1. PROCESOS REALES EN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Proceso de Admisión
Como se describe en ángulos, el proceso de admisión de mezcla fresca (aire en
Diesel y Otto de inyección directa, y mezcla de aire y gasolina en Otto "normales")
comienza algo antes de que el cigüeñal llegue al PMS de cruce de válvulas, de
hecho, marca el inicio del período de cruce de válvulas. Dura hasta algo después
del siguiente PMI. Los ángulos de inicio y final de la admisión viene marcados por el
AAA y el RCA. Durante ese proceso, el movimiento descendente del émbolo hace
que el fluido que está en la admisión pase por la válvula de admisión y entre en el
cilindro. Es normal que el diseño del motor se haga para que en la admisión entre
en el cilindro la mayor cantidad posible de gases, optimizando la utilización de la
cilindrada y maximizando la potencia o el par desarrollado por el motor (el par va a
ser casi proporcional a la masa de gases que metamos en el cilindro).
Imaginemos una admisión con un líquido, por ejemplo, agua. Tenemos agua en
un tubo, conectado al cilindro a través de una válvula. Siendo el agua un fluido
incompresible, resulta razonable pensar que para que al final entre en el cilindro la
máxima cantidad posible de agua, la válvula de admisión se tiene que abrir justo en
el PMS, y cerrar justo en el PMI. Lo mismo ocurre en un motor real cuando la
velocidad de giro del cigüeñal es muy pequeña, imaginemos que es de 1 rpm. En
esas condiciones, el llenado máximo de nuevo se obtiene cuando la válvula se abre
en el PMS y se cierra en el PMI, porque.. ¿a qué va a ser debido que la válvula de
cierre después de que el émbolo empiece a subir?, puede ser razonable pensar que
si el émbolo sube, saca fluidos del cilindro, y si baja, los entra. Pues eso no siempre
va a ser así, por eso la válvula debe abrirse antes de que el émbolo empiece a
bajar y cerrarse después de que el émbolo empiece a subir.
Analicemos primero el AAA. Aparte de lo que pasa durante el cruce de válvulas,
hay un efecto que para mí es determinante. Para que, cuando el émbolo vaya
bajando, haya entrada efectiva de gases en el cilindro, la válvula de admisión tiene
que ofrecer un área efectiva de paso suficiente. Resulta que la apertura de la
válvula no es instantánea, es decir, que no pasa de estar completamente abierta a
estar completamente cerrada. La apertura de la válvula es gradual, con una
primera rampa de subida, llegada al máximo, donde ha de permanecer el mayor
tiempo posible, y paso a cerrarse, intentando posarse sobre el asiento a la menor
velocidad posible para que el impacto sea poco dañino.
En la figura de la
derecha, se representa
el área de entrada por la
válvula en función del
ángulo de giro de
cigüeñal. Si el AAA fuera
muy pequeño, el área
de paso cuando el
émbolo empiece a bajar
va a ser muy pequeña,
perdiendo por tanto la
primera parte del
proceso de admisión.
Así que puede ser bueno
empezar a abrir la

2. válvula algo antes, para que cuando el émbolo baje ya haya un área de paso por la
válvula de admisión suficiente.
Queda claro entonces porqué se debe abrir antes. Para ver porqué se debe
cerrar después de pasar por el PMI, cuando el émbolo está subiendo, hay que ver
qué pasa en la corriente fluida durante todo el proceso.
Imaginemos la situación inicial, un tubo lleno de gases, conectado a un cilindro,
y de repente, el cilindro empieza a aumentar su volumen, aspirando los gases.
¿Qué va a ocurrir?, ¿que todo el gas, que está tranquilamente en el colector, se va
a acelerar de repente?; la respuesta es claramente que no. Cuando el émbolo baja
un poquito, lo que hace es vaciar el espacio que antes ocupaba, creando una
depresión. Las moléculas de gas que están justo encima, se dan cuenta, y van a
rellenarla, creando de nuevo una depresión, y así ocurre sucesivamente. Lo que
pasa es que cada vez que el émbolo baja un poco, lanza una onda de depresión que
viaja por todo el fluido que hay en el tubo, como podemos ver en la figura adjunta.
En la figura A, el émbolo va a empezar
a bajar, y en B, ya ha bajado un cierto
tramo de la carrera del motor, y ha
lanzado un tren de ondas, que ya viajan
por el tubo, y han llegado hasta un punto
del mismo. Aquí podemos ver que hay
parte del gas que ya se ha empezado a
mover hacia la derecha, y parte que aún
no se ha enterado de que el émbolo es
está moviendo.
La razón es que esa onda que viaja
hacia la izquierda, que va acelerando el
gas hacia la derecha llevando la
información de que el émbolo va bajando,
tiene una velocidad de propagación, muy
alta (tanto como para que nosotros no la
notemos), pero finita. Es la velocidad del
sonido, que normalmente se representa
por a. Para el aire es de
aproximadamente 350 m/s a 300 K, y
depende de la raíz cuadrada de la
temperatura. Pese a que es muy alta, hay
que darse cuenta de que una onda tarda
1.4 milisegundos en recorrer un tubo de
medio metro, y durante ese tiempo a
6000 rpm el cigüeñal recorre 50º. Es
decir, que a 6000 rpm, el gas que está en
la entrada del tubo de admisión no se da
cuenta de que el émbolo está bajando
hasta que éste ha recorrido
aproximadamente un cuarto de la carrera descendente.
Este proceso de aceleración de la columna es parecido al de una fila de coches
en un semáforo. Cuando éste se pone verde, no arrancan todos los coches a la vez,
sino que arranca el primero, cuando el segundo se da cuenta, arranca, después el
tercero, y así sucesivamente, y a veces el último ni siquiera ha arrancado cuando el
semáforo vuelve a ponerse rojo.

