Motor de bulbo caliente

El motor de bulbo caliente , también conocido como semidiésel ^{[ 1 ]} o motor Akroyd , es un tipo de motor de combustión interna en el que el combustible se enciende al entrar en contacto con una superficie metálica al rojo vivo dentro de un bulbo, seguido de la introducción de aire (oxígeno) comprimido en la cámara del bulbo caliente por el pistón ascendente . Se produce cierta ignición al introducir el combustible, pero este consume rápidamente el oxígeno disponible en el bulbo. La ignición vigorosa solo se produce cuando se suministra suficiente oxígeno a la cámara del bulbo caliente durante la carrera de compresión del motor.

La mayoría de los motores de bulbo caliente se producían como unidades de uno o dos cilindros, de dos tiempos y baja velocidad , con barrido por el cárter . ^{[ 1 ]}

El motor de bulbo caliente comparte su diseño básico con casi todos los demás motores de combustión interna, ya que tiene un pistón dentro de un cilindro conectado a un volante mediante una biela y un cigüeñal . El motor original de Akroyd-Stuart funcionaba con el ciclo de cuatro tiempos (admisión, compresión, expansión y escape), y Hornsby continuó fabricando motores con este diseño, al igual que otros fabricantes británicos como Blackstone y Crossley . Los fabricantes de Europa , Escandinavia y Estados Unidos (y algunas empresas británicas como Petter , Gardner y Allen ) construyeron motores que funcionaban con el ciclo de dos tiempos con barrido del cárter. Este último tipo constituyó la mayor parte de la producción de motores de bulbo caliente. El flujo de gases a través del motor se controla mediante válvulas en los motores de cuatro tiempos, y mediante la apertura y cierre de orificios en la pared del cilindro por el pistón en los motores de dos tiempos.

En el motor de bulbo caliente, la combustión tiene lugar en una cámara de combustión separada llamada vaporizador (también llamado bulbo caliente ), generalmente montada en la culata, donde se inyecta el combustible. Está conectada al cilindro por un conducto estrecho y se calienta con los gases de combustión durante el funcionamiento; para el arranque se utiliza una llama externa, como un soplete o una mecha de combustión lenta; en modelos posteriores, a veces se utilizaba calefacción eléctrica o pirotecnia . Otro método consistía en la inclusión de una bujía y un encendido por bobina vibratoria; el motor arrancaba con gasolina y, una vez alcanzado el punto de funcionamiento, cambiaba a aceite.

El tiempo de precalentamiento depende del diseño del motor, del tipo de calefacción utilizada y de la temperatura ambiente, pero para la mayoría de los motores en climas templados suele oscilar entre 2 y 5 minutos, pudiendo llegar a media hora si se trabaja en condiciones de frío extremo o si el motor es especialmente grande. A continuación, se arranca el motor, normalmente a mano, aunque a veces se utiliza aire comprimido o un motor eléctrico.

Una vez que el motor está en marcha, el calor de la compresión y la ignición mantiene el bulbo caliente a la temperatura necesaria, y se puede retirar el soplete u otra fuente de calor. A partir de entonces, el motor no requiere calor externo y solo necesita un suministro de aire, gasóleo y aceite lubricante para funcionar. Sin embargo, a baja potencia, el bulbo podría enfriarse demasiado. Si la carga del motor es baja, las temperaturas de combustión podrían no ser suficientes para mantener la temperatura del bulbo caliente. Muchos motores de bulbo caliente no pueden funcionar sin carga sin calefacción auxiliar por este motivo. Algunos motores tenían una válvula de mariposa en sus tomas de aire para reducir el suministro de exceso de aire frío cuando funcionaban con poca carga o a baja velocidad, y otros tenían boquillas de pulverización de combustible ajustables que podían dirigir un potente chorro de gasóleo al núcleo del bulbo caliente, donde las temperaturas serían más altas, en lugar del habitual chorro amplio de combustible atomizado, para mantener la autocombustión durante un funcionamiento prolongado a baja carga o al ralentí. Del mismo modo, a medida que aumenta la carga del motor, también aumenta la temperatura del bulbo. Esto provoca que el inicio de la combustión se adelante (ocurriendo antes en el ciclo), lo que reduce la potencia y la eficiencia. Si se permite que la combustión se adelante demasiado, puede producirse una preignición dañina . Este era un factor limitante en la potencia de salida de los motores de bulbo caliente y, para sortear esta limitación, algunos motores de bulbo caliente incorporan un sistema mediante el cual se gotea agua en la entrada de aire para reducir la temperatura de la carga de aire y contrarrestar la preignición, lo que permite obtener mayores potencias de salida. ^{[ 6 ]}

El hecho de que el motor pueda dejarse sin supervisión durante largos períodos mientras está en funcionamiento hizo que los motores de bulbo caliente fueran una opción popular para aplicaciones que requieren una salida de potencia constante, como tractores agrícolas, generadores , bombas y propulsión de barcos de canal .

