Motor Bourke de cuatro cilindrosFigura 2 de la patente US 2172670 AFigura 1 de la patente US 2172670 AAnimación de un motor Bourke de cuatro cilindros
El motor Bourke fue un intento de Russell Bourke, en la década de 1920, de mejorar el motor de combustión interna de dos tiempos . A pesar de terminar su diseño y construir varios motores que funcionaban, el inicio de la Segunda Guerra Mundial , la falta de resultados de las pruebas [1] y la mala salud de su esposa se combinaron para evitar que su motor llegara con éxito al mercado. Las principales virtudes reivindicadas del diseño son que tiene solo dos partes móviles , es ligero, tiene dos pulsos de potencia por revolución y no necesita aceite mezclado con el combustible.
El ciclo de funcionamiento es muy similar al de un motor de dos tiempos de encendido por chispa con compresión del cárter de producción actual, con dos modificaciones:
El combustible se inyecta directamente en el aire a medida que pasa por el puerto de transferencia.
El motor está diseñado para funcionar sin utilizar encendido por chispa una vez que se calienta. Esto se conoce como autoignición o funcionamiento diésel, y la mezcla de aire y combustible comienza a arder debido a la alta temperatura del gas comprimido y/o la presencia de metal caliente en la cámara de combustión.
Características de diseño
Se han identificado las siguientes características de diseño:
Menos partes móviles (solo 2 conjuntos móviles por par de cilindros opuestos) y los cilindros opuestos se pueden combinar para formar 2, 4, 6, 8, 10, 12 o cualquier número par de cilindros.
El pistón está conectado al yugo escocés a través de un cojinete deslizante (un tipo de cojinete de fluido con almohadilla de inclinación hidrodinámica ).
El yugo escocés hace que los pistones permanezcan ligeramente más tiempo en el punto muerto superior , por lo que el combustible se quema de forma más completa en un volumen menor.
Flujo de gas y características termodinámicas
La temperatura de escape es baja (inferior a la del agua hirviendo), por lo que no se requieren componentes de escape metálicos; se pueden usar componentes de plástico si no se requiere resistencia del sistema de escape.
Relación de compresión de 15:1 a 24:1 para una alta eficiencia y se puede cambiar fácilmente según sea necesario para diferentes combustibles y requisitos de operación.
El combustible se vaporiza cuando se inyecta en los puertos de transferencia, y la turbulencia en los colectores de admisión y la forma del pistón sobre los anillos estratifican la mezcla de combustible y aire en la cámara de combustión.
Combustión pobre para mayor eficiencia y menores emisiones.
Lubricación
Este diseño utiliza sellos de aceite para evitar que la contaminación de la cámara de combustión (creada por el paso de los anillos del pistón en los motores de cuatro tiempos y por la combustión pura en los de dos tiempos) contamine el aceite del cárter , lo que prolonga la vida útil del aceite, ya que se usa lentamente para mantener los anillos llenos de aceite. Se demostró que el aceite se usaba lentamente, pero Russell Bourke, su creador, recomendaba controlar la cantidad y la limpieza del mismo.
El aceite lubricante en la base está protegido de la contaminación de la cámara de combustión mediante un sello de aceite sobre la biela.
Los anillos del pistón se abastecen de aceite desde un pequeño orificio de suministro en la pared del cilindro en el punto muerto inferior.
