Motor diésel

En 1878, Rudolf Diesel , estudiante del Instituto Politécnico de Múnich , asistió a las clases de Carl von Linde . Linde explicó que las máquinas de vapor solo podían convertir entre el 6 % y el 10 % de la energía térmica en trabajo, pero que el ciclo de Carnot permitía convertir mucha más energía térmica en trabajo mediante un cambio isotérmico de condiciones. Según Diesel, esto le inspiró la idea de crear un motor de alta eficiencia que funcionara con el ciclo de Carnot. ^{[ 11 ]} Diesel también conoció el pistón de fuego , un encendedor tradicional que utilizaba principios de compresión adiabática rápida , invento que Linde había adquirido en el sudeste asiático . ^{[ 12 ]} Tras varios años trabajando en sus ideas, Diesel las publicó en 1893 en el ensayo « Teoría y construcción de un motor térmico racional» . ^{[ 11 ]}

Diesel buscó empresas y fábricas que construyeran su motor. Con la ayuda de Moritz Schröter y Max Gutermuth , ^{[ 34 ]} logró convencer tanto a Krupp en Essen como a Maschinenfabrik Augsburg . ^{[ 35 ]} Los contratos se firmaron en abril de 1893, ^{[ 36 ]} y a principios del verano de 1893, el primer prototipo del motor de Diesel se construyó en Augsburgo . El 10 de agosto de 1893, tuvo lugar el primer encendido, el combustible utilizado fue gasolina. En el invierno de 1893/1894, Diesel rediseñó el motor existente, y para el 18 de enero de 1894, sus mecánicos lo habían convertido en el segundo prototipo. ^{[ 37 ]} Durante enero de ese año, se agregó un sistema de inyección de aire a la culata del motor y se probó. ^{[ 38 ]} Friedrich Sass argumenta que se puede presumir que Diesel copió el concepto de inyección de aire de George B. Brayton , ^{[ 29 ]} aunque Diesel mejoró sustancialmente el sistema. ^{[ 39 ]} El 17 de febrero de 1894, el motor rediseñado funcionó durante 88 revoluciones (un minuto); ^{[ 10 ]} con esta noticia, las acciones de Maschinenfabrik Augsburg aumentaron un 30%, lo que indica la enorme demanda prevista de un motor más eficiente. ^{[ 40 ]} El 26 de junio de 1895, el motor alcanzó una eficiencia efectiva del 16,6% y tuvo un consumo de combustible de 519  g·kW ⁻¹ ·h ⁻¹ . ^{[ 41 ]} Sin embargo, a pesar de probar el concepto, el motor causó problemas, ^{[ 42 ]} y Diesel no pudo lograr ningún progreso sustancial. ^{[ 43 ]} Por lo tanto, Krupp consideró rescindir el contrato que habían hecho con Diesel. ^{[ 44 ]} Diesel se vio obligado a mejorar el diseño de su motor y se apresuró a construir un tercer prototipo. Entre el 8 de noviembre y el 20 de diciembre de 1895, el segundo prototipo había completado con éxito más de 111 horas en el banco de pruebas. En el informe de enero de 1896, esto se consideró un éxito. ^{[ 45 ]}

En febrero de 1896, Diesel consideró sobrealimentar el tercer prototipo. ^{[ 46 ]} Imanuel Lauster , a quien se le ordenó dibujar el tercer prototipo " Motor 250/400 ", había terminado los dibujos para el 30 de abril de 1896. Durante el verano de ese año se construyó el motor, que se completó el 6 de octubre de 1896. ^{[ 47 ]} Se realizaron pruebas hasta principios de 1897. ^{[ 48 ]} Las primeras pruebas públicas comenzaron el 1 de febrero de 1897. ^{[ 49 ]} La prueba de Moritz Schröter  el 17 de febrero de 1897 fue la prueba principal del motor de Diesel. El motor tenía una potencia nominal de 13,1 kW con un consumo específico de combustible de 324  g·kW ⁻¹ ·h ⁻¹ , ^{[ 50 ]} lo que resultó en una eficiencia efectiva del 26,2%. ^{[ 51 ] [ 52 ]} Para 1898, Diesel se había convertido en millonario. ^{[ 53 ]}

Las características de un motor diésel son ^{[ 144 ]}

• Uso de encendido por compresión , en lugar de un aparato de encendido como una bujía .
• Formación de la mezcla interna. En los motores diésel, la mezcla de aire y combustible se forma únicamente dentro de la cámara de combustión.
• Control de par de alta calidad. La cantidad de par que produce un motor diésel no se controla regulando la entrada de aire (a diferencia de un motor de gasolina tradicional de encendido por chispa, donde el flujo de aire se reduce para regular el par), sino que el volumen de aire que entra en el motor se maximiza en todo momento, y el par se regula únicamente controlando la cantidad de combustible inyectado.
• Alta relación aire-combustible . Los motores diésel funcionan con relaciones aire-combustible globales significativamente más pobres que la relación estequiométrica .
• Llama de difusión : En la combustión, el oxígeno primero tiene que difundirse en la llama, en lugar de tener el oxígeno y el combustible ya mezclados antes de la combustión, lo que daría como resultado una llama premezclada .
• Mezcla heterogénea de aire y combustible: En los motores diésel, no existe una dispersión uniforme de combustible y aire dentro del cilindro. Esto se debe a que el proceso de combustión comienza al final de la fase de inyección, antes de que se pueda formar una mezcla homogénea de aire y combustible.
• Se prefiere que el combustible tenga un alto rendimiento de ignición ( número de cetano ), en lugar de una alta resistencia a la detonación ( índice de octano ), que es la preferida para los motores de gasolina.

