Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Motor diésel de dos tiempos

Motor diésel radial de dos tiempos Nordberg que se utilizaba anteriormente en una estación de bombeo en el lago Okeechobee. Un motor diésel de dos tiempos es un motor diésel que...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita
Motor diésel radial de dos tiempos Nordberg que se utilizaba anteriormente en una estación de bombeo en el lago Okeechobee.

Un motor diésel de dos tiempos es un motor diésel que utiliza la ignición 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 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 adicionales de escape y admisión del ciclo de cuatro tiempos .

Historia

Según el ingeniero que dibujó el diseño de Rudolf Diesel para uno de los primeros motores diésel operativos , 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 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 de 12 PS (9 kW; 12 hp) . [ 3 ] En febrero de 1900, este motor funcionó por primera vez por su propia fuerza. Sin embargo, con una potencia real de solo 6,95 PS (5 kW; 7 hp) y un alto consumo de combustible de 380 g·PS − 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 de pistón de simple efecto para uso marino, [ 6 ] el primer motor de pistón de doble efecto de MAN Nürnberg se fabricó en 1912 para una central eléctrica. [ 7 ] En colaboración con Blohm + Voss en Hamburgo , MAN Nürnberg construyó el primer motor de dos tiempos de pistón de doble efecto para uso marino en 1913/1914. [ 8 ] Paul Henry Schweitzer sostiene que el motor diésel de dos tiempos de pistón opuesto fue inventado originalmente por Hugo Junkers . [ 9 ] Durante la Primera Guerra Mundial, MAN Nürnberg construyó un motor diésel de dos tiempos de pistón de doble efecto de seis cilindros con una potencia nominal de 12 400 PS (9120 kW; 12 230 hp) . [ 6 ] MAN trasladó su departamento de motores diésel de dos tiempos de Núremberg a Augsburgo en 1919. [ 10 ]   

En 1939, varios tipos de motores diésel de dos tiempos se utilizaban ampliamente, y otros se estaban desarrollando para aplicaciones de alta potencia. [ 11 ]

De varios conceptos de motores diésel de dos tiempos para aeronaves, 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 hicieron que el motor de dos tiempos para aeronaves quedara obsoleto. [ 15 ] Aunque el Napier Culverin , una versión bajo licencia del Jumo 204 más grande , no se produjo en serie, el posterior Napier Deltic incorporó una disposición triangular rediseñada con tres cilindros por bancada y se adoptó con éxito en aplicaciones de locomotoras y marinas, hasta bien entrada la posguerra. [ 16 ]

Desde 1923 hasta 1982, MAN utilizó el barrido de flujo inverso para sus motores marinos de dos tiempos. A partir de 1945, se instaló una válvula deslizante para el efecto de inducción dinámica, y desde 1954, se empleó la sobrealimentación de flujo de gas constante con intercooler. [ 17 ] La sobrealimentación se logró mediante la combinación de cuatro métodos: un compresor Roots accionado por el cigüeñal, un turbocompresor, la parte inferior de los pistones del motor y un compresor alimentado por un motor eléctrico. [ 18 ] La válvula deslizante para el efecto de inducción dinámica resultó 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 unidireccional, ya que este último, a pesar de ser más complejo, 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 la 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 diésel de cuatro tiempos contemporáneos . La primera aplicación móvil del motor diésel de dos tiempos se dio en los trenes aerodinámicos diésel de mediados de la década de 1930. El trabajo de desarrollo continuo dio como resultado motores diésel de dos tiempos mejorados para aplicaciones ferroviarias y marinas a finales 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, resurgió el interés por los motores diésel para aeronaves , [ 20 ] con ejemplos de dos tiempos como el Superior Air Parts Gemini Diesel 100 en desarrollo a partir de 2015.

