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Motor diésel de dos tiempos

Motor diésel radial de dos tiempos Nordberg utilizado anteriormente en una estación de bombeo en el lago Okeechobee

Un motor diésel de dos tiempos es un motor diésel que utiliza encendido por compresión en un ciclo de combustión de dos tiempos . Fue inventado por Hugo Güldner en 1899. [1]

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 de salida 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, varios tipos de motores diésel de dos tiempos ya se utilizaban ampliamente 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]

Hacia finales del siglo XX, el interés por los motores diésel de aviación resurgió, [20] con ejemplares de dos tiempos como el Superior Air Parts Gemini Diesel 100 en desarrollo a partir de 2015.

Características

Motores diésel o de aceite

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.

Ciclo de dos tiempos

Modelo seccionado de un motor diésel marino de dos tiempos MAN B&W con el vástago del pistón unido a una cruceta

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.

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 entrada 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 ):

Específico para motores de dos tiempos GM ( 6-71 ) y motores de dos tiempos para carretera, todoterreno y marinos relacionados:

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 da una mayor densidad energética . [21] Por lo tanto, son más fáciles y seguros de manejar y ocupan menos volumen para una cantidad dada 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]

Fabricantes

Motor diésel V8 de dos tiempos Brons que impulsa un generador Heemaf

Notas

  1. ^ 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

  1. ^ Mau (1984) pág. 7
  2. ^ Sass (1962), pág. 502
  3. ^ Sass (1962), pág. 503
  4. ^ Sass (1962), pág. 504
  5. ^ Sass (1962), pág. 505
  6. ^ abc Mau (1984) pág. 16
  7. ^ Mau (1984) pág. 9
  8. ^ Mau (1984) pág. 10
  9. ^ Paul Henry Schweitzer: Limpieza de motores diésel de dos tiempos, Macmillan, Nueva York 1949, pág. 8
  10. ^ Ab Mau (1984) pág. 17
  11. ^ Heldt, PM (1939), "Desarrollos europeos recientes en motores diésel de alta velocidad", SAE Transactions , vol. 34, febrero de 1939, págs. 77-84.[1]
  12. ^ Klaus Mollenhauer, Helmut Tschöke (ed.): Manual de motores diésel, Springer, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-540-89082-9, p. 300
  13. ^ Richard van Basshuysen (ed.): Ottomotor mit Direkteinspritzung und Direkteinblasung: Ottokraftstoffe · Erdgas · Methan · Wasserstoff. 4.ª edición, Springer, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-658-12215-7. pag. 6
  14. ^ Karl A. Zinner: Aufladung von Verbrennungsmotoren – Grundlagen · Berechnungen · Ausführungen, Springer, Berlín/Heidelberg 1985, ISBN 978-3-540-15902-5, p. 17
  15. ^ ab Konrad Reif: Gestión de motores diésel - Systeme, Komponenten, Steuerung und Regelung (Gestión de motores diésel: sistemas, componentes, control y regulación), quinta edición, Springer, Wiesbaden 2012, ISBN 978-3-8348-1715-0, p. 102
  16. ^ Wilson, CH y Reader, WJ (1958). Hombres y máquinas: D. Napier & Son 1808-1958 . Weidenfeld & Nicolson. Londres.
  17. ^ Mau (1984) pág. 151
  18. ^ Mau (1984) pág. 23
  19. ^ Sloan, Alfred P. (1964), McDonald, John (ed.), Mis años con General Motors, Garden City, Nueva York, EE. UU.: Doubleday, LCCN  64011306, OCLC  802024. Reeditado en 1990 con una nueva introducción de Peter Drucker ( ISBN 978-0385042352 ).  pp.341-353.
  20. ^ McLanahan, J. Craig. “Motores de aviación diésel: una promesa retrasada de la década de 1930”. SAE Transactions, vol. 108, 1999, págs. 1103–1112.
  21. ^ Comparación de propiedades de combustible, Centro de datos de combustibles alternativos. (consultado el 26 de julio de 2021).
  22. ^ Mau (1984) pág. 311
  23. ^ Mau (1984) pág. 309
  24. ^ Bill Gunston (1995). Cortes de aviones clásicos de la Segunda Guerra Mundial . 2.ª edición, Bounty Books, Londres, 2011. págs. 46-47.
  25. ^ Virgil B. Guthrie (ed.): Petroleum Products Handbook , McGraw-Hill, Nueva York/Toronto/Londres 1960, sección 6-25
  26. ^ Virgil B. Guthrie (ed.): Petroleum Products Handbook , McGraw-Hill, Nueva York/Toronto/Londres 1960, sección 6–26.
  27. ^ MTU Inc, Motores de 2 tiempos Detroit Diesel, archivado desde el original el 1 de enero de 2018 , consultado el 30 de diciembre de 2017 .

Bibliografía

Lectura adicional