En el encendido por compresión, primero se comprime y se calienta el aire; luego se inyecta combustible en el cilindro, lo que provoca su autoencendido . Esto genera una carrera de potencia cada vez que el pistón sube y baja, sin necesidad de las carreras de admisión y escape adicionales del ciclo de cuatro tiempos .
Historia
Según el ingeniero que diseñó el primer motor diésel operativo , el Motor 250/400 , Imanuel Lauster , Diesel no tenía la intención original de utilizar el principio de dos tiempos para el motor diésel. Hugo Güldner diseñó lo que se cree que es 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 ℳ 10,000 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 de 12 PS (9 kW; 12 hp). [3] En febrero de 1900, este motor funcionó por primera vez con su propia potencia. Sin embargo, con su potencia real de solo 6,95 CV (5 kW; 7 hp) y un alto consumo de combustible de 380 g·CV −1 ·h −1 (517 g·kW −1 ·h −1 ), no resultó exitoso; [4] El proyecto de motor diésel de dos tiempos de Güldner fue abandonado en 1901. [5]
En 1908, MAN Nürnberg ofreció motores diésel de dos tiempos con 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 planta de energía eléctrica. [7] En colaboración con Blohm + Voss en Hamburgo , MAN Nürnberg construyó el primer motor de dos tiempos con pistón de doble efecto para uso marino en 1913/1914. [8] Paul Henry Schweitzer sostiene que el motor diésel de dos tiempos con pistón opuesto fue inventado originalmente por Hugo Junkers . [9] Durante la Primera Guerra Mundial, MAN Nürnberg construyó un motor diésel de dos tiempos con pistón de doble efecto y seis cilindros con una potencia nominal de 12.400 PS (9.120 kW; 12.230 hp). [6] MAN trasladó su departamento de motores diésel de dos tiempos de Nürnberg a Augsburgo en 1919. [10]
En 1939, ya se utilizaban ampliamente varios tipos de motores diésel de dos tiempos y se estaban desarrollando otros para aplicaciones de alta potencia. [11]
De varios conceptos de motor diésel de dos tiempos para aviones, el Junkers Jumo 205 fue el único tipo que se fabricó en cantidades significativas, con aproximadamente 900 unidades en total. [12] Introducido en 1939, el concepto de diseño se había propuesto por primera vez en 1914. [13] [14] El diseño se fabricó bajo licencia en varios países. Los avances posteriores en la tecnología de inyección de combustible de gasolina dejaron obsoleto el motor de dos tiempos para aviones. [15] Aunque el Napier Culverin , una versión con licencia del Jumo 204 más grande , no se puso en producción, el posterior Napier Deltic incorporó una disposición triangular rediseñada con tres cilindros por banco, y se adoptó con éxito en aplicaciones de locomotoras y marinas, hasta bien entrada la era de la posguerra. [16]
Desde 1923 hasta 1982, MAN había estado utilizando el 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 de ariete, y desde 1954, se utilizó la sobrealimentación de flujo de gas constante con intercooler. [17] La sobrealimentación se logró con la combinación de cuatro métodos de sobrealimentación: un sobrealimentador de tipo roots impulsado por cigüeñal, un sobrealimentador turbo, las partes inferiores de los pistones del motor y un sobrealimentador alimentado por un motor eléctrico. [18] La válvula de corredera para el efecto de inducción de ariete finalmente demostró ser propensa a fallar y se volvió obsoleta por el 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 el 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 lo tanto, un menor consumo de combustible. [6]
Charles F. Kettering y sus colegas, que trabajaban en General Motors Research Corporation y en la subsidiaria 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 diésel de cuatro tiempos contemporáneos . La primera aplicación móvil del motor diésel de dos tiempos fue con los vehículos diésel aerodinámicos de mediados de la década de 1930. El trabajo de desarrollo continuo dio como resultado motores diésel de dos tiempos mejorados para aplicaciones en locomotoras y marinas a fines de la década de 1930. Este trabajo sentó las bases para la dieselización de los ferrocarriles en las décadas de 1940 y 1950 en los Estados Unidos. [19]
La característica que define al motor diésel es que se basa en el encendido por compresión . A medida que el aire se comprime, se calienta. Luego, se inyecta combustible en el aire comprimido caliente y se enciende espontáneamente. Esto le permite funcionar con una mezcla pobre que comprende principalmente aire. Junto con la alta relación de compresión, esto lo hace más económico que el motor de gasolina o el motor 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 regula el flujo de aire, sino que solo 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) se producen en una revolución de 360° del cigüeñal, mientras que en un motor de cuatro tiempos se producen en dos revoluciones completas. Por tanto, 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. Como el cilindro de cuatro tiempos enciende sólo una revolución de por medio, la potencia de salida del ciclo de dos tiempos es teóricamente el doble. Sin embargo, las pérdidas por barrido 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 los 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 de la carrera de potencia anterior, un proceso conocido como barrido .
A medida que el pistón se eleva, la carga de aire de admisión se comprime. Cerca del punto muerto superior, se inyecta combustible, lo que da lugar a la 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 en el que 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 de flujo uniforme . El movimiento descendente continuo del pistón expondrá los puertos de admisión de aire en la pared del cilindro y el ciclo comenzará de nuevo.