Características

Motores diésel o de gasóleo

La característica principal del motor diésel es su sistema de encendido por compresión . Al comprimirse el aire, este se calienta. El combustible se inyecta en el aire caliente comprimido 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 . Además, no requiere carburador para mezclar el aire y el combustible antes de la inyección, ni bujía ni ningún otro sistema de encendido. Otra consecuencia es que, para controlar la velocidad y la potencia, 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 la biela unida a una cruceta.

En el ciclo de dos tiempos, las cuatro etapas del funcionamiento del motor de combustión interna (admisión, compresión, encendido y escape) se producen en una revolución completa de 360° del cigüeñal, mientras que en un motor de cuatro tiempos requieren dos revoluciones completas. Por consiguiente, 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. Dado que el cilindro de cuatro tiempos solo se enciende cada dos revoluciones, la potencia de salida del ciclo de dos tiempos es teóricamente el doble. Sin embargo, las pérdidas por barrido dificultan la consecución de esta ventaja en la práctica.

  • La admisión comienza cuando el pistón está cerca del punto muerto inferior (PMI). El aire se introduce en el cilindro a través de orificios en la pared del cilindro (no hay válvulas de admisión ). Todos los motores diésel de dos tiempos requieren aspiración artificial para funcionar y utilizan un compresor mecánico 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 asciende, la carga de aire de admisión se comprime. Cerca del punto muerto superior, se inyecta combustible, lo que provoca la combustión debido a la altísima presión y el calor generados por la compresión, que impulsan el pistón hacia abajo. A medida que el pistón desciende en el cilindro, alcanza un punto donde se abre la lumbrera 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 unidireccional . El movimiento descendente continuo del pistón expone las lumbreras de admisión de aire en la pared del cilindro, y el ciclo se repite.

motores 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 fijos 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 de los puertos de barrido sea asimétrica desplazando el cigüeñal. Los parámetros restantes ajustables tienen que ver con la sincronización de la válvula de escape y la inyección (estos dos parámetros no son necesariamente simétricos con respecto al PMS o, de hecho, al PMI), y se establecen para maximizar la salida de gases de combustión y la entrada de aire de admisión. 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 (dos válvulas en los motores más pequeños o cuatro 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 precede al PMS en 4° [356°], de modo que la inyección de combustible se completará en el PMS o muy poco después; el combustible se enciende tan rápido como se inyecta), después de la carrera de potencia se abren las válvulas de escape, reduciendo así en gran medida la presión y la temperatura de los gases de combustión y preparando el cilindro para el barrido, para una duración de la carrera de potencia de 103°.
  • El barrido comienza 32° más tarde, en el PMI–45° [135°], y termina en el PMI+45° [225°], para una duración de barrido de 90 grados; el retraso de 32° en la apertura de los puertos de barrido (que limita la longitud de la carrera de potencia) y el retraso de 16° después de que se cierran los puertos de barrido (iniciando así la carrera de compresión) maximizan la eficacia 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 el "aire de carga" (el barrido se puede realizar mediante compresores Roots, para la admisión de aire de carga ligeramente por encima de la temperatura ambiente, o mediante el turbocompresor patentado de EMD, que actúa como compresor durante el arranque y como turbocompresor en condiciones normales de funcionamiento, y para la admisión de aire de carga significativamente por encima de la temperatura ambiente, [ i ] y cuya turbocompresión proporciona un aumento de potencia nominal máxima del 50 por ciento con respecto a los motores con compresor Roots de la misma cilindrada).
  • 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 inyección electrónica de combustible (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, la unidad de control de la locomotora), en lugar del regulador Woodward PGE tradicional, o un regulador de motor equivalente, como ocurre con los inyectores unitarios convencionales.

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

  • 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).
  • Si bien todos los motores de dos tiempos de EMD y Detroit Diesel utilizan sobrealimentación, solo algunos motores EMD emplean un sistema turbocompresor. Algunos motores Detroit Diesel utilizan un turbocompresor convencional, en algunos casos con intercooler, seguido del compresor Roots habitual, ya que un sistema turbocompresor resultaría demasiado costoso para ciertas aplicaciones muy sensibles al precio y altamente competitivas.