En el momento de su invención, el motor de bulbo caliente destacaba por su eficiencia, simplicidad y facilidad de operación en comparación con la máquina de vapor , que entonces era la principal fuente de energía en la industria. Las máquinas de vapor sin condensador alcanzaban una eficiencia térmica promedio (la fracción del calor generado que se transforma en trabajo útil) de alrededor del 6 %. ^{[ 9 ]} Los motores de bulbo caliente podían alcanzar fácilmente una eficiencia térmica del 12 %.

Desde la década de 1910 hasta la de 1950, los motores de bulbo caliente eran más económicos de fabricar gracias a su inyección de combustible crudo a baja presión y tenían una relación de compresión menor que los motores de encendido por compresión de Diesel.

La máquina de bulbo caliente es mucho más sencilla de construir y operar que la máquina de vapor. Las calderas requieren al menos una persona para añadir agua y combustible según sea necesario y para controlar la presión y evitar la sobrepresión y la consiguiente explosión. Si se equipa con sistemas de lubricación automática y un regulador para controlar la velocidad del motor, una máquina de bulbo caliente podría funcionar sin supervisión durante horas.

Otro atractivo era su seguridad. Una máquina de vapor, con su fuego expuesto, caldera caliente, tuberías de vapor y cilindro de trabajo, no podía utilizarse en ambientes inflamables, como fábricas de municiones o refinerías de combustible. Los motores de bulbo caliente también producían gases de escape más limpios. Un gran peligro de la máquina de vapor era que, si la presión de la caldera aumentaba demasiado y la válvula de seguridad fallaba, podía producirse una explosión muy peligrosa, aunque esto era relativamente raro cuando se inventó el motor de bulbo caliente. Un problema más común era que, si el nivel de agua en la caldera de una máquina de vapor bajaba demasiado, el tapón de plomo en la parte superior del horno se fundía, extinguiendo el fuego. Si un motor de bulbo caliente se quedaba sin combustible, simplemente se detenía y podía reiniciarse inmediatamente con más combustible. La refrigeración por agua solía ser de circuito cerrado, por lo que no se producía pérdida de agua a menos que hubiera una fuga. Si el agua de refrigeración bajaba, el motor se gripaba por sobrecalentamiento  , un problema grave, pero sin peligro de explosión. Algunos motores, incluidos los utilizados en los tractores Lanz Bulldog , tenían un tapón fusible instalado en el bulbo caliente. Si el motor se sobrecalentaba, la bujía se derretía, impidiendo la compresión y la combustión y deteniendo el motor antes de que se produjeran daños mayores; una característica especialmente deseable en motores que debían funcionar sin supervisión.

En comparación con los motores de vapor, gasolina (ciclo Otto) y encendido por compresión (ciclo Diesel), los motores de bulbo caliente son más sencillos y, por lo tanto, presentan menos problemas potenciales. Carecen del sistema eléctrico propio de un motor de gasolina y del sistema de vapor y caldera externos de un motor de vapor.

El motor de bulbo caliente puede funcionar con una amplia gama de combustibles, debido a su mecanismo de combustión. A diferencia de los motores que operan según el principio Otto o Diesel, los motores de bulbo caliente se basan en la vaporización del combustible y la ignición por bulbo caliente, en lugar de la ignición por compresión. Esto significa que incluso combustibles de baja combustión pueden utilizarse en el motor de bulbo caliente. ^{[ 10 ]}

Debido al prolongado tiempo de precalentamiento, los motores de bulbo caliente solían arrancar con facilidad, incluso en condiciones de frío extremo. Esto los convirtió en una opción popular en regiones frías, como Canadá y Escandinavia , donde las máquinas de vapor no eran viables y los primeros motores de gasolina y diésel no eran fiables. Sin embargo, esto también los hace inadecuados para un uso de corta duración, especialmente en un automóvil.