3. Seguimos con el proceso, cuando la onda llega al extremo del tubo, (momento C
de la figura) rebota de nuevo hacia el interior, esta vez como onda de compresión,
haciendo que aumente algo la presión, como podemos ver en el dibujo D. Esta
onda rebotada es también beneficiosa, y termina de acelerar el fluido.
Así, en un momento intermedio del proceso, tenemos al fluido dentro del tubo
moviéndose con un campo de velocidades más o menos "raro", y multitud de ondas
yendo de un lado a otro del mismo.
Después, toca parar a esa corriente. El émbolo parte del PMS, parado, y se
acelera hacia el PMI. Más o menos a la mitad del recorrido (es un poco antes... ¿o
era después?) empieza a frenar, para llegar al PMI con velocidad nula. La máxima
succión la hace en el punto de velocidad máxima, y a partir de ahí, además de
frenarse él, empieza a frenar a la corriente, pero volvemos a lo mismo, el émbolo
se empieza a frenar, y por ello aumentará la presión en el cilindro. PERO LA
COLUMNA FLUIDA NO SE ENTERA INSTANTÁNEAMENTE DE ELLO.. se empieza a
frenar la punta de lanza, y se van lanzando ondas hacia la izquierda para llevar la
información de que hay que frenarse, y entre que llega a todo el fluido, éste sigue
desplazándose.
Así que podemos hablar de varias cosas que ocurren en admisión y que justifican
el que haya que mantener la válvula de admisión abierta aunque el émbolo esté
subiendo:
Retraso en la transferencia de información. Ya está todo dicho, el fluido
no se entera inmediatamente de que el émbolo se mueve, o de que cambia la
presión en el cilindro, por tanto, es conveniente tener la válvula abierta aunque el
émbolo vaya subiendo.
Resonancia de ondas. En este caso, hablamos de múltiples fenómenos de
interferencia de las ondas. Seguro que hay más de los aquí indicados, y que al final
el resultado de la admisión depende de todos ellos. Éste es la razón de que en las
curvas de par y potencia se vean algunos picos y/o valles. Pongamos varios
ejemplos:
o Cada vez que el émbolo baja un poco, succiona un poco de fluido que está
en el colector. La última succión se realiza justo cuando el émbolo está en el
PMI. En ese momento, lanza una onda, que viaja por el conducto de admisión
hasta llegar al otro extremo, donde rebota como onda de compresión. Después
de llegar al cilindro, empezarán a llegar ondas de depresión, que van a sacar
gases (se empezará a notar que el émbolo va subiendo). Por tanto, lo
interesante será que la válvula se cierre justo cuando llega la información que se
manda cuando el émbolo pasa por el PMI. Unos números, con un tubo de medio
metro, y una velocidad del sonido de 350 m/s, esa onda tarda 2.86 ms en
recorrer el tubo ida y vuelta. Durante ese tiempo, a 3000 rpm, el cigüeñal
recorre 51º, luego el RCA que consigue máxima resonancia en este caso es de
51º. A otros regímenes de giro, se tendrán otros ángulos óptimos, o dicho de
otra forma, fijado el RCA, se obtendrá un RCA que da llenado óptimo.
o Hay otra que se llama, creo recordar, resonancia del cuarto de onda.
Consiste en que la máxima succión se produce cuando el émbolo está, más o
menos, en la mitad de la carrera, o el cigüeñal en un ángulo de
aproximadamente 90º. Esa onda, de mucha intensidad, viaja por la admisión
hacia fuera del cilindro, llega al distribuidor de donde parten los conductos de
cada cilindro, vuelve como onda de compresión, aún le queda intensidad para
rebotar, volver al distribuidor, y de nuevo al cilindro. La válvula debería estar
abierta tiempo suficiente para que llegue ese segundo rebote. Con los números
de antes, la onda tarda 5.71 ms en ir y volver dos veces, y el cigüeñal recorre

4. 102º. Si el máximo de velocidad lineal del émbolo (pronto espero hablar de eso)
se tiene para α=80º, esa segundo rebote llegará a los 182º, 2º después de que
el émbolo pase por el PMI. PAra que sea más efectivo, en ese ángulo el área de
paso por la válvula ha de ser alta, por lo que el RCA debe ser algo más alto.
o Hay otro fenómeno, que no tengo del todo claro, pero que se basa en el
cálculo de las frecuencias propias del sistema. El sistema fluido en este caso está
formado por el distribuidor, el tubo, y el cilindro. Imaginad que subimos la
presión en el cilindro. Pasará fluido al tubo, y después al otro depósito, y por la
inercia del fluido, al final se creará una depresión en el cilindro, y una
sobrepresión en el distribuidor, y se volverá a pasar la sobrepresión hasta el
cilindro. Se tiene un cambio cíclico de la presión en cada depósito, siendo la
frecuencia de ese ciclo la de resonancia. A un régimen de giro como esa
frecuencia, se obtendrá un mejor llenado. La frecuencia de resonancia de un
sistema es:
Donde a es la velocidad del sonido, A el área del colector de admisión, l la
longitud y Vef la mitad de la cilindrada, aproximadamente.
Inercia. Todos conoceréis la segunda ley de Newton, que podemos expresar
como que F=ma, es decir, a un cuerpo de masa m le aplicamos una fuerza F y
obtenemos una aceleración a, y con esa aceleración, cambiamos la velocidad,
incrementándola, o haciendo frenar. De todo lo que hemos hablado arriba es de
ejercer la fuerza F, que en un fluido es a base de aumentar o disminuir la presión, y
de cómo hay cierto retraso para hacerlo, y de cómo esas fuerzas, al ser cíclicas,
pueden tener ciertas resonancias. Hablemos ahora de la inercia del fluido. Esas
fuerzas, lo que van a provocar son aceleraciones en el fluido, bien positivas, para
acercar la columna al cilindro, o bien negativas, para frenarla. En cualquier caso, la
columna fluida no se para en el momento, sino que recibe la fuerza y empieza a
reaccionar. Partiendo del punto de velocidad máxima del fluido, la presión creciente
del cilindro por la deceleración del émbolo intentará frenar a la columna, se llegará
al PMI, y seguirá entrando fluido, hasta que la fuerza ejercida sobre él consiga
pararle. Pues durante ese tiempo es bueno mantener abierta la válvula, para que
siga entrando fluido, aunque se vaya parando.
Pues más o menos, aquí se describen cosas que pasan en admisión.
Evidentemente no son todas, no pretendo ni mucho menos abarcarlas, pero al
menos el lector ya entiende las distintas curvas de par que se pueden encontrar en
algunos motores. Ajustando los parámetros de diseño que se pueden cambiar
(ancho y largo del colector y RCA, por ahora), se pueden optimizar los fenómenos
anteriores a distintos regímenes para obtener una curva de par plana, o se optimiza
todo a alto régimen para tener mucha potencia, o abajo para tener mucha
elasticidad.. y se entiende que existen sistemas de admisión variable, con
colectores que pueden cambiar su longitud y forma, y de distribución variable,
pudiendo variar el RCA en función del régimen para tener un llenado óptimo en un
rango lo mayor posible.
Una vez cerrada la admisión, se queda en el cilindro una cierta masa de gases,
que con el movimiento ascendente del émbolo, se va a comprimir.