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 restantes están fijados por el diseño mecánico de los motores. Los puertos de barrido están abiertos desde 45 grados antes del PMI hasta 45 grados después del PMI. Sin embargo, algunos fabricantes hacen que la sincronización del puerto de barrido sea asimétrica compensando el cigüeñal. Los parámetros ajustables restantes tienen que ver con la válvula de escape y la sincronización de la inyección (estos dos parámetros no son necesariamente simétricos con respecto al PMI o, para el caso, al PMI), se establecen para maximizar el escape de gases de combustión y maximizar la admisión de aire de carga. Un solo árbol de levas opera 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 de dos tiempos EMD ( 567 , 645 y 710 ):
La carrera de potencia comienza en el PMS ([0°]; la inyección de combustible adelanta al PMS por 4° [356°], de modo que la inyección de combustible se completará en el PMS o muy poco después; [ cita requerida ] el combustible se enciende tan rápido como se inyecta), después de la carrera de potencia se abren las válvulas de escape, lo que reduce en gran medida la presión y la temperatura de los gases de combustión y prepara el cilindro para el barrido, para una duración de carrera de potencia de 103°.
El barrido comienza 32° más tarde, en BDC–45° [135°], y finaliza en BDC+45° [225°], para una duración de barrido de 90 grados; el retraso de 32° en la apertura de los puertos de barrido (lo que limita la longitud de la carrera de potencia) y el retraso de 16° después de que se cierran los puertos de barrido (lo que inicia la carrera de compresión) maximizan la efectividad del barrido, maximizando así la potencia de salida del motor, al tiempo que minimizan el consumo de combustible del motor.
Hacia el final del barrido, todos los productos de la combustión han sido expulsados del cilindro, y solo queda "aire de carga" (el barrido se puede lograr mediante sopladores Roots, para la inducción de aire de carga a una temperatura ligeramente superior a la ambiente, o mediante 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 a una temperatura significativamente superior a la ambiente, [i] y cuya turboalimentación proporciona un aumento de potencia nominal máxima del 50 por ciento sobre los motores con soplador Roots del mismo desplazamiento).
La carrera de compresión comienza 16° más tarde, en BDC+61° [241°], para una duración de carrera de compresión de 119°.
En los motores equipados con EFI , el inyector unitario controlado electrónicamente todavía se acciona mecánicamente; la cantidad de combustible alimentada a la bomba de inyección de tipo émbolo está bajo el control de la unidad de control del motor (en locomotoras, unidad de control de locomotora), en lugar del regulador PGE Woodward tradicional , o regulador de motor equivalente, como con los inyectores unitarios convencionales.
Específico para motores de dos tiempos GM ( 6-71 ) y motores de dos tiempos para carretera, todoterreno y 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 de dos tiempos EMD y Detroit Diesel emplean inducción forzada, solo algunos motores EMD emplean un sistema de turbocompresor. Algunos motores Detroit Diesel emplean un turbocompresor convencional, en algunos casos con intercooler, seguido del habitual soplador Roots, ya que un sistema de turbocompresor sería demasiado costoso para ciertas aplicaciones muy competitivas y muy sensibles a los costos.
Combustibles
Los combustibles utilizados en los motores diésel pueden estar compuestos de aceites de hidrocarburos más pesados que la gasolina o la gasolina utilizada 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 cantidad determinada de energía. Los diésel de dos tiempos generalmente queman grados de fueloil aún 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 dichos combustibles, por lo que tienen varios nombres coloquiales diferentes, incluidos Combustible intermedio marino , Combustible pesado , Combustible búnker marino y Combustible búnker C. [ 23] Los aceites combustibles pesados también se utilizaron en el motor de avión diésel de dos tiempos Jumo 205. [15] [24] En la década de 1960, los aceites residuales se "inventaban a partir de desechos de refinería". [25] Los aceites residuales son de muy baja calidad con alta viscosidad y bajos números de cetano , pero baratos y, por lo tanto, económicos de usar. [26]
El motor DeltaHawk DHK180 para propulsión de aeronaves quema 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
Motores Detroit Diesel uniflow [27] para camiones de carretera y todoterreno, autobuses de carretera y aplicaciones estacionarias
Doxford , motores diésel marinos de pistón opuesto de baja velocidad.
Electro-Motive Diesel , motores diésel de flujo único para aplicaciones marinas, ferroviarias y estacionarias
Foden , serie FD de motores diésel para vehículos comerciales, marinos e industriales.
Junkers , patente de 1892, diseño de pistón opuesto para motores estacionarios, marinos y automotrices (cigüeñal único), uso posterior en aviación 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 de Appingedam (ahora representado por Waukesha Engine)
Notas
^ La potencia de los motores de aspiración natural (incluidos los motores de dos tiempos con soplador Roots) suele reducirse un 2,5 % cada 1000 pies (300 m) sobre el nivel medio del mar, una penalización tremenda a los 10 000 pies (3000 m) o más elevaciones, donde operan varios ferrocarriles del oeste de Estados Unidos y Canadá, y esto puede representar una pérdida de potencia del 25 %. La turboalimentación elimina eficazmente esta reducción.
Referencias
Citas
^ Mau (1984) pág. 7
^ Sass (1962), pág. 502
^ Sass (1962), pág. 503
^ Sass (1962), pág. 504
^ Sass (1962), pág. 505
^ abc Mau (1984) pág. 16
^ Mau (1984) pág. 9
^ Mau (1984) pág. 10
^ Paul Henry Schweitzer: Limpieza de motores diésel de dos tiempos, Macmillan, Nueva York 1949, pág. 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]
^ Klaus Mollenhauer, Helmut Tschöke (ed.): Manual de motores diésel, Springer, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-540-89082-9, p. 300
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Bibliografía
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Sass, Friedrich (1962), Geschichte des deutschen Verbrennungsmotorenbaus von 1860 bis 1918 , Springer, Berlín/Heidelberg 1962, ISBN 978-3-662-11843-6 .
Lectura adicional
Walshaw, TD (1953), Diseño de motores diésel (2.ª ed.), Londres, Inglaterra: George Newnes Ltd, LCCN 54029678.