El motor diésel de combustión interna se diferencia del ciclo Otto , que funciona con gasolina , en que utiliza aire caliente altamente comprimido para encender el combustible en lugar de una bujía ( encendido por compresión en lugar de encendido por chispa ).

En el motor diésel, inicialmente solo se introduce aire en la cámara de combustión. El aire se comprime con una relación de compresión que suele oscilar entre 15:1 y 23:1. Esta alta compresión provoca un aumento de la temperatura del aire. Aproximadamente al final de la carrera de compresión, se inyecta combustible directamente en el aire comprimido de la cámara de combustión. Esto puede hacerse en un hueco (generalmente toroidal ) en la parte superior del pistón o en una precámara, según el diseño del motor. El inyector de combustible asegura que el combustible se fragmente en pequeñas gotas y que se distribuya uniformemente. El calor del aire comprimido vaporiza el combustible de la superficie de las gotas. El vapor se enciende por el calor del aire comprimido en la cámara de combustión; las gotas continúan vaporizándose y ardiendo, reduciéndose de tamaño, hasta que se consume todo el combustible. La combustión se produce a una presión prácticamente constante durante la fase inicial de la carrera de potencia. El inicio de la vaporización provoca un retardo antes de la ignición y el característico golpeteo del diésel cuando el vapor alcanza la temperatura de ignición y causa un aumento abrupto de la presión sobre el pistón (no se muestra en el diagrama del indicador PV). Cuando la combustión se completa, los gases de combustión se expanden a medida que el pistón desciende; la alta presión en el cilindro impulsa el pistón hacia abajo, suministrando potencia al cigüeñal .

Además de la alta compresión que permite la combustión sin un sistema de encendido independiente, una alta relación de compresión aumenta considerablemente la eficiencia del motor. En un motor de encendido por chispa, donde el combustible y el aire se mezclan antes de entrar en el cilindro, el aumento de la relación de compresión está limitado por la necesidad de evitar la preignición , que dañaría el motor. Dado que en un motor diésel solo se comprime el aire y el combustible no se introduce en el cilindro hasta poco antes del punto muerto superior ( PMS ), la detonación prematura no representa un problema y las relaciones de compresión son mucho mayores.

El diagrama presión-volumen (pV) es una representación simplificada e idealizada de los eventos involucrados en el ciclo de un motor diésel, dispuesta para ilustrar la similitud con un ciclo de Carnot . Comenzando en 1, el pistón se encuentra en el punto muerto inferior y ambas válvulas están cerradas al inicio de la carrera de compresión; el cilindro contiene aire a presión atmosférica. Entre 1 y 2, el aire se comprime adiabáticamente  , es decir, sin transferencia de calor hacia o desde el ambiente  , por el pistón ascendente. (Esto es solo aproximadamente cierto, ya que habrá cierto intercambio de calor con las paredes del cilindro ). Durante esta compresión, el volumen se reduce, y tanto la presión como la temperatura aumentan. En o ligeramente antes de 2 (PMS), se inyecta combustible y se quema en el aire caliente comprimido. Se libera energía química, lo que constituye una inyección de energía térmica (calor) en el gas comprimido. La combustión y el calentamiento ocurren entre 2 y 3. En este intervalo, la presión permanece constante ya que el pistón desciende, y el volumen aumenta; la temperatura aumenta como consecuencia de la energía de la combustión. En el paso 3, la inyección de combustible y la combustión se completan, y el cilindro contiene gas a una temperatura más alta que en el paso 2. Entre los pasos 3 y 4, este gas caliente se expande, nuevamente de forma aproximadamente adiabática. Se realiza trabajo sobre el sistema al que está conectado el motor. Durante esta fase de expansión, el volumen del gas aumenta, y tanto su temperatura como su presión disminuyen. En el paso 4, se abre la válvula de escape y la presión cae bruscamente hasta la atmosférica (aproximadamente). Esta es una expansión sin resistencia y no realiza trabajo útil. Idealmente, la expansión adiabática debería continuar, extendiendo la línea 3-4 hacia la derecha hasta que la presión caiga a la del aire circundante, pero la pérdida de eficiencia causada por esta expansión sin resistencia se justifica por las dificultades prácticas que implica recuperarla (el motor tendría que ser mucho más grande). Después de la apertura de la válvula de escape, sigue la carrera de escape, pero esta (y la siguiente carrera de admisión) no se muestran en el diagrama. Si se mostraran, estarían representadas por un bucle de baja presión en la parte inferior del diagrama. En 1 se supone que las carreras de escape y admisión se han completado y el cilindro se vuelve a llenar de aire. El sistema pistón-cilindro absorbe energía entre 1 y 2. Este es el trabajo necesario para comprimir el aire en el cilindro, y es proporcionado por la energía cinética mecánica almacenada en el volante del motor. El trabajo se realiza mediante la combinación pistón-cilindro entre 2 y 4. La diferencia entre estos dos incrementos de trabajo es el trabajo indicado por ciclo, y está representado por el área encerrada por el bucle pV. La expansión adiabática se produce en un rango de presión mayor que la compresión, ya que el gas en el cilindro está más caliente durante la expansión que durante la compresión. Por esta razón, el bucle tiene un área finita y el trabajo neto durante un ciclo es positivo. ^{[ 145 ]}