La fiabilidad de los motores de bulbo caliente, su capacidad para funcionar con diversos combustibles y el hecho de que pudieran permanecer en funcionamiento durante horas o días seguidos los hicieron extremadamente populares entre los usuarios agrícolas, forestales y marítimos, donde se utilizaban para el bombeo y para accionar maquinaria de molienda, aserrado y trilla. Los motores de bulbo caliente también se utilizaban en apisonadoras y tractores .

JV Svenssons Motorfabrik , en Augustendal, Estocolmo , Suecia , utilizó motores de bulbo caliente en su arado motorizado Typ 1 , producido entre 1912 y 1925. Munktells Mekaniska Verkstads AB , en Eskilstuna , Suecia , produjo tractores agrícolas con motores de bulbo caliente a partir de 1913. Heinrich Lanz AG , en Mannheim , Alemania , comenzó a utilizar motores de bulbo caliente en 1921, en el tractor Lanz HL . Otros fabricantes de tractores conocidos que utilizaron motores de bulbo fueron Bubba , Gambino , Landini y Orsi en Italia , HSCS en Hungría , SFV en Francia y Ursus en Polonia (que produjo el Ursus C-45 , una copia directa del Lanz Bulldog D 9506 de 1934 , después de la Segunda Guerra Mundial).

A principios del siglo XX, existían varios cientos de fabricantes europeos de motores de bulbo caliente para uso marino. Solo en Suecia había más de 70 fabricantes, de los cuales Bolinder era el más conocido; en la década de 1920, controlaban aproximadamente el 80% del mercado mundial. El Sabb noruego era un motor de bulbo caliente muy popular para pequeñas embarcaciones de pesca, y muchos de ellos todavía están en funcionamiento. La fábrica Wichmann, con sede en Rubbestadneset, producía motores de bulbo incandescente de 2 tiempos y 4 cilindros, que eran populares en los numerosos servicios de transbordadores de los fiordos noruegos occidentales. Estos motores estaban conectados a un sistema de hélice de paso variable y simplemente añadían combustible a RPM casi constantes para aumentar la potencia. Estos motores se calentaban mediante antorchas conectadas a cilindros de aire comprimido, evitando así el funcionamiento de la antorcha. El aire comprimido, de unos 12-14 kg/cm³, se obtenía desviando parte de los gases de combustión cerca de la parte superior del pistón. Estos motores se arrancaban aplicando aire comprimido a dos de los 4 cilindros. En Estados Unidos, Standard, Weber, Reid, Stickney, Oil City y Fairbanks Morse fabricaron motores de bulbo caliente.

Una limitación del diseño del motor era que solo podía funcionar en un rango de velocidad bastante estrecho (y bajo), típicamente de 50 a 300 rpm . Esto dificultaba la adaptación del motor de bulbo caliente a usos automotrices, salvo en vehículos como tractores, donde la velocidad no era un requisito fundamental. Esta limitación tenía poca importancia para aplicaciones estacionarias, donde el motor de bulbo caliente era muy popular. 

Debido al prolongado tiempo de precalentamiento, los motores de bulbo caliente solo eran populares entre los usuarios que necesitaban hacer funcionar los motores durante largos periodos, donde el proceso de precalentamiento representaba solo un pequeño porcentaje del tiempo total de funcionamiento. Esto incluía el uso marítimo  , especialmente en barcos de pesca  , y las tareas de bombeo o drenaje.

El motor de bulbo caliente se inventó al mismo tiempo que se perfeccionaban las dinamos y los sistemas de iluminación eléctrica , y la generación de electricidad fue uno de sus principales usos. Este motor podía alcanzar una velocidad de rotación mayor que una máquina de vapor de pistón estándar, aunque durante la década de 1890 se desarrollaron máquinas de vapor de alta velocidad. Sus bajos requisitos de combustible y mantenimiento, incluyendo la posibilidad de ser operado y mantenido por una sola persona, lo hacían ideal para la generación de energía a pequeña escala. Se instalaron grupos electrógenos impulsados ​​por motores de bulbo caliente en numerosas casas grandes de Europa , especialmente en zonas rurales, así como en fábricas, teatros, faros , estaciones de radio y muchos otros lugares donde no se disponía de una red eléctrica centralizada. Normalmente, la dinamo o el alternador se accionaban mediante una correa plana conectada al volante del motor, lo que permitía la transmisión necesaria para que el generador girara a mayor velocidad que el motor. Empresas como Armstrong Whitworth y Boulton Paul fabricaron y suministraron grupos electrógenos completos, tanto el motor como el generador, desde principios del siglo XX hasta finales de la década de 1920, cuando la formación de sistemas de redes eléctricas nacionales en todo el mundo y la sustitución del motor de bulbo caliente por el motor diésel provocaron una caída de la demanda. 

