Motor de dos tiempos

Un motor de dos tiempos (o de ciclo de dos tiempos ) es un tipo de motor de combustión interna que completa un ciclo de potencia con dos carreras del pistón , una hacia arriba y otra hacia abajo, en una revolución del cigüeñal, a diferencia de un motor de cuatro tiempos que requiere cuatro carreras del pistón en dos revoluciones del cigüeñal para completar un ciclo de potencia. Durante la carrera desde el punto muerto inferior hasta el punto muerto superior, se completa el final del escape/admisión (o barrido ) junto con la compresión de la mezcla. La segunda carrera comprende la combustión de la mezcla, la expansión de la mezcla quemada y, cerca del punto muerto inferior, el inicio de los flujos de barrido.

Los motores de dos tiempos suelen tener una mayor relación potencia-peso que los de cuatro tiempos, ya que su carrera de potencia se produce el doble de veces. Los motores de dos tiempos también pueden tener menos piezas móviles , por lo que son más baratos de fabricar y pesan menos. En países y regiones con regulaciones estrictas sobre emisiones, los motores de dos tiempos se han ido eliminando gradualmente en automóviles y motocicletas. En regiones donde las regulaciones son menos estrictas, los motores de dos tiempos de pequeña cilindrada siguen siendo populares en ciclomotores y motocicletas. ^{[ 1 ]} También se utilizan en herramientas eléctricas como motosierras y sopladores de hojas . Los planeadores SSG y SLG suelen estar equipados con motores de dos tiempos.

El primer motor comercial de dos tiempos con compresión en el cilindro se atribuye al ingeniero escocés Dugald Clerk , quien patentó su diseño en 1881. ^{[ 2 ]} Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los motores de dos tiempos posteriores, el suyo tenía un cilindro de carga separado. El motor con barrido del cárter , que emplea el área debajo del pistón como bomba de carga, se atribuye generalmente al inglés Joseph Day . ^{[ 3 ] [ 4 ]} El 31 de diciembre de 1879, el inventor alemán Karl Benz produjo un motor de gas de dos tiempos, por el cual recibió una patente en 1880 en Alemania. El primer motor de dos tiempos verdaderamente práctico se atribuye al oriundo de Yorkshire, Alfred Angas Scott , quien comenzó a producir motocicletas bicilíndricas refrigeradas por agua en 1908. ^{[ 5 ]}

Los motores de gasolina de dos tiempos con encendido por chispa eléctrica son especialmente útiles en aplicaciones ligeras o portátiles, como motosierras y motocicletas. Sin embargo, cuando el peso y el tamaño no son un problema, el potencial de alta eficiencia termodinámica del ciclo lo hace ideal para motores diésel de encendido por compresión que operan en aplicaciones grandes donde el peso no es un factor crítico, como la propulsión marina , las locomotoras ferroviarias y la generación de electricidad . En un motor de dos tiempos, los gases de escape transfieren menos calor al sistema de refrigeración que en un motor de cuatro tiempos, lo que significa más energía para impulsar el pistón y, si está presente, un turbocompresor.

Los motores de dos tiempos con compresión en el cárter, como los motores pequeños de gasolina comunes, se lubrican con una mezcla de petroaceite en un sistema de pérdida total . El aceite se mezcla previamente con la gasolina, en una proporción de combustible a aceite de aproximadamente 32:1. Este aceite genera emisiones, ya sea por combustión en el motor o como gotas en el escape, lo que históricamente ha resultado en mayores emisiones de escape, particularmente de hidrocarburos, que los motores de cuatro tiempos de potencia comparable. El tiempo de apertura combinado de los puertos de admisión y escape en algunos diseños de dos tiempos también puede permitir que cierta cantidad de vapores de combustible sin quemar salgan en el flujo de escape. Las altas temperaturas de combustión de los motores pequeños refrigerados por aire también pueden producir emisiones de NO _{x .}

Los motores de gasolina de dos tiempos son la opción preferida cuando la simplicidad mecánica, el peso ligero y una alta relación potencia-peso son prioridades de diseño. Al mezclar aceite con combustible, pueden funcionar en cualquier posición, ya que el depósito de aceite no depende de la gravedad.

Varios fabricantes de automóviles convencionales han utilizado motores de dos tiempos en el pasado, incluidos el sueco Saab , los fabricantes alemanes DKW , Auto-Union , VEB Sachsenring Automobilwerke Zwickau , VEB Automobilwerk Eisenach y VEB Fahrzeug- und Jagdwaffenwerk , y los fabricantes polacos FSO y FSM . Los fabricantes japoneses Suzuki y Subaru hicieron lo mismo en la década de 1970. ^{[ 6 ]} La producción de automóviles de dos tiempos terminó en la década de 1980 en Occidente, debido a la regulación cada vez más estricta de la contaminación del aire . ^{[ 7 ]} Los países del Bloque del Este continuaron hasta alrededor de 1991, con el Trabant y el Wartburg en Alemania Oriental.

Los motores de dos tiempos todavía se encuentran en una variedad de aplicaciones de propulsión pequeñas, como motores fuera de borda , motocicletas pequeñas de carretera y todoterreno , ciclomotores , motonetas , bicicletas motorizadas , tuk-tuks , motos de nieve , karts , autos RC , ultraligeros y aeromodelos . Particularmente en los países desarrollados, las regulaciones sobre contaminación han hecho que su uso en muchas de estas aplicaciones se esté eliminando gradualmente. Honda , ^{[ 8 ]} por ejemplo, dejó de vender motocicletas todoterreno de dos tiempos en Estados Unidos en 2007, después de haber abandonado los modelos de carretera mucho antes.

Debido a su alta relación potencia-peso y a su capacidad para ser utilizados en cualquier posición, los motores de dos tiempos son comunes en herramientas eléctricas portátiles para exteriores, como sopladores de hojas , motosierras y desbrozadoras .

Los motores diésel de dos tiempos se encuentran principalmente en grandes aplicaciones industriales y marinas, así como en algunos camiones y maquinaria pesada.

Si bien los principios son los mismos, los detalles mecánicos de los distintos motores de dos tiempos difieren según el tipo. Los diseños varían en función del método de introducción de la carga en el cilindro, el método de barrido del cilindro (intercambio de los gases de escape quemados por mezcla fresca) y el método de evacuación del cilindro.

Variaciones del puerto de entrada

Puerto de entrada controlado por pistón

El puerto de pistón es el diseño más simple y el más común en motores pequeños de dos tiempos. Todas las funciones se controlan únicamente mediante el movimiento del pistón, que cubre y descubre los puertos al subir y bajar en el cilindro. En la década de 1970, Yamaha desarrolló algunos principios básicos para este sistema. Descubrieron que, en general, ensanchar un puerto de escape aumenta la potencia en la misma medida que elevarlo, pero la banda de potencia no se estrecha como ocurre al elevar el puerto. Sin embargo, existe un límite mecánico para el ancho de un solo puerto de escape, aproximadamente el 62% del diámetro del cilindro para una vida útil razonable de los segmentos del pistón. Más allá de este límite, los segmentos del pistón se abomban en el puerto de escape y se desgastan rápidamente. En motores de competición, donde los segmentos se cambian cada pocas carreras, es posible un máximo del 70% del ancho del cilindro. La duración de la admisión está entre 120 y 160°. El tiempo del puerto de transferencia se establece en un mínimo de 26°. El fuerte pulso de baja presión de una cámara de expansión de dos tiempos de competición puede reducir la presión a -7 psi cuando el pistón está en el punto muerto inferior y los lumbreras de transferencia están casi completamente abiertas. Una de las razones del alto consumo de combustible en los motores de dos tiempos es que parte de la mezcla presurizada de combustible y aire que ingresa se fuerza a través de la parte superior del pistón, donde ejerce una acción de enfriamiento, y sale directamente por el tubo de escape. Una cámara de expansión con un fuerte pulso inverso detiene este flujo saliente. ^{[ 9 ]}

Una diferencia fundamental con respecto a los motores típicos de cuatro tiempos es que el cárter del motor de dos tiempos está sellado y forma parte del proceso de admisión en los motores de gasolina y de bulbo caliente . Los motores diésel de dos tiempos suelen incorporar un compresor Roots o una bomba de pistón para la evacuación de gases .

Válvula de entrada de láminas

La válvula de láminas es una válvula de retención sencilla pero muy eficaz , que se suele instalar en el conducto de admisión del lumbrera controlada por pistón. Permite la admisión asimétrica de la mezcla de combustible, mejorando la potencia y la eficiencia, a la vez que amplía la banda de potencia. Este tipo de válvulas se utilizan ampliamente en motocicletas, quads y motores fueraborda marinos.

Válvula de entrada rotativa

El conducto de admisión se abre y se cierra mediante un elemento giratorio. Un tipo común, que a veces se ve en motocicletas pequeñas, es un disco ranurado unido al cigüeñal , que cubre y descubre una abertura en el extremo del cárter, permitiendo la entrada de la mezcla durante una parte del ciclo (denominado válvula de disco).