5. Fases de la distribución
Aquí se quiere hablar un poco del ángulo de giro de cigüeñal, y de algunos
ángulos característicos en el motor. En la figura de la derecha, se puede ver un
mecanismo biela-manivela, formado por el cigüeñal, la biela y el émbolo. El ángulo
antes aludido es el que forma el brazo del cigüeñal con la vertical del eje del
cilindro, llamado α en la figura.
α es cero en el punto muerto superior (PMS) correspondiente al cruce de
válvulas, 180º (o π) en el punto muerto inferior (PMI) después de admisión, 360º
(vale, también 2π) en PMS durante combustión, etc.
La admisión de la mezcla en el cilindro suele empezar algo antes de que el
cigüeñal pase por el punto muerto superior, se llama Adelanto a la Apertura de
Admisión (AAA) al ángulo que gira el cigüeñal desde que se empieza a abrir la
válvula de admisión hasta que pasa por el PMS. Termina algo después de que el
cigüeñal pase por el PMI. Se llama Retardo al Cierre de Admisión (RCA) al ángulo
que gira el cigüeñal desde que pasa por el PMI hasta que se cierra la válvula de
admisión. Podemos decir que la admisión va desde α=-AAA hasta α=180º+RCA.
La compresión comienza en ese punto, y dura hasta
que comienza la combustión, algo antes del siguiente
PMS. Se llama, de manera genérica para todos los tipos
de motor, Adelanto a la Ignición al ángulo que
transcurre desde que comienza la reacción de
combustión hasta que el cigüeñal pasa por el segundo
PMS del ciclo. Igual que antes, la combustión empieza
en un ángulo α=180º+RCA hasta α=360º-AI
Después viene la combustión, que viene a durar un
ángulo variable para cada tipo de motor, del que, si hay
tiempo, hablaré en otro capítulo.
El siguiente proceso, la expansión, comienza al
finalizar la combustión (bueno, es una tontería
separarlos, podríamos decir que la expansión comienza
en el PMS durante combustión), y dura hasta algo antes
del segundo PMI. El ángulo que gira el cigüeñal desde
que se abre la válvula de escape hasta que pasa por el
PMI se llama Adelanto a la Apertura de Escape (AAE). La
combustión y expansión van entonces desde α=360º-AI hasta α=540º-AAE
En ese momento empieza el escape, que como se ha dicho empieza algo antes
del PMI y dura hasta algo después del siguiente PMS (que podría ser el comienzo
del nuevo ciclo), definiendo el Retardo al Cierre del Escape (RCE) como el ángulo
girado desde el PMS hasta el momento de cierre completo de la válvula de escape,
teniendo el proceso completo una duración desde α=540º-AAE hasta α=720º+RCE
(bueno, o α=RCE del siguiente ciclo).
De esta forma, se puede representar en dos circunferencias todo el ciclo
competo de un motor de cuatro tiempos, o de dos vueltas por ciclo. Lo podemos
ver en la siguiente figura. La circunferencia exterior representa la primera vuelta
del ciclo, y contiene a la admisión, la compresión y parte de la combustión; la
interior es la segunda vuelta, donde termina la combustión y además la expansión
y el escape. El primer tramo de la circunferencia exterior y el último de la interior

6. se representan del mismo color porque son el cruce de válvulas, cuando tanto la
de admisión como la de escape están abiertas.
Proceso de Combustión
Una vez que se ha terminado la compresión, cerca del PMS, se va a provocar, de
una u otra forma, el inicio de la combustión, para lo cual se ha de disponer de una
mezcla de aire y combustible vaporizados. Pese a que la combustión se realiza
siempre siguiendo los patrones que se detallan en la página de quemar mezclas,
ésta se realiza de manera muy diferente en motores diesel u Otto, por lo que el
análisis siguiente se va dividir, en principio, en el estudio de la combustión en esos
dos motores.
En poco tiempo (esperamos) se presentará un análisis parecido a éste dedicado
a dos tipos de motores, uno de los cuales, el de los gasolina de inyección directa
con mezcla estratificada, está en pleno auge a expensas de que haya en el mercado
gasolina sin azufre que permita extraer todo el potencial de ellos. El otro tipo de
motor "especial" es el motor HCCI (homogeneous charge compression ignition),
que es un motor de gasolina pero que sigue un ciclo de trabajo más parecido al
Diesel, en el cual explota por compresión una mezcla homogénea de aire y
gasolina.
Dentro del análisis de la combustión del motor Otto, se incluye también un
apartado para estudiar la detonación, también llamada picado de bielas. Es un
fenómeno muy dañino para el motor que limita de cierta forma el desarrollo e
incremento de rendimiento de los motores Otto.

