El Motor Diesel en el Automovil

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PARTE ELÉCTRICA DE MOTORES DIESEL

Para completar el estudio del motor Diesel en su aplicación a los automóviles no quedan por considerar todavía aquellas modificaciones en su circuito eléctrico que lo diferencian de la ya hoy complicada instalación eléctrica de un automóvil de gasolina. Por lo pronto sabemos que el motor Diesel carece de sistema eléctrico de encendido de modo que por aquí puede simplificarse la instalación. Pero, por otra parte, el motor Diesel es más difícil de poner en funcionamiento, sobre todo cuando está frío; además, la mayor relación de compresión a que somete al aire aspirado requiere un esfuerzo mucho más grande por parte del motor de arranque. Estos inconvenientes los han resuelto los ingenieros acudiendo a la energía eléctrica y así han aplicado a la cámara de precombustión unas resistencias eléctricas que proporcionan una gran cantidad de calor para calentar las cámaras antes del primer intento de puesta en marcha. Todo ello hace que se precie de una batería de acumuladores de mayor capacidad y de un motor de arranque más potente y, para el buen equilibrio de la instalación, de un alternador también capaz de una mayor producción de energía eléctrica.

Dadas estas condiciones, la parte eléctrica de los motores Diesel sufre algunas modificaciones de cierta importancia en el circuito general, y resulta muy conveniente para un mecánico electricista, acostumbrado a la instalación de los motores de gasolina, conocer las diferencias entre estos circuitos. Este es el objetivo de este breve capítulo.

De lo dicho se deduce que no vamos a entrar en detalles de todos aquellos elementos que son comunes a los automóviles equipados con motores de explosión y los equipados con motor Diesel, tales como los sistemas de iluminación, señalización, control, limpiaparabrisas, etcétera, sino que vamos a ceñirnos exclusivamente a aquellos lugares en los que humos de encontrar algunas diferencias.

Dificultades en el arranque

Como ya se ha podido ver por todas las explicaciones que sobre el motor Diesel hemos dado en páginas anteriores, la propia concepción del ciclo de este tipo de motor lo hace difícil de arrancar, sobre todo cuando el motor esta frío y mucho más si a ello se añade el hecho de que la temperatura del aire también sea muy baja. La razón es muy simple; Tratándose de un motor que produce el encendido de la mezcla del gasóleo con el aire en virtud de la temperatura que se alcanza al final de la compresión del mismo, es lógico pensar que se necesite una temperatura mínima por debajo de la cual el autoencendido de la mezcla ya no pueda realizarse. Si bien el aire sometido a una determinada y alta compresión siempre alcanza la misma temperatura de que se parte de modo que si el motor aspira el aire a 20 ºC la temperatura final de compresión será mayor que si lo aspira a 20 ºC bajo cero. Pero además ocurre que las paredes del cilindro están muy frías y el desnivel térmico que se produce es tan considerable que el calor adquirido por el aire es robado de inmediato por las partes frías que lo rodean de modo que, en estas circunstancias, al final de la compresión el aire comprimido puede llenar la cámara a una temperatura excesivamente baja e insuficiente para que el arranque se pueda producir.

Pero a ello hay que añadir todavía más factores. Por ejemplo, el gasóleo está también muy frío, resulta demasiado espeso y no se pulveriza tan fácilmente; el aceite de engrase del motor también está espeso y dificulta el giro de las partes móviles del motor; la batería, al tener frío el electrolito, no puede desarrollar toda su potencia y se agota momentáneamente con gran facilidad, etcétera. Todas estas condiciones adversas para el motor Diesel han sido solucionadas a base de unas resistencias calefactores que al calentar la cámara de combustión, o bien el aire de admisión, consiguen que las pérdidas de calor del aire comprimido sean lo suficientemente pequeñas para que la temperatura de autoencendido del gasóleo se mantenga y el arranque sea posible. Por supuesto, después que el motor ya ha conseguido arrancar el calor que genera la combustión se va acumulando y se consigue con ello que el conjunto se vaya calentando de modo que la temperatura de autoencendido se va incrementando poco a poco hasta el momento en que el motor ya está en condiciones conveniente para arrastrar al vehículo al que propulsa.

En los motores de inyección indirecta la puesta en marcha es todavía más difícil que en los motores de inyección directa, de ahí la absoluta necesidad del empleo de las bujías de precalentamiento que hemos visto en todos los ejemplos que hemos puesto a lo largo de este libro formando parte de las cámaras de turbulencia, Veamos a continuación qué son y cómo funcionan estos elementos.

Bujías de precalentamiento

Las bujías de precalentamiento, también conocidas también con el nombre de bujías de incandescencia, son en realidad unos calefactores que desarrollan gran cantidad de calor al ponerse incandescentes sus filamentos por el paso de una corriente eléctrica a través de ellos. En la figura 1 tenemos tres tipos diferentes de bujías de este tipo.

