El Motor Diésel
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Visualización Jerárquica de Motor diésel
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A continuación se examinará el significado.
¿Cómo se define? Concepto de Motor diésel
Véase la definición de Motor diésel en el diccionario.
Motor diésel
Rudolf Diesel (1858-1913), ingeniero de la Politécnica de Múnich, desarrolló un motor de gasolina con un rendimiento térmico superior al de los motores mecánicos existentes. En 1892 registró la patente de este motor de dos tiempos y presión constante, y en 1893 expuso sus principios en Théorie et construction du moteur thermique rationnel (Teoría y construcción del motor térmico racional). Su motor utilizaba aceites pesados y la mezcla de gases se encendía por la compresión del pistón, es decir, por autoencendido. El motor Diesel encontró inmediatamente aplicaciones en la industria, la marina y los ferrocarriles. Reconocido en su propio país, Diesel recurrió a la ayuda de los mejores ingenieros para mejorar las capacidades del motor, sobre todo en términos de compresión y de transición a un ciclo de cuatro tiempos.
Tras la muerte de su inventor, el motor Diesel suscitó el interés de la industria automovilística en los años veinte. Se introdujeron mejoras (diseño de la cámara de combustión, refuerzo de piezas, etc.) para aumentar las velocidades de rotación y crear un “diesel rápido” de alto rendimiento. Los primeros turismos diésel aparecieron antes de la Segunda Guerra Mundial, desarrollados por Mercedes y Peugeot, que se convirtieron en líderes mundiales de los motores diésel a finales de los años 50.
El Inventor
La utilización de una mezcla gaseosa para producir una determinada cantidad de fuerza motriz puede lograrse mediante combustión a volumen constante (motor de combustión interna), o mediante combustión a presión constante o a temperatura constante. Diesel optó inicialmente por esta última solución (1892), pero luego la abandonó y prosiguió sus investigaciones hasta 1896. Entonces construyó su primer motor: un ciclo de cuatro tiempos con compresión previa, basado en los principios formulados por Beau de Rochas, con combustión de la mezcla de gases a presión constante. En la primera etapa, se aspira el aire; a continuación, se comprime fuertemente (presiones de 30 kg/cm2, frente a 6 en el motor de combustión interna), hasta que alcanza una temperatura elevada (500 a 600 0C); la tercera etapa corresponde a la inyección progresiva del combustible, con autoencendido al contacto con el aire sobrecalentado, seguido de expansión; por último, la cuarta etapa es la evacuación de los gases quemados. En 1897, Diesel ya había registrado un rendimiento apreciable de la combustión del carburante (26,2%) en dos motores de prueba. Como la alta presión le permitía desarrollar una potencia considerable, el motor Diesel se utilizó por primera vez en una central eléctrica, donde accionaba una dinamo (Kiev, 1903). Pero se utilizó principalmente para propulsar vehículos pesados o arrastrar cargas excepcionales. Tras la creación de la Société française des moteurs R. Diesel (1898), se instaló un motor de 120 CV en un submarino (1903). Llamado a Inglaterra por el Almirantazgo para estudiar nuevas aplicaciones de su invento, embarcó en el Dresden el 29 de septiembre de 1913. Durante la noche, probablemente cayó por la borda y su cuerpo fue encontrado un mes más tarde frente a la costa de Vlissingen, en Bélgica.
A partir de 1923, su motor se adoptó para la tracción ferroviaria, y el primer camión diesel salió a la carretera en 1924. Más tarde, el motor diesel se introdujo en la maquinaria agrícola y de obras públicas. Sin embargo, los intentos de aplicarlo a la aviación fueron infructuosos.
Revisor de hechos: EJ
Características de Motor Diésel en la Propulsión Naval
Hélice de palas controlables
La velocidad V de un buque es, en una primera aproximación, proporcional al número de revoluciones N de su hélice: el punto de funcionamiento de la hélice, caracterizado por la relación V/N (denominada “avance por revolución”, e igual, dentro de un coeficiente de multiplicación, al “grado de progresión” J = V/nD, número adimensional considerado en hidrodinámica naval, siendo D el diámetro de la hélice) es, por tanto, independiente del número de revoluciones. Y es posible lograr una buena adecuación entre el motor y la hélice para todo el rango de utilización del buque.
Sin embargo, algunos buques tienen varios regímenes de funcionamiento muy distintos, por ejemplo los arrastreros según estén navegando o arrastrando, o los remolcadores según estén trabajando o no. Por lo tanto, en estos buques es imposible lograr una buena adaptación entre el motor y la hélice para estas diferentes condiciones de funcionamiento. Si, por ejemplo, la hélice de un arrastrero está diseñada para funcionar en vacío, el motor (en este caso, un motor diésel) alcanzará su par nominal al arrastrar a un número de revoluciones inferior a su número de revoluciones nominal, y no se podrá desarrollar la potencia nominal, producto del par nominal y el número de revoluciones nominal. Lo mismo ocurrirá cuando esté en marcha si la hélice está diseñada para la pesca de arrastre, ya que el número de revoluciones alcanzará su valor nominal mientras que el par será muy inferior al par nominal.
