En el encendido por compresión, primero se comprime y calienta el aire; Luego se inyecta combustible en el cilindro, provocando que se autoencienda . Esto proporciona una carrera de potencia cada vez que el pistón sube y baja, sin necesidad de las carreras de escape e inducción adicionales del ciclo de cuatro tiempos .
Historia
Según Imanuel Lauster , el ingeniero que diseñó el diseño del primer motor diésel operativo , el Motor 250/400 , de Rudolf Diesel , en un principio Diesel no tenía intención de utilizar el principio de dos tiempos para el motor diésel. Hugo Güldner diseñó lo que se cree que fue el primer motor diésel de dos tiempos operativo en 1899 y convenció a MAN , Krupp y Diesel para que financiaran la construcción de este motor con 10.000 ℳ cada uno. [2] El motor de Güldner tenía un cilindro de trabajo de 175 mm y un cilindro de barrido de 185 mm; ambos tenían una carrera de 210 mm. La potencia indicada era 12 CV (9 kW; 12 CV). [3] En febrero de 1900, este motor funcionó por primera vez con sus propios medios. Sin embargo, con su potencia real de sólo 6,95 PS (5 kW; 7 hp) y su alto consumo de combustible de 380 g·PS −1 ·h −1 (517 g·kW −1 ·h −1 ), no resultó para tener éxito; [4] El proyecto del motor diésel de dos tiempos de Güldner fue abandonado en 1901. [5]
En 1908, MAN Nürnberg ofreció motores diésel de dos tiempos y de pistón de simple efecto para uso marino; [6] el primer motor de pistón de doble efecto [ aclarar ] de MAN Nürnberg se fabricó en 1912 para una central eléctrica. [7] En colaboración con Blohm + Voss en Hamburgo , MAN Nürnberg construyó en 1913/1914 el primer motor de dos tiempos y pistones de doble efecto para uso marino. [8] Paul Henry Schweitzer sostiene que el motor diésel de dos tiempos y pistones opuestos fue inventado originalmente por Hugo Junkers . [9] Durante la Primera Guerra Mundial, MAN Nürnberg construyó un motor diésel de dos tiempos, pistón de doble efecto y seis cilindros con una potencia nominal de 12.400 CV (9.120 kW; 12.230 CV). [6] En 1919 MAN trasladó su departamento de motores diésel de dos tiempos de Núremberg a Augsburgo. [10]
En 1939, varios tipos diésel de dos tiempos se utilizaban ampliamente y se estaban desarrollando otros para aplicaciones de alta potencia. [11]
De varios conceptos de motores diésel de dos tiempos para aviones, el Junkers Jumo 205 fue el único que se fabricó en cantidades significativas, con aproximadamente 900 unidades en total. [12] Introducido en 1939, el concepto de diseño se propuso por primera vez en 1914. [13] [14] El diseño fue fabricado bajo licencia en varios países. Los avances posteriores en la tecnología de inyección de combustible de gasolina dejaron obsoleto el motor de avión de dos tiempos. [15] Aunque el Napier Culverin , una versión con licencia del Jumo 204 más grande, no se puso en producción, el Napier Deltic posterior incorporó una disposición triangular rediseñada con tres cilindros por banco, y fue adoptado con éxito en aplicaciones de locomotoras y marinas, hasta bien entrado el año. la era de la posguerra. [dieciséis]
Desde 1923 hasta 1982, MAN utilizó barrido de flujo inverso para sus motores marinos de dos tiempos. A partir de 1945 se instaló una válvula de corredera para el efecto de inducción del ariete y, a partir de 1954, se utilizó sobrealimentación de flujo constante de gas con intercooler. [17] La sobrealimentación se logró con la combinación de cuatro métodos de sobrealimentación: un sobrealimentador de raíces impulsado por cigüeñal, un sobrealimentador turbo, las partes inferiores de los pistones del motor y un sobrealimentador impulsado por un motor eléctrico. [18] La válvula deslizante para el efecto de inducción del ariete finalmente demostró ser propensa a fallar y quedó obsoleta debido al aumento de las tasas de sobrealimentación a principios de la década de 1960. [10] A principios de la década de 1980, todos los principales fabricantes de motores diésel de dos tiempos cambiaron del barrido de flujo inverso al barrido de flujo único, porque este último, a pesar de ser más complicado, permite una mayor eficiencia del motor y, por tanto, un menor consumo de combustible. [6]