Otro tipo de válvula de admisión rotativa utilizada en motores de dos tiempos emplea dos elementos cilíndricos con recortes adecuados, dispuestos para girar uno dentro del otro . El conducto de admisión solo tiene paso al cárter cuando ambos recortes coinciden. El propio cigüeñal puede formar parte de uno de los elementos, como en la mayoría de los motores de bujía incandescente. En otra versión, el disco del cigüeñal se ajusta con precisión al cárter y cuenta con un recorte que se alinea con un conducto de admisión en la pared del cárter en el momento oportuno, como en las motocicletas Vespa . 

La ventaja de una válvula rotativa radica en que permite que la distribución de admisión del motor de dos tiempos sea asimétrica, algo imposible con los motores de lumbreras. En estos últimos, la distribución de admisión se produce antes y después del punto muerto superior, con el mismo ángulo del cigüeñal, lo que la hace simétrica; en cambio, la válvula rotativa permite que la apertura y el cierre comiencen antes.

Los motores de válvula rotativa pueden diseñarse para ofrecer potencia en un rango de velocidad más amplio o mayor potencia en un rango de velocidad más estrecho que los motores de lumbreras o de válvulas de láminas. Cuando una parte de la válvula rotativa forma parte del propio cárter, es fundamental evitar cualquier desgaste.

Variaciones de carroñeo

Barrido de flujo cruzado

En un motor de flujo cruzado, los puertos de transferencia y escape están en lados opuestos del cilindro, y un deflector en la parte superior del pistón dirige la carga de admisión fresca hacia la parte superior del cilindro, empujando el gas de escape residual hacia abajo por el otro lado del deflector y hacia afuera por el puerto de escape. ^{[ 10 ]} El deflector aumenta el peso del pistón y el área de superficie expuesta, y el hecho de que hace que la refrigeración del pistón y lograr una forma efectiva de la cámara de combustión es la razón por la que este diseño ha sido reemplazado en gran medida por el barrido de flujo unidireccional después de la década de 1960, especialmente para motocicletas, pero para motores más pequeños o lentos que usan inyección directa, el pistón deflector todavía puede ser un enfoque aceptable.

Recolección de bucles

Este método de barrido utiliza orificios de transferencia cuidadosamente diseñados y posicionados para dirigir el flujo de la mezcla fresca hacia la cámara de combustión al entrar en el cilindro. La mezcla de combustible y aire impacta contra la culata , luego sigue la curvatura de la cámara de combustión y, finalmente, se desvía hacia abajo.

Esto no solo impide que la mezcla de combustible y aire salga directamente por el puerto de escape, sino que también crea una turbulencia en espiral que mejora la eficiencia de la combustión , la potencia y el consumo. Por lo general, no se requiere un deflector de pistón, por lo que este método presenta una clara ventaja sobre el sistema de flujo cruzado (mencionado anteriormente).

Conocido a menudo como barrido de bucle "Schnuerle" (o "Schnürle"), en honor a Adolf Schnürle, el inventor alemán de una forma temprana a mediados de la década de 1920, se adoptó ampliamente en Alemania durante la década de 1930 y se extendió a otros lugares después de la Segunda Guerra Mundial .

El barrido en bucle es el tipo más común de transferencia de mezcla de combustible y aire en los motores de dos tiempos modernos. Suzuki fue uno de los primeros fabricantes fuera de Europa en adoptar motores de dos tiempos con barrido en bucle. Esta característica operativa se utilizó junto con el escape de cámara de expansión desarrollado por el fabricante alemán de motocicletas MZ y Walter Kaaden.

El barrido en bucle, las válvulas de disco y las cámaras de expansión funcionaban de forma altamente coordinada para aumentar significativamente la potencia de los motores de dos tiempos, especialmente los de los fabricantes japoneses Suzuki, Yamaha y Kawasaki. Suzuki y Yamaha cosecharon éxitos en las carreras de motociclismo de Gran Premio en la década de 1960, en gran medida gracias al aumento de potencia que proporcionaba el barrido en bucle.

Una ventaja adicional del barrido en bucle era que el pistón podía fabricarse casi plano o ligeramente abovedado, lo que permitía que fuera considerablemente más ligero y resistente, y, por consiguiente, que soportara mayores velocidades del motor. El pistón de cabeza plana también presenta mejores propiedades térmicas y es menos propenso al calentamiento desigual, la expansión, el agarrotamiento, los cambios dimensionales y las pérdidas de compresión.