La eficiencia de combustible de los motores diésel es mejor que la de la mayoría de los demás tipos de motores de combustión, ^{[ 146 ] [ 147 ]} debido a su alta relación de compresión, alta relación de equivalencia aire-combustible (λ) , ^{[ 148 ]} y la ausencia de restricciones de aire de admisión (es decir, válvulas de mariposa). Teóricamente, la máxima eficiencia posible para un motor diésel es del 75%. ^{[ 149 ]} Sin embargo, en la práctica la eficiencia es mucho menor, con eficiencias de hasta el 43% para motores de turismos, ^{[ 150 ]} hasta el 45% para motores de camiones y autobuses grandes, y hasta el 55% para grandes motores marinos de dos tiempos. ^{[ 1 ] [ 151 ]} La eficiencia media durante un ciclo de conducción de un vehículo es inferior a la eficiencia máxima del motor diésel (por ejemplo, una eficiencia media del 37% para un motor con una eficiencia máxima del 44%). ^{[ 152 ]} Esto se debe a que la eficiencia de combustible de un motor diésel disminuye a cargas más bajas; sin embargo, no disminuye tan rápidamente como la del motor Otto (de encendido por chispa). ^{[ 153 ]}

Los motores diésel son motores de combustión y, por lo tanto, emiten productos de combustión en sus gases de escape . Debido a la combustión incompleta, ^{[ 154 ]} los gases de escape de los motores diésel incluyen monóxido de carbono , hidrocarburos , material particulado y óxidos de nitrógeno . Alrededor del 90 por ciento de los contaminantes se pueden eliminar de los gases de escape utilizando tecnología de tratamiento de gases de escape. ^{[ 155 ] [ 156 ]} Los motores diésel de vehículos de carretera no tienen emisiones de dióxido de azufre , porque el combustible diésel para vehículos de motor está libre de azufre desde 2003. ^{[ 157 ]} Helmut Tschöke argumenta que el material particulado emitido por los vehículos de motor tiene impactos negativos en la salud humana. ^{[ 158 ]}

Las partículas presentes en las emisiones de escape del diésel a veces se clasifican como carcinógenas o "probables carcinógenas" y se sabe que aumentan el riesgo de enfermedades cardíacas y respiratorias. ^{[ 159 ]}

En principio, un motor diésel no requiere ningún tipo de sistema eléctrico. Sin embargo, la mayoría de los motores diésel modernos están equipados con una bomba de combustible eléctrica y una unidad de control electrónico del motor.

Sin embargo, un motor diésel no cuenta con un sistema de encendido eléctrico de alto voltaje. Esto elimina una fuente de emisiones de radiofrecuencia (que pueden interferir con los equipos de navegación y comunicación), razón por la cual solo se permite la circulación de vehículos diésel en algunas zonas de la Zona Nacional de Silencio Radioeléctrico de Estados Unidos . ^{[ 160 ]}

Para controlar el par motor en un momento dado (es decir, cuando el conductor de un coche ajusta el pedal del acelerador ), un regulador ajusta la cantidad de combustible inyectado en el motor. En el pasado se han utilizado reguladores mecánicos, pero los reguladores electrónicos son más comunes en los motores modernos. Los reguladores mecánicos suelen ser accionados por la correa de accesorios del motor o un sistema de transmisión por engranajes ^{[ 161 ] [ 162 ]} y utilizan una combinación de muelles y contrapesos para controlar el suministro de combustible en relación con la carga y la velocidad. ^{[ 161 ]} Los motores con regulación electrónica utilizan una unidad de control electrónico (ECU) o un módulo de control electrónico (ECM) para controlar el suministro de combustible. El ECM/ECU utiliza varios sensores (como la señal de velocidad del motor, la presión del colector de admisión y la temperatura del combustible) para determinar la cantidad de combustible inyectado en el motor.

Debido a que la cantidad de aire es constante (para un número de revoluciones por minuto determinado) mientras que la cantidad de combustible varía, se utilizan relaciones aire-combustible muy altas ("pobres") en situaciones donde se requiere un par motor mínimo. Esto difiere de un motor de gasolina, donde se utiliza una mariposa para reducir la cantidad de aire de admisión como parte de la regulación del par motor. Controlar el momento de inicio de la inyección de combustible en el cilindro es similar a controlar el momento del encendido en un motor de gasolina. Por lo tanto, es un factor clave para controlar la potencia, el consumo de combustible y las emisiones de escape.

Günter Mau clasifica los motores diésel según sus velocidades de rotación en tres grupos: ^{[ 163 ]}

• Motores de alta velocidad (> 1.000 rpm),
• Motores de velocidad media (300–1000 rpm) y
• Motores de baja velocidad (< 300 rpm).

Motores diésel de alta velocidad

Los motores de alta velocidad se utilizan para impulsar camiones , autobuses , tractores , automóviles , yates , compresores , bombas y pequeños generadores eléctricos . ^{[ 164 ]} A partir de 2018, la mayoría de los motores de alta velocidad tienen inyección directa . Muchos motores modernos, particularmente en aplicaciones de carretera, tienen inyección directa common rail . ^{[ 165 ]} En barcos más grandes, los motores diésel de alta velocidad se utilizan a menudo para impulsar generadores eléctricos. ^{[ 166 ]} La potencia máxima de salida de los motores diésel de alta velocidad es de aproximadamente 5 MW. ^{[ 167 ]} 

Motores diésel de velocidad media

Los motores de velocidad media se utilizan en grandes generadores eléctricos, locomotoras diésel ferroviarias , propulsión naval y aplicaciones de accionamiento mecánico, como grandes compresores o bombas. Los motores diésel de velocidad media funcionan con gasóleo o fuelóleo pesado mediante inyección directa, al igual que los motores de baja velocidad. Generalmente, son motores de cuatro tiempos con pistones de tronco; ^{[ 168 ]} una excepción notable son los motores EMD 567 , 645 y 710 , que son todos de dos tiempos. ^{[ 169 ]}

La potencia de salida de los motores diésel de velocidad media puede alcanzar los 21.870  kW, ^{[ 170 ]} con una eficiencia efectiva de alrededor del 47-48% (1982). ^{[ 171 ]} La mayoría de los motores de velocidad media de mayor tamaño se arrancan con aire comprimido directamente sobre los pistones, utilizando un distribuidor de aire, a diferencia de un motor de arranque neumático que actúa sobre el volante, que suele utilizarse en motores más pequeños. ^{[ 172 ]}