Charles F. Kettering y sus colegas, que trabajaron en General Motors Research Corporation y en la filial de GM, Winton Engine Corporation, durante la década de 1930, diseñaron motores diésel de dos tiempos para uso en carretera con relaciones potencia-peso y rango de potencia mucho mayores que los de cuatro tiempos. -Diésel de carrera . La primera aplicación móvil del motor diésel de dos tiempos se produjo con los aerodinámicos diésel de mediados de los años 1930. El trabajo de desarrollo continuo dio como resultado motores diésel de dos tiempos mejorados para aplicaciones marinas y de locomotoras a finales de la década de 1930. Este trabajo sentó las bases para la dieselización de los ferrocarriles en los años 1940 y 1950 en los Estados Unidos. [19]
La característica definitoria del motor diésel es que se basa en el encendido por compresión . Al comprimirse el aire se calienta. Luego se inyecta combustible en el aire comprimido caliente y se enciende espontáneamente. Esto le permite funcionar con una mezcla pobre compuesta principalmente de aire. Junto con la alta relación de compresión, esto lo hace más económico que el motor de gasolina o Otto de gasolina . Tampoco requiere un carburador para mezclar el aire y el combustible antes de la entrega, ni una bujía u otro sistema de encendido. Otra consecuencia es que para controlar la velocidad y la potencia de salida, no se estrangula el flujo de aire sino que sólo se varía la cantidad de combustible inyectado en cada ciclo.
En el ciclo de dos tiempos, las cuatro etapas de funcionamiento del motor de combustión interna (admisión, compresión, encendido, escape) ocurren en una revolución de 360° del cigüeñal, mientras que en un motor de cuatro tiempos toman dos revoluciones completas. En consecuencia, en el ciclo de dos tiempos las etapas se superponen durante la mayor parte del funcionamiento del motor. Esto hace que sus procesos termodinámicos y aerodinámicos sean más complejos. Debido a que el cilindro de cuatro tiempos dispara sólo cada dos revoluciones, la potencia de salida del ciclo de dos tiempos es teóricamente el doble. Sin embargo, las pérdidas por eliminación de residuos hacen que esta ventaja sea difícil de lograr en la práctica.
La admisión comienza cuando el pistón está cerca del punto muerto inferior (BDC). El aire ingresa al cilindro a través de puertos en la pared del cilindro (no hay válvulas de admisión ). Todos los motores diésel de dos tiempos requieren aspiración artificial para funcionar y utilizarán un soplador accionado mecánicamente o un turbocompresor para cargar el cilindro con aire. En la fase inicial de la admisión, la carga de aire también se utiliza para expulsar los gases de combustión restantes del golpe de potencia anterior, un proceso conocido como barrido .
A medida que el pistón sube, la carga de aire entrante se comprime. Cerca del punto muerto superior, se inyecta combustible, lo que produce una combustión debido a la presión extremadamente alta de la carga y al calor creado por la compresión, que impulsa el pistón hacia abajo. A medida que el pistón se mueve hacia abajo en el cilindro, llegará a un punto donde se abre el puerto de escape para expulsar los gases de combustión a alta presión. Sin embargo, la mayoría de los motores diésel de dos tiempos actuales utilizan válvulas de asiento montadas en la parte superior y barrido uniflow . El movimiento continuo hacia abajo del pistón expondrá los puertos de entrada de aire en la pared del cilindro y el ciclo comenzará nuevamente.