Combustibles

Los combustibles utilizados en los motores diésel pueden estar compuestos de aceites de hidrocarburos más pesados ​​que la gasolina o el gasóleo utilizados en los motores de encendido por chispa, lo que los hace menos volátiles, con un punto de inflamación más alto y una mayor densidad energética . [ 21 ] Por lo tanto, son más fáciles y seguros de manipular y ocupan menos volumen para una cantidad dada de energía. Los motores diésel de dos tiempos suelen quemar grados de fuelóleo 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 argumenta que no existen estándares uniformes para dichos combustibles, razón por la cual tienen varios nombres coloquiales diferentes, incluyendo combustible intermedio marino , fuelóleo pesado , fuelóleo de búnker marino y fuelóleo de búnker C. [ 23 ] Los fuelóleos pesados ​​también se utilizaron en el motor diésel de dos tiempos para aeronaves Jumo 205. [ 15 ] [ 24 ] En la década de 1960, los aceites residuales se "elaboraban 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 acciona un generador Heemaf.

Notas

  1. ↑ La potencia de los motores de aspiración natural (incluidos los motores de dos tiempos con compresor Roots) suele reducirse un 2,5 % por cada 1000 pies (300 m) sobre el nivel medio del mar, una penalización tremenda a altitudes de 10 000 pies (3000 m) o superiores, en las que operan varios ferrocarriles del oeste de EE. UU. y Canadá, y esto puede suponer una pérdida de potencia del 25 %. La turboalimentación elimina eficazmente esta reducción de potencia.

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. 1 2 3 Mau (1984) pág. 16
  7. ↑ Mau (1984) pág. 9
  8. ↑ Mau (1984) pág. 10
  9. ↑ Paul Henry Schweitzer: Barrenaje de motores diésel de dos tiempos, Macmillan, Nueva York, 1949, pág. 8
  10. 1 2 Mau (1984) pág. 17
  11. ↑ Heldt, PM (1939), "Desarrollos recientes en Europa en motores diésel de alta velocidad", SAE Transactions , vol. 34, febrero de 1939, págs. 77-84.
  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. ^ 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, NY, EE. UU.: Doubleday, LCCN 64011306 , OCLC 802024 .  Republicado en 1990 con una nueva introducción de Peter Drucker ( ISBN 978-0385042352). págs.341-353
  20. ↑ McLanahan, J. Craig. “Motores diésel para aeronaves: una promesa postergada de la década de 1930”. SAE Transactions, vol. 108, 1999, pp. 1103–1112.
  21. ↑ Comparación de propiedades de combustibles , 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). Vistas en sección de aviones clásicos de la Segunda Guerra Mundial . 2.ª edición, Bounty Books, Londres, 2011. pp. 46-47.
  25. ↑ Virgil B. Guthrie (ed.) : Manual de productos derivados del petróleo , McGraw-Hill, Nueva York/Toronto/Londres, 1960, sección 6-25
  26. ↑ Virgil B. Guthrie (ed.) : Manual de productos petrolíferos , McGraw-Hill, Nueva York/Toronto/Londres, 1960, sección 6-26.
  27. ↑ MTU Inc, Motores Detroit Diesel de 2 tiempos , archivado del original el 1 de enero de 2018 , recuperado el 30 de diciembre de 2017 .

Bibliografía

  • Mau, Günter (1984), Handbuch Dieselmotoren im Kraftwerks- und Schiffsbetrieb , Springer-Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden 1984, ISBN 978-3-528-14889-8.
  • Sass, Friedrich (1962), Geschichte des deutschen Verbrennungsmotorenbaus von 1860 bis 1918 , Springer, Berlín/Heidelberg 1962, ISBN 978-3-662-11843-6.

Lecturas adicionales

  • Walshaw, TD (1953), Diseño de motores diésel (2.ª  ed.), Londres, Inglaterra: George Newnes Ltd, LCCN 54029678 .