La inyección por aire es un sistema histórico de inyección directa para motores Diesel . A diferencia de los diseños modernos, los motores diésel con inyección de aire no tienen 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 aire . El aire comprimido proviene de tanques de aire comprimido que alimentan la boquilla de inyección. Para rellenar estos tanques se utiliza un gran compresor accionado por cigüeñal; El tamaño del compresor y la baja frecuencia de rotación del cigüeñal del motor significa que los motores diésel con inyección de aire son enormes en tamaño y masa, esto, combinado con el problema de que la inyección de aire no permite una alteración rápida de la carga [1] lo hace sólo adecuado para aplicaciones estacionarias y embarcaciones. Antes de la invención de la inyección en la cámara de precombustión , la inyección de aire era la única forma de construir un sistema interno de mezcla de aire y combustible que funcionara correctamente, algo necesario para un motor diésel. Durante la década de 1920, [2] la inyección de aire quedó obsoleta debido a diseños superiores del sistema de inyección que permitían motores mucho más pequeños pero más potentes. [3] Rudolf Diesel obtuvo en noviembre de 1893 una patente sobre la inyección de aire (DRP 82 168). [4]
El sistema de inyección 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 lo cual intentó utilizar la acumulación en 1893. [5] Debido a los combustibles altamente viscosos que utilizaba el Diesel y a la postcombustión térmica que se producía, el principio de acumulación no funcionó lo suficiente. Por tanto, Diesel tuvo que mejorar el sistema de inyección. El ingeniero alemán Friedrich Sass dice que Diesel conocía el invento 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 de aire similar al de Brayton. [6] Diesel lo hizo en febrero de 1894, [4] porque no podía encontrar una mejor solución; sin embargo, Diesel quería reemplazar el sistema de inyección 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 compresor enorme. [7] Sin embargo, este sistema mejorado todavía era insuficiente y Diesel consideraba que la inyección directa sin un compresor enorme era “inviable”. Fueron necesarios otros diez años para que aparecieran en 1915 los primeros motores diésel de inyección directa en funcionamiento que no eran de inyección de aire; [8] la cámara de precombustión, que hizo posibles los motores diésel de los vehículos de motor, se inventó en 1909. [9]
Inicialmente se utilizaron atomizadores de tipo tamiz para las boquillas de inyección, hasta que los tamices fueron reemplazados ampliamente por discos. [1] Además, se utilizaron atomizadores de tipo anillo para algunos motores. [10]
El atomizador anular se basa en el principio de que dentro de la boquilla se producen diferentes velocidades del aire, que obligan al combustible a mezclarse con el aire. [11] Los atomizadores de tipo disco tienen pequeños discos perforados colocados uno encima del 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 cilindrada del motor y, por tanto, de la cantidad de combustible inyectado, se utilizan dos, tres o cuatro DIC por boquilla de inyección. El material del disco depende del tipo de combustible. En general, se utilizan fundición de bronce y bronce fosforado; En el caso de los motores que funcionan con alquitrán de hulla , los discos suelen estar fabricados de acero. [12]
Para motores con atomizadores de disco, la presión de inyección debe estar sincronizada con la frecuencia de rotación del cigüeñal. Esto significa que con un aumento en la frecuencia de rotación, también se debe aumentar la presión del aire. [13] Por lo general, en la inyección, se inyecta 97% de aire y 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, se debe reducir la presión de inyección para evitar fallos de encendido. [13]
Ni el cálculo del diámetro del orificio del disco ni el tamaño adecuado de los discos eran conocimientos de ingeniería a principios del siglo XX. Los diseños de los discos generalmente se basaban en la experiencia de los ingenieros. Mientras que los agujeros grandes requieren mucho aire comprimido y, por tanto, consumen más potencia del motor, los agujeros demasiado pequeños reducen la potencia del motor. Julius Magg recomienda un diámetro del orificio del disco en función de la potencia del cilindro indicada: . es el diámetro del agujero en milímetros, es la potencia de salida en PS . [14]
A principios del siglo XX, eran comunes dos diseños diferentes de boquillas de inyección para motores de inyección de aire: la 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 como se ve a la derecha). Se puede utilizar tanto para motores de dos como de cuatro tiempos. La boquilla de inyección recibe combustible de la bomba de alimentación de combustible, mientras que constantemente recibe aire comprimido del 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 entrar en la cámara de combustión. [16] El diseño de boquilla cerrada permitía una buena mezcla de aire y combustible en ese momento, lo que lo hacía 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 coste de fabricación y las restricciones de las toberas de inyección, que dificultaron considerablemente el diseño de motores con cilindros horizontales, [17] ya que en los motores de cilindros horizontales, el aire comprimido puede entrar fácilmente en el cilindro sin presionar una cantidad suficiente de combustible en la cámara de combustión, lo que conduce a una falla de encendido o postignición del motor. [18]
El diseño de boquilla abierta se utilizaba principalmente en motores con cilindros horizontales y era inusual en motores con cilindros verticales. Sólo se puede utilizar para 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 al cilindro; el combustible entra constantemente en una precámara situada encima de 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. Durante la inyección, el aire comprimido empujaría el combustible a través de los atomizadores de disco hacia la cámara de combustión. [19] Fabricar motores con un diseño de boquilla abierta era considerablemente más barato y más fácil que hacerlos con 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 a la cámara de combustión, lo que provoca una acumulación excesiva de presión dentro del cilindro. Esto, junto con el problema de que es imposible suministrar suficiente combustible a los motores de alta cilindrada, significa que el diseño de boquilla abierta sólo se puede utilizar para motores más pequeños. [17]