Los motores de velocidad media destinados a aplicaciones marinas se utilizan habitualmente para propulsar transbordadores ( ro-ro ), buques de pasajeros o pequeños buques de carga. El uso de motores de velocidad media reduce el coste de los buques más pequeños y aumenta su capacidad de transporte. Además, un solo buque puede utilizar dos motores pequeños en lugar de uno grande, lo que aumenta la seguridad del buque. ^{[ 168 ]}

Motores diésel de baja velocidad

Los motores diésel de baja velocidad suelen ser de gran tamaño y se utilizan principalmente para propulsar barcos . Existen dos tipos comunes de motores de baja velocidad: motores de dos tiempos con cruceta y motores de cuatro tiempos con pistón de tronco. Los motores de dos tiempos tienen una frecuencia de rotación limitada y su intercambio de carga es más difícil, lo que significa que suelen ser más grandes que los de cuatro tiempos y se utilizan para accionar directamente la hélice de un barco.

Los motores de cuatro tiempos en los barcos se utilizan generalmente para alimentar un generador eléctrico. Un motor eléctrico impulsa la hélice. ^{[ 163 ]} Ambos tipos suelen ser de carrera muy corta , lo que significa que el diámetro es menor que la carrera. ^{[ 173 ]} Los motores diésel de baja velocidad (como los que se utilizan en barcos y otras aplicaciones donde el peso total del motor es relativamente poco importante) suelen tener una eficiencia efectiva de hasta el 55 %. ^{[ 1 ]} Al igual que los motores de velocidad media, los motores de baja velocidad se arrancan con aire comprimido y utilizan fuelóleo pesado como combustible principal. ^{[ 172 ]}

Los motores de cuatro tiempos utilizan el ciclo de combustión descrito anteriormente. La mayoría de los motores diésel pequeños, para uso vehicular, por ejemplo, suelen utilizar el ciclo de cuatro tiempos. Esto se debe a varios factores, como la estrecha banda de potencia del diseño de dos tiempos, que no es particularmente adecuada para uso automotriz, y la necesidad de sistemas de lubricación y medidas de barrido integrados, complejos y costosos. ^{[ 174 ]} La rentabilidad (y la proporción de peso añadido) de estas tecnologías tiene un menor impacto en los motores más grandes y costosos, mientras que los motores destinados al transporte marítimo o al uso estacionario pueden funcionar a una sola velocidad durante largos períodos. ^{[ 174 ]}

Los motores de dos tiempos utilizan un ciclo de combustión que se completa en dos tiempos en lugar de cuatro. El llenado del cilindro con aire y su compresión se realizan en un solo tiempo, y los tiempos de expansión y escape se combinan. La compresión en un motor diésel de dos tiempos es similar a la de un motor diésel de cuatro tiempos: cuando el pistón pasa por el punto muerto inferior y comienza a ascender, se inicia la compresión, que culmina en la inyección de combustible y la ignición. En lugar de un conjunto completo de válvulas, los motores diésel de dos tiempos tienen lumbreras de admisión y lumbreras de escape (o válvulas de escape) simples. Cuando el pistón se acerca al punto muerto inferior, tanto la lumbrera de admisión como la de escape están "abiertas", lo que significa que hay presión atmosférica dentro del cilindro. Por lo tanto, se requiere algún tipo de bomba para introducir el aire en el cilindro y expulsar los gases de combustión por el escape. Este proceso se denomina barrido . La presión requerida es de aproximadamente 10-30  kPa. ^{[ 175 ]}

Debido a la falta de carreras de admisión y escape independientes, todos los motores diésel de dos tiempos utilizan un soplador de barrido o algún tipo de compresor para cargar los cilindros con aire y facilitar el barrido. ^{[ 175 ]} Los compresores tipo Roots se utilizaron en motores de barcos hasta mediados de la década de 1950; sin embargo, desde 1955 han sido ampliamente reemplazados por turbocompresores. ^{[ 176 ]} Por lo general, un motor diésel de dos tiempos para barcos tiene un turbocompresor de una sola etapa con una turbina que tiene una entrada axial y una salida radial. ^{[ 177 ]}

Los denominados motores diésel de combustible dual o motores diésel de gas queman dos tipos diferentes de combustible simultáneamente , por ejemplo, un combustible gaseoso y un combustible diésel. El combustible diésel se autoenciende por compresión y luego enciende el combustible gaseoso. Estos motores no requieren ningún tipo de encendido por chispa y funcionan de forma similar a los motores diésel convencionales. ^{[ 179 ] [ 180 ]}

La mayoría de los motores diésel de inyección directa tienen una cámara de combustión en la parte superior del pistón donde se pulveriza el combustible. Se pueden utilizar muchos métodos de inyección diferentes. Normalmente, un motor con inyección directa mecánica controlada por hélice tiene una bomba de inyección en línea o distribuidora. ^{[ 161 ]} Para cada cilindro del motor, el émbolo correspondiente en la bomba de combustible mide la cantidad correcta de combustible y determina el momento de cada inyección. Estos motores utilizan inyectores que son válvulas de resorte muy precisas que se abren y cierran a una presión de combustible específica. Líneas de combustible de alta presión independientes conectan la bomba de combustible con cada cilindro. El volumen de combustible para cada combustión individual se controla mediante una ranura inclinada en el émbolo que gira solo unos pocos grados liberando la presión y está controlado por un regulador mecánico, que consiste en pesos que giran a la velocidad del motor, restringidos por resortes y una palanca. Los inyectores se mantienen abiertos por la presión del combustible. En motores de alta velocidad, las bombas de émbolo están juntas en una sola unidad. ^{[ 182 ]} La longitud de las líneas de combustible desde la bomba hasta cada inyector es normalmente la misma para cada cilindro con el fin de obtener el mismo retardo de presión. Los motores diésel de inyección directa suelen utilizar inyectores de combustible de tipo orificio. ^{[ 183 ]}