Diésel de dos tiempos
En la mayoría de los motores de dos tiempos EMD y GM (es decir, Detroit Diesel ), muy pocos parámetros son ajustables y todos los demás están fijados por el diseño mecánico de los motores. Los puertos de eliminación están abiertos desde 45 grados antes del BDC hasta 45 grados después del BDC. Sin embargo, algunos fabricantes hacen que la sincronización del puerto de evacuación sea asimétrica compensando el cigüeñal. Los parámetros restantes, ajustables, tienen que ver con la válvula de escape y la sincronización de la inyección (estos dos parámetros no son necesariamente simétricos con respecto al TDC o, de hecho, al BDC), se establecen para maximizar la salida de gases de combustión y maximizar la entrada de aire de carga. Un solo árbol de levas acciona las válvulas de escape de tipo asiento y el inyector unitario , utilizando tres lóbulos: dos lóbulos para las válvulas de escape (ya sea dos válvulas en los motores más pequeños o cuatro válvulas en los más grandes, y un tercer lóbulo para el inyector unitario).
Específico para motores EMD de dos tiempos ( 567 , 645 y 710 ):
La carrera de potencia comienza en el PMS ([0°]; la inyección de combustible adelanta al PMS 4° [356°], de modo que la inyección de combustible se completará en el PMS o muy poco después; [ cita necesaria ] el combustible se enciende tan rápido como se inyecta), después de la carrera de potencia, las válvulas de escape se abren, reduciendo así en gran medida la presión y la temperatura del gas de combustión y preparando el cilindro para la aspiración, para una duración de la carrera de potencia de 103°.
La recolección comienza 32° más tarde, en BDC–45° [135°], y termina en BDC+45° [225°], con una duración de recolección de 90 grados; el retraso de 32° en la apertura de los puertos de evacuación (lo que limita la longitud de la carrera de potencia) y el retraso de 16° después de que se cierran los puertos de evacuación (iniciando así la carrera de compresión), maximiza la eficacia de evacuación, maximizando así la potencia de salida del motor, al tiempo que minimiza consumo de combustible del motor.
Hacia el final de la limpieza, todos los productos de la combustión han sido expulsados del cilindro y sólo queda "aire de carga" (la limpieza se puede lograr mediante sopladores Roots, para la inducción de aire de carga ligeramente por encima de la temperatura ambiente, o el turbocompresor patentado de EMD, que actúa como soplador durante el arranque y como turbocompresor en condiciones operativas normales, y para la inducción de aire de carga significativamente por encima de la temperatura ambiente, [i] y cuyo turbocompresor proporciona un aumento máximo de potencia nominal del 50 por ciento con respecto a los motores de soplado Roots del mismo desplazamiento).
La carrera de compresión comienza 16° más tarde, en BDC+61° [241°], para una duración de la carrera de compresión de 119°.
En los motores equipados con EFI , el inyector unitario controlado electrónicamente todavía se acciona mecánicamente; la cantidad de combustible que se alimenta a la bomba inyectora de tipo émbolo está bajo el control de la unidad de control del motor (en locomotoras, unidad de control de locomotora), en lugar del gobernador tradicional Woodward PGE, o gobernador de motor equivalente, como ocurre con los inyectores unitarios convencionales.
Específico para motores GM de dos tiempos ( 6-71 ) y motores de dos tiempos para carretera/todo terreno/marinos relacionados:
Se emplean las mismas consideraciones básicas (los motores GM/EMD 567 y GM/Detroit Diesel 6-71 fueron diseñados y desarrollados al mismo tiempo, y por el mismo equipo de ingenieros y gerentes de ingeniería).
Mientras que todos los motores EMD y Detroit Diesel emplean sobrealimentación, sólo algunos motores EMD emplean un sistema de turbocompresor; Algunos motores Detroit Diesel emplean un turbocompresor convencional, en algunos casos con intercooler, seguido del habitual ventilador Roots, ya que un sistema de turbocompresor sería demasiado costoso para determinadas aplicaciones muy competitivas y muy sensibles a los costes.