Rendimiento declarado y medido
Eficiencia : se afirma que tiene 0,25 (lb/h)/hp, aproximadamente lo mismo que el mejor motor diésel, [2] o aproximadamente el doble de eficiente que el mejor de dos tiempos. [3] Esto equivale a una eficiencia termodinámica del 55,4%, que es una cifra extremadamente alta para un motor de combustión interna pequeño . En una prueba presenciada por un tercero, el consumo real de combustible fue de 1,1 hp/(lb/hr), [4] o 0,9 (lb/hr)/hp, equivalente a una eficiencia termodinámica de aproximadamente el 12,5%, que es típica de un motor de vapor de la década de 1920. [5] Una prueba de un motor Vaux de 30 pulgadas cúbicas, construido por un colaborador cercano de Bourke, arrojó un consumo de combustible de 1,48 lb/(bhp hr), o 0,7 (lb/hr)/hp a máxima potencia. [6]
Relación potencia-peso : se afirmaba que el Silver Eagle producía 25 CV a partir de 45 lb, o una relación potencia-peso de 0,55 CV/lb. El motor más grande de 140 pulgadas cúbicas era bueno para 120 CV a partir de 125 lb, o aproximadamente 1 CV/lb. Se afirmaba que el Modelo H producía 60 CV con un peso de 95 lb, lo que daba una relación potencia-peso de 0,63 CV/lb. Se informó que el bicilíndrico de 30 pulgadas cúbicas producía 114 CV a 15000 rpm mientras pesaba solo 38 lb, unos increíbles 3 CV/lb [7] Sin embargo, una réplica de 30 pulgadas cúbicas de Vaux Engines producía solo 8,8 CV a 4000 rpm, incluso después de una importante modificación. [8] Otras fuentes afirman entre 0,9 [9] y 2,5 CV/lb, aunque no se ha documentado ninguna prueba presenciada de forma independiente que respalde estas altas cifras. El rango superior de este es aproximadamente el doble de bueno que el mejor motor de producción de cuatro tiempos que se muestra aquí, [10] o 0,1 hp/lb mejor que un Graupner G58 de dos tiempos. [11] La afirmación inferior no tiene nada de especial, fácilmente superada por los motores de cuatro tiempos de producción, ni hablar de los de dos tiempos. [12]
Emisiones : prácticamente no se obtuvieron hidrocarburos (80 ppm) ni monóxido de carbono (menos de 10 ppm) en los resultados de pruebas publicados, [13] sin embargo, no se proporcionó ninguna potencia de salida para estos resultados y no se midió el NOx .
Bajas emisiones : Se afirma que el motor puede funcionar con hidrógeno o cualquier combustible de hidrocarburo sin ninguna modificación, produciendo solo vapor de agua y dióxido de carbono como emisiones.
Crítica de ingeniería del motor Bourke
El motor Bourke tiene algunas características interesantes, pero es poco probable que las extravagantes afirmaciones [14] sobre su rendimiento se confirmen con pruebas reales. Muchas de las afirmaciones son contradictorias. [15]
La fricción del sello entre la cámara del compresor de aire y el cárter, contra la biela , reducirá la eficiencia. [16]
La eficiencia se reducirá debido a las pérdidas de bombeo, ya que la carga de aire se comprime y se expande dos veces, pero solo se extrae energía para generar potencia en una de las expansiones por carrera del pistón. [17] [18]
Es probable que el peso del motor sea alto porque tendrá que ser muy resistente para soportar las altas presiones máximas que se observan como resultado de la rápida combustión a alta temperatura. [19]
Cada par de pistones está muy desequilibrado ya que los dos pistones se mueven en la misma dirección al mismo tiempo, a diferencia de un motor bóxer . [20] Esto limitará el rango de velocidad y, por lo tanto, la potencia del motor, y aumentará su peso debido a la fuerte construcción necesaria para reaccionar a las altas fuerzas en los componentes. [21]
Los motores de dos tiempos de alta velocidad tienden a ser ineficientes en comparación con los de cuatro tiempos porque parte de la carga de admisión se escapa sin quemarse con el escape. [22]
El uso de aire en exceso reducirá el torque disponible para un tamaño de motor determinado. [23]
Forzar la salida del escape rápidamente a través de puertos pequeños provocará una pérdida adicional de eficiencia. [24]
El funcionamiento de un motor de combustión interna en detonación reduce la eficiencia debido a la pérdida de calor de los gases de combustión que son arrastrados contra las paredes de la cámara de combustión por las ondas de choque. [25]
Emisiones: aunque algunas pruebas han demostrado emisiones bajas en algunas circunstancias, no necesariamente se produjeron a plena potencia. A medida que aumenta la relación de barrido (es decir, el par motor), se emitirán más HC y CO. [26]
Un mayor tiempo de permanencia en el PMS permitirá que se transfiera más calor a las paredes del cilindro, lo que reducirá la eficiencia. [27]
Cuando se utiliza el modo de encendido automático, el momento del inicio de la combustión se controla mediante el estado operativo del motor, en lugar de hacerlo directamente como en un motor diésel o de encendido por chispa. Por lo tanto, puede ser posible optimizarlo para una condición de funcionamiento, pero no para la amplia gama de pares y velocidades que un motor suele ver. El resultado será una menor eficiencia y mayores emisiones. [28]
Si la eficiencia es alta, entonces las temperaturas de combustión deben ser altas, como lo exige el ciclo de Carnot , y la mezcla de aire y combustible debe ser pobre. Las temperaturas de combustión altas y las mezclas pobres hacen que se forme dióxido de nitrógeno .
