Motores de explosión: ¿predominan los dos tiempos?

1989/03/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingeniaritza

La base física de los motores de explosión es el segundo principio de la termodinámica publicada por Carnot en 1824. Según este principio, la máquina térmica (por ejemplo, el motor de explosión) debe transportar calor desde la fuente caliente al frío para que funcione. Como consecuencia de ello, Jammes Watt fabricó una máquina de vapor en 1767 y Lenoir, motor de gas en 1859. Más tarde, Beau de Rochase pensó en mejorar el rendimiento del gas que iba a quemarse con una compresión previa. El alemán Otto culminó esta idea en el motor con pistón en 1877.

Desde 1900, los motores de pistón se han dividido en dos grandes grupos: motores de cuatro tiempos y dos tiempos. Hacia 1900 se descubrió un motor que sustituiría al motor de cuatro tiempos por el de dos veces. En este nuevo motor, además, no existían sistemas de distribución, ni válvulas, ni muelles, ni ejes de levas. El motor es más ligero, más pequeño y más fácil de fabricar.

Superpuesta la absorción y el vaciado, la fuerza motriz se recoge en cada semivida del cigüeñal en los motores de dos tiempos y en los de cuatro tiempos en dos vueltas sólo en medio.

En cuanto al rendimiento, el motor de dos tiempos tiene sus desventajas (de lo contrario los automóviles no tendrían motores de cuatro tiempos). Por un lado, cuando el pistón está abajo, los gases quemados no van por completo por la ventana de salida y se accede un poco a la ventana que viene la mezcla fría. A su vez, la mezcla fría tiende a salir directamente de la ventana de escape sin llenar el cilindro. Esto supone un aumento en el consumo del motor y una mayor contaminación de los gases emitidos.

Además, los motores de dos tiempos para la investigación termodinámica son más difíciles. Simular en condiciones turbulentas los gases quemados y la evolución de la mezcla fría de combustible es imposible en motores de dos tiempos.

Motor de 4 tiempos

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la primera vez que la válvula de entrada está abierta, el pistón desciende aspirando la mezcla de aire y gasolina al interior del cilindro. Cuando el pistón sube, la segunda vez, la válvula está cerrada y la mezcla se comprime. Cuando el pistón está arriba, sale una chispa en la bujía y la mezcla explota. Por la acción de Presia el pistón va bajando con fuerza (en la tercera vez el pistón solo trabaja en esta ocasión). Después, cuando el pistón sube (cuarta vez) la válvula de escape se abre y los gases quemados salen al exterior. Finalmente se cierra la válvula de escape, se abre la válvula de entrada y se repite el ciclo de cuatro tiempos. En el motor de dos tiempos, el cilindro carece de válvula. En la parte inferior tiene dos ventanas enfrentadas y cuando el pistón está arriba, su superficie cilíndrica cierra ambas ventanas. Bajo estas dos ventanas se encuentra la tercera conectada al carburador y se abre cuando el pistón está arriba. También hay un camino que une el cárter con una ventana superior. Cuando el pistón sube, las dos ventanas opuestas se cierran y la mezcla de combustible se comprime. Al mismo tiempo, bajo el pistón (cárter) se produce una depresión. Cuando el pistón está arriba, la ventana inferior queda abierta y se comunica con el cárter, que se llena inmediatamente de las mezclas de combustible. Todas estas operaciones se realizan de una sola vez. Con el pistón en la parte superior, la mezcla de la chispa de la bujía explota y el pistón sufre una fuerza hacia abajo. La superficie cilíndrica del pistón cierra la ventana de entrada y comprime la mezcla de combustible en el cárter. Cuando el pistón llega casi al fondo, las dos ventanas opuestas aparecen libres y mientras los gases quemados salen de un lado, por otro, se introduce una mezcla fría de combustible impulsada por la compresión del cárter. Una vez finalizada esta segunda etapa, el ciclo comienza de nuevo.