Los motores también se utilizaban en zonas donde el riesgo de incendio de una máquina de vapor era inaceptable. Akroyd-Stuart desarrolló la primera locomotora del mundo impulsada por un motor de aceite de bulbo caliente, la Lachesis , para el Arsenal Real de Woolwich , donde el uso de locomotoras había sido imposible hasta entonces debido al riesgo. Los motores de bulbo caliente resultaron muy populares para motores industriales a principios del siglo XX, pero carecían de la potencia necesaria para su uso en máquinas de mayor tamaño.

A partir de 1910, el motor diésel experimentó una mejora drástica, ofreciendo mayor potencia con una eficiencia superior a la de los motores de bulbo caliente. Si se diseñan para maximizar la economía, los motores diésel pueden alcanzar una eficiencia superior al 50%, y ofrecían mayor potencia para un tamaño determinado gracias a su método de combustión más eficiente. Al no utilizar bulbo caliente, sino únicamente encendido por compresión, resultaban más fáciles de usar, ya que no requerían precalentamiento.

El motor de bulbo caliente tenía limitaciones en cuanto a velocidad y relación potencia-tamaño. Para fabricar un motor de bulbo caliente capaz de impulsar un barco o una locomotora, habría sido prohibitivamente grande y pesado. Los motores de bulbo caliente utilizados en los tractores Landini tenían una capacidad de hasta 20 litros para potencias relativamente bajas. La principal limitación de la potencia y la velocidad del motor de bulbo caliente era su método de combustión. En un motor diésel, la combustión se controla inyectando combustible en el aire comprimido; dado que no puede haber combustión hasta que se inyecta el combustible, el momento y la duración de la combustión se pueden controlar con precisión. En el motor de bulbo caliente, el combustible se inyectaba en el cilindro antes de que comenzara la compresión, y la combustión se iniciaba cuando la carga de aire entraba en contacto con el combustible vaporizado en el bulbo caliente durante la carrera de compresión. Esto significaba que la combustión era difícil de controlar con precisión. Partes de la carga de combustible en el bulbo caliente se encendían en diferentes momentos, a menudo antes de que el pistón hubiera completado la carrera de compresión. Esto es idéntico a la preignición en un motor de encendido por chispa convencional, y produce fuerzas desiguales y altas tensiones térmicas y físicas en las partes internas del motor, especialmente en el pistón. En el motor de bulbo caliente, este problema solo se podía superar manteniendo bajas las velocidades generales del motor, una pequeña cantidad de combustible inyectado en cada ciclo y componentes del motor de construcción muy robusta. Esto dio como resultado un motor muy duradero, pero también grande y pesado, que producía una potencia relativamente baja. Ideas como la inyección de agua (para reducir la preignición) y el motor de tubo caliente (que permitía modificar el volumen del vaporizador con la velocidad del motor, cambiando así la relación de compresión general) añadieron complejidad y coste, y aún así no podían proporcionar relaciones potencia-peso comparables a las del motor diésel , que se desarrollaba rápidamente .

Resulta difícil lograr una combustión uniforme en los múltiples bulbos calientes de los motores multicilíndricos. La baja relación de compresión de estos motores, en comparación con los motores diésel, limitaba su eficiencia, potencia y velocidad. La mayoría de los motores de bulbo caliente podían funcionar a una velocidad máxima de alrededor de 100  rpm, mientras que en la década de 1930 se empezaron a fabricar motores diésel de alta velocidad capaces de alcanzar las 2000  rpm. Además, debido al diseño de los bulbos calientes y a las limitaciones de la tecnología actual en lo que respecta al sistema de inyección, la mayoría de estos motores eran de una sola velocidad, funcionando a una velocidad fija o en un rango de velocidad muy estrecho. Los motores diésel pueden diseñarse para operar en un rango de velocidad mucho más amplio, lo que los hace más versátiles. Esto convirtió a estos motores diésel de tamaño mediano en una opción muy popular para su uso en grupos electrógenos, reemplazando al motor de bulbo caliente como motor preferido para la generación de energía a pequeña escala.

