La norma EN 590 que regula el combustible diésel, también conocida como «diésel Euro 5/6», tiene seis clases que se aplican de forma diferente según el clima de cada país.
Asegurando la combustión completa
Tan pronto como el combustible diésel se quema, la temperatura en el cilindro aumenta. Dado que la presión es una función de la temperatura, del mismo modo que la temperatura es una función de la presión, la presión aumenta. Es este aumento de presión el que se utiliza para impulsar un motor.
Para que un motor funcione, el instante de la combustión debe coordinarse con el movimiento de los pistones y otros componentes. Si el combustible diésel entrara en el motor mezclado con el suministro de aire, como ocurre con el combustible en muchos motores de gasolina antiguos, el diésel se encendería de forma algo aleatoria tan pronto como el aire comprimido alcanzase la temperatura de ignición del diésel. El motor nunca funcionaría. El combustible diésel debe introducirse en un momento preciso y controlado en el ciclo de funcionamiento del motor. Esta es la función del sistema de inyección de combustible.
La combustión del combustible diésel es una reacción química entre las moléculas de hidrocarburo del combustible diésel y las moléculas de oxígeno del aire comprimido, lo que significa que las moléculas deben encontrarse primero entre sí. Para que esto suceda, el combustible diésel debe dividirse en partículas minúsculas (atomización) y dispersarse por toda la masa de aire denso y comprimido en la que se inyecta. Esto se consigue llevando el combustible a una presión muy alta y haciéndolo pasar a través de una serie de pequeños agujeros (orificios) en la punta de un inyector (el dispositivo que se utiliza para pulverizar el diésel en un cilindro). Cuanto mayor sea la presión y más pequeños sean los orificios, más se podrá atomizar el combustible y mejor se podrá distribuir, lo que dará como resultado un funcionamiento más limpio y eficiente del motor.
Con un sistema de inyección mecánico tradicional (los sistemas de inyección electrónicos modernos son diferentes), un pulso de combustible a alta presión, generado por una bomba de inyección, alimenta la parte inferior del inyector debajo de un reborde en la válvula del inyector. La alta presión levanta la válvula del inyector, permitiendo que el combustible salga del inyector a través de los orificios en la base del mismo. La parte superior de la válvula de la boquilla presiona hacia arriba un émbolo, forzándolo contra un potente resorte. Las presiones de inyección se ajustan atornillando una tuerca ciega contra el resorte. Durante el pulso de inyección, parte del combustible sube por fuera de la válvula de la boquilla y del émbolo para lubricar el inyector, saliendo a través del racor de retorno.
Índice de cetano
Otro factor que afecta a los procesos de combustión es la calidad del combustible. Cuando el combustible diésel se inyecta en un cilindro, se produce un retraso momentáneo antes de que se queme. Durante este retraso, en la mayoría de los sistemas de inyección se inyecta combustible adicional. Cuanto mayor sea el retraso, más combustible se acumulará en el cilindro antes de que se produzca la combustión y mayor será la fuerza explosiva en ese momento (al ralentí, puede oírse como un golpeteo), lo que reduce la eficiencia y aumenta las tensiones del motor.
La velocidad de combustión del combustible diésel viene determinada por su índice de cetano (NC). Cuanto mayor sea el número, más rápido se quema y mejor es para un funcionamiento limpio y eficiente del motor. En Europa, la calidad del diésel se define en la norma EN 590. Desde 2001, se exige un NC mínimo de 51. El combustible diésel premium puede tener un NC superior a 60. En Norteamérica se utiliza la norma ASTM D975, con un NC mínimo de 40 y valores habituales en el rango de 42-45. California tiene un NC mínimo de 43. En general, debemos buscar números NC en el rango de 48-50. En la práctica, normalmente no tenemos control sobre el número de cetano del combustible que repostamos (es el que suministra el puerto deportivo), pero en general, cuanto mayor sea el índice, mejor.
Si se puede elegir entre diésel estándar y premium a menos que su motor requiera específicamente diésel premium, funcionará bien con el estándar. En BoatHowTo desconocemos si el coste adicional del diésel premium compensa a largo plazo en términos de mejora del estado y de rendimiento del motor.
Es probable que el biodiésel tenga un número de cetano (NC) de entre 48 y 52, aunque esto depende de los materiales de origen y de los procesos de producción.
Para obtener un rendimiento óptimo, queremos altas presiones de inyección y altos números de cetano. A lo largo de los años, las presiones de inyección han aumentado de 2.000 libras por pulgada cuadrada-psi (140 bar) a la increíble cifra de 40.000 psi (2.850 bar). Se prevé que las presiones alcancen los 60.000 psi (4.280 bar).
Los sistemas de alta presión utilizan tecnologías muy diferentes a las de los sistemas de baja presión. Debemos ser capaces de reconocer y comprender los principios básicos de funcionamiento de ambos. En primer lugar, analizaremos los sistemas de baja presión.