El control electrónico de la inyección de combustible transformó el motor de inyección directa al permitir un control mucho mayor sobre la combustión. ^{[ 184 ]}

Carril común

Los sistemas de inyección directa common rail (CR) no integran las funciones de dosificación, aumento de presión y suministro de combustible en una sola unidad, como ocurre, por ejemplo, con una bomba distribuidora Bosch. Una bomba de alta presión alimenta el CR. Los requerimientos de cada inyector de cilindro se satisfacen desde este depósito común de combustible a alta presión. Un Control Electrónico Diésel (EDC) controla tanto la presión del riel como las inyecciones en función de las condiciones de funcionamiento del motor. Los inyectores de los sistemas CR más antiguos cuentan con émbolos accionados por solenoides para elevar la aguja de inyección, mientras que los inyectores CR más modernos utilizan émbolos accionados por actuadores piezoeléctricos que tienen menor masa móvil y, por lo tanto, permiten un mayor número de inyecciones en un período de tiempo muy corto. ^{[ 185 ]} Los primeros sistemas common rail se controlaban mediante medios mecánicos.

La presión de inyección de los sistemas CR modernos oscila entre 140  MPa y 270  MPa. ^{[ 186 ]}

Un motor con sistema de inyección diésel indirecta (IDI) suministra combustible a una pequeña cámara llamada cámara de turbulencia, cámara de precombustión o antecámara, que está conectada al cilindro por un estrecho conducto de aire. Generalmente, el objetivo de la precámara es crear mayor turbulencia para una mejor mezcla aire/combustible. Este sistema también permite un funcionamiento más suave y silencioso del motor, y debido a que la mezcla de combustible se ve favorecida por la turbulencia, las presiones de los inyectores pueden ser más bajas. La mayoría de los sistemas IDI utilizan un inyector de un solo orificio. La precámara tiene la desventaja de disminuir la eficiencia debido a la mayor pérdida de calor hacia el sistema de refrigeración del motor, lo que restringe la combustión y, por lo tanto, reduce la eficiencia entre un 5 % y un 10 %. Los motores IDI también son más difíciles de arrancar y generalmente requieren el uso de bujías incandescentes. Los motores IDI pueden ser más económicos de fabricar, pero generalmente requieren una relación de compresión más alta que sus contrapartes DI. El IDI también facilita la producción de motores de funcionamiento suave y silencioso con un sistema de inyección mecánica simple, ya que la sincronización precisa de la inyección no es tan crítica. La mayoría de los motores automotrices modernos son de inyección directa (DI), que ofrecen las ventajas de una mayor eficiencia y un arranque más fácil; sin embargo, los motores de inyección indirecta (IDI) todavía se pueden encontrar en muchas aplicaciones de vehículos todo terreno (ATV) y motores diésel pequeños. ^{[ 187 ]} Los motores diésel de inyección indirecta utilizan inyectores de combustible de tipo aguja. ^{[ 183 ]}

Los primeros motores diésel inyectaban combustible con la ayuda de aire comprimido, que atomizaba el combustible y lo impulsaba hacia el motor a través de una boquilla (un principio similar al de un aerosol). La abertura de la boquilla se cerraba mediante una válvula de pasador accionada por el árbol de levas . Aunque el motor también debía accionar un compresor de aire utilizado para la inyección de aire comprimido, su eficiencia era superior a la de otros motores de combustión de la época. ^{[ 52 ]} Sin embargo, el sistema era pesado y lento para reaccionar a las variaciones de par, lo que lo hacía inadecuado para vehículos de carretera. ^{[ 188 ]}

Un sistema de inyector unitario , también conocido como "Pumpe-Düse" ( bomba-inyector en alemán), combina el inyector y la bomba de combustible en un solo componente, ubicado sobre cada cilindro. Esto elimina las líneas de combustible de alta presión y logra una inyección más uniforme. A plena carga, la presión de inyección puede alcanzar hasta 220  MPa. ^{[ 189 ]} Los inyectores unitarios se accionan mediante una leva y la cantidad de combustible inyectado se controla mecánicamente (mediante una cremallera o palanca) o electrónicamente.

Debido a los mayores requisitos de rendimiento, los inyectores unitarios han sido reemplazados en gran medida por sistemas de inyección common rail . ^{[ 165 ]}

El motor diésel promedio tiene una relación potencia-masa inferior a la de un motor de gasolina equivalente. Las menores revoluciones por minuto (RPM) de los motores diésel típicos resultan en una menor potencia de salida. ^{[ 190 ]} Además, la masa de un motor diésel suele ser mayor, ya que la mayor presión de funcionamiento dentro de la cámara de combustión aumenta las fuerzas internas, lo que requiere piezas más resistentes (y por lo tanto más pesadas) para soportar dichas fuerzas. ^{[ 191 ]}

El ruido característico de un motor diésel, sobre todo al ralentí, se conoce a veces como «traqueteo diésel». Este ruido se debe principalmente a la ignición repentina del combustible diésel al inyectarse en la cámara de combustión, lo que genera una onda de presión que suena como un golpeteo.

