En esta ocasión trate de hacer un articulo lo más completo posible sobre estos particulares motores que fueron quedando en el pasado pero que formaron parte importante de la historia de los motores de combustión interna. Comencé por su historia y luego con la explicación técnica de su funcionamiento.
Estos motores inventados cronológicamente después del motor Otto de 4 tiempos y antes del motor diésel de Rudolf Diesel, fueron usados durante todo el siglo 20 en embarcaciones, usinas, fabricas y para propulsar pequeñas locomotoras y tractores.
En nuestra colección de motores contamos con 3 de este tipo:
1 Motor Leisnig alemán de entre 1915 a 1925 fabricado por Leisnig Motorenfabrik G,M.B.H. en proceso de restauración.
1 Motor Fraire Hnos. hecho en La Plata, Argentina, hay muy pocos datos por lo que no podemos saber a ciencia cierta su edad y si se hacían completamente aquí o con componentes importados, pero es muy parecido al Leisnig alemán.
1 Tractor Pampa argentino con motor de este tipo y copiado en la década de 1950 del tractor alemán Lanz Bulldog.
Motor Leisnig
Tractor Pampa
Motor Fraire
Historia:
El primer motor de este tipo fue inventado por Herbert Akroyd
Stuart (28/1/1864 – 19/2/1927) nacido en Yorkshire, Inglaterra, lo patento en
1890, poco antes que Rudolf Diesel
patentara su motor en 1893.
Akroyd Stuart patento su motor para Richard Hornsby &
Sons y la patente se tituló así:
“Mejoras en motores
operados por la explosión de mezclas de vapor combustible o gas y aire”
Los motores fueron construidos a partir del 26 de junio de
1891 como “Hornsby- Akroyd”.
A partir de allí se utilizó este concepto de motor por otros
fabricantes de Europa y EEUU.
Según relata el Anson Engine Museum de Inglaterra, “El Hornsby- Akroyd fue un éxito instantáneo
y se construyeron un total de 32.417 motores de este tipo. Sus usos fueron
numerosos y se produjeron en forma horizontal y vertical, estacionarios y
portátil. En 1896 se utilizó para impulsar el primer tractor petrolero y la
primera locomotora petrolera. En 1905 un tractor con motor Hornsby- Akroyd de
20 Hp fue el primer tractor oruga del mundo”.
Este tipo de motores de cabeza caliente se hicieron muy
populares ya antes de la primer guerra mundial (1914-1918), reemplazando a los
motores de petróleo y de gas pobre. En el Norte de Europa eran muy utilizados
en pequeñas embarcaciones de Río y de Canal. Bolinder lo comenzó a hacer en
Suecia desde 1904, Tuxham en Dinamarca.
En las costas alemanas surgieron algunos fabricantes, varios
de ellos no prosperaron luego de la gran guerra.
La firma Heinrich Lanz AG de Mannheim, Alemania fabricante de
maquinaria agrícola, luego de ver interrumpida su producción durante la primera
guerra mundial para fabricar aeronaves, retomo la fabricación de productos
agrícolas y en 1921 incorpora el motor semi diésel de cabeza caliente a un
tractor. El diseño fue realizado por el Ing. Fritz Huber. Debido al aspecto del
tractor parecido a los perros bulldog fue llamado Lanz Bulldog.
Años más tarde los diseños de Lanz fueron reproducidos con
éxito por Le Percheron en Francia, Landini en Italia, Pampa (IAME, DINFIA,
DINELA) en Argentina, Ursus en Polonia, Kelly & Lewis en Australia, Lanz
Iberica en España, cada uno con sus particularidades.
En 1928 los motores semi diésel de cabeza caliente lideraban
la lista de motores para barcos de pesca y de canal y había 14 constructores
solo en Alemania. Para 1958 en toda Europa para las embarcaciones de Río y Canal aún
llevaban ventaja los motores semi diésel respecto de los diésel en una relación
de 51 : 31.
Principio de
funcionamiento y características
Mientras en los motores diésel el combustible se auto inflama
debido a la alta temperatura del aire que se consigue al comprimirlo dentro de
la cámara de combustión, en los semi diésel que tienen una relación de
compresión menor se consigue la inflamación al producirse la inyección de
combustible sobre un punto o zona caliente de la tapa de cilindros. Por esