¿Porqué, en el automóvil, el motor diésel gasta menos que el de gasolina?

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Desde sus inicios es conocido que el motor diésel gasta menos combustible que el de gasolina, es la razón de su creación.

Durante años aportaba eso, menos consumo que un motor similar de gasolina, pero con más ruido, vibraciones y menos prestaciones, por esas razones su utilización era para vehículos pesados y automóviles para actividades profesionales.

Con la evolución del motor diésel, se han ido desarrollando tecnologías que reducen el ruido y las vibraciones y se obtienen mejores prestaciones, dando como resultado que es adecuado para todos los usos, incluidos automóviles particulares, pues el menor consumo sin merma de prestaciones les hace más interesantes que el mismo coche con motor de gasolina.

Todo esto se ha mantenido durante años, hasta los cambios en las normas EURO, sobre todo con relación a la emisión de óxidos de nitrógeno (NOX), que llevó a plantearse si se aplicaba un impuesto al motor diésel, lo que parece una contradicción al emitir el diésel menos CO2 (proporcional al consumo) que el gasolina, de todas formas este contaminante no tóxico es el que va a terminar con los motores que lo emitan, pues potencia el calentamiento global.

Si te parece interesante conocer o repasar la historia de la evolución del motor diésel, la tienes en este enlace a otro artículo del blog.

En un artículo anterior explicábamos porqué el motor diésel consume menos que el de gasolina, en este de ahora comenzamos repasándolo con más contenido, y añadimos lo que implica el motor diésel implantado en el automóvil para bajar el consumo con relación al de gasolina, comparando automóviles equivalentes con ambos motores.

Comparación de los motores de gasolina y diésel; relación de compresión, bombeo y dosado

La relación de compresión Rc es la relación que hay entre los volúmenes sobre el pistón en dos posiciones límite dentro del cilindro; cuando está en el punto muerto inferior, volumen de admisión Va y punto muerto superior volumen de compresión Vc; Rc = Va ÷ Vc.

Cuanto mayor sea la Rc, más se comprime la masa de admisión y el resultado de la explosión (gasolina) o combustión (diésel) aportará más energía.

En el anterior artículo sobre el menor consumo del motor diésel que el de gasolina exponíamos estas tres razones, que serán el punto de partida para ampliar el contenido con ambos motores en los coches y así valorar los resultados en conjunto.

Motor de gasolina

Se representa un motor con inyección indirecta, en el colector de admisión antes de la correspondiente válvula, y directa dentro del cilindro tras la válvula.

De momento vemos las dos posibilidades de posición del inyector en el motor de gasolina.

Luego veremos que hay motores que tienen los dos combinados aunque su actuación controlada electrónicamente suele ser en diferentes ciclos y condiciones de funcionamiento del motor:

Relación de compresión:

  • Es más baja que en el diésel, por lo que el empuje de la explosión sobre el pistón es menor, la energía resultante es también menor, lo que hace que el par motor disponible sea proporcional y por lo tanto inferior
  • Con menos par se ha de acelerar más para tener respuesta del motor, lo que implica más consumo de gasolina

Acelerador por mariposa:

  • El acelerador actúa sobre la mariposa de gases variando el caudal de aire que entra al motor, lo que supone que con aceleraciones parciales, mariposa no abierta del todo, se produce un freno al paso del aire de admisión que llena menos los cilindros
  • Se llama a este efecto freno bombeo y hace que el consumo de gasolina sea mayor
  • La razón de porque se varia el paso del aire al acelerar la vemos en el siguiente punto

Proporción aire – gasolina (dosado):

  • Son los gramos de aire por cada gramo de gasolina y en este motor se ha de mantener en 15, por eso se debe modificar el caudal de paso del aire (mariposa) a la vez que lo hace el de gasolina con el objetivo de mantener permanentemente este dosado de 15
  • Esto implica que el consumo de gasolina es mayor que en el diésel que funciona con dosados más altos, con más aire (luego lo vemos)
  • Los motores de gasolina con inyección directa pueden tener formas internas donde se produce la explosión que permiten, en determinadas circunstancias, funcionar con dosados más altos, hasta 30 y puede que más, lo que baja el consumo pero no llega al diésel, además se reduce el par motor

Motor diésel

Vemos un motor diésel actual con cámara de turbulencia sobre el pistón que tiene forma toroidal:

Relación de compresión:

  • Es mayor a la del motor de gasolina lo que hace que la energía de la combustión, empuje sobre el pistón, sea superior lo que conlleva a contar con más par motor, que se traduce en menos consumo de gasóleo

Acelerador por caudal de gasóleo:

  • El acelerador en el motor diésel actúa sobre el caudal de gasóleo, no necesita mariposa de gases
  • Al no haber efecto de bombeo que frene el paso del aire el llenado de los cilindros es mayor que en el gasolina, logrando menos consumo de gasóleo

Proporción aire – gasóleo (dosado):

  • Son los gramos de aire por cada gramo de gasóleo, en el motor diésel no se ha de mantener ningún valor, el gasóleo se quema por auto infamación según la cantidad que se inyecte, sin problemas
  • El dosado en el motor diésel está entre 20 y 60, incluso más, lo que permite reducir mucho el consumo de gasóleo, más con sobrealimentación y control electrónico individual de los inyectores como veremos

Estos contenidos amplían y aportan más información que el artículo anterior sobre el tema y ceñido al motor diésel, del que se ha dado el enlace.