SAAB fabricó motores tricilíndricos de 750 y 850 cc basados ​​en un diseño de DKW que demostró un éxito razonable con el sistema de carga en bucle. El SAAB 92 original contaba con un motor bicilíndrico de eficiencia relativamente baja. A velocidad de crucero, se producía un bloqueo de la lumbrera de escape por ondas reflejadas a una frecuencia demasiado baja. El uso del colector de escape asimétrico de tres lumbreras empleado en el mismo motor DKW mejoró el consumo de combustible.

El motor estándar de 750 cc producía de 36 a 42 hp (27 a 31 kW) , según el año del modelo. La variante Monte Carlo Rally, de 750 cc (con un cigüeñal modificado para una mayor compresión base), generaba 65 hp (48 kW) . Una versión de 850 cc estaba disponible en el SAAB Sport de 1966 (un modelo de equipamiento estándar en comparación con el equipamiento de lujo del Monte Carlo). La compresión base comprende una parte de la relación de compresión total de un motor de dos tiempos. Un trabajo publicado en la SAE en 2012 señala que el barrido en bucle es, en todas las circunstancias, más eficiente que el barrido de flujo cruzado.    

Limpieza de flujo unidireccional

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  Animación de un motor diésel de dos tiempos de flujo unidireccional
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  Esquema del flujo de barrido de flujo unidireccional

En un motor de flujo unidireccional, la mezcla, o "aire de admisión" en el caso de un diésel, entra por un extremo del cilindro, controlada por el pistón, y los gases de escape salen por el otro extremo, controlados por una válvula de escape o un pistón. Por lo tanto, el flujo de gases de barrido se produce en una sola dirección, de ahí el nombre de flujo unidireccional .

El diseño con válvula(s) de escape es común en motores de dos tiempos para carretera, todoterreno y estacionarios ( Detroit Diesel ), ciertos motores marinos pequeños de dos tiempos ( Gray Marine Motor Company , que adaptó el Detroit Diesel Serie 71 para uso marino ), ciertas locomotoras diésel de dos tiempos para ferrocarril ( Electro-Motive Diesel ) y grandes motores marinos de propulsión principal de dos tiempos ( Wärtsilä ). Los tipos con lumbreras están representados por el diseño de pistón opuesto , en el que hay dos pistones en cada cilindro, trabajando en direcciones opuestas, como el Junkers Jumo 205 y el Napier Deltic . ^{[ 11 ]} El diseño de un solo cilindro dividido, otrora popular, pertenece a esta clase, siendo efectivamente un uniflow plegado. Con una sincronización de escape de ángulo avanzado, los motores uniflow pueden ser sobrealimentados con un compresor accionado por el cigüeñal, ya sea de pistón o de tipo Roots. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Muchos motores modernos de dos tiempos emplean un sistema de válvulas de potencia . Estas válvulas suelen estar ubicadas en los puertos de escape o cerca de ellos. Funcionan de dos maneras: o bien modifican el puerto de escape cerrando la parte superior, lo que altera la sincronización de los puertos (como en los sistemas Rotax RAVE, Yamaha YPVS, Honda RC-Valve, Kawasaki KIPS, Cagiva CTS o Suzuki AETC), o bien modifican el volumen de los gases de escape, lo que cambia la frecuencia de resonancia de la cámara de expansión (como en los sistemas Suzuki SAEC y Honda V-TACS). El resultado es un motor con mayor potencia a bajas revoluciones sin sacrificar la potencia a altas revoluciones. Sin embargo, dado que las válvulas de potencia se encuentran en el flujo de gases calientes, requieren mantenimiento regular para un funcionamiento óptimo.

La inyección directa ofrece ventajas considerables en los motores de dos tiempos. En los motores de dos tiempos con carburador, un problema importante es que una parte de la mezcla de combustible y aire sale directamente, sin quemar, por el puerto de escape; la inyección directa elimina eficazmente este problema. Se utilizan dos sistemas: inyección asistida por aire a baja presión e inyección a alta presión.

Dado que el combustible no pasa por el cárter, se necesita una fuente de lubricación independiente.

Para este análisis, conviene pensar en términos de motocicleta, donde el tubo de escape apunta hacia la corriente de aire de refrigeración y el cigüeñal suele girar en el mismo eje y dirección que las ruedas, es decir, hacia adelante. Algunas de las consideraciones aquí expuestas se aplican a los motores de cuatro tiempos (que no pueden invertir su sentido de giro sin modificaciones considerables), casi todos los cuales también giran hacia adelante. Asimismo, es útil señalar que las caras «delantera» y «trasera» del pistón son , respectivamente , los lados del puerto de escape y del puerto de admisión, y no tienen relación con la parte superior o inferior del pistón.  