En la figura 2 podemos ver la sencilla constitución interna de una bujía de precalentamiento. Está constituida por una espiral de hilo de alta resistividad eléctrica, de un diámetro que oscila entre 2 a 3 mm. Este cuerpo tubular se fija al bloque del cilindro por medio de una tuerca hexagonal (A) que lleva el roscado exteriormente. El aislamiento entre el cuerpo tubular y el bloque del cilindro está asegurado por medio de un aislante. Cuando la corriente eléctrica atraviesa el filamento lo pone incandescente por el mismo principio utilizado en las estufas eléctricas de incandescencia, de modo que se irradia una gran cantidad de calor que puede ser del orden de los 800 ºC. Si en cada de las precámaras de combustión se dejan conectas estas bujías durante 30 a 60 segundos antes de intentar la puesta en marcha del motor se consigue que las precámaras se alienten a una buena temperatura que luego se trasladará al aire comprimido haciendo que éste proporcione una buena temperatura de autoencendido para el combustible. Esta es la misión de estas bujías.

Una vez que el motor ya caliente las bujías se desconectan y el motor se pone en marcha y funciona ya con su propia temperatura.

En la figura 3 puede ver el lector la disposición que unas de estas bujías adopta en una cámara de turbulencia de tipo Ricardo

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Diferentes clases de bujías

Existen dos tipos de bujías de precalentamiento que son aplicadas según el diseño del motor. Un tipo más antiguo es el denominado de filamento incandescente que puede verse en la figura 4 en una vista seccionada para mostrar con detalle su constitución interna. La característica fundamental de esta bujía está representada por el hecho de que lleva su filamento (8) al aire y por ello se mantiene permanentemente en contacto con la combustión cuando la bujía ya está apagada, pero queda perjudicada por los efectos corrosivos de la combustión durante todo el periodo de funcionamiento del motor. La corriente eléctrica entra a través de la conexión de la tuerca (1), atraviesa el electrodo central (2), se pone incandescente en el filamento de alta resistividad (8) y retorna por el electrodo de retorno (7) hasta el anillo de contacto (3) donde una conexión la lleva a la próxima bujía. En su interior se hallan la junta de estanquidad (6) de efecto aislante y el cuerpo de acero (4) con su rosca (5) para aplicarse a la culata del mismo modo que lo hacen las bujías de encendido en los motores de gasolina corrientes.

Figura 5 Posibles averías de las bujías de precalentamiento por rotura de su filamento

El elemento fundamental de esta bujía de precalentamiento lo forma sin duda el trozo de conductor que forma el filamento incandescente, Se fabrica de tungsteno y ha de ser en la mayor manera posible resistente a los productos corrosivos de la combustión como se ha dicho, pero también a las vibraciones y a las altas temperaturas. Por ello su colocación en la cámara ha de estar estudiada de modo que no llegue a alcanzar directamente el dardo o chorro de gasóleo procedente del inyector, pues ello acelera su corrosión y acaba por deteriorar el filamento.

Aunque estas bujías de precalentamiento trabajan muy poco (solamente en el momento de los arranques en frío) están sometidas a todas las acciones de las altas presiones que se establecen en la cámara por lo que su desgaste se produce también de una manera paulatina. Cuando una de estas bujías no funciona lo más probable es que se haya partido el filamento produciendo una interrupción en el paso de la corriente. Tal es el caso presentado en la figura 5 en la que se pueden apreciar dos casos ocasionados por dos diferentes causas: En A tenemos una situación de rotura del filamento con desaparición de parte del mismo debido a un sobreexceso de temperatura que puede haber estado causado por una inyección excesivamente atrasada o adelantada con el caudal excesivo por parte de la bomba o un mal tarado de los inyectores. En B, el filamento sencillamente se ha partido produciendo la discontinuidad, situación típica de un exceso de tensión ocasionado por cortocircuitos de las otras bujías que se hallan conectadas en serie con ella, o bien por una conexión defectuosa.

Figura 6 Posibles averías de las bujías de precalentamiento por mala colocación de las mismas

También la mala colocación de la bujía de precalentamiento puede ser causa de problemas. En la figura 6 tenemos en A una mala colocación que ha dejado a la bujía en contacto con las paredes de la cámara con las que hace contacto y queda en cortocircuito. En B nos encontramos también con una situación de cortocircuito pero esta vez ocasionada por un exceso de carbonilla en la zona de asiento y sus proximidades que pueden establecer contacto entre las paredes de la cámara y el filamento de tungsteno.