Una solución que se suele adoptar en estos casos es adaptar el paso de la hélice al régimen de funcionamiento del buque, permitiendo que cada una de sus palas se oriente alrededor de un eje perpendicular al eje de la hélice.
El uso de hélices de palas orientables, que permite adaptar lo más posible el régimen del motor a la situación operativa del buque, tiene también la ventaja de facilitar las maniobras y la marcha atrás. Esta última cualidad hace que la mayoría de los buques equipados con turbinas de gas estén equipados con hélices de palas controlables (a diferencia de las turbinas de vapor y de la mayoría de los motores diésel marinos, las turbinas de gas no tienen la posibilidad de invertir el sentido de giro).
Otra ventaja de las hélices de palas orientables es que el motor de propulsión (diésel, por ejemplo) puede girar a una velocidad constante, lo que permite utilizar el motor con un rendimiento óptimo y acoplar el alternador de a bordo a la caja de cambios.
Las hélices de palas orientables son, por supuesto, mucho más complejas y caras que las de palas fijas, pero su grado de fiabilidad es bastante satisfactorio. Su rendimiento es ligeramente inferior al de las hélices convencionales. También son más ruidosas.
Unidades de accionamiento: Varios tipos
A finales del siglo XVIII (Jouffroy d’Abbans) y principios del XIX (Fulton) aparecieron máquinas de vapor alternativas (con pistones) alimentadas por calderas de carbón y, posteriormente, por calderas de gasóleo. Su construcción finalizó hacia 1950.
En los buques mercantes, la propulsión diésel se ha desarrollado progresivamente en detrimento de la propulsión por caldera de petróleo y turbina de vapor, debido a las numerosas ventajas que ofrece en términos de coste de construcción, consumo de combustible y facilidad de funcionamiento, y también debido al continuo desarrollo del rendimiento de los motores diésel, que les ha permitido alcanzar niveles de potencia antes sólo alcanzables con turbinas de vapor. Hoy en día, la propulsión a vapor sólo se utiliza en buques con una potencia de propulsión muy elevada o cuando la naturaleza de la carga proporciona energía “gratuita” para alimentar la caldera (buques metaneros).
Los armadores prefieren los motores diésel lentos (100 a 200 rpm) cuando su altura (más de 10 m) no es un problema. Se acoplan directamente a la hélice y queman los mismos combustibles residuales que las calderas.
Los motores diésel semirrápidos (de 400 a 500 rpm) con cajas de cambios con relaciones de reducción moderadas se utilizan mucho cuando se requiere o interesa un espacio reducido: transbordadores, cargueros horizontales, portacontenedores, etc. Las potencias elevadas se obtienen acoplando varios motores a la misma caja de cambios mediante embragues.
Los motores diésel de alto régimen (más de 1.000 rpm) se utilizan mucho para propulsar pequeñas embarcaciones militares o civiles (costeros, pesqueros, buques de servicio).
Para los buques con una potencia de propulsión superior a unos 30 megavatios, o para ciertos buques de transporte rápido en los que el peso del sistema de propulsión es un criterio decisivo, la turbina de gas que utiliza un reactor aeronáutico ha sustituido a la propulsión convencional de vapor o gasóleo.
La turbina de gas sigue asociándose a menudo a un motor diesel rápido, más económico en términos de combustible, reservándose el motor diesel para las velocidades de crucero y la turbina de gas para las velocidades punta. Sin embargo, la aparición de turbinas con eficiencias de recuperación comparables a las de los motores diesel rápidos debería reducir el atractivo de esta combinación.
En el sector militar, la propulsión nuclear se reserva a los buques de gran tamaño (portaaviones en particular), a los buques militares de superficie y a los submarinos de ataque o estratégicos de un reducido número de armadas que dominan esta tecnología (Estados Unidos, Rusia, Gran Bretaña y Francia). Para los submarinos, la propulsión nuclear ha supuesto una ventaja decisiva en términos de discreción; todos los submarinos franceses, por ejemplo, son de propulsión nuclear, pero se siguen construyendo submarinos diésel-eléctricos más pequeños a un coste mucho menor.
Turbinas de gas
Aunque este tipo de propulsión se utiliza principalmente en los grandes buques de combate, el uso de turbinas de gas tiende a extenderse a la marina mercante, debido a sus ventajas en términos de masa y concepto de mantenimiento (mantenimiento por intercambio estándar de módulos, lo que se traduce en menos tiempo de inactividad) y a los progresos realizados en términos de eficacia. Las turbinas de gas utilizadas se derivan de los motores turborreactores de aviación eliminando los materiales sensibles a la corrosión marina. La energía de los gases que salen del generador de gas se transforma en trabajo mecánico en la turbina libre y luego se transmite a la hélice a través de una caja de engranajes y la línea de ejes.
