La inyección por chorro de aire es un sistema histórico de inyección directa para motores diésel . A diferencia de los diseños modernos, los motores diésel con inyección por chorro de aire no tienen una bomba de inyección. En su lugar, se utiliza una simple bomba de alimentación de combustible de baja presión para suministrar combustible a la boquilla de inyección. En la inyección, una ráfaga de aire comprimido presiona el combustible hacia la cámara de combustión, de ahí el nombre de inyección por chorro de aire . El aire comprimido proviene de tanques de aire comprimido que alimentan la boquilla de inyección. Se utiliza un gran compresor accionado por cigüeñal para rellenar estos tanques; el tamaño del compresor y la baja frecuencia de rotación del cigüeñal del motor significa que los motores diésel con inyección por chorro de aire son enormes en tamaño y masa, esto, combinado con el problema de que la inyección por chorro de aire no permite una rápida alteración de la carga [1], lo hace solo adecuado para aplicaciones estacionarias y embarcaciones. Antes de la invención de la inyección en la cámara de precombustión , la inyección por chorro de aire era la única forma de construir un sistema de mezcla de aire y combustible interno que funcionara correctamente, necesario para un motor diésel. Durante la década de 1920, [2] la inyección de aire comprimido quedó obsoleta debido a diseños de sistemas de inyección superiores que permitieron motores mucho más pequeños pero más potentes. [3] Rudolf Diesel recibió una patente sobre inyección de aire comprimido en noviembre de 1893 (DRP 82 168). [4]
El sistema de inyección por chorro de aire fue utilizado por primera vez por George Bailey Brayton en 1890 para un motor de cuatro tiempos alimentado con queroseno. Rudolf Diesel quería construir un motor con inyección directa para el cual intentó utilizar la acumulación en 1893. [5] Debido a los combustibles altamente viscosos que utilizaba Diesel y a la postcombustión térmica que se producía, el principio de acumulación no funcionaba lo suficiente. Por lo tanto, Diesel tuvo que mejorar el sistema de inyección. El ingeniero alemán Friedrich Sass dice que Diesel conocía la invención de Brayton y que, por lo tanto, es muy probable que Diesel decidiera reemplazar su propio sistema de inyección inferior con un sistema de inyección por chorro de aire similar al de Brayton. [6] Diesel lo hizo en febrero de 1894, [4] porque no podía encontrar una solución mejor, sin embargo, Diesel quería reemplazar el sistema de inyección por chorro de aire con un sistema superior desde entonces; En 1905, Diesel y Rudolf Brandstetter patentaron un sistema de acumulación mejorado que permitía la inyección directa sin un gran compresor. [7] Sin embargo, este sistema mejorado seguía siendo insuficiente y Diesel consideró que la inyección directa sin un gran compresor era "inviable". Tuvieron que pasar otros diez años hasta que aparecieron los primeros motores diésel de inyección directa que no utilizaban inyección por soplado de aire, en 1915; [8] la cámara de precombustión, que hizo posible los motores diésel para vehículos de motor, se había inventado en 1909. [9]
Inicialmente, se utilizaron atomizadores de tipo tamiz para las boquillas de inyección, hasta que los tamices fueron ampliamente reemplazados por discos. [1] También se utilizaron atomizadores de tipo anillo para algunos motores. [10]
El atomizador de tipo anillo se basa en el principio de las diferentes velocidades del aire que se producen dentro de la boquilla, lo que obliga al combustible a mezclarse con el aire. [11] Los atomizadores de tipo disco tienen pequeños discos perforados colocados uno sobre el otro con pequeños espacios entre ellos (como se ve en la Fig. 6 en el dibujo seccional de la derecha). Los discos están ligeramente desalineados para aumentar la constricción. Dependiendo de la capacidad del motor y, por lo tanto, de la cantidad de combustible inyectado, se utilizan dos, tres o cuatro discos por boquilla de inyección. El material del disco depende del tipo de combustible. En general, se utiliza fundición de bronce y fundición de bronce fosforoso; para los motores que funcionan con alquitrán de hulla , los discos suelen estar hechos de acero. [12]
