Un motor de dos tiempos (o de ciclo de dos tiempos ) es un tipo de motor de combustión interna que completa un ciclo de potencia con dos carreras del pistón (un movimiento hacia arriba y otro hacia abajo) en una revolución del cigüeñal. (Un motor de cuatro tiempos requiere cuatro carreras del pistón para completar un ciclo de potencia, en dos revoluciones del cigüeñal). En un motor de dos tiempos, el final de la carrera de combustión y el comienzo de la carrera de compresión ocurren simultáneamente, y las funciones de admisión y escape (o barrido ) ocurren al mismo tiempo.
Los motores de dos tiempos suelen tener una relación potencia-peso mayor que un motor de cuatro tiempos, ya que su carrera de potencia se produce con el doble de frecuencia. Los motores de dos tiempos también pueden tener menos piezas móviles y, por lo tanto, ser más baratos de fabricar y pesar menos. En países y regiones con una estricta regulación de las emisiones, los motores de dos tiempos se han eliminado gradualmente en los usos de automóviles y motocicletas. En regiones donde las regulaciones son menos estrictas, los motores de dos tiempos de pequeña cilindrada siguen siendo populares en ciclomotores y motocicletas. [1] También se utilizan en herramientas eléctricas como motosierras y sopladores de hojas .
El primer motor comercial de dos tiempos que implicaba compresión de cilindros se atribuye al ingeniero escocés Dugald Clerk , quien patentó su diseño en 1881. [2] Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los motores de dos tiempos posteriores, el suyo tenía un cilindro de carga separado. El motor con barrido del cárter , que emplea el área debajo del pistón como bomba de carga, generalmente se atribuye al inglés Joseph Day . [3] [4] El 31 de diciembre de 1879, el inventor alemán Karl Benz produjo un motor de gas de dos tiempos, por el que recibió una patente en 1880 en Alemania. El primer motor de dos tiempos verdaderamente práctico se atribuye a Alfred Angas Scott , de Yorkshire, quien comenzó a producir motocicletas de dos cilindros refrigeradas por agua en 1908. [5]
Los motores de gasolina de dos tiempos con encendido por chispa eléctrica son particularmente útiles en aplicaciones ligeras o portátiles, como motosierras y motocicletas. Sin embargo, cuando el peso y el tamaño no son un problema, el potencial del ciclo para una alta eficiencia termodinámica lo hace ideal para motores diésel de encendido por compresión que funcionan en aplicaciones grandes e insensibles al peso, como la propulsión marina , las locomotoras de ferrocarril y la generación de electricidad . En un motor de dos tiempos, los gases de escape transfieren menos calor al sistema de refrigeración que en un motor de cuatro tiempos, lo que significa más energía para impulsar el pistón y, si está presente, un turbocompresor.
Los motores de dos tiempos con compresión del cárter, como los motores de gasolina pequeños comunes, se lubrican con una mezcla de aceite de petróleo en un sistema de pérdida total . El aceite se mezcla con el combustible de gasolina de antemano, en una proporción de combustible a aceite de alrededor de 32:1. Luego, este aceite forma emisiones, ya sea al quemarse en el motor o en forma de gotitas en el escape, lo que históricamente da como resultado más emisiones de escape, en particular de hidrocarburos, que los motores de cuatro tiempos de potencia comparable. El tiempo de apertura combinado de los puertos de admisión y escape en algunos diseños de dos tiempos también puede permitir que cierta cantidad de vapores de combustible no quemado salgan en la corriente de escape. Las altas temperaturas de combustión de los motores pequeños refrigerados por aire también pueden producir emisiones de NOx .
Los motores de gasolina de dos tiempos son los preferidos cuando la simplicidad mecánica, el peso ligero y la alta relación potencia-peso son prioridades de diseño. Al mezclar aceite con combustible, pueden funcionar en cualquier orientación, ya que el depósito de aceite no depende de la gravedad.
Varios fabricantes de automóviles han utilizado motores de dos tiempos en el pasado, incluidos el sueco Saab , los fabricantes alemanes DKW , Auto-Union , VEB Sachsenring Automobilwerke Zwickau , VEB Automobilwerk Eisenach y VEB Fahrzeug- und Jagdwaffenwerk , y los fabricantes polacos FSO y FSM . Los fabricantes japoneses Suzuki y Subaru hicieron lo mismo en la década de 1970. [6] La producción de automóviles de dos tiempos terminó en la década de 1980 en Occidente, debido a la regulación cada vez más estricta de la contaminación del aire . [7] Los países del Bloque del Este continuaron hasta alrededor de 1991, con el Trabant y el Wartburg en Alemania del Este.
