Motores de Dos Tiempos: Funcionamiento, Características y Análisis de Rendimiento

Se dice que los motores alternativos de dos tiempos completan el ciclo en dos carreras del pistón o una vuelta del cigüeñal.

Primer Tiempo

El primer tiempo corresponde a la carrera de trabajo que se inicia con el encendido de la mezcla y prosigue con la expansión hasta que el pistón descubre la lumbrera de escape. Los gases de la combustión comienzan a salir a causa de su elevada presión. Inmediatamente después se descubre la lumbrera de transferencia o de segunda admisión. El fluido, empujado por la presión alcanzada en el cárter y además arrastrado por la corriente de gases de la combustión que salen al cilindro, ingresa mezcla nueva comenzando el proceso de barrido y de admisión que corresponde al resto de la carrera.

Segundo Tiempo

El segundo tiempo corresponde a la carrera de retorno del pistón hacia el PMS. En la primera etapa, esta dedicada a la fase de barrido y admisión, pero en la segunda fase se produce la compresión. Antes de que la carrera esté terminada, el borde inferior del pistón descubre la lumbrera de admisión o de primera admisión y por este motivo se produce el ingreso de fluido al cárter. Este penetra por la depresión creada por el movimiento del pistón que es comprimido luego durante la carrera siguiente.

Características de los Motores de 2T de Encendido por Chispas

Los motores de 2T se utilizan para bajas cilindradas y se caracterizan por su simplicidad constructiva. Carecen de árbol de levas, resortes, accesorios del sistema de distribución, bombas de aceite, etc. La carga térmica en estos motores es elevada sobre el pistón dado que cada vez que el mismo llega al PMS se produce la explosión. El ciclo se cumple en una vuelta del cigüeñal. El avance hace que la máxima fuerza explosiva alcance al pistón un poco después del PMS cuando este ha encendido unos mm respecto del PMS, encontrando a la biela no alineada con el eje del cilindro.

Como no posee una bomba de aceite, la lubricación se debe realizar con la mezcla, a la cual se agrega un 30% de aceite y se coloca generalmente en el tanque del combustible. Los huelgos entre sus pistones y su camisa, debido a su alta temperatura, deben ser cuidadosamente diseñados. El cárter es del tipo hermético y trabaja como una bomba que aspira la mezcla y la envía o transfiere a la cámara de combustión. No se puede usar un cárter muy grande porque su rendimiento como bomba sería malo. Se le suele llamar cárter seco ya que hay ausencia de lubricante o aceite. Para evitar la salida de mezcla fresca por el escape, debemos tener un deflector sobre la cabeza del pistón. Lo que también se suele hacer es colocar la lumbrera de admisión lateralmente a la de escape y la mezcla es dirigida hacia arriba inclinando la lumbrera de admisión.

Diagrama Circular de un Motor de 2 Tiempos con Chispa

La parte exterior son los eventos que ocurren sobre el pistón, mientras que la parte inferior indican los eventos que ocurren en el cárter. En una sección tal indicada con 1, observamos que sobre el pistón se está comprimiendo la mezcla de aire y combustible, mientras que en la parte inferior del pistón, tal como se indica en el diagrama circular, se produce vacío o succión. En las proximidades del PMS y con cierto adelanto, se produce el salto de la chispa con la explosión y posterior expansión. También se produce, luego de la succión, la primera admisión o admisión al cárter. A medida que continúan los gases expandiéndose, vemos en una sección que en el cárter, a medida que el pistón desciende, se comprime la mezcla debajo de este.

Finalizando el proceso de expansión y una vez abierta la lumbrera de escape (LE), se produce el escape de los gases residuales que ya realizaron trabajo. A su vez, inmediatamente después de abrirse la lumbrera de escape, se abre la lumbrera de transferencia, produciéndose el barrido de los gases quemados con mezcla nueva. Los procesos de escape y barrido continúan a medida que el pistón asciende, cerrando primero la lumbrera de transferencia y después la de escape. A partir de ahí, se comprime nuevamente la mezcla mientras comienza la succión en el cárter, repitiéndose el ciclo cada 360º o por cada vuelta del cigüeñal.