A continuación añadimos los resultados en par y potencia sobre el motor y su implantación en el automóvil que afecta a más órganos para aprovechar su mejor rendimiento y reducir el consumo de combustible.

Comparación de los motores de gasolina y diésel; relación de compresión, bombeo y dosado

Comparación de los motores de gasolina y diésel; inyección y sobrealimentación

Vemos los dos motores, con cuatro cilindros en línea y distribución OHV (árbol de levas en culata o cabeza), con los colectores de admisión y escape, turbocompresor con intercooler y la alimentación de combustible desde sus respectivos depósitos, vamos a analizar cada motor:

Gasolina con inyección indirecta electrónica (comentaremos la directa) y turbocompresor

  • Se identifican estos elementos; filtros de aire y gasolina, turbocompresor (con válvula de descarga), intercooler, mariposa de gases, depósito de gasolina, inyectores, bujías de encendido el control electrónico de los inyectores bujías y acelerador (mariposa de gases)
  • La inyección es indirecta, están los inyectores en el colector de admisión
  • Los inyectores pueden abrir a la vez, inyección simultánea, o cada uno independientemente, inyección secuencial
  • Esta última es más eficiente de cara al rendimiento y consumo de combustible y es la que se utiliza actualmente si es indirecta como en la imagen
  • El dosado se mantiene en 15
  • Encendido electrónico directo, cada bujía tiene su propia bobina de alta tensión
  • Sobrealimentación por turbocompresor con intercooler, se mejora sensiblemente el llenado de los cilindros, manteniendo el dosado de 15
  • Con inyección directa, y formas específicas de la zona de la explosión, se puede reducir algo el consumo de gasolina al funcionar en condiciones determinadas con dosados entre 15, 30 e incluso más
  • Al tener el motor de gasolina que funcionar con dosados más bajos (15 con inyección indirecta y de 15 a 30 o más con inyección directa) que el diésel (del orden de 60) consume más combustible

La sobrealimentación en el motor de gasolina se puede hacer por compresor volumétrico arrastrado por el motor, en lugar del turbocompresor movido por los gases de escape.

Hay motores de gasolina que combinan los dos sistemas de sobrealimentación e incluso con varios de estos, según los objetivos.

El diésel puede contar con más de un turbocompresor.

Diésel con inyección directa common rail” y turbocompresor

  • Se identifican estos elementos; filtros de aire y gasóleo, turbocompresor (con válvula de descarga), intercooler, depósito de gasóleo, inyectores, bujías de precalentamiento y control electrónico independiente de los inyectores (“common rail”) y del sistema de precalentamiento
  • La inyección es directa con control electrónico independiente para cada inyector, es el concepto “common rail”
  • La inyección en cada ciclo se hace en varias fases reduciendo mucho el ruido y vibraciones
  • Sobrealimentación por turbocompresor con intercooler, se mejora sensiblemente el llenado de los cilindros sin obstrucción al no haber mariposa
  • El turbocompresor hace que el llenado de aire de los cilindros sea mucho mayor y a más presión
  • La cantidad de gasóleo a inyectar sobre este mayor volumen de aire es poco en proporción, más dosado (60 o más), bajando sensiblemente el consumo de gasóleo

Con más aire y a mucha presión por el turbocompresor y la elevada relación de compresión, hay mucho aire al final de compresión y a muy alta temperatura, lo que agiliza la auto infamación del gasóleo inyectado en fases, aportando mucha energía de combustión, par motor, con dosados muy altos lo que implica bajos consumos, pero la contrapartida es producir exceso de óxidos de nitrógeno (NOX), pero en este artículo nos interesa constatar porque el automóvil con motor diésel consume menos combustible.

Comparación de los motores de gasolina y diésel; inyección y sobrealimentación

Comparación de los motores de gasolina y diésel; detalles de inyección y sobrealimentación

Ya se ha visto como están diseñados los motores de gasolina y diésel en lo relacionado con sus particularidades de funcionamiento, circuito de admisión y de alimentación de combustible, vamos a verlo con más detalle.