Los motores de dos tiempos todavía se encuentran en una variedad de pequeñas aplicaciones de propulsión, como motores fueraborda , pequeñas motocicletas dentro y fuera de la carretera , ciclomotores , scooters , bicicletas motorizadas , tuk-tuks , motos de nieve , karts , ultraligeros y aeromodelismo . Particularmente en los países desarrollados, las regulaciones de contaminación han significado que su uso para muchas de estas aplicaciones se está eliminando gradualmente. Honda , [8] por ejemplo, dejó de vender motocicletas todoterreno de dos tiempos en los Estados Unidos en 2007, después de abandonar los modelos de carretera considerablemente antes.
Debido a su alta relación potencia-peso y su capacidad de usarse en cualquier orientación, los motores de dos tiempos son comunes en herramientas eléctricas portátiles para exteriores, incluidos sopladores de hojas , motosierras y cortadoras de hilo .
Los motores diésel de dos tiempos se encuentran principalmente en grandes aplicaciones industriales y marinas, así como en algunos camiones y maquinaria pesada.
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Aunque los principios siguen siendo los mismos, los detalles mecánicos de los distintos motores de dos tiempos difieren según el tipo. Los tipos de diseño varían según el método de introducción de la carga en el cilindro, el método de limpieza del cilindro (cambio de los gases de escape quemados por una mezcla nueva) y el método de vaciado del cilindro.
El puerto de pistón es el diseño más simple y el más común en los motores pequeños de dos tiempos. Todas las funciones están controladas únicamente por el pistón que cubre y descubre los puertos a medida que se mueve hacia arriba y hacia abajo en el cilindro. En la década de 1970, Yamaha elaboró algunos principios básicos para este sistema. Descubrieron que, en general, ensanchar un puerto de escape aumenta la potencia en la misma cantidad que elevar el puerto, pero la banda de potencia no se estrecha como lo hace cuando se eleva el puerto. Sin embargo, existe un límite mecánico para el ancho de un solo puerto de escape, de aproximadamente el 62% del diámetro del orificio para una vida útil razonable de los anillos del pistón. Más allá de esto, los anillos del pistón se abultan en el puerto de escape y se desgastan rápidamente. Un máximo del 70% del ancho del orificio es posible en los motores de carreras, donde los anillos se cambian cada pocas carreras. La duración de la admisión es de entre 120 y 160°. El tiempo del puerto de transferencia se establece en un mínimo de 26°. El fuerte pulso de baja presión de una cámara de expansión de dos tiempos de competición puede reducir la presión a -7 psi cuando el pistón está en el punto muerto inferior y los puertos de transferencia están casi completamente abiertos. Una de las razones del alto consumo de combustible en los dos tiempos es que parte de la mezcla de aire y combustible presurizada entrante se fuerza a pasar por la parte superior del pistón, donde tiene una acción de enfriamiento, y sale directamente por el tubo de escape. Una cámara de expansión con un fuerte pulso inverso detiene este flujo saliente. [9]
Una diferencia fundamental con los motores de cuatro tiempos típicos es que el cárter del motor de dos tiempos está sellado y forma parte del proceso de inducción en los motores de gasolina y de bulbo caliente . Los motores diésel de dos tiempos suelen añadir un soplador Roots o una bomba de pistón para la limpieza .
La válvula de láminas es una forma sencilla pero muy eficaz de válvula de retención que se instala habitualmente en el tracto de admisión del puerto controlado por pistón. Permite la admisión asimétrica de la carga de combustible, lo que mejora la potencia y la economía, al tiempo que amplía la banda de potencia. Estas válvulas se utilizan ampliamente en motores fueraborda de motocicletas, vehículos todo terreno y marinos.
La vía de admisión se abre y se cierra mediante un elemento giratorio. Un tipo familiar que a veces se ve en las motocicletas pequeñas es un disco ranurado unido al cigüeñal , que cubre y descubre una abertura en el extremo del cárter, lo que permite que la carga ingrese durante una parte del ciclo (llamada válvula de disco).
Otra forma de válvula de entrada rotativa utilizada en motores de dos tiempos emplea dos miembros cilíndricos con cortes adecuados dispuestos para girar uno dentro del otro; el tubo de entrada tiene un paso hacia el cárter solo cuando coinciden los dos cortes. El propio cigüeñal puede formar uno de los miembros, como en la mayoría de los motores con modelos de bujías incandescentes. En otra versión, el disco del cigüeñal está dispuesto para encajar con un espacio reducido en el cárter y está provisto de un corte que se alinea con un paso de entrada en la pared del cárter en el momento adecuado, como en las motonetas Vespa .