Los motores de gasolina de dos tiempos convencionales pueden funcionar en reversa durante cortos periodos y con poca carga sin mayores problemas, lo que se ha utilizado para proporcionar marcha atrás en microcoches , como el Messerschmitt KR200 , que carecían de marcha atrás. En vehículos con arranque eléctrico, el motor se apaga y se vuelve a arrancar en reversa girando la llave en sentido contrario. Los carritos de golf de dos tiempos han utilizado un sistema similar. Los magnetos de volante tradicionales (que utilizan contactos de ruptor, pero sin bobina externa) funcionaban igual de bien en reversa porque la leva que controla los contactos es simétrica, rompiendo el contacto antes del punto muerto superior con la misma eficacia tanto en marcha adelante como en reversa. Los motores de válvulas de láminas funcionan en reversa tan bien como los de lumbreras controladas por pistones, aunque los motores de válvulas rotativas tienen una sincronización de admisión asimétrica y no funcionan muy bien.

Existen serias desventajas al hacer funcionar muchos motores en sentido inverso bajo carga durante un tiempo prolongado, y algunas de estas razones son generales y se aplican por igual a los motores de dos y cuatro tiempos. Esta desventaja se acepta en la mayoría de los casos donde el costo, el peso y el tamaño son consideraciones importantes. El problema surge porque, al funcionar en sentido horario, la principal superficie de empuje del pistón se encuentra en la cara posterior del cilindro, que, en un motor de dos tiempos en particular, es la parte más fría y mejor lubricada. La cara frontal del pistón en un motor de cuatro tiempos es menos adecuada para ser la principal superficie de empuje, ya que cubre y descubre el puerto de escape en el cilindro, la parte más caliente del motor, donde la lubricación del pistón es mínima. La cara frontal del pistón también es más vulnerable, ya que el puerto de escape, el más grande del motor, se encuentra en la pared frontal del cilindro. Las faldas del pistón y los anillos corren el riesgo de extruirse hacia este puerto, por lo que siempre es mejor que presionen con mayor fuerza sobre la pared opuesta (donde solo se encuentran los puertos de transferencia en un motor de flujo cruzado) y el soporte es bueno. En algunos motores, el extremo pequeño está desplazado para reducir el empuje en la dirección de rotación prevista, y la cara frontal del pistón se ha hecho más delgada y ligera para compensar, pero al girar hacia atrás, esta cara frontal más débil sufre un mayor esfuerzo mecánico para el que no fue diseñada. ^{[ 15 ]} Esto se puede evitar mediante el uso de crucetas y también mediante el uso de cojinetes de empuje para aislar el motor de las cargas axiales.

Los grandes motores diésel de dos tiempos para barcos a veces se diseñan para ser reversibles. Al igual que los motores de cuatro tiempos para barcos (algunos de los cuales también son reversibles), utilizan válvulas de accionamiento mecánico, por lo que requieren mecanismos de árbol de levas adicionales. Estos motores emplean crucetas para eliminar el empuje lateral sobre el pistón y aislar el espacio bajo el pistón del cárter.

Además de otras consideraciones, la bomba de aceite de un motor de dos tiempos moderno puede no funcionar en reversa, en cuyo caso el motor sufre falta de lubricación en poco tiempo. Hacer girar un motor de motocicleta en reversa es relativamente fácil de provocar y, en raras ocasiones, puede desencadenarse por una explosión en el escape. No es recomendable.

Los motores para aeromodelos con válvulas de láminas se pueden montar tanto en configuración tractora como propulsora sin necesidad de cambiar la hélice. Estos motores son de encendido por compresión, por lo que no presentan problemas de sincronización del encendido y apenas se aprecian diferencias entre girar hacia adelante y hacia atrás.

• Frank Jardine (Alcoa): "Expansión térmica en el diseño de motores de automóviles", documento SAE 300010
• GP Blair et al. (Universidad de Belfast), R Fleck (Mercury Marine), "Predicción de las características de rendimiento de motores de dos tiempos equipados con válvulas de admisión de láminas", documento SAE 790842
• G Bickle et al. (ICT Co), R Domesle et al. (Degussa AG): "Control de emisiones de motores de dos tiempos", Automotive Engineering International (SAE) Feb 2000:27-32.
• BOSCH, "Manual de Automoción", 2005, Sección: Mecánica de Fluidos, Tabla 'Descarga de Depósitos a Alta Presión'.

• Contenido multimedia relacionado con los motores de dos tiempos en Wikimedia Commons.
• Motor de dos tiempos en How Stuff Works
• Sherman, Don (17 de diciembre de 2009), "Un renacimiento de los motores de dos tiempos, sin la neblina azul" , The New York Times.