7. Finalmente, se presentarán una serie de conclusiones relativas a las diferencias
entre motores Otto y Diesel por culpa del tipo de combustión que se produce en
cada uno de ellos
Combustión en motores Otto
Cuando termina la compresión, en el motor Otto se dispone de una mezcla de
aire y combustible comprimida a una presión de, más o menos, 15 veces la de
admisión (a plena carga, eso son unos 15 bares), y una temperatura, suponiendo
un ambiente de 25ºC, de unos 375ºC (ver explicación aquí). Se puede observar
una imagen de la situación en la figura 1. En esas condiciones, la mezcla en el
cilindro no debería explotar, sino que se debería mantener a raya la concentración
de radicales libres.
Para que comience la reacción de combustión, hace falta que se aporte algo de
energía a la mezcla, para elevar la temperatura y así aumentar la tasa de
producción de radicales libres. Ese aporte de energía se realiza en motores Otto
mediante el salto de una chispa eléctrica en algún punto de la cámara, como se
observa en la figura 2. En ese momento, los gases que están cerca de la bujía
reciben la descarga, aumentando su temperatura y reactividad. De esa forma se
aumenta la producción de radicales libres, para que poco tiempo después se haya
completado la reacción y se tenga una situación como la de la figura 3.
Se observa en dicha figura que se dispone de una nube de gases, en rojo,
compuesta por los productos de la combustión del hidrocarburo y aire (dióxido de
carbono, agua, nitrógeno, oxígeno, monóxido de carbono, etc.) a una temperatura
muy alta (será del orden de 2700 K). Esa nube está rodeada de gases más fríos,
gases iguales a los originales (combustible y aire).
En esa situación se va a producir una transferencia de calor desde los gases
calientes a los fríos, de manera que un nuevo estrato de mezcla fresca recibe calor
de los gases calientes, aumentando su temperatura, y llegando a una situación
como la de la figura 4, donde el color naranja representa gases frescos calentados.
La transferencia de calor se puede producir también por una cierta convección y
mezcla, ya que la combustión genera mucha turbulencia en los gases.
Una vez que los gases coloreados en naranja de la figura 4 han aumentado su
temperatura suficientemente.. ¿qué ocurre?.. pues que vuelve a aumentar la
generación de radicales libres, y aumenta su concentración, y ese estrato de gases
se termina quemando de la misma forma que los gases anteriores, llegando a una
situación como la de la figura 5.
Ahora el proceso ya se repite, en 5 tenemos la misma fotografía que en 3, unos
gases muy calientes, rodeados de gases fríos... transferencia de calor,
calentamiento de un nuevo estrato (llegamos a la figura 6), producción de radicales
y quemado del estrato (figura 7).
Si se observa el fenómeno desde fuera, lo que se ve es un frente de llama que
va avanzando por la cámara, haciendo que reaccione la mezcla.
En la figura 7 se tiene de nuevo la misma situación que en 5 y en 3, pero con
más mezcla ya quemada. A medida que se va efectuando el proceso, los gases que
aún no se han quemado, coloreados en azul, están aumentando su temperatura,
sometidos a la presión creciente que está habiendo en la cámara. Como se describe
aquí, si la temperatura de esos gases llega a ser muy alta, es posible que ellos

8. solos entren en ignición, sin necesidad de que llegue el frente de llama. En ese caso
se produce lo que llamamos detonación o que también se conoce como picado de
bielas.
Otra cosa que puede pasar durante el proceso es que se apague la llama. Puede
ser al principio del proceso, porque la chispa no haya sido demasiado potente, y
aunque se queme una pequeña cantidad de mezcla, no haya energía para calentar
suficientemente a lo que tiene alrededor.
También se puede apagar la llama en medio de la combustión, normalmente
porque se encuentren zonas de baja concentración de combustible, y la producción
de radicales no sea suficiente. Ésto se llama "misfire", y es típico de motores que
funcionan con mezcla pobre. En esas condiciones, la baja concentración de
combustible ralentiza la producción de radicales y es la razón principal por la que
un motor Otto no funciona bien con mezcla muy pobre.
Finalmente, la llama se termina apagando cuando llega a las proximidades de las
paredes. Los gases que están allí reciben el calor proveniente de los gases
calientes, pero en vez de aumentar su temperatura, al estar pegados a la pared lo
conducen hacia ella, así que no se calientan y por tanto no se queman. El gas que
está en medio de la cámara no puede conducir el calor hacia "detrás", por eso sí
que se calienta.
De esta forma, siempre hay una película de gas, pegada a la pared, que no se
quema. Es la principal fuente de emisión de hidrocarburos inquemados del motor
(que después se queman en el catalizador.. bueno, mejor que quemarse, se
oxidan).
Realmente, el proceso es aproximadamente como se ha descrito en estas líneas,
sin embargo, es preciso hacer una apreciación. En las figuras 3, 5 y 7 se ha
representado la zona de gases quemados, la roja, como hemiesférica, o sea, que la
propagación de la llama se hace a la misma velocidad en todas las direcciones. Eso
no es formalmente cierto. durante el proceso de admisión, cuando el gas pasa por
la válvula, se generan hilos de torbellino, de diámetro relativamente pequeño
(microturbulencia), que son repartidos por toda la cámara. Así podemos entender
que en la cámara hay una maraña de torbellinos, que encierra también zonas de
bajo movimiento del fluido. La llama progresa a gran velocidad por esos torbellinos,
y algo más lenta en los valles entre los mismos, de manera que a la forma de la
llama, que en las figuras 3, 5 y 7 se ha intentado representar como perfectamente
esférica, se le pueden añadir ramificaciones.
Algo también muy curioso, y de gran importancia para el motor, es lo que le
pasa a la velocidad del frente de llama. Como se ha visto en lo expuesto
anteriormente, ésta dependerá de cómo se transfiera el calor desde los gases
calientes hacia los fríos, y del tiempo que se tarde en éstos en generar los radicales
suficientes para quemarse. La transferencia de calor va a depender sobre todo del
nivel de turbulencia generado en la admisión, y este nivel de turbulencia será tanto
mayor cuanto mayor sea la velocidad de paso de los gases. De esta forma, la
velocidad del frente de llama se puede suponer proporcional al régimen de giro del
motor, y se llega a que el ángulo de giro de cigüeñal ocupado por la combustión,
casi no depende del régimen. Este hecho hace que el límite de régimen de giro del
motor de gasolina venga dado por el llenado y la resistencia de los materiales, pero
no por la combustión.
Una manera de reducir esa duración angular de la combustión es la utilización de
dos bujías por cilindro, como se hace en los motores Twin Spark de Alfa Romeo. En

9. ese caso se generan dos frentes de llama, que se acabarán juntando en algún
punto de la cámara.
Siguiendo con la velocidad del frente de llama, se puede comentar también que
la riqueza de la mezcla influye de manera decisiva en la misma. Lo hace a través de
la tasa de producción de radicales libres, de manera que con mezclas ligeramente
ricas, factores lambda de 0.85 aproximadamente, que es donde la producción es
mayor, la velocidad del frente es máxima. A medida que se empobrece la mezcla,
va disminuyendo la producción, haciéndose tan lenta con lambdas de 1.15 que el
ciclo llega a perder rendimiento, porque la combustión se prolonga mucho durante
la expansión. Y para mezclas más pobres, puede llegar el caso de que aún haya
llama en el cilindro al terminar el escape, y cuando se abre la válvula de admisión
puede propagarse hacia el colector, provocando explosiones en la admisión muy
peligrosas para el motor.
Ya sólo se me ocurre seguir con una cosa, y es precisamente el inicio del
proceso, lo que ocurre entre las figuras 2 y 3. Desde que salta la chispa hasta que
se genera el frente de llama y comienza la combustión "de verdad" pasa un cierto
tiempo, que se llama "tiempo de retardo". Ese tiempo de retardo depende de la
presión y temperatura, y durante ese tiempo el cigüeñal gira cierto ángulo, que
obviamente vamos a llamar "ángulo de retardo".
El tiempo de retardo no depende de la velocidad de giro del motor, pero el
ángulo sí, así que como normalmente se pretende que el comienzo de la
combustión sea siempre en el mismo sitio, el adelanto al encendido deberá variar
con la presión y el régimen. De aquí provienen los antiguos sistemas de avance
centrífugo y avance por depresión, que actualmente han sido sustituidos por
controles electrónicos con una cartografía que da el avance óptimo en función de
esos valores, presión y régimen de giro.
Combustión en motores Diesel
Los fenómenos que llevan a la combustión en un motor Diesel comienzan
cuando, al final de la compresión (recuérdese que en un motor
Diesel sólo se comprime aire), estando el aire a una presión que en
motores fuertemente sobrealimentados (como los Diesel de hoy en
día) puede ser de unos 80 bares, y temperaturas de 1000 K, se
empieza a inyectar el combustible, como se observa en la figura 1,
donde se ven multitud de gotitas de combustible que entran en
contacto con el aire caliente.
Cuando el combustible penetra en ese ambiente, inmediatamente
comienza a vaporizarse, porque además es inyectado en gotas muy
pequeñas, y se empieza a formar una nube de aire y combustible
vaporizado. Es la región gris de la figura 2. Nos encontramos con
una situación que nos resulta familiar... ahí empiezan a producirse
choques entre moléculas, y a generarse radicales. Pasado un cierto
tiempo, esa nube entra en ignición, e instantáneamente se quema
una cierta cantidad de combustible, convirtiéndose en la zona roja
de la figura 3.
Eso es una explosión, una combustión que se llama de premezcla,
en la que se libera bastante energía en poco tiempo. Lógicamente,
la temperatura de esa zona sube mucho, y hay una subida de
presión bastante brusca, que es la responsable del ruido, más bien

10. del traqueteo, del motor Diesel. A plena carga, ahí se quema entre un 20 y un 40%
del combustible, entre lo que explota en la primera ignición y lo que ya está
vaporizado y reacciona rápidamente.
A continuación, nos encontramos con que hay en la cámara gotas líquidas de
combustible, y otras que aún se pueden seguir inyectando, rodeadas de aire y gas
residual de la combustión de premezcla a alta temperatura.
En esas condiciones, aumenta la tasa de vaporización de las gotas combustible,
y el vapor que sale de la gota se difunde por la cámara. En cuanto encuentra
oxígeno, reacciona y se quema. Es la segunda fase de la combustión e el motor
Diesel, la combustión de premezcla, que está esquematizada en la figura 4. Es una
combustión mucho más lenta, y está gobernada por la tasa de inyección que se
tiene, la tasa de vaporización de las gotas y la facilidad con que el vapor encuentre
oxígeno (que no siempre ocurre).
Visto cómo se realiza la combustión, podemos comentar ciertos aspectos de la
misma que se traducen en características intrínsecas del motor Diesel:
En principio, puede ser conveniente, para reducir el ruido generado por el motor,
que la cantidad de combustible quemada por premezcla sea lo más pequeña
posible. Ya se ha comentado que es la causante del ruido del motor Diesel. Para
ello, se utilizan distintas técnicas; la más común consiste en, con bastante adelanto
respecto a la inyección principal, inyectar una pequeña cantidad de combustible,
que se quemará relativamente pronto. Así, cuando se inyecte el resto, se
encontrará con un ambiente mucho más agresivo, tanto térmica como
químicamente (la cámara se ha sembrado de radicales). Las nuevas gotas se
evaporarán rápidamente y reaccionarán sin producir grandes elevaciones de
presión. Incluso, en motores de última generación, lo que se hace es la
preinyección, y después varias inyecciones parciales, controlando así la tasa de
quemado y por tanto la liberación de energía, consiguiendo una sustancial
reducción del ruido y las vibraciones.
Otro tema de gran importancia en la combustión del motor Diesel es el diámetro
de las gotas de combustible cuando se inyectan en la cámara, relacionado con el
tamaño de los orificios del inyector y con la presión de inyección.
Una gota muy grande tardará más tiempo en evaporarse, y por tanto se
acumulará mucho combustible antes de explotar y la premezcla será más intensa.
Además, la combustión por difusión se prolongará más en el tiempo, lo que
después veremos que puede no ser bueno. También habrá problemas para que en
la difusión el combustible encuentre oxígeno.
Un problema típico de los Diesel de Inyección Directa es el goteo por el inyector.
Si el inyector está sucio, inyecta gotas muy grandes que pueden llegar a impactar
con el émbolo. Gotas ardiendo a alta velocidad dan como resultado una especie de
soplete que puede acabar agujereando el émbolo, o calentándolo tanto que el pie
de biela o el bulón se reblandecen y se puede producir su rotura.
Todo ésto hace que una de las luchas tradicionales del motor Diesel es buscar
una presión de inyección lo más alta posible, conseguida a base de tener unos
orificios de inyección cada vez más pequeños. Ya se está llegando al límite de
tamaño de orificio de los inyectores con los métodos de fabricación actuales.
Además, resulta que el tamaño de las gotas tampoco debe ser demasiado
pequeño, porque en esas condiciones en cuanto entran en la cámara son

