Motor Diésel 2 Tiempos, Caracteristicas, Usos, Tecnología

El motor Diésel 2 Tiempos combina perfectamente las bondades de un motor dos tiempos, con la tecnología Diésel, dando como resultado un motor con un diseño muy sencillo y práctico, y a la vez con una potencia envidiable.

Por lo general, son de revolución lenta, de gran tamaño, y capaces de transmitir un par bastante alto, con un gran rendimiento. Y aunque es una tecnología que se ha usado por décadas, todavía tiene un amplio campo de aplicación en el movimiento de grandes barcos y buques.

Incluso, también se ha usado en el sector ferroviario, y tuvo una ligera aplicación en la aeronáutica.

Motor Diésel 2 Tiempos
Motor Diésel 2 Tiempos

La Tecnología del Motor 2 Tiempos

Un motor de dos tiempos tiene pistones que se mueven en cilindros. Cada carrera corresponde a un movimiento del pistón en cada uno de los cilindros.

El primer paso es la compresión y combustión de la mezcla aire-combustible. El segundo paso es la expulsión de los gases producidos por la combustión y la admisión de la mezcla aire-combustible. Fue el ingeniero inglés Dugald Clerk quien inventó el motor de dos tiempos.

El ciclo de dos tiempos de un motor de combustión interna cambia del ciclo más común de cuatro tiempos, al tener solo dos movimientos lineales del pistón en lugar de cuatro, aunque las mismas cuatro operaciones:

  • Admisión.
  • Compresión.
  • Combustión.
  • Escape.

Con el ciclo de 2 tiempos, tenemos un ciclo de motor por revolución, en lugar de dos vueltas por ciclo para el motor de cuatro tiempos.

En primer lugar, el pistón está en el punto muerto superior. Se crea la explosión y el pistón baja, comprimiendo al mismo tiempo la mezcla presente en el cárter, debajo del pistón.

Esta es la parte motriz del ciclo, el resto del recorrido se debe a la inercia creada por este movimiento. Durante este descenso del pistón se cierra la entrada de la mezcla en el cárter.

Llegado cerca del punto muerto inferior, el pistón abre los puertos de escape y los puertos de entrada de mezcla en el cilindro: la mezcla que ingresa al cilindro expulsa el gas de la explosión. Esta es la etapa de admisión - escape.

Subiendo nuevamente, el pistón comprime la mezcla en el cilindro. De paso, obstruye el escape y la entrada de mezcla en el cilindro, al tiempo que crea un vacío en el cárter que permitirá la llegada de la mezcla aire-combustible a través de la válvula cuya entrada fue liberada por la posición del pistón cerca del punto muerto superior. Este paso es el de la compresión.

Una vez más en el punto muerto superior, el ciclo comienza de nuevo desde el primer punto.

Características de un Motor 2 Tiempos

  • Los motores con esta tecnología, son relativamente más ligeros, compuestos por un número especialmente reducido de piezas.
  • Estos motores ocupan poco espacio.
  • Su potencia específica cercana a 1,5 veces la de un motor de 4 tiempos con el mismo consumo de combustible, es una gran ventaja.
  • Bajo consumo de combustible en relación al de 4 tiempos.
  • Por lo general, su lubricación es por mezcla con el mismo combustible, resultando en emisión de humo.
  • Es más ruidoso.
  • Es un motor particularmente práctico, que se desgasta rápidamente, pero que se repara fácilmente.
  • La mayoría de los motores de dos tiempos están refrigerados por aire, lo que explica la cantidad y el volumen que ocupan las aletas de refrigeración para la disipación del calor.
  • El motor de dos tiempos debe tener una perfecta estanqueidad a nivel del cárter.

Mejoras realizadas en los principios básicos del Motor 2 Tiempos

  • Se han agregado al diseño, válvulas de admisión, para aumentar el tiempo de admisión en el cárter sin riesgo de retorno.
  • La Inyección directa, muy común en los motores actuales de 4 tiempos, también se ha aplicado para mejorar la eficiencia de la combustión.
  • Se han diseñado motores con altura variable del puerto de escape según las RPM generadas, esto para aumentar el tiempo de escape solo a altas velocidades del motor.
  • En algunas aplicaciones de estos motores, se ha usado un segundo cilindro para asegurar la pre-compresión.
  • También se ha usado el encendido de avance variable que permite el máximo rendimiento a diferentes velocidades
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Un estudio de varios años ha permitido lubricar un motor de dos tiempos como uno de cuatro, inyectar la mezcla aire-combustible (y ya no aire-combustible-aceite) a una presión particularmente alta y solo cuando el escape está cerrado.

Esto hace que el motor de dos tiempos de este tipo sea más potente, más económico y más ecológico que los motores de cuatro tiempos actuales.