Las bujías de este tipo descrito liberan mucho calor en el momento de su aplicación y el hecho de que su filamento esté al descubierto facilita esta circunstancia pero, por otra parte, produce todos los efectos que hemos dicho y hace que sea una pieza demasiado delicada, pese a su robustez. Por ello se ha acudido a fabricar bujías de precalentamiento de las llamadas de tipo lápiz o resistencia envainada que, siguiendo la misma teoría, lo que hacen es proteger al filamento de todos los agentes nocivos que pueden atacarlo por medio de una cubierta protectora. Una bujía de este tipo la tenemos en la figura 7. Comparando esta figura con lo que hemos visto en la pasada figura 4 podremos ver que la diferencia es, fundamentalmente, que lo que respecta a la cubierta protectora (7) y en la disposición del filamento que se halla sumergido en material cerámico perfectamente aislado de los efectos corrosivos de la combustión.

Las bujías de tipo lápiz son las más utilizadas actualmente para los motores Diesel de precámara de turbulencia que equipan a los automóviles, ya que resultan muy seguras y de largo periodo de funcionamiento incluso aunque el gasóleo de la inyección incida sobre ellas. Aunque su poder calorífico resulte algo menor, la gran ventaja de la protección de su filamento permite colocarlas en situación muy favorable para el calentamiento del aire cuando en su turbulencia, se enfrenta al chorro del inyector por lo que mejoran el rendimiento del calentamiento del aire.

Figura 7. Bujía de precalentamiento de tipo lápiz, de la marca beru mostrando su constitución interior 1. Tuerca de conexión, 2. Electrodo central, 3. Cuerpo, 4. Rosca, 5. Junta, 6. Filamento, 7. Cubierta protectora

Conexión de las bujías de precalentamiento

Desde el punto de vista eléctrico existen dos formas de conectar las bujías de precalentamiento: o bien en serie, en cuyo circuito la corriente pasa sucesivamente por cada una de las bujías, o, bien en paralelo, por cuyo circuito la corriente llega a cada una de las bujías al mismo tiempo y vuelve a masa desde cada una de la bujías.

El segundo sistema es el más utilizado en las instalaciones modernas. Un ejemplo del mismo se puede ver en la figura 8 en la que se muestra el cableado de la instalación eléctrica de un RENAULT, modelo 11, equipado con motor Diesel. Por supuesto, este fragmento del esquema eléctrico de este automóvil se refiere exclusivamente a la parte de las bujías de precalentamiento (8) y a la parte eléctrica de la bomba de inyección (6) correspondiente al avance. En esta figura vemos la caja de distribución para el precalentamiento (1) que lleva la corriente a los relés (2) de las bujías. También puede verse que las bujías se hallan conectadas en paralelo.

La conexión en serie tiene el inconveniente de que, en el caso de interrupción o cortocircuito de algún filamento o bujía queda automáticamente cortada la alimentación de las otras bujías del conjunto, cosa que no ocurre en la conexión en paralelo. Aquí, el fallo de una bujía no afecta al funcionamiento de las restantes. La luz testigo de que dispone el conductor en el panel de instrumentos del automóvil le avisa cuando una bujía no funciona porque se enciende muy débilmente. Si la luz testigo se enciende de una manera brillante en el mismo momento de conectar las bujías será señal de que un grupo importante de bujías está en cortocircuito y se tendrá que desconectar rápidamente pues hay peligro de que se funda la luz testigo.

Figura 8. Esquema eléctrico parcial de un automóvil Renault que muestra la disposición de la parte eléctrica propia del motor diesel

1. Caja de distribución para el precalentamiento
2. Relés de las bujías de precalentamiento
3. Batería de acumuladores
4. Motor de arranque
5. Alternador
6. Bomba inyectora
7. Electroválvula
8. Bujías de precalentamiento
9. Llave de contacto
10. Manocontacto de la presión de aceite
11. Relé del contactor de avance

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Puesta en marcha

En los manuales del usuario de todos los automóviles equipados con motor Diesel se dan las instrucciones precisas para conseguir una buena y rápida puesta en marcha del motor en todas las condiciones. Hay que seguir las instrucciones dadas. En líneas generales la forma de actuar es la que vamos a explicar a continuación aunque es siempre necesario seguir las normas que da el fabricante del motor si éstas no se ajustan del todo a las que vamos a exponer, pues cada modelo de motor puede tener pequeñas variantes según la potencia de su instalación o el sistema adoptado.

Cuando está equipado con bujías de precalentamiento, que es lo más normal, las bujías han de conectarse antes de tratar de poner en marcha el motor cuando éste está frío. Se tendrá que esperar a que se calienten las cámaras en un periodo de tiempo de puede variar entre 30 a 60 segundos según el estado de la temperatura ambiente y el tiempo que hace que el motor no se ha puesto en marcha y por lo tanto está completamente frío. Pasado el tiempo citado se desconectan las bujías de precalentamiento e inmediatamente se acciona al motor de arranque haciendo que voltee el motor hasta que éste se ponga en marcha por sus propios medios. Por supuesto, no hay que abusar del tiempo en que el motor de arranque eléctrico está conectado pues ello descargaría rápidamente la batería de acumuladores; por lo tanto, los golpes de motor de arranque no deben ser superiores a los 5 ó 6 segundos.