11. arrastradas por la corriente de aire, y al no haber velocidad relativa entre gotas y
aire, se dificulta la vaporización. A mi parecer, los 2000 bares a los que
actualmente se ha llegado, pueden parecer un límite superior a la presión de
inyección bastante razonable.
Esta combustión, primero por premezcla y después por difusión, marcan un
límite al régimen de giro del motor Diesel. Ésto es debido a que hay procesos cuya
duración no depende del régimen de giro, y a medida que éste aumenta, la
combustión va ocupando un ángulo cada vez mayor, es decir, por poner un ejemplo
con números, si una gota tarda 3 milisegundos en evaporarse, eso son 36º de
cigüeñal a 2000 rpm, pero 72º a 4000 rpm, y a más alto régimen todavía se está
quemando cuando se abre la válvula de escape. Así, malamente se va a conseguir
subir mucho el régimen máximo del Diesel, y los aumentos de potencia se
consiguen únicamente a base de aumentar la presión de soplado del turbo. Debido
a este tema, al aproximarse al régimen máximo en Diesel el propio mecanismo de
regulación de la bomba, o la electrónica en motores modernos, cortan la inyección
de manera gradual.
Otro efecto importante que ocurre en el motor Diesel es relativo a la cantidad de
combustible que se puede quemar. Como se explica aquí, para una cierta cantidad
de aire hay una cantidad máxima de combustible a quemar, que es la relación
estequiométrica. En un motor de gasolina, se pueden... es más, se deben quemar
mezclas estequiométricas o al menos en su entorno. En el Diesel, debido a que al
final de la combustión al combustible le cuesta encontrar oxígeno, no se pueden
quemar mezclas con tanto combustible. Así, la lambda mínima que se puede
quemar en un Diesel ronda el valor 1.2, lo que equivale a que hay que tener sobre
nu 20% de exceso de aire para que todo el combustible encuentre oxígeno. Por
debajo de eso, aumenta mucho la emisión de partículas de hollín, que es carbono
sólido que no ha conseguido encontrar oxígeno a tiempo para quemarse.
¿Cómo se quema la mezcla?
Hablaremos en este tema de cómo se produce la reacción de combustión cuando
tenemos una mezcla de aire y combustible, que así, a priori, no tiene porqué arder
(bueno, a veces sí).
Vamos a hablar de varias cosas, primero, de estequiometría, es decir, de la
cantidad de oxígeno, o en su caso aire, que hace falta para quemar una cierta masa
de combustible. También nos introduciremos un poco en el proceso, estudiando las
diversas etapas que tienen lugar, como reacciones parciales de la combustión
completa. Aquí se hablará también de los productos que quedan al final de la
reacción, en función del aire que mezclemos con el combustible.
Finalmente, se verá qué es necesario para que la reacción se produzca, es decir,
qué condiciones se deben cumplir para que en el seno de una mezcla de aire y
combustible se produzca el inicio de la combustión.
Estequiometría
La reacción de combustión de una molécula de combustible requiere de varias
moléculas de oxígeno, en función del número de carbonos e hidrógenos de que esté
compuesta. Cada dos hidrógenos que haya en el combustible, requieren un átomo
de oxígeno, para formar una molécula de agua; y cada carbono requiere dos
átomos de oxígeno, para formar una molécula de dióxido de carbono. Con esa
forma, se obtiene una combustión completa. Para el caso del octeno, por ejemplo,
de molécula C8H16, la reacción de combustión completa es:

12. Hablando en términos de moles, la masa molecular del octeno es, más o menos,
112 g/mol, y la de oxígeno 32 g/mol, luego se necesitan 384 g de oxígeno para
quemar 112 g de octeno. Como el aire tiene, más o menos, un 21% de moléculas
de oxígeno y un 79% de nitrógeno, las 12 moléculas de oxígeno van acompañadas
de 45.1 moléculas de nitrógeno, así que en definitiva, para quemar los 112 g de
octeno, hacen falta 1648 g de aire (384 g de oxígeno y 1264 de nitrógeno).
Esa proporción, 14.7 gramos de aire por cada gramo de combustible, se llama
estequiométrica, y se llama λ (lambda) al cociente entre la masa de aire y la masa
de combustible de una mezcla. Una lambda de 14.7 indica que la mezcla es
estequiométrica, o sea, que hay justo el aire necesario para quemar el combustible
que hay. Se llama lambda relativa (λR) al cociente entre la lambda y la lambda
estequiométrica, luego una λR mayor que 1 indica que la mezcla es pobre, con
exceso de aire, y si es menor que uno, que la mezcla es rica, con exceso de
combustible.
Como ejemplo, en un Otto de inyección en colector (vamos, de los de toda la
vida) actual, la λR de funcionamiento normal es de 1, pero a plena carga, cuando
pisamos el acelerador al máximo, pasa a ser de unos 0,87. Para tener máximo
rendimiento, o mínimo consumo, λR ha de ser aproximadamente 1,15.
Veremos en otra parte de la página cómo λR es muy importante para el
funcionamiento del motor.
Fases del proceso
La reacción mostrada arriba es una reacción global, es decir, muestra el inicio y
el final de una combustión perfecta. Sin embargo, esa reacción no siempre se
cumple en su totalidad, y tampoco es instantánea, sino que consta de varias
reacciones intermedias que ayudan a completar el proceso.
Se pueden dar dos reacciones intermedias, que de alguna forma son etapas del
proceso. La primera consiste en la destrucción de la molécula de hidrocarburo,
formado monóxido de carbono e hidrógeno:
Ahí ya se ha desprendido una gran parte de la energía química del combustible,
pues se han roto todos sus enlaces. Después, el CO y el H2 siguen buscando
oxígeno para completar la reacción de oxidación. El más ávido por oxígeno es el
hidrógeno, haciendo:
Esa reacción también es muy energética, liberando mucha energía. Después el
monóxido de carbono sigue buscando oxígeno en la cámara, pasando a dióxido de
carbono, bajo la ley:

13. Estas dos últimas reacciones se hacen en paralelo, pero la del hidrógeno es
mucho más rápida que la del monóxido de carbono. Así, se gastan los mismos
oxígenos que en la reacción global, pero por partes. Aquí podemos comprobar
cómo, si se tiene una mezcla rica, con poco aire para el combustible, se completa la
descomposición del combustible, casi todo el hidrógeno encontrará oxígeno, y será
el CO el que se quede son oxidar, de manera que con mezclas ricas aumenta
mucho la emisión de monóxido de carbono.
Con mezclas pobres, con mucho aire, hay oxígeno suficiente para completar toda
la reacción, sacando el máximo de energía por cada gramo de combustible.
Se puede observar también que es posible quemar mezclas ricas obteniendo
mayor potencia, por varias razones:
Al desparecer todo el combustible, la energía total liberada va a ser
mayor con mezclas algo ricas, por lo que se podrá obtener más potencia.
En la combustión de mezclas, se produce una cierta generación de
volumen. ¿Qué queremos decir con ésto? (advierto que hay que saber un
poco de termodinámica para ésto, hay que entender que, a la misma presión
y temperatura, un número de molécula de cualquier gas ocupa el mismo
volumen, por eso el hidrógeno es tan liviano, y también por eso los globos
se llenan de helio, y también por eso, cuando se respira helio, tiene uno la
voz de pitufo), pues si nos fijamos en la primera reacción, en la global,
observamos que de 13 moléculas iniciales, salen 16. También en la primera
descomposición del combustible, de 5 moléculas salen 16!!... eso hace que
aumente mucho la presión, no sólo por la energía liberada, sino por la
cantidad de moléculas que salen. Sin embargo, esa generación de volumen
se contrarresta en parte por la oxidación del CO y del H2. Particularmente,
soy un poco escéptico con ésto, pero desde luego suena bastante coherente.
Así, más o menos, podemos resumir la forma en que se descompone el
combustible. Pero queda algo aún en el aire... ¿por qué se produce la reacción?,
¿qué induce al oxígeno a atacar de manera tan furibunda al combustible?. Todos
sabemos que pueden tener una coexistencia pacífica, a baja temperatura; vamos a
ver pues por qué se inicia la reacción.
Iniciación
Como se ha introducido antes, se tienen que producir una serie de reacciones
parciales para que se produzca la combustión de la mezcla de aire y combustible.
Por ello, no se piense el lector que para quemar la molécula de combustible, tiene
que chocar a la vez con 12 moléculas de oxígeno, para formar el dióxido de carbono
y el agua. Ni siquiera con cuatro moléculas para las reacciones intermedias.... las
reacciones normalmente se van a provocar por el choque de dos moléculas.
La descomposición de la molécula de hidrocarburo es algo gradual, y el proceso
está controlado por la presencia de unas moléculas y átomos que tienen una
actividad mucho más alta que las moléculas de oxígeno, y que a la postre van a ser
los que realmente ataquen al hidrocarburo. Éstos son los radicales libres, que son
iones de oxígeno (O), iones de hidrógeno (H) y radicales hidroxilo (OH). Además,
también podemos encontrar cadenas de hidrocarburo "rotas", bien por un extremo,
o bien por el centro.
Esos enlaces libres hacen que los radicales sean químicamente muy activos,
hasta tal punto, que en una mezcla se pueden mantener a raya las reacciones

14. producidas por choques entre moléculas de combustible y oxígeno, sin que aquello
explote, pero en cuanto hay una concentración "importante" (entrecomillado
porque importante, en este caso, pueden ser unas poquitas partes por millón) de
radicales libres, su agresividad hace que la reacción se desencadene.
Realmente, las reacciones en las que intervienen los radicales, bien como
productos o como reactantes, y que al final son las que provocan la ignición de la
mezcla, se pueden separar en cuatro etapas:
Primero, hay unas reacciones de iniciación. En ellas, el choque de una molécula
de combustible y una de oxígeno da como resultado dos radicales libres. Por
ejemplo, en una mezcla de hidrógeno y oxígeno (si se meten hidrocarburos el
esquema se complica enormemente):
Éstas reacciones provocan que ya haya radicales libres en una mezcla aire-
combustible. Si hay pocos choques (presión y temperatura bajas, por ejemplo), la
mezcla puede permanecer estable, no llegando a la reacción en cadena. En ese
caso, sí que habrá reacciones de propagación, en las que una molécula reacciona
con un radical y producen otro radical (no hay generación), como pueden ser:
Pero si la concentración de radicales sube mucho, ya entran una tercera serie de
reacciones en las cuales un radical reacciona con una molécula para formar dos
radicales. Ya es una ramificación, porque se van generando radicales libres, con lo
que empieza la reacción en cadena y se produce la combustión rápida de la mezcla.
Éstas reacciones pueden ser:
Finalmente, cuando va desapareciendo el combustible, lo radicales se
recombinan para desaparecer, formando moléculas estables, como agua y
monóxido o dióxido de carbono en el caso de que el combustible sea un
hidrocarburo.
Como resumen, que supongo que me he extendido más de lo que pretendía, se
puede decir que La reacción de combustión está controlada principalmente por la
cantidad de radicales que haya en la mezcla. Éstos radiacles se empiezan a formar
por choques de combustible y oxígeno. Al principio, se generan pocos radicales, y la
situación puede estar controlada, pero si aumenta mucho su concentración (por
alta presión y/o temperatura) comienzan las reacciones de ramificación, y con ello
una reacción en cadena que acabqa descomponiendo todo el combustible, y
liberando la energía.