Pero el ingeniero australiano Ralph Sarich ha introducido muchas mejoras en el motor de dos tiempos. El señor Sarich es el inventado en 1973 de un motor de explosión especial. Tenía un pistón central girable pero no de tipo Wankel, sino que formaba una especie de órbita. Con el premio que ganó entonces formó una asociación de investigación de motores de explosión.

En primer lugar se comenzó a trabajar su motor “orbital”, investigando y desarrollando el sistema de inyección directa para mejorar su rendimiento. El sistema de inyección es neumático, similar al de los grandes motores diesel de los barcos. El aire comprimido se inyecta a la cámara de combustión rociando el combustible. Se trata, por tanto, de un sistema de dos fluidos que funciona como una pistola de pintura.

La inyección neumática desarrollada por el equipo de Sarich tenía dos objetivos: mejorar el rendimiento y reducir los gases contaminantes de salida.

Pero lo sorprendente es que el sistema obtenga los mejores rendimientos en motores de dos tiempos. Porque además de ganar potencia, reduce mucho el consumo. Por eso ahora todas las investigaciones se están llevando a cabo en motores de dos tiempos. El sistema del Sr. Sarich recoge todos los órganos necesarios en un colector de inyección: tuberías, dosificadores, alimentación, control electrónico, etc. En los primeros ensayos se utilizó un compresor de aire independiente, pero ahora la presión necesaria se toma directamente de la cámara de combustión gracias a seis orificios perfectamente calibrados.

La presión necesaria en la cámara de cocción no es elevada, sino de unos cinco bares. A esta baja presión es más fácil controlar el retraso de la inyección (necesario para mejorar el rendimiento) y se puede cargar la mezcla al arroyo “estratificado”. El remolino que se genera al llenar el cilindro se aprovecha para obtener capas de diferentes concentraciones de combustible (algo similar a los estratos geológicos). La capa más rica de combustibles es junto a la bujía y las capas más pobres son las más lejanas. Cuando se explota de esta manera, se mejora el rendimiento del motor, el consumo y la composición de los gases de salida.

La inyección gobernada por captador electrónico ha evitado que en motores de dos tiempos la mezcla fría salga de la escapada. Sin embargo, existen otros obstáculos como la falta de momento a baja velocidad de giro, el inestable “ralenti” y el alto consumo de lubricante.

Para mejorar el problema del momento, Sarich ha instalado ventanas de sección variable. Una válvula rotativa permite obtener la sección más adecuada en cada momento. En la vía de entrada unas palitas flotantes se abren en la carpintería y se recogen en el momento previo a la compresión. Así, el momento ha subido de 90 Nm a 135 Nm entre 1000 y 6000 rpm. El resultado ha sido mejor que en los motores de 4 tiempos. Asimismo, la geometría variable de la ventana de escape ha permitido estabilizar el “ralentí”. En cuanto al consumo de lubricante, en el motor de Sarich el combustible no está en contacto con el cárter y la gasolina no se mezcla aceite como en motores normales de dos tiempos (este aceite de gasolina contamina luego los gases de salida). La lubricación se realiza con bomba extra en el motor de Sarich y a partir de los 2500 km se gasta aproximadamente un litro de aceite.

En general, este motor tiene más ventajas que los automóviles actuales. Por un lado, ha superado con facilidad las pruebas americanas más exigentes contra la contaminación y, gracias a ello, no necesita catalizador reductor para los gases de salida. Esto supone un ahorro de la mitad del sistema de escape. Por otro lado, la potencia del motor es muy diferente. El motor de Sarich, con una cilindrada de 1,2 litros, da una potencia de 91 caballos y pesa 41 kilos. Por su parte, cualquier motor de los cuatro tiempos actuales, con una cilindrada de 1,6 litros, alcanza una potencia de 85 caballos y pesa 128 kilos. En el motor de Sarich además las vibraciones son menores, las aceleraciones son mejores, el consumo se ha reducido entre un 10% y un 20%, etc.

Por el momento, Ford y General Motors están probando este nuevo motor de dos tiempos y dentro de unos años su dominio no será sorprendente.