Los diseñadores de motores pueden reducir el ruido del diésel mediante: inyección indirecta; inyección piloto o preinyección; ^{[ 192 ]} sincronización de la inyección; tasa de inyección; relación de compresión; turboalimentación; y recirculación de gases de escape (EGR). ^{[ 193 ]} Los sistemas de inyección diésel common rail permiten múltiples eventos de inyección como ayuda para la reducción del ruido. Mediante medidas como estas, el ruido del diésel se reduce considerablemente en los motores modernos. Los combustibles diésel con un índice de cetano más alto tienen más probabilidades de encenderse y, por lo tanto, reducen el ruido del diésel. ^{[ 194 ]}

En climas cálidos, los motores diésel no requieren ningún sistema de arranque auxiliar (aparte del motor de arranque ). Sin embargo, muchos motores diésel incluyen algún tipo de precalentamiento para la cámara de combustión, para facilitar el arranque en condiciones de frío. Los motores con una cilindrada inferior a 1  litro por cilindro suelen tener bujías incandescentes , mientras que los motores más grandes de servicio pesado tienen sistemas de arranque por llama . ^{[ 195 ]} La temperatura mínima de arranque que permite el arranque sin precalentamiento es de 40  °C (104  °F) para motores con cámara de precombustión, 20  °C (68  °F) para motores con cámara de remolino y 0  °C (32  °F) para motores de inyección directa.

En el pasado, se utilizaba una mayor variedad de métodos de arranque en frío. Algunos motores, como los Detroit Diesel, utilizaban un sistema para introducir pequeñas cantidades de éter en el colector de admisión para iniciar la combustión. ^{[ 196 ]} En lugar de bujías incandescentes, algunos motores diésel están equipados con sistemas de ayuda al arranque que modifican la sincronización de las válvulas. La forma más sencilla de hacerlo es mediante una palanca de descompresión. Al activar la palanca de descompresión, las válvulas de escape se bloquean ligeramente hacia abajo, lo que provoca que el motor no tenga compresión y, por lo tanto, permite que el cigüeñal gire con mucha menos resistencia. Cuando el cigüeñal alcanza una velocidad mayor, al volver a colocar la palanca de descompresión en su posición normal, las válvulas de escape se reactivan bruscamente, lo que produce compresión; el momento de inercia del volante arranca entonces el motor. ^{[ 197 ]} Otros motores diésel, como el motor de cámara de precombustión XII Jv 170/240 fabricado por Ganz & Co., cuentan con un sistema de cambio de distribución de válvulas que se acciona ajustando el árbol de levas de la válvula de admisión, moviéndolo a una posición ligeramente retrasada. Esto provoca que las válvulas de admisión se abran con un retardo, forzando así que el aire de admisión se caliente al entrar en la cámara de combustión. ^{[ 198 ]}

La sobrealimentación , especialmente la turbocompresión, se utiliza comúnmente en motores diésel porque aumenta considerablemente la eficiencia y el par motor. ^{[ 199 ]} Los motores diésel son muy adecuados para sistemas de sobrealimentación debido a su principio de funcionamiento, que se caracteriza por amplios límites de ignición ^{[ 144 ]} y la ausencia de combustible durante la carrera de compresión. Por lo tanto, no se producen detonaciones, preignición ni golpeteo, y una mezcla pobre causada por un exceso de aire de sobrealimentación dentro de la cámara de combustión no afecta negativamente a la combustión. ^{[ 200 ]}

En su obra de 1893, Teoría y construcción de un motor térmico racional , Rudolf Diesel considera el uso de polvo de carbón como combustible para el motor diésel. Sin embargo, Diesel solo consideró el uso de polvo de carbón (así como combustibles líquidos y gas); su motor real fue diseñado para funcionar con petróleo , que pronto fue reemplazado por gasolina común y queroseno para fines de prueba adicionales, ya que el petróleo resultó ser demasiado viscoso. ^{[ 204 ]} Además de queroseno y gasolina, el motor de Diesel también podía funcionar con ligroína . ^{[ 205 ]}

Antes de la estandarización del combustible para motores diésel, se utilizaban combustibles como gasolina , queroseno , gasóleo , aceite vegetal y aceite mineral , así como mezclas de estos combustibles. ^{[ 206 ]} Los combustibles típicos destinados específicamente a motores diésel eran destilados de petróleo y destilados de alquitrán de hulla, como los siguientes; estos combustibles tienen valores caloríficos inferiores específicos de:

• Gasóleo: 10.200  kcal·kg ⁻¹ (42,7  MJ·kg ⁻¹ ) hasta 10.250  kcal·kg ⁻¹ (42,9  MJ·kg ⁻¹ )
• Gasóleo de calefacción: 10.000  kcal·kg ⁻¹ (41,8  MJ·kg ⁻¹ ) hasta 10.200  kcal·kg ⁻¹ (42,7  MJ·kg ⁻¹ )
• Creosota de alquitrán de hulla : 9.150  kcal·kg ⁻¹ (38,3  MJ·kg ⁻¹ ) hasta 9.250  kcal·kg ⁻¹ (38,7  MJ·kg ⁻¹ )
• Queroseno : hasta 10.400  kcal·kg ⁻¹ (43,5  MJ·kg ⁻¹ )

Fuente: ^{[ 207 ]}

Las primeras normas para el combustible diésel fueron la DIN 51601 , la VTL 9140-001 y la NATO F 54 , que aparecieron después de la Segunda Guerra Mundial. ^{[ 206 ]} La norma europea moderna EN 590 para el combustible diésel se estableció en mayo de 1993; la versión moderna de la norma NATO F 54 es prácticamente idéntica a ella. La norma DIN 51628 para el biodiésel quedó obsoleta con la versión de 2009 de la EN 590; el biodiésel FAME cumple con la norma EN 14214. Los motores diésel de las embarcaciones suelen funcionar con combustible diésel que cumple con la norma ISO 8217 ( Bunker C ). Además, algunos motores diésel pueden funcionar con gases (como el GNL ). ^{[ 208 ]}