En los motores con atomizadores de tipo disco, la presión de inyección debe estar sincronizada con la frecuencia de rotación del cigüeñal. Esto significa que, al aumentar la frecuencia de rotación, también debe aumentarse la presión de aire. [13] Por lo general, en la inyección, se inyecta un 97 % de aire y un 3 % de combustible a través de la boquilla de inyección. [8] La presión de inyección está entre 5 y 7 MPa, lo que limita la frecuencia de rotación. Además, al aumentar la carga del motor, debe reducirse la presión de inyección para evitar fallos de encendido. [13]
A principios del siglo XX, ni el cálculo del diámetro de los agujeros de los discos ni el tamaño adecuado de los mismos eran conocimientos técnicos conocidos. Los diseños de los discos se basaban generalmente en la experiencia de los ingenieros. Mientras que los agujeros grandes requieren mucho aire comprimido y, por lo tanto, consumen más potencia del motor, los agujeros demasiado pequeños reducen la potencia de salida del motor. Julius Magg recomienda un diámetro de agujero de disco en función de la potencia de salida del cilindro indicada: . es el diámetro del agujero en milímetros, es la potencia de salida en CV . [14]
A principios del siglo XX, eran comunes dos diseños diferentes de boquillas de inyección para motores con inyección de aire: el diseño de boquilla abierta y el diseño de boquilla cerrada. [15]
El diseño de boquilla cerrada fue el diseño inicial y más común, generalmente se encuentra en motores verticales (como el motor Langen & Wolf que se ve a la derecha). Puede usarse tanto para motores de dos como de cuatro tiempos. La boquilla de inyección se alimenta con combustible de la bomba de alimentación de combustible mientras se alimenta constantemente con aire comprimido desde el tanque de aire comprimido. Esto significa que la bomba de alimentación de combustible tiene que superar la resistencia causada por la presión del aire de inyección. Una leva separada en el árbol de levas (como se ve en la Fig. 5 y en el motor Johann-Weitzer de dos cilindros a la derecha) activaría la válvula de inyección para que el aire comprimido presione el combustible hacia la cámara de combustión. Antes de que se abra la válvula de inyección, ni el combustible ni el aire comprimido pueden ingresar a la cámara de combustión. [16] El diseño de boquilla cerrada permitió una buena mezcla de aire y combustible en ese momento, lo que lo hizo muy útil para motores de alta capacidad. Esto también resultó en un menor consumo de combustible en comparación con el diseño de boquilla abierta. Las mayores desventajas fueron el mayor costo de fabricación y las restricciones en las boquillas de inyección que dificultaban considerablemente el diseño de motores con cilindros horizontales, [17] ya que en los motores de cilindros horizontales, el aire comprimido puede ingresar fácilmente al cilindro sin presionar una cantidad suficiente de combustible en la cámara de combustión, lo que conduce a fallas de encendido o postignición del motor. [18]
El diseño de boquilla abierta se utilizaba principalmente para motores con cilindros horizontales y era poco común en motores con cilindros verticales. Solo se puede utilizar en motores de cuatro tiempos. [17] Al igual que en el diseño de boquilla cerrada, el combustible se alimenta a la boquilla de inyección. Sin embargo, la válvula de inyección solo evita que entre aire comprimido en el cilindro; el combustible ingresa constantemente a una precámara sobre la cámara de combustión en el cilindro. Entre la precámara y la cámara de combustión, se colocan los atomizadores de tipo disco para separar las cámaras entre sí. En la inyección, el aire comprimido presionaría el combustible a través de los atomizadores de tipo disco hacia la cámara de combustión. [19] La fabricación de motores con el diseño de boquilla abierta era considerablemente más barata y sencilla que la de un diseño de boquilla cerrada. También permite utilizar alquitrán como combustible. Sin embargo, el suministro de combustible es insuficiente y al comienzo de la inyección, entra demasiado combustible en la cámara de combustión, lo que provoca una acumulación excesiva de presión dentro del cilindro. Esto, así como el problema de que es imposible suministrar suficiente combustible a los motores de alta capacidad, significa que el diseño de boquilla abierta solo se puede utilizar para motores más pequeños. [17]