Combustibles
Los combustibles utilizados en los motores diésel pueden estar compuestos de aceites de hidrocarburos más pesados que la gasolina o la gasolina utilizados en los motores de encendido por chispa, lo que los hace menos volátiles con un punto de inflamación más alto y les otorga una mayor densidad energética . [21] Por lo tanto, son más fáciles y seguros de manejar y ocupan menos volumen para una determinada cantidad de energía. Los motores diésel de dos tiempos suelen quemar grados de fueloil incluso más pesados que los combustibles diésel estándar .
En los motores diésel marinos de dos tiempos para embarcaciones marítimas, los combustibles más comunes son los aceites residuales . [22] Günter Mau sostiene que no existen estándares uniformes para tales combustibles, razón por la cual tienen varios nombres coloquiales diferentes, incluyendo Marine Intermediate Fuel , Heavy Fuel Oil , Marine Bunker Fuel y Bunker C Fuel . [23] También se utilizaron fuelóleos pesados en el motor de avión diésel de dos tiempos Jumo 205. [15] [24] En la década de 1960, los aceites residuales se "preparaban a partir de residuos de refinería". [25] Los aceites residuales son de muy baja calidad, con alta viscosidad y bajos índices de cetano , pero baratos y, por tanto, económicos de utilizar. [26]
El motor DeltaHawk DHK180 para propulsión de aviones utiliza combustibles Jet A y Jet A-1, JP5, JP8, diésel (D1 y D2), JP-8-100 y F-24.
Burmeister & Wain (parte de MAN Diesel desde 1980), motores diésel de doble efecto para propulsión marina a partir de 1930, también fabricados por constructores navales bajo licencia.
Detroit Diesel , motores uniflow [27] para camiones dentro y fuera de carretera, autobuses de carretera y aplicaciones estacionarias
Doxford , motores diésel marinos de baja velocidad y pistones opuestos.
Electro-Motive Diesel , motores diésel de flujo único para aplicaciones marinas, ferroviarias y estacionarias
Foden , serie FD de motores diésel para vehículos comerciales, marinos y de energía industrial.
Junkers , patente de 1892, se oponía al diseño de pistón para motores estacionarios, marinos y automotrices (cigüeñal único), y posteriormente se utilizó en aviones con diseño de cigüeñal doble (Junkers Jumo 205).
Motor Waukesha , grandes motores alternativos estacionarios producidos por INNIO Waukesha Gas Engines
Brons , un antiguo fabricante de motores holandés en Appingedam (ahora representado por Waukesha Engine)
Notas
^ Los caballos de fuerza para los motores de aspiración natural (incluidos los motores de dos tiempos de Roots) generalmente se reducen en un 2,5% cada 1000 pies (300 m) sobre el nivel medio del mar, una penalización tremenda a 10,000 pies (3000 m) o mayores elevaciones, que varios Operan los ferrocarriles del oeste de Estados Unidos y Canadá, y esto puede representar una pérdida de energía del 25%. La turboalimentación elimina efectivamente esta reducción
Referencias
Citas
^ Mau (1984) p.7
^ Descarado (1962), pág. 502
^ Descarado (1962), pág. 503
^ Descarado (1962), pág. 504
^ Descarado (1962), pág. 505
^ abc Mau (1984) pág. dieciséis
^ Mau (1984) pág. 9
^ Mau (1984) pág. 10
^ Paul Henry Schweitzer: Eliminación de motores diésel de dos tiempos, Macmillan, Nueva York 1949, p. 8
^ ab Mau (1984) pág. 17
^ Heldt, PM (1939), "Desarrollos europeos recientes en motores diésel de alta velocidad", SAE Transactions , vol. 34, febrero de 1939, págs. 77-84.[1]
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Bibliografía
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Otras lecturas
Walshaw, TD (1953), Diseño de motores diésel (2ª ed.), Londres, Inglaterra: George Newnes Ltd, LCCN 54029678.