Motor Diésel 2 Tiempos
Ciclo del Motor de 2 Tiempos

El Uso de los Motores 2 Tiempos

Este tipo de motor se usa especialmente entre generadores más pequeños y más grandes, pero no se usa en los de tamaño mediano.

Para motores más pequeños, tienen la ventaja de un peso reducido y funcionarán en todas las direcciones cuando no haya un tanque de aceite dividido. Estos motores pequeños de dos tiempos, por lo general usan gasolina como combustible.

Estos motores son usados en motos, y herramientas motorizadas para el trabajo como desmalezadoras, motosierras, hidrolavadoras, etc.

Para motores más grandes, tienen la ventaja de su gran potencia, excelente rendimiento y facilidad de mantenimiento. En estos casos, es muy común el uso de Diésel como elemento carburante.

Un ejemplo claro de motores diésel de dos tiempos, son los motores de pistones planos de baja velocidad, como los instalados en barcos o locomotoras. Algunos de estos motores diésel obtienen aire presurizado a través de un ventilador o un turbocompresor independiente del árbol de levas.

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La Tecnología del Motor Diésel

El motor diésel está ganando popularidad nuevamente, sobre todo por las mejoras ecológicas que han mostrado a través del desarrollo de su tecnología. Sin embargo, el motor diésel de 2 tiempos, siempre ha estado allí, y no se ha dejado de usar en sus aplicaciones.

El combustible diésel es un primo de sensación aceitosa del queroseno, el aceite para calefacción del hogar y el combustible para aviones. A pesar de que el combustible parece menos refinado o menos sofisticado que la gasolina, el diésel contiene aproximadamente un 10% más de BTU por galón que la gasolina.

El motor diésel de construcción robusta comprime el aire a una vigésima parte de su volumen original, luego se inyecta un rastro de combustible diésel en el cilindro y se quema espontáneamente sin necesidad de una bujía.

En comparación, el motor de gasolina comprime una mezcla de combustible y aire a aproximadamente una décima parte de su volumen original y luego una bujía lo enciende.

El motor maneja así un par bastante alto, generando una gran potencia con la misma cilindrada y ofreciendo un funcionamiento muy sencillo. Los motores diésel son comúnmente usados en aplicaciones donde se necesite potencia por encima de la velocidad.

Vehículos de carga, maquinaria pesada, aplicaciones industriales, y en nuestro caso, los motores diésel de dos tiempos, se usan en la industria naviera y la de ferrocarriles.

Todos los motores diésel son más resistentes, construidos para resistir las relaciones de compresión más altas y las cámaras de combustión más altas. El sistema de inyección de combustible también es más sofisticado y funciona bajo presiones más altas.

La mayoría de los motores diésel de segunda generación vendida en la actualidad utilizan una tecnología de riel de combustible común que trabaja a 15.000 psi o 1.000 bares.

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Tecnología de Inyección de Combustible en los Motores Diésel

Una característica objetable del diésel era la necesidad de una inyección de aire de alta presión.

No solo se requería energía para impulsar el compresor de aire, sino también eliminar un efecto de refrigeración que retardaba el encendido cuando el aire comprimido, típicamente a 6,9 Mpa (1.000 PSI), se expandía repentinamente hacia el cilindro, que estaba a una presión de aproximadamente 3,4 a 4 Mpa (493 a 580 PSI).

El diésel necesitaba aire a alta presión para introducir carbón en polvo en el cilindro, cuando el petróleo líquido reemplazó al carbón en polvo como combustible, se aprovechó que la bomba ocupara el lugar del compresor de aire de alta presión.

Había varias formas en las que se podía utilizar una bomba. En Inglaterra, la Compañía Vickers utilizó lo que se llamó método common-rail, en el que una batería de bombas mantenía el combustible a presión en una tubería que recorría la longitud del motor con cables hacia cada cilindro.

Desde esta línea de suministro de combustible de riel (o tubería), una serie de válvulas de inyección admitían la carga de combustible a cada cilindro en el punto correcto de su ciclo.

Otro método empleaba bombas de tirón accionadas por leva, o de tipo émbolo, para suministrar combustible a una presión momentáneamente alta a la válvula de inyección de cada cilindro en el momento adecuado.

La eliminación del compresor de aire de inyección fue un paso en la dirección correcta, pero aún quedaba otro problema por resolver: el escape contenía una cantidad excesiva de humo.

Los ingenieros finalmente se dieron cuenta de que el problema era que el aire de inyección a alta presión que explotaba en el cilindro del motor había difundido la carga de combustible de manera más eficiente de lo que podían hacer las boquillas de combustible mecánicas de sustitución.

Esto derivó en que, sin el compresor de aire, el combustible tenía que buscar los átomos de oxígeno para completar el proceso de combustión y, dado que el oxígeno constituye solo el 20 por ciento del aire, cada átomo de combustible tenía solo una posibilidad entre cinco de encontrar un átomo de oxígeno.