15. En el apartado de COMBUSTIÓN, se explicó cómo este mecanismo se puede
aplicar a la combustión en un motor de gasolina o en un Diesel.
Finalmente, queda comentar que el esquema que se ha ilustrada con reacciones
es para una combustión de hidrógeno. En el caso de que el combustible sea un
hidrocarburo, las pocas reacciones de antes pasan a ser cientos, existiendo
radicales libres también con carbono, y compuestos intermedios como peróxidos,
aldehídos, cetonas, etc...
Conclusiones parciales
Se establecen en este apartado las conclusiones más significativas de este
capítulo, algunas ya adelantadas en el texto de arriba.
Con respecto a al potencia máxima desarrollada por un motor, podemos hablar
de motores atmosféricos o turboalimentados.
En los atmosféricos, es evidente que un Otto desarrolla mayor potencia que un
Diesel, por dos motivos fundamentales:
Régimen de giro. Ya ha quedado claro que, al menos por problemas de
combustión, el motor Otto no tiene problemas para alcanzar regímenes de giro
muy elevados, manteniendo una buena combustión en todo momento. Ésto es
debido a que el frente de llama es tanto más rápido cuanto mayor sea el
régimen de giro, por lo que el ángulo total ocupado con la combustión varía poco
con el régimen. En el Diesel, sin embargo, debido a la existencia de procesos
cuya duración no depende del régimen de giro del motor, a alto régimen la
combustión ocupa mucho ángulo de giro, disminuyendo el rendimiento del
motor, por lo que no se puede subir mucho la velocidad de giro del motor.
Riqueza de mezcla. En el motor Otto, como la gasolina y el aire están ya
mezclados íntimamente antes de empezar la combustión, se pueden quemar
mezclas con riquezas incluso superiores a la estequiométrica, obteniendo así un
aprovechamiento máximo del aire que se ha conseguido aspirar en admisión.
Dicho de otra forma, hasta la última molécula de oxígeno puede reaccionar con
el combustible. Mientras, en el Diesel el combustible se inyecta en la cámara,
teniendo que mezclarse con el aire en un breve espacio de tiempo, al final del
proceso, al combustible le cuesta mucho trabajo encontrar oxígeno, por lo que
hay que quemar mezclas pobres, y muy importante, generar una gran
turbulencia en la cámara de combustión. De esta forma, a igualdad de masa de
aire (dada, más o menos, por la cilindrada), el motor de gasolina podrá quemar
un 20% más de combustible, obteniendo por tanto mayor potencia. Un motor
Diesel, atmosférico, raramente pasará de 7.5 mkg de par por litro de cilindrada,
mientras que un Otto, a poco que sea decente, ronda los 9 mkg/lt, llegando en
buenas realizaciones a valores de 10 mkg/lt.
En motores turbo, nos encontramos con que es mucho más fácil y razonable la
sobrealimentación de motores Diesel, ya que la autoignición del combustible se ve
favorecida por la mayor presión y temperatura de gases, mientras que el Otto, ya
de por sí limitado en su rendimiento en motores atmosféricos, agrava
sustancialmente el problema con el uso del turbocompresor. Un motor Otto
sobrealimentado, si quiere mantener un consumo aceptable, tiene un amplio
despliegue tecnológico para luchar contra la detonación, aunque la unión del turbo

16. y un régimen de giro alto, sigue haciendo que el Otto pueda alcanzar potencias
específicas mayores que el motor Diesel, aunque se puede comprobar que el par
motor del turbodiesel normalmente será superior al del Otto.
Finalmente, queda hablar del consumo de combustible, o del rendimiento del
motor. La manera de quemar el combustible marca también la diferencia en el
rendimiento de estos dos motores.
Las dos razones principales por las cuales el motor Diesel consume menos que el
Otto son la mayor relación de compresión del Diesel y la capacidad para quemar
mezclas pobres (se podría hablar también de la mayor densidad del gasoil frente a
la gasolina, y a que el combustible se vende por volumen, no por peso, pero aun
así, el gasto másico del Diesel sigue siendo inferior al del Otto).
El Otto, que quema siempre en el entorno de la riqueza estequiométrica, no
puede quemar mezclas lo suficientemente pobres, debido a que el frente de llama
se ralentiza y se llegan a tener problemas de apagado del mismo, mientras que el
Diesel es capaz de quemar una cantidad de combustible ínfima en un cilindro lleno
de aire.
Sobre la relación de compresión, en el Otto está limitada por los problemas
derivados de la detonación, mientras que el Diesel, precisamente porque necesita
una primera detonación del combustible, utiliza relaciones de compresión muy
elevadas. Es decir, la autoignición del combustible, que es perjudicial para el motor
Otto, es la base del funcionamiento del motor Diesel, razón por la cual éste
presenta un rendimiento superior al primero.
Artículos bajados de: http://www.arpem.com/tecnica
Adaptados por: M.C. José Ramón Soca Cabrera