El desarrollo de motores diésel de baja cilindrada y alta velocidad en las décadas de 1930 y 1940 provocó que los motores de bulbo caliente cayeran drásticamente en desuso. El último fabricante a gran escala de motores de bulbo caliente dejó de producirlos en la década de 1950 y actualmente están prácticamente extintos en uso comercial, excepto en zonas muy remotas del mundo en desarrollo. Una excepción a esto es su uso marítimo; los motores de bulbo caliente se instalaron ampliamente en barcazas y barcos estrechos de navegación interior en Europa. Los dos primeros barcos estrechos a motor autopropulsados ​​del Reino Unido —el Bournville I y el Bournville II de Cadbury en 1911 ^{[ 11 ]} — estaban propulsados ​​por motores de bulbo caliente monocilíndricos Bolinder de 15 caballos de fuerza ^{[ 11 ]} , y este tipo se popularizó entre las décadas de 1920 y 1950. Dado que los motores de bulbo caliente suelen ser duraderos e ideales para este uso, no es raro encontrar embarcaciones que aún conservan sus motores de bulbo caliente originales.  

Aunque existe la creencia errónea de que los motores de bujía incandescente para maquetas son una variante de los motores de bombilla caliente, esto no es cierto. Los motores de bujía incandescente para maquetas son motores de encendido catalítico. Aprovechan una reacción entre el platino de la bobina de la bujía incandescente y el vapor de metanol, mediante la cual, a ciertas temperaturas y presiones, el platino brilla al entrar en contacto con el vapor.

Los motores de bulbo caliente fueron fabricados por numerosos fabricantes, generalmente en series modestas. Estos motores eran de baja velocidad (300-400  rpm) y en su mayoría tenían piezas de hierro fundido, incluidos los pistones. La bomba de combustible solía tener una carcasa de latón y un émbolo de acero, con una carrera variable. Esto daba como resultado un motor sencillo, robusto y pesado.

Por lo tanto, podían ser mecanizados en un taller mecánico promedio sin herramientas especiales. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Incluso pequeñas herrerías , astilleros , ferreterías y talleres mecánicos con herramientas y habilidades tradicionales podían fabricar motores de bulbo caliente. Estos podían completarse a partir de piezas fundidas sin terminar compradas, hechas a partir de planos proporcionados , una copia con licencia (o a menudo sin licencia) de un motor fabricado en fábrica, una variante propia de un taller o de un particular sobre un diseño de referencia, a menudo mezclando características de varios fabricantes diferentes o una variante completamente original del diseño básico de bulbo caliente.

Si bien los motores de encendido por chispa y los diésel casi siempre debían adquirirse de fabricantes especializados, el motor de bulbo caliente era lo suficientemente simple y económico como para que astilleros, fabricantes de implementos agrícolas, mecánicos de molinos y empresas similares pudieran diseñar, construir e instalar sus propios motores en sus respectivos productos. Esto era especialmente cierto en regiones del mundo donde transportar un motor desde un fabricante especializado a través de largas distancias o terrenos difíciles resultaba poco práctico y costoso, y solo se requería un motor relativamente simple y de baja potencia.

Esto dio lugar a una gran cantidad de fabricantes de motores de diseño propio, pocos de los cuales construían motores con un diseño estándar reconocible o en producción en serie, y en cantidades muy reducidas. Otros talleres locales fabricaban diseños de diseño propio, ya fuera con licencia, clonados o inspirados en diversos fabricantes establecidos, según las necesidades de cada cliente.

La fábrica de motores Pythagoras en Norrtälje, Suecia, se conserva como museo (el Museo del Taller Mecánico Pythagoras ) y cuenta con una línea de producción en funcionamiento y un extenso archivo de la fábrica.

• Motor de petróleo crudo
• Motor Hesselman
• Inyección de combustible
• Inyección directa de gasolina
• Prosper L'Orange

• Patente estadounidense n.º 845140 , Motor de combustión, con fecha del 26 de febrero de 1907.
• Patente estadounidense 502837: Motor accionado por la explosión de mezclas de gas o vapor de hidrocarburo y aire, con fecha del 8 de agosto de 1893.
• Patente estadounidense 439702 , Motor de Petróleo, con fecha del 4 de noviembre de 1890.

• El Club de Motores Estacionarios de Suecia
• Un vídeo sobre la historia del motor diésel, que también incluye una demostración e ilustración del ciclo de funcionamiento del motor de bulbo caliente.
• Un artículo de la revista Gas Engine Magazine sobre los motores de bulbo caliente de Mietz & Weiss.
• Motores semidiésel de fabricación noruega; la producción del último motor semidiésel Sabb finalizó en 1969.
• Museo de motores estacionarios de bulbo caliente y petróleo crudo