Identificación de elementos de motor diésel

  • Los inyectores están conectados a un depósito común de gasóleo a presión (± 2.000 bares), que generalmente tiene forma de rampa o rail, de donde sale su denominación de “common rail”, pero en realidad el concepto de funcionamiento es este; cada inyector aporta gasóleo cuando su electroválvula abre, controlada electrónicamente
  • Cada inyector actúa independientemente de los demás, el “common rail” es técnicamente control electrónico independiente de los inyectores
  • Presión de sobrealimentación en el colector de admisión, se indica entre el turbocompresor con válvula de descarga y el intercooler
  • Al no necesitar mariposa de gases el turbocompresor es un complemento ideal para el motor diésel, de hecho hace años que es un elemento más

Detalles de funcionamiento

  • Más relación de compresión Rc que colabora en que el aire esté muy caliente, lo que facilita y agiliza la auto inflamación del gasóleo al entrar en contacto con este aire
  • Más llenado y a presión sin mariposa (turbocompresor); más aire y a mayor presión y temperatura al final de compresión
  • Mucha más cantidad de aire que está a muy elevada temperatura y presión al final de compresión redunda en lo anterior, más agilidad y rapidez en las combustiones tras la auto inflamación
  • La inyección se hace en varias fases (“common rail”); control electrónico independiente para cada inyector): al inyectarse primero poco gasóleo por varias salidas a muy alta presión en la zona más caliente de la cámara toroidal sobre el pistón, se producen muy rápidas auto inflamaciones y combustiones, que agilizan las combustiones de las siguientes fases de inyección, logrando que la combustión global sea más progresiva y uniforme, que implica menos ruido y vibraciones
  • El dosado es muy pobre (menos gasóleo ± 60) lo que ofrece consumos y emisión de CO2 muy bajos; con tanta cantidad de aire y a tan elevada temperatura se necesita poco gasóleo para que la energía de la combustión global sea elevada, lo que hace que se logren buenos valores de par motor con bajo consumo de combustible y CO2

Identificaciones de elementos del motor de gasolina

  • Los inyectores están conectados a un depósito común de gasolina a presión (± 400 bares con inyección directa), que tiene forma de rampa o rail
  • Cada inyector aporta gasolina cuando su electroválvula abre, controlada electrónicamente
  • Los inyectores abren cada uno independientemente, en el tiempo de admisión
  • Presión de sobrealimentación en el colector de admisión, se indica entre el turbocompresor con válvula de descarga y el intercooler

Detalles de funcionamiento

  • Menos relación de compresión Rc, para reducir el riesgo de detonación (“picado de biela”), lo que influye en la posibilidad de reducir el consumo de gasolina
  • En aceleraciones la mariposa reduce el llenado; pues obstruye parcialmente el paso del aire de admisión hasta que se abre del todo la mariposa
  • Más aire y a presión pero menos cantidad que en el diésel; al disponer de sobrealimentación hay más aire, incluso con aperturas parciales de mariposa que sin llenado a presión, lo que puede mejorar el consumo en conducción no exigente
  • Inyección directa en varias fases sobre el aire caliente en la cámara del pistón, sin contacto con el resto del aire; vemos una cámara en el pistón para que se formen dos zonas virtuales, sobre la parte cóncava y alrededor de esta, se inyecta la gasolina a presión en varias fases sobre el aire central y se quema la mezcla por la chispa en la bujía muy próxima, sin que intervenga en la explosión el aire de alrededor, es lo que se busca
  • La bujía próxima a la salida inyección inicia la explosión, al estar la chispa en la zona de salida de la gasolina inyectada se agiliza el comienzo de la explosión para que se consuma el aire que hay en la zona central, y así tratar como se ha comentado, que el resto del aire permanezca inerte o al menos lo más posible
  • El dosado puede ser algo o mucho mayor que 15 contando con el aire que no interviene; al sumar el aire de la zona central que se ha utilizado para la explosión (dosado 15) más el de alrededor que ha estado inerte el dosado supera 15, incluso bastante, pero al calentarse este aire aunque no intervenga se formarán óxidos de nitrógeno (NOX) que habrá que eliminar al ser contaminantes tóxicos, pero es otra historia que puedes consultar en los enlaces propuestos en el texto
  • También al funcionar con dosados tan altos se producirían micropartículas que no han de salir al exterior
  • Se reduce el consumo pero no llega a los del diésel; no es posible tanta disminución, pues al hacer la mezcla más pobre (dosados más altos), la energía de la explosión es menor y se ha de acelerar más o reducir de marcha si se quiere o necesita respuesta del motor

Comparación de los motores de gasolina y diésel; detalles de inyección y sobrealimentación

Comparación de los motores de gasolina y diésel; curvas de par y potencia

Vamos a ver los primeros resultados de los motores de gasolina y diésel con turbocompresor en modelos reales equivalentes, para lo que se representan tres grupos de imágenes, esquema de un cilindro de cada motor, curvas de par y potencia y los dos coches, que son Peugeot 3008; Pure Tech 130 (gasolina e inyección directa) y Blue HDI (diésel “common rail”).

La diapositiva contiene texto con las explicaciones, que complementamos a continuación:

  • En el motor de gasolina se ve que en admisión está aportando gasolina el inyector, lo puede hacer en este tiempo motor o en compresión según las condiciones de funcionamiento para lograr el mejor rendimiento posible
  • En las curvas de par y potencia se ven sus formas comparando las de cada motor con el otro, identificándolas
  • Vemos los valores de par y potencia máximos y las RPM correspondientes
  • A la derecha de la imagen posterior de cada coche hay dos textos con datos
  • Los valores entre paréntesis indican las variaciones en % + o – entre la versión de gasolina y diésel
  • En verde con mejores resultados y en rojo lo contrario, enfocado al rendimiento y consumo
  • En el superior se dan estos datos; cilindrada, número de cilindros y disposición, relación de compresión, potencia y par con las RPM de los valores máximos
  • En el inferior estos otros; consumos y emisión de CO2 según normas WLTP
  • Con superior par motor y curva más plana, más respuesta a menos RPM, el motor diésel está en mejores condiciones para ofrecer consumos inferiores al de gasolina, con la colaboración de la caja de cambios como veremos a continuación

Comparación de los motores de gasolina y diésel; curvas de par y potencia

Comparación de coches con motor de gasolina y diésel; transmisión

Lo vemos con dos Audi A4, 40 TFSI (gasolina) y 40 TDI (diésel).

La caja de cambios de esos dos coches es automatizada de siete velocidades, con dos embragues por discos en baño de aceite.

En este enlace tienes información de los tipos de caja de cambios si el tema te interesa.

Por el mayor par y la forma de su curva con valores más altos a bajas RPM, se diseñan desarrollos de transmisión más largos, más velocidad (km/h) en la misma relación a menos RPM del motor.

La inyección en el motor de gasolina es indirecta y directa combinadas:

  • Con desarrollos más largos se circulará más rápido con el motor a las mismas RPM, o a la misma velocidad a menos RPM en el diésel; lo que permite aprovechar su mejor rendimiento, por el valor del par y su curva más plana, y reducir los consumos de combustible
  • El mejor mayor par motor permite disponer de buena respuesta si se ha de acelerar más, sin necesidad de reducir de relación en la mayoría de las ocasiones
  • En estos automóviles con caja de cambios automatizada lo hace el control electrónico al actuar el conductor sobre el acelerador
  • En la diapositiva se representan los dos coches; el gasolina a 120 km/h va en 7ª a 1.800 RPM (+ 15%) y el diésel a la misma velocidad (120 km/h) el motor va a 1.560 RPM (– 17%)
  • El ordenador de a bordo del modelo de gasolina indica consumo medio de 6,4 l/100km (15% más que el diésel), y en el diésel de 5,2 l/100km (23% menos que el gasolina)
  • Comparando la emisión de CO2 en ambos motores, el gasolina genera un 7% más y el diésel menos ese mismo valor
  • La respuesta al acelerar circulado en una relación (reprís o recuperación), el diésel tendrá mejor respuesta casi siempre, pero en aceleración desde parado de 0 a 100 km/h el gasolina lo hace en un 4% de tiempo menos que el diésel y a este le lleva un 3% más de tiempo
  • En estos dos automóviles se dan los valores máximos de par y potencia en un margen de RPM, lo que resalta la importancia de la forma de las curvas, mejor cuanto más “planas” y con buenos valores

Comparación de coches con motor de gasolina y diésel; transmisión

Por lo que acabamos de explicar, el automóvil con motor diésel ha tenido tan buena aceptación para conductores de coches particulares con la llegada del turbocompresor (más par y potencia) y “common rail“ (menos ruido, vibraciones y consumo de combustible).

Y así se ha mantenido hasta que las normas EURO limitaron mucho la emisión de micropartículas y óxidos de nitrógeno (NOX).

Para las primeras la solución ha sido asumible (filtro antipartículas), pero para los NOX es bastante más compleja y costosa, se hace en automóviles que admitan comercialmente el sobrecoste (más de una EGR y catalizador de reducción selectiva SCR con aditivo AdBlue).

Pero, por la situación actual, no seguirá la evolución del motor diésel, tampoco el de gasolina, pues ambos emiten CO2 que afecta negativamente al calentamiento global y han de desaparecer.

Habrá una transición más o menos larga de automóviles híbridos (motor térmico y eléctrico con baterías), hasta llegar a una solución más definitiva; coche eléctrico ¿con baterías o pila de combustible de hidrógeno?.

Al haber muchos intereses, actores y factores implicados en juego, y aunque la tecnología aporte soluciones, los caminos que se puedan seguir parecen inciertos en el medio plazo.

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