El gasóleo DIN 51601 era propenso a la formación de cristales o gelificación en climas fríos; ambos términos describen la solidificación del gasóleo en un estado parcialmente cristalino. Los cristales se acumulan en el sistema de combustible (especialmente en los filtros), lo que finalmente provoca que el motor se quede sin combustible y se detenga. ^{[ 210 ]} Para solucionar este problema, se utilizaban calentadores eléctricos de baja potencia en los depósitos de combustible y alrededor de las tuberías. Además, la mayoría de los motores cuentan con un sistema de retorno de combustible , mediante el cual el exceso de combustible procedente de la bomba de inyección y los inyectores se devuelve al depósito. Una vez que el motor se ha calentado, el retorno del combustible caliente evita la formación de cristales en el depósito. Antes de la llegada de los motores diésel de inyección directa, algunos fabricantes, como BMW, recomendaban mezclar hasta un 30 % de gasolina con el gasóleo, repostando los coches diésel con gasolina para evitar la gelificación del combustible cuando las temperaturas descendían por debajo de -15  °C. ^{[ 211 ]}

El combustible diésel es menos inflamable que la gasolina, porque su punto de inflamación es de 55  °C, ^{[ 210 ] [ 212 ]} lo que conlleva un menor riesgo de incendio provocado por el combustible en un vehículo equipado con un motor diésel.

El gasóleo puede generar una mezcla explosiva de aire y vapor en determinadas condiciones. Sin embargo, en comparación con la gasolina, es menos propenso a la explosión debido a su menor presión de vapor , que indica una menor tasa de evaporación. La ficha de datos de seguridad del material ^{[ 213 ]} para el gasóleo de ultrabajo contenido de azufre indica un riesgo de explosión por vapor en interiores, exteriores o en alcantarillas.

Los gases de escape del diésel han sido clasificados como carcinógeno del Grupo 1 de la IARC . Provocan cáncer de pulmón y se asocian con un mayor riesgo de cáncer de vejiga . ^{[ 214 ]}

Ver descontrol del motor diésel .

Los motores diésel han sido populares durante mucho tiempo en automóviles grandes y se han utilizado en automóviles más pequeños, como los utilitarios, en Europa desde la década de 1980. Eran populares en automóviles más grandes anteriormente, ya que las penalizaciones de peso y costo eran menos perceptibles. ^{[ 215 ]} El funcionamiento suave, así como un alto par motor a bajas revoluciones, se consideran importantes para los turismos y los vehículos comerciales pequeños. La introducción de la inyección electrónica de combustible mejoró significativamente la generación suave de par motor, y a partir de principios de la década de 1990, los fabricantes de automóviles comenzaron a ofrecer sus vehículos de lujo de alta gama con motores diésel. Los motores diésel para turismos suelen tener entre tres y doce cilindros, y una cilindrada que oscila entre 0,8 y 6,0 litros. Los motores modernos suelen ser turboalimentados y de inyección directa. ^{[ 164 ]}

Los motores diésel no sufren de estrangulamiento de la entrada de aire, lo que resulta en un consumo de combustible muy bajo, especialmente a baja carga parcial ^{[ 216 ]} (por ejemplo: conducción a velocidades urbanas). Una quinta parte de todos los turismos del mundo tienen motores diésel, muchos de ellos en Europa, donde aproximadamente el 47 % de todos los turismos funcionan con diésel. ^{[ 217 ]} Daimler-Benz, en colaboración con Robert Bosch GmbH, produjo turismos diésel a partir de 1936. ^{[ 81 ]} La popularidad de los turismos diésel en mercados como India, Corea del Sur y Japón está aumentando (a partir de 2018). ^{[ 218 ]}

En 1893, Rudolf Diesel sugirió que el motor diésel podría impulsar camiones. ^{[ 220 ]} Los primeros camiones con motores diésel se comercializaron en 1924. ^{[ 81 ]}

Los motores diésel modernos para camiones deben ser extremadamente fiables y muy eficientes en el consumo de combustible. La inyección directa common-rail, la turbocompresión y las cuatro válvulas por cilindro son estándar. Las cilindradas van de 4,5 a 15,5 litros, con relaciones potencia-masa de 2,5–3,5  kg·kW ⁻¹ para servicio pesado y de 2,0–3,0  kg·kW ⁻¹ para motores de servicio medio. Los motores V6 y V8 solían ser comunes, debido a la masa relativamente baja del motor que proporciona la configuración en V. Recientemente, la configuración en V se ha abandonado en favor de los motores en línea. Estos motores suelen ser de 6 cilindros en línea para servicio pesado y medio y de 4 cilindros en línea para servicio medio. Su diseño de carrera corta reduce la velocidad general del pistón, lo que resulta en una mayor vida útil de hasta 1.200.000 kilómetros (750.000 millas) . ^{[ 221 ]} En comparación con los motores diésel de la década de 1970, la vida útil esperada de los motores diésel modernos para camiones se ha duplicado con creces. ^{[ 219 ]} 

Los motores diésel para locomotoras están construidos para operar continuamente entre repostajes y pueden necesitar ser diseñados para usar combustible de baja calidad en algunas circunstancias. ^{[ 222 ]} Algunas locomotoras usan motores diésel de dos tiempos. ^{[ 223 ]} Los motores diésel han reemplazado a las máquinas de vapor en todos los ferrocarriles no electrificados del mundo. Las primeras locomotoras diésel aparecieron en 1913, ^{[ 81 ]} y las unidades múltiples diésel poco después. Casi todas las locomotoras diésel modernas se conocen más correctamente como locomotoras diésel-eléctricas porque usan una transmisión eléctrica: el motor diésel acciona un generador eléctrico que alimenta los motores de tracción eléctrica. ^{[ 224 ]} Si bien las locomotoras eléctricas han reemplazado a la locomotora diésel para los servicios de pasajeros en muchas áreas, la tracción diésel se usa ampliamente para trenes de carga y en vías donde la electrificación no es económicamente viable.