Si en un primer intento el motor no se pone en marcha puede ser debido a un exceso de frío en el mismo y a una insuficiente aplicación de las bujías de precalentamiento. Esperar unos momentos para que la batería se reponga y conectar de nuevo las bujías del modo descrito anteriormente. Luego desconectarlas de nuevo y volver a intentar con el motor de arranque. Él motor ha de ponerse en marcha. Si no lo hace es que, posiblemente, tiene alguna avería que es conveniente localizar antes de insistir inútilmente.

Figura 9. Diferentes clases de resistencias de calentamiento del aire de admisión

En los motores equipados con turbocompresor resulta conveniente tomar la precaución de mantener cerrado el paso del combustible en un primer volteo del motor de arranque para lograr inicialmente que el aceite se ponga en circulación y acuda al engrase del turbo. Luego ya puede procederse de manera habitual, pero teniendo la precaución de mantener el motor por lo menos durante dos minutos funcionando en marcha en vacío para lograr que el engrase del rodete se efectúe con toda regularidad. También resulta conveniente tomar medidas cuando se lleva turbo para efectuar la parada del motor. No es recomendable parar bruscamente el motor si éste está totalmente acelerado, por el contrario se aconseja mantener a ralentí el motor durante unos dos minutos antes de proceder a su parada.

Resistencias de calentamiento de la admisión

Especialmente en los motores de inyección directa, en los que la puesta en marcha resulta mucho más fácil que en los de inyección indirecta, se suelen utilizar resistencias de calentamiento en la admisión para que el aire, al pasar por ellas, se caliente y mejore sus condiciones de temperatura al final de la compresión.

En la figura 9 podemos ver tres ejemplos diferentes de resistencias de este tipo. Se instalan, por medio de tornillos, en el mismo colector de admisión, a la entrada del mismo y después del filtro de aire, de modo que éste debe atravesar la resistencia para entrar en el colector y de allí al cilindro. (Una instalación semejante la vimos también en la figura 9 del pasado capítulo 9 cuando, al estudiar el turbocompresor y sus problemas, indicamos la necesidad de calentar el aire producido por los turbos en el momento del arranque por el efecto de pérdida de temperatura que se producía inicialmente al tener una relación de compresión más baja que un motor atmosférico, en el momento del arranque):

Figura 10 Conexión de los cables en la resistencia de calentamiento

1. Resistencias de calentamiento
2. Generador
3. Conexión de la batería al amperímetro
4. Botón de puesta en marcha
5. Contactor de la resistencia
6. Toma de corriente de la corona
7. Relé de arranque
8. Motor de arranque
9. A la batería

El conjunto de la instalación eléctrica de unas resistencias de calentamiento de la admisión puede verse ahora en la figura 10. La corriente, procedente de la batería por 9 pasa al conmutador de la resistencia (5) que establece el circuito hacia las resistencias (1) colocadas en el colector de admisión. Luego puede verse su retorno a masa a través del cable.

Estas resistencias tienen también un elevado consumo y no hay que abusar del tiempo de su conexión; pero tienen también la ventaja de que pueden conectarse incluso en marcha cuando el ambiente exterior resulte extraordinariamente frío y el motor tenga dificultades de conseguir su temperatura de régimen. En este caso, unos periodos cortos de aplicación pueden servir para mejorar la temperatura de funcionamiento

Conclusión

No vamos a extendernos más en la parte eléctrica del automóvil puesto que este tema es trabajo de especialistas. Nuestro interés aquí ha sido simplemente destacar una parte eléctrica original que no tiene porqué encontrarse en los automóviles equipados con motor de gasolina. Todo lo demás es igual en un automóvil dotado de motor Diesel salvando solamente esta variante en el circuito de encendido y en la mayor potencia de ciertos elementos que hemos indicado, la cual viene además respaldada por la mayor cilindrada proporcional que el motor Diesel tiene con respecto al motor de gasolina que equipe a un automóvil. Está claro que si una versión gasolina se equipa con un motor de 1.200 cm3 por ejemplo, y la versión Diesel se equipa con un motor de 1.700 cm3, por el solo hecho de su mayor cilindrada, este motor va a necesitar un motor de arranque más potente (lo que se agrava además por el mayor peso de su tren alternativo, su más elevada compresión y un mayor esfuerzo para el arrastre inicial de todas estas masas) y en su consecuencia una batería de mayor capacidad y un alternador de mayor poder de producción de corriente. Pero al margen de todas estas variantes un mecánico electricista no se encuentra en absoluto incómodo dentro de una instalación eléctrica de un automóvil dotado con el motor Diesel.

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