El conjunto formado por la turbina de gas, su carcasa y las conexiones entre los colectores de admisión y escape de gases y los conductos de la chimenea es un módulo completo. Para una potencia dada, este conjunto es mucho más ligero que otros tipos de motor. Un módulo de turbina de gas de 20 megavatios pesa unas 30 toneladas. Un motor diesel semirrápido de potencia equivalente pesaría diez veces más. También ocupa menos espacio, aunque esta ventaja se compensa en parte por el hecho de que los conductos de entrada y salida de aire de la chimenea son muy extensos. Una turbina de gas requiere un caudal de aire tres o cuatro veces mayor que otros tipos de máquinas. Además, el aire de admisión debe filtrarse para eliminar la niebla marina.
Durante mucho tiempo, el consumo específico, entre 260 y 300 gramos por kilovatio-hora a plena potencia, se consideró un obstáculo importante para el desarrollo de turbinas de gas destinadas a la propulsión de buques mercantes, sobre todo porque este consumo específico aumenta considerablemente a cargas parciales. Por ejemplo, aumenta entre un 15% y un 20% a media potencia, entre un 30% y un 40% a un tercio de la potencia y un 25% a plena potencia. El 100% a un tercio de potencia y alrededor del 50% a un cuarto de potencia. Además, el combustible utilizado es relativamente caro, ya que no se pueden quemar fuelóleos pesados. En consecuencia, hay varias máquinas asociadas a la misma línea de ejes, de modo que una máquina puede desembragarse y pararse a baja velocidad para aumentar la carga de la otra. Para cada línea de ejes se utilizan las tres disposiciones siguientes: o dos turbinas de gas idénticas, o una turbina de gas de alta potencia y otra de baja potencia, o una turbina de gas de alta potencia y un motor diésel.
Además, la ausencia de marcha atrás en las turbinas de gas obliga a instalar un engranaje/reversor pesado y engorroso, un acoplador hidráulico de marcha atrás o una hélice con palas orientables. También es posible instalar una transmisión eléctrica, cuyo menor rendimiento puede compensarse utilizando motores en gamas más adecuadas.
Los generadores de gas se revisan mediante un cambio estándar después de un cierto número de horas de funcionamiento (entre 5.000 y 15.000).
Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):
En la actualidad, varias mejoras contribuyen a mejorar el consumo de las turbinas de gas: temperaturas de funcionamiento más elevadas, posibles gracias a los avances de la metalurgia; mejor optimización de las condiciones de funcionamiento, gracias a una modelización digital precisa de su funcionamiento; mejora del ciclo de Carnot mediante la introducción de un recuperador de gases de escape y una refrigeración intermedia para reducir la energía de compresión del aire de combustión (ciclo I.C.R.: intercooler recuperado).
Gracias a estas mejoras, el consumo específico de una turbina de 20 megavatios debería acercarse al de los diesel semirrápidos en un amplio rango de potencias (menos de 200 g/kWh por encima de 5 MW para una turbina de 20 MW), conservando una clara ventaja en términos de masa (una ganancia de 5 respecto a un diesel de la misma potencia).
Las restricciones en materia de contaminación atmosférica (limitación de los niveles de NOx y SOx emitidos) podrían contribuir a favorecer la turbina de gas, menos contaminante por su menor temperatura de combustión (reducción de NOx), mientras que la mejora de la calidad del combustible exigida por la reducción de SOx reduce también una de las ventajas del gasóleo (su capacidad para quemar fuelóleos pesados poco refinados).
Sistema de propulsión de un submarino convencional
El sistema de propulsión de un submarino viene determinado por las condiciones de navegación durante la inmersión, que descartan la posibilidad de utilizar un motor diésel convencional. Por lo tanto, la hélice se acciona mediante un motor eléctrico alimentado por una batería acumuladora. Esta batería se recarga, generalmente durante la inmersión con periscopio, mediante una unidad diesel-dinamo o diesel-alternador-rectificador, que alimenta al mismo tiempo el motor eléctrico de propulsión; la propia unidad se alimenta de aire fresco a través de un tubo, denominado schnorchel, que conecta el interior del submarino con la atmósfera situada por encima del agua.
Cabe señalar, no obstante, que desde los años 90 ya se han desarrollado conceptos no nucleares -y que, por tanto, evitan los riesgos de radiación o proliferación nuclear- que también permiten prescindir de estos retornos a la superficie: se trata de sistemas en los que se almacenan el combustible y el oxidante, lo que permite su funcionamiento sin necesidad de suministro de aire exterior.
Reviosr de hechos: EJ y Mox
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Recursos
Traducción de Motor diésel
Inglés: Diesel engine
Francés: Moteur diesel
Alemán: Dieselmotor
Italiano: Motore diesel
Portugués: Motor diesel
Polaco: Silnik wysokoprężny
Tesauro de Motor diésel
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Véase También
Mecánica aplicada
Historia de la Mecánica aplicada
Transporte
Transporte por carretera
Historia del transporte por carretera
Tipos de fabricación mecánica
Mecanismos
Máquinas
Motores
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1 comentario en «Motor Diésel»