Patentes
Russell Bourke obtuvo patentes británicas y canadienses para el motor en 1939: GB514842 [29] y CA381959. [30]
También obtuvo la patente estadounidense 2.172.670 en 1939. [31]
Referencias
^ "Departamento de Guerra". Archivado desde el original el 30 de diciembre de 2007. Consultado el 13 de enero de 2008 .
^ El motor diésel más potente del mundo Archivado el 16 de julio de 2010 en Wayback Machine.
^ los dos mejores golpes
^ Paul Niquette. "La locomotora Bourke". Niquette.com . Consultado el 6 de diciembre de 2011 .
^ GS Baker "Forma del barco, resistencia y propulsión por hélice" p215
^ Sport Aviation Marzo de 1980 pág. 60 fig. 18
^ Sport Aviation, marzo de 1980, pág. 54
^ Sport Aviation, marzo de 1980, pág. 54
^ "Bourke Engine Com". Bourke-engine.com . Consultado el 6 de diciembre de 2011 .
^ http://www.sportscardesigner.com/hp_per_lb.jpg Tabla de HP por libra (portscardesigner.com)
^ "Unbenannt-1" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2011-10-02 . Consultado el 2011-12-06 .
^ "Desarrollo de motores de avión". Pilotfriend.com . Consultado el 6 de diciembre de 2011 .
^ The Bourke Engine Project LLC - Resultados de pruebas confirmados Archivado el 28 de septiembre de 2007 en Wayback Machine
^ JB Heywood "Fundamentos del motor de combustión interna" ISBN 0-07-100499-8 pp240-245|Compensación entre eficiencia, emisiones y potencia
^ "Fuerzas de fricción en el sellado de juntas tóricas" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2010-06-29 . Consultado el 2007-12-16 .|Fricción de los sellos
^ JB Heywood "Fundamentos del motor de combustión interna" ISBN 0-07-100499-8 p723|Pérdidas de bombeo
^ C Feyette Taylor "El motor de combustión interna" 4.ª edición, pág. 194, párrafo 2-3, pág. 205, fig. 124b, pág. 258|Pérdidas de bombeo en dos tiempos
^ C Feyette Taylor "El motor de combustión interna" 4.ª edición, pág. 119 | tensiones debidas a la detonación
^ JB Heywood "Fundamentos del motor de combustión interna" ISBN 0-07-100499-8 p20|Importancia del equilibrio primario
^ JB Heywood "Fundamentos del motor de combustión interna" ISBN 0-07-100499-8 pp240-245, p881|Relación de barrido y baja eficiencia
^ JB Heywood "Fundamentos del motor de combustión interna" ISBN 0-07-100499-8 pp240-245|Efecto de la relación de barrido en la salida de par
^ C Feyette Taylor "El motor de combustión interna" 4.ª edición pág. 194 párrafo 5 | Pérdidas de bombeo en dos tiempos
^ JB Heywood "Fundamentos del motor de combustión interna" ISBN 0-07-100499-8
p452-3|Aumento de las pérdidas térmicas debido a la detonación
^ JB Heywood "Fundamentos del motor de combustión interna" ISBN 0-07-100499-8 pp240-245, p881|Relación de barrido y emisiones elevadas
^ "Science Links Japan | Efecto de la velocidad del pistón alrededor del punto muerto superior en la eficiencia térmica". Sciencelinks.jp. 18 de marzo de 2009. Archivado desde el original el 27 de enero de 2012. Consultado el 6 de diciembre de 2011 .