Motor Diésel de 2 Tiempos

En el cierre de las válvulas de escape (CVE), se finaliza el periodo de escape. A partir de ahí, el aire se comprime a elevada presión y temperatura a medida que el pistón asciende al PMS. Cerca del mismo y con cierto adelanto, se produce la inyección del combustible por medio de un inyector indicado con I. Es necesario adelantar la inyección debido a que las reacciones químicas de pre-llama y el mezclado íntimo del gasoil pulverizado con el aire requieren un tiempo. Con eso se consigue que la presión máxima de combustión alcance al pistón cuando este ha descendido unos milímetros respecto del PMS, es decir, cuando la biela se encuentra ligeramente inclinada respecto del eje del cilindro. Con ello se aprovecha la energía útil de los gases para producir trabajo a lo largo de la carrera de expansión. Con un cierto adelanto del PMI, se produce la apertura de las válvulas de escape (AVE) y, por lo tanto, la salida de los gases de escape debido a la presión remanente en el momento de la apertura de las válvulas. Rápidamente después de abrirse las válvulas de escape, se produce la apertura de la lumbrera de admisión (ALA), comenzando el proceso de barrido de los gases residuales. Este proceso continúa con el escape hasta que, en forma simétrica en el cierre de la lumbrera de admisión (CLA), el pistón en su carrera ascendente cierra la lumbrera de admisión. CLA se produce el cierre de las válvulas de escape, terminando de esta manera el periodo de escape y comenzando el periodo de compresión del aire limpio hasta que se produce de nuevo en las proximidades del PMS la inyección de combustible, ciclo que se completa cada 360º o una vuelta de cigüeñal.

Diagrama P-V de un Motor Diésel de 2 Tiempos

Representa las variaciones de presión en función del desplazamiento del pistón entre el PMI y PMS. En el punto CVE se produce el cierre de la válvula de escape a una presión ligeramente superior a la atmosférica. A medida que el pistón se desplaza hacia el PMS, se incrementa la presión y la temperatura del aire. Cerca del PMS se produce la inyección del combustible que eleva las presiones a 70 bar y las temperaturas a 600°C, resultante de la combustión del gasoil con el oxígeno del aire. Con la expansión de los gases formados en la combustión, se realiza el trabajo útil sobre la cabeza del pistón hasta el momento en que se produce la apertura de la válvula de escape. Luego se produce una caída de presión hasta que se abren las lumbreras de admisión. Se cierran las válvulas de escape y a partir de ese instante el aire es comprimido a medida que el pistón asciende al PMS, elevándose nuevamente la presión y la temperatura, repitiéndose el ciclo cada 360º.

Potencia

Es la capacidad de realizar un trabajo en un cierto tiempo. La potencia producida en el interior de los cilindros es distinta a la obtenida en el eje del motor. Parte de la potencia producida en los cilindros es absorbida por las fuerzas pasivas una vez puesto en funcionamiento el motor. Hay tres tipos: potencia indicada, que es la producida en el interior de los cilindros como consecuencia de la combustión; la potencia de las fuerzas pasivas; y la potencia en el eje o efectiva.

Freno de Prony

Trabaja disipando la potencia en el eje del motor en fricción mecánica entre dos sólidos. Esta fricción genera calor y es necesario refrigerar con algún tipo de líquido para evitar que se quemen las zapatas. El par resistente que se opone al que genera el eje del motor puede regularse con el volante de carga a través de los resortes que fuerzan a la zapata sobre el tambor. En el caso del dibujo, gira en el sentido de las agujas del reloj. Al momento resistente se opone al par motor. Cuando ambos se igualan, se procede a efectuar la lectura en el dinamómetro a balanza de resortes. Para trazar las curvas de potencia en plena carga, primero se lleva al motor a temperatura de régimen. Después se coloca al motor en plena carga y se ajustan los volantes a través del resorte de carga de manera de llevar al motor al mínimo de revoluciones indicada por el fabricante. Una vez alcanzado este valor, se afloja el volante de carga todas las veces necesarias de acuerdo a la cantidad de medidas a realizar hasta el número de revoluciones nominal indicada por el fabricante para el cual la potencia es máxima.