El resultado fue una combustión inadecuada del combustible.

El diseño habitual de una boquilla de inyección de combustible introducía el combustible en el cilindro en forma de spray de cono, con el vapor irradiando desde la boquilla, en lugar de en una corriente o chorro.

Se pudo hacer muy poco para difundir el combustible de manera más completa. La mezcla mejorada tenía que lograrse impartiendo movimiento adicional al aire, más comúnmente mediante remolinos de aire producidos por inducción o un movimiento radial del aire, llamado aplastar, o ambos, desde el borde exterior del pistón hacia el centro.

Se han empleado varios métodos para crear este remolino y aplastamiento. Los mejores resultados aparentemente se obtienen cuando el remolino de aire tiene una relación definida con la tasa de inyección de combustible.

La utilización eficiente del aire dentro del cilindro exige una velocidad de rotación que hace que el aire atrapado se mueva continuamente de una pulverización a la siguiente durante el período de inyección, sin hundimientos extremos entre ciclos.

Motor Diésel 2 Tiempos
Motor Diesel para Barco

Desarrollos y Aplicaciones del Motor Diésel 2 Tiempos

Muchos motores diésel de dos tiempos se compraron para la propulsión marina. Sin embargo, los motores diésel giraban normalmente más rápido de lo que era deseable para las hélices de los grandes barcos porque las altas velocidades de las enormes hélices tendían a crear áreas huecas dentro del agua alrededor de la hélice (cavitación), con la consiguiente pérdida de empuje.

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Sin embargo, el problema no existía con las hélices más pequeñas y los motores diésel resultaron especialmente adecuados para yates, en los que se desea la velocidad.

El problema se resolvió utilizando una instalación diésel-eléctrica en la que los motores estaban conectados a generadores de corriente continua que proporcionaban la electricidad para impulsar un motor eléctrico conectado a la hélice.

También había muchas instalaciones en las que el diésel se conectaba directamente o mediante engranajes a la hélice. Cuando se dispuso de motores diésel de dos tiempos con mayor potencia y velocidades de rotación más lentas, se instalaron en barcos de carga y pasajeros.

Los motores diésel en general, el de 2T y el de 4T, se convirtieron en la planta de energía predominante para equipos militares en tierra y en el mar durante la Segunda Guerra Mundial. Desde entonces, se ha adoptado para su uso en maquinaria de construcción pesada, tractores agrícolas de alta potencia y la mayoría de camiones y autobuses grandes.

También se han instalado motores diésel en hospitales, centrales telefónicos, aeropuertos y varias otras instalaciones para proporcionar energía de emergencia durante cortes de energía eléctrica.

Además, se han utilizado en automóviles, aunque a una escala limitada. Aunque los motores diésel proporcionan una mejor economía de combustible que los motores de gasolina, no funcionan tan bien como estos últimos y emiten niveles más altos de contaminantes, aunque esto último ha cambiado con las nuevas tecnologías.

Los motores diésel de hoy son todos de “diésel limpio”

Este es un término que la industria compuso para describir los automóviles diésel y los SUV con emisiones a la par de un automóvil con motor de gasolina.

Es una combinación de combustible diésel ultra bajo en azufre, motores diésel eficientes con medición precisa de combustible en los cilindros, filtros de partículas que atrapan el hollín y controles avanzados de emisiones que incluyen un chorro de limpieza final de urea en el flujo de escape.

Después de que el escape sale del colector de escape del motor, y antes de que salga del silenciador y el tubo de escape, se trata con una reducción catalítica selectiva  o proceso SCR que reduce los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, hidrocarburos y hollín.

La industria dice que el proceso SCR puede reducir los NOx hasta en un 90%, las emisiones de hidrocarburos y monóxido de carbono en un 50% a 90%, y el material particulado en un 30% a 50%.

Si es necesario, especialmente en vehículos comerciales más grandes, puede haber un filtro de partículas separado.

Los motores diésel también tienden a durar más debido a su construcción robusta y las propiedades lubricantes del combustible diésel, aunque todavía necesita aceite de motor.

La naturaleza de un motor diésel es que entrega su torque, o potencia para moverse, a bajas rpm. Si bien acumula más potencia por galón, el diésel se quema con menos facilidad, por lo que es más seguro.

En conclusión

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Quizá la mayor cualidad del motor de dos tiempos sea su superior relación potencia-peso. Y si a esto le agregas las ventajas de la tecnología Diésel, tenemos un gran motor, capaz de altos torques, robusto y muy rendidor.

Al disparar a cada revolución, suele producir más potencia para la misma cilindrada que un motor de cuatro tiempos y es mucho más ligero gracias a su simplicidad.

Además, la ausencia de un árbol de levas que girar y de válvulas que accionar significa que el motor de dos tiempos tiene menos pérdidas de eficiencia relacionadas con la fricción.

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