La ventaja de una válvula rotativa es que permite que el tiempo de admisión del motor de dos tiempos sea asimétrico, lo que no es posible con los motores de tipo puerto de pistón. El tiempo de admisión del motor de tipo puerto de pistón se abre y se cierra antes y después del punto muerto superior en el mismo ángulo del cigüeñal, lo que lo hace simétrico, mientras que la válvula rotativa permite que la apertura comience y se cierre antes.
Los motores de válvulas rotativas se pueden adaptar para ofrecer potencia en un rango de velocidad más amplio o mayor potencia en un rango de velocidad más estrecho que un motor de válvulas de lengüeta o de puerto de pistón. Cuando una parte de la válvula rotativa es una parte del propio cárter, de particular importancia, no se debe permitir que se produzca desgaste.
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En un motor de flujo cruzado, los puertos de transferencia y escape están en lados opuestos del cilindro, y un deflector en la parte superior del pistón dirige la carga de admisión fresca hacia la parte superior del cilindro, empujando el gas de escape residual hacia el otro lado del deflector y fuera del puerto de escape. [10] El deflector aumenta el peso del pistón y el área de superficie expuesta, y el hecho de que dificulte el enfriamiento del pistón y la consecución de una forma efectiva de la cámara de combustión es la razón por la que este diseño ha sido reemplazado en gran medida por el barrido de flujo único después de la década de 1960, especialmente para motocicletas, pero para motores más pequeños o más lentos que utilizan inyección directa, el pistón deflector todavía puede ser un enfoque aceptable.
Este método de barrido utiliza puertos de transferencia cuidadosamente diseñados y ubicados para dirigir el flujo de mezcla fresca hacia la cámara de combustión a medida que ingresa al cilindro. La mezcla de combustible y aire golpea la culata , luego sigue la curvatura de la cámara de combustión y luego se desvía hacia abajo.
Esto no solo evita que la mezcla de combustible y aire salga directamente por el puerto de escape, sino que también crea una turbulencia que mejora la eficiencia de la combustión , la potencia y la economía. Por lo general, no se requiere un deflector de pistón, por lo que este enfoque tiene una clara ventaja sobre el esquema de flujo cruzado (arriba).
A menudo denominado "Schnuerle" (o "Schnürle"), el método de limpieza con bucles en honor a Adolf Schnürle, el inventor alemán de una de sus primeras formas a mediados de la década de 1920, fue ampliamente adoptado en Alemania durante la década de 1930 y se extendió más allá después de la Segunda Guerra Mundial .
El barrido por bucle es el tipo de transferencia de mezcla de combustible y aire más común que se utiliza en los motores de dos tiempos modernos. Suzuki fue uno de los primeros fabricantes fuera de Europa en adoptar motores de dos tiempos con barrido por bucle. Esta característica operativa se utilizó junto con el escape de cámara de expansión desarrollado por el fabricante de motocicletas alemán MZ y Walter Kaaden.
El sistema de barrido de bucle, las válvulas de disco y las cámaras de expansión funcionaron de manera muy coordinada para aumentar significativamente la potencia de los motores de dos tiempos, en particular de los fabricantes japoneses Suzuki, Yamaha y Kawasaki. Suzuki y Yamaha disfrutaron del éxito en las carreras de motociclismo de Gran Premio en la década de 1960 debido en gran medida al aumento de potencia que ofrecía el sistema de barrido de bucle.
Un beneficio adicional del barrido de bucles era que el pistón podía hacerse casi plano o ligeramente abovedado, lo que permitía que el pistón fuera considerablemente más ligero y resistente y, en consecuencia, tolerara velocidades de motor más altas. El pistón de "parte superior plana" también tiene mejores propiedades térmicas y es menos propenso a un calentamiento desigual, expansión, agarrotamiento del pistón, cambios dimensionales y pérdidas de compresión.
SAAB construyó motores de tres cilindros de 750 y 850 cc basados en un diseño DKW que demostraron ser razonablemente exitosos empleando la carga en bucle. El SAAB 92 original tenía un motor de dos cilindros de eficiencia comparativamente baja. A velocidad de crucero, el bloqueo de la lumbrera de escape por ondas reflejadas se producía a una frecuencia demasiado baja. El uso del colector de escape asimétrico de tres lumbreras empleado en el motor DKW idéntico mejoró el ahorro de combustible.