En la década de 1940, los motores diésel para vehículos de carretera con potencias de 150 a 200 caballos de fuerza métricos (110 a 150 kW; 150 a 200 hp) se consideraban adecuados para las DMU. Comúnmente, se utilizaban plantas motrices de camiones convencionales. La altura de estos motores debía ser inferior a 1 metro (3 pies 3 pulgadas) para permitir la instalación bajo el piso. Por lo general, el motor se acoplaba a una caja de cambios mecánica de accionamiento neumático, debido al bajo tamaño, masa y costes de producción de este diseño. Algunas DMU utilizaban convertidores de par hidráulicos en su lugar. La transmisión diésel-eléctrica no era adecuada para motores tan pequeños. ^{[ 225 ]} En la década de 1930, la Deutsche Reichsbahn estandarizó su primer motor para DMU. Era una unidad bóxer de 12 cilindros y 30,3 litros (1850 pulgadas cúbicas ) , que producía 275 caballos de fuerza métricos (202 kW; 271 hp) . Varios fabricantes alemanes produjeron motores de acuerdo con esta norma. ^{[ 226 ]}        

Los requisitos para los motores diésel marinos varían según la aplicación. Para uso militar y embarcaciones de tamaño mediano, los motores diésel de cuatro tiempos de velocidad media son los más adecuados. Estos motores suelen tener hasta 24 cilindros y ofrecen potencias en el rango de los megavatios. ^{[ 222 ]} Las embarcaciones pequeñas pueden utilizar motores diésel de camión. Los buques grandes utilizan motores diésel de dos tiempos de baja velocidad y extremadamente eficientes. Pueden alcanzar eficiencias de hasta el 55 %. A diferencia de la mayoría de los motores diésel convencionales, los motores de dos tiempos para embarcaciones utilizan fuelóleo de alta viscosidad . ^{[ 1 ]} Los submarinos suelen ser diésel-eléctricos. ^{[ 224 ]}

Los primeros motores diésel para barcos fueron fabricados por AB Diesels Motorer Stockholm en 1903. Estos motores eran unidades de tres cilindros de 120  CV (88  kW) y unidades de cuatro cilindros de 180  CV (132  kW), y se utilizaron en barcos rusos. Durante la Primera Guerra Mundial, el desarrollo de los motores diésel para submarinos, en particular, avanzó rápidamente. Al final de la guerra, se habían fabricado motores de pistón de dos tiempos de doble efecto con hasta 12 200  CV (9  MW) para uso marino. ^{[ 227 ]}

Los motores diésel para uso no vial se utilizan comúnmente en maquinaria de construcción y agrícola . La eficiencia en el consumo de combustible, la fiabilidad y la facilidad de mantenimiento son muy importantes para estos motores, mientras que la alta potencia y el funcionamiento silencioso son aspectos secundarios. Por lo tanto, la inyección de combustible controlada mecánicamente y la refrigeración por aire siguen siendo muy comunes. Las potencias comunes de los motores diésel para uso no vial varían mucho, desde las unidades más pequeñas a partir de 3  kW hasta los motores más potentes utilizados en camiones de servicio pesado. ^{[ 222 ]}

Los motores diésel estacionarios se utilizan comúnmente para la generación de electricidad, pero también para alimentar compresores de refrigeradores u otros tipos de compresores o bombas. Por lo general, estos motores funcionan de forma continua con carga parcial o intermitente con carga completa. Los motores diésel estacionarios que alimentan generadores eléctricos que producen corriente alterna suelen funcionar con carga alterna, pero con una frecuencia de rotación fija. Esto se debe a la frecuencia fija de la red eléctrica, ya sea de 50  Hz (Europa) o de 60  Hz (Estados Unidos). La frecuencia de rotación del cigüeñal del motor se elige de modo que la frecuencia de la red eléctrica sea un múltiplo de la misma. Por razones prácticas, en los grupos electrógenos pequeños típicos para uso doméstico o aplicaciones de reserva (a diferencia del funcionamiento continuo), esto resulta en frecuencias de rotación del cigüeñal de 25  Hz (1500 rpm) o 30  Hz (1800 rpm). ^{[ 245 ]} Los grupos electrógenos más grandes, en particular los que utilizan motores de velocidad media, funcionan a velocidades síncronas de 500, 514, 600, 720, 750, 900 o 1000 rpm dependiendo de la frecuencia de la red y del tamaño del motor.

Los motores diésel con cigüeñal flexible son motores de combustión interna cuyo cigüeñal presenta cierto grado de elasticidad debido a las tensiones operativas, las tolerancias de fabricación y las propiedades del material. A diferencia de un cigüeñal perfectamente rígido, uno flexible sufre deformaciones dinámicas debido a las fuerzas cíclicas de la combustión, las cargas inerciales y los efectos de la lubricación, lo que puede provocar movimientos excéntricos y vibraciones. Esta flexibilidad puede afectar al rendimiento del motor al influir en las cargas de los cojinetes, la distribución de la película lubricante y el desgaste mecánico, reduciendo potencialmente la eficiencia y la vida útil. Se utilizan técnicas de modelado avanzadas, como el análisis de elementos finitos (FEA) y la dinámica multicuerpo (MBD), para predecir y mitigar estos efectos, lo que permite un mejor diseño del motor, una mayor eficiencia de combustible y una mayor durabilidad. La flexibilidad del cigüeñal disminuye el caudal másico de aire que entra en los cilindros, lo que resulta en una mayor tasa de emisiones de escape, como el CO. ^{[ 246 ]}