La limitación en cuanto al número de RPM a las que trabaja este banco y su baja estabilidad en cuanto al equilibrio del par motor y el par resistente hace que modernamente se utilicen bancos del tipo hidráulicos y eléctricos. La diferencia entre estos es que se puede obtener una regulación muy fina del par resistente a la velocidad de giro, y se puede elevar hasta 10.000 y 12.000 RPM. La diferencia entre estos bancos está en la forma en que se disipa la energía que transfiere el motor. En el banco hidráulico, la disipación de la potencia se hace por fricción y turbulencia de un fluido en un rotor especial. El banco eléctrico usa también un rotor especial con un bobinado en donde, por acción de la corriente, se generan corrientes parásitas que sirven para frenar el motor.

Fórmulas

Ciclo Otto

• P1.V1=R.T1
• R=Cp/Cv
• P1.V1^k=P2.V2^k
• T1.VI^(k-1)=T2.V2^(k-1)
• T1.P2^(0.4/k)=T2.PV^(0.4/k)
• W12=(P1.V1-P2.V2)/K-1=R.(T1-T2/0.4)
• W23=0
• W34=R.(T3-T4/0.4)
• WT=W12+W34
• ηg=Wi/Wt
• ε= Vt/Vcc=Va/Vb
• ηotto=1-(1/ε^(k-1))
• φ=V3/V2

Ciclo Diésel

• P2.V2=R.T2
• (P1.(v1/v2))^k=P2
• ε=V1/V2
• Igual que el Otto para sacar PVT y ηg.
• ηt=1-(φ^(k) -1)/k.(φ-1).ε^0.4

_______________

Wi=Pmi.Vv

Pmi=Wi/Vc

Wi: trabajo indicado(J)

Pmi: Presión media indicada

Rendimiento de Diagrama o Grado de Calidad

ηg=Wi/Wt(trabajo teórico)

Rendimiento Indicado

ηi=Wi/q1

Rendimiento Mecánico

η=We(trabajo en el eje)/Wi

Rendimiento Total

ηtotal=Wt/q1(ηteor).ηg.ηm

Rendimiento Económico

ηeco=ηtotal=632.Ne/B.Hi

Ne: potencia en el eje(cv)

B: consumo total horario(kg/h)

Hi: poder calorífico(Kcal/kg)

632: coeficiente de conversión(Kcal/n.cv)

B/Ne=ge (consumo específico) (kg/n.cv)

ηeco=632/ge.Hi

___f: frecuencia de operación

f=2n/carreras . ciclo(ζ) (2t=f=n) (4t=f=n/2)

n(rev/seg)

Pmi(N/m2)

Vc=m3

Z=número de cilindrada

Ni=Pmi.vc.z.f

Ni2t= Pmi.Vc.Z.n = Pmi.vc.z.n/450 (cv)

Ni4t= Pmi.vc.z.n/2 = Pmi.Vc.z.n/900 (cv)

___POT=N=W(j)/T(s)=Watt

Ni: potencia indicada

Np: Potencia fuerza pasiva

Ne: potencia en el eje o efectiva

Ne=Ni-Np

Wi: trabajo indicado=Pmi.Vc.Z

Pmi: presión media indicada

Ni=Pmi.vc.z

___prony: Mt=Mf

p.l=f.r

Nf=Ne

Wf=2π.r.f

Nf=2π.f..r.n=Ne=2π.P.l.n (P: kg l: m n: rpm Ne: cv)

Ne=P.l.n/716.2=Mt.n/716.2=0.001.P.n

____

Pmi=Pmp+Pme

Pmp: presión media de las fuerzas pasivas

pme: presión media efectiva.

ηm= We/Wi=Ne/Ni=Pme/Pmi

Ne=Ni.ηm=Ni.(Pme/Pmi)

Ne2t=Pme.vc.z.n

Ne4t=(Pme.vc.z.n)/2 (N=watt; Pme=N/m2; Vc=m3; n= Vel/seg).

Vpunto=L/H Mpunto=densidad por Vpunto. Qpunto=q1.Mpunto (potencia térmica) N=ηt.Qpunto(trabajo utilizado)Kcal/h (para pasarlo a watt multiplicamos ese resultado por 4,19 [kj/kcal) y por (1/3600)h/seg Qpunto 2 =Qpunto1-N