El motor estándar de 750 cc producía entre 36 y 42 CV, según el año del modelo. La variante Monte Carlo Rally, de 750 cc (con un cigüeñal lleno para una mayor compresión base), generaba 65 CV. Una versión de 850 cc estaba disponible en el SAAB Sport de 1966 (un modelo de equipamiento estándar en comparación con el equipamiento de lujo del Monte Carlo). La compresión base comprende una parte de la relación de compresión general de un motor de dos tiempos. El trabajo publicado en SAE en 2012 señala que la limpieza en bucle es en todas las circunstancias más eficiente que la limpieza en flujo transversal.
En un motor de flujo único, la mezcla, o "aire de carga" en el caso de un motor diésel, ingresa por un extremo del cilindro controlado por el pistón y el escape sale por el otro extremo controlado por una válvula de escape o pistón. El flujo de gas de barrido es, por lo tanto, en una sola dirección, de ahí el nombre de flujo único.
El diseño que utiliza válvulas de escape es común en motores de dos tiempos para carretera, todoterreno y estacionarios ( Detroit Diesel ), ciertos motores marinos pequeños de dos tiempos ( Gray Marine Motor Company , que adaptó la Serie 71 de Detroit Diesel para uso marino ), ciertas locomotoras diésel de dos tiempos para ferrocarriles ( Electro-Motive Diesel ) y grandes motores de propulsión principal de dos tiempos para marinos ( Wärtsilä ). Los tipos con puertos están representados por el diseño de pistón opuesto en el que dos pistones están en cada cilindro, trabajando en direcciones opuestas, como el Junkers Jumo 205 y el Napier Deltic . [11] El diseño simple dividido, alguna vez popular , cae en esta clase, siendo efectivamente un uniflow plegado. Con una sincronización de escape de ángulo avanzado, los motores uniflow pueden sobrealimentarse con un soplador impulsado por cigüeñal, ya sea de pistón o de tipo Roots. [12] [13]
El pistón de este motor tiene forma de "sombrero de copa"; la sección superior forma el cilindro regular y la sección inferior cumple una función de barrido. Las unidades funcionan en pares, con la mitad inferior de un pistón alimentando una cámara de combustión adyacente.
La sección superior del pistón todavía depende de la lubricación por pérdida total, pero las demás partes del motor se lubrican por cárter, lo que mejora la limpieza y la fiabilidad. La masa del pistón es solo un 20 % mayor que la del pistón de un motor con sistema de limpieza por bucle, ya que el espesor de las faldas puede ser menor. [14]
Muchos motores de dos tiempos modernos emplean un sistema de válvulas de potencia . Las válvulas normalmente están dentro o alrededor de los puertos de escape. Funcionan de una de dos maneras; o bien alteran el puerto de escape cerrando la parte superior del puerto, lo que altera la sincronización del puerto, como los sistemas Rotax RAVE, Yamaha YPVS, Honda RC-Valve, Kawasaki KIPS, Cagiva CTS o Suzuki AETC, o bien alterando el volumen del escape, lo que cambia la frecuencia de resonancia de la cámara de expansión , como el sistema Suzuki SAEC y Honda V-TACS. El resultado es un motor con mejor potencia a baja velocidad sin sacrificar la potencia a alta velocidad. Sin embargo, como las válvulas de potencia están en el flujo de gas caliente, necesitan un mantenimiento regular para funcionar bien.
La inyección directa presenta ventajas considerables en los motores de dos tiempos. En los motores de dos tiempos con carburador, un problema importante es que una parte de la mezcla de combustible y aire sale directamente, sin quemarse, por el puerto de escape, y la inyección directa elimina eficazmente este problema. Se utilizan dos sistemas: inyección asistida por aire a baja presión e inyección a alta presión.
Como el combustible no pasa a través del cárter, se necesita una fuente de lubricación separada.
Para los fines de este análisis, es conveniente pensar en términos de motocicletas, donde el tubo de escape está orientado hacia la corriente de aire de enfriamiento y el cigüeñal generalmente gira en el mismo eje y dirección que las ruedas, es decir, "hacia adelante". Algunas de las consideraciones analizadas aquí se aplican a los motores de cuatro tiempos (que no pueden invertir su dirección de rotación sin una modificación considerable), que también giran casi todos hacia adelante. También es útil observar que las caras "delantera" y "trasera" del pistón son, respectivamente, los lados del puerto de escape y del puerto de admisión, y no tienen que ver con la parte superior o inferior del pistón.
Los motores de gasolina de dos tiempos convencionales pueden funcionar en reversa durante períodos cortos y con carga ligera sin apenas problemas, y esto se ha utilizado para proporcionar una función de reversa en microcoches , como el Messerschmitt KR200 , que carecía de marcha atrás. Cuando el vehículo tiene arranque eléctrico, el motor se apaga y se reinicia en reversa girando la llave en la dirección opuesta. Los carros de golf de dos tiempos han utilizado un sistema similar. Los magnetos de volante tradicionales (que utilizan puntos de ruptura de contacto, pero sin bobina externa) funcionaron igualmente bien en reversa porque la leva que controla los puntos es simétrica, rompiendo el contacto antes del punto muerto superior igualmente bien ya sea que se mueva hacia adelante o hacia atrás. Los motores de válvulas de láminas funcionan en reversa tan bien como los de puerto controlado por pistón, aunque los motores de válvulas rotativas tienen sincronización de entrada asimétrica y no funcionan muy bien.
Existen serias desventajas para muchos motores que funcionan en reversa bajo carga durante un período prolongado, y algunas de estas razones son generales y se aplican por igual a los motores de dos tiempos y de cuatro tiempos. Esta desventaja se acepta en la mayoría de los casos en los que el costo, el peso y el tamaño son consideraciones importantes. El problema surge porque en el funcionamiento "hacia adelante", la cara de empuje principal del pistón está en la cara posterior del cilindro, que en un motor de dos tiempos en particular, es la parte más fría y mejor lubricada. La cara delantera del pistón en un motor de tronco es menos adecuada para ser la cara de empuje principal, ya que cubre y descubre el puerto de escape en el cilindro, la parte más caliente del motor, donde la lubricación del pistón es más marginal. La cara delantera del pistón también es más vulnerable ya que el puerto de escape, el más grande del motor, está en la pared delantera del cilindro. Las faldas y los anillos del pistón corren el riesgo de extruirse en este puerto, por lo que hacer que presionen con más fuerza en la pared opuesta (donde solo están los puertos de transferencia en un motor de flujo cruzado) siempre es mejor y el soporte es bueno. En algunos motores, el extremo pequeño está desplazado para reducir el empuje en la dirección de rotación prevista y la cara delantera del pistón se ha hecho más delgada y liviana para compensar, pero cuando gira hacia atrás, esta cara delantera más débil sufre una mayor tensión mecánica que no fue diseñada para resistir. [15] Esto se puede evitar mediante el uso de crucetas y también utilizando cojinetes de empuje para aislar el motor de las cargas finales.
Los grandes motores diésel de dos tiempos para barcos a veces se fabrican para que sean reversibles. Al igual que los motores de cuatro tiempos para barcos (algunos de los cuales también son reversibles), utilizan válvulas operadas mecánicamente, por lo que requieren mecanismos de árbol de levas adicionales. Estos motores utilizan crucetas para eliminar el empuje lateral en el pistón y aislar el espacio debajo del pistón del cárter.
Además de otras consideraciones, la bomba de aceite de un motor de dos tiempos moderno puede no funcionar en marcha atrás, en cuyo caso el motor se queda sin aceite en poco tiempo. Hacer funcionar el motor de una motocicleta en marcha atrás es relativamente fácil de iniciar y, en casos excepcionales, puede ser provocado por una contraexplosión. [ cita requerida ] No es aconsejable.
Los motores de aeromodelismo con válvulas de láminas se pueden montar en configuración tractora o propulsora sin necesidad de cambiar la hélice. Estos motores son de encendido por compresión, por lo que no se observan problemas de sincronización del encendido y apenas hay diferencia entre avanzar y retroceder.
Junkers construyó motores de avión diésel de dos tiempos con pistones opuestos experimentales durante la Primera Guerra Mundial, que se derivaban de una línea de motores estacionarios. Estos presentaban dos cigüeñales en los extremos de los cilindros conectados por un tren de engranajes que también impulsaba la hélice. Dos pistones, que trabajaban en direcciones opuestas en cada cilindro, destapaban los puertos de admisión y escape cerca de los extremos de sus carreras. Primero se destapaba el puerto de escape y, cuando se destapaba el puerto de admisión, se introducía una carga de aire comprimido a través de los cilindros, eliminando prácticamente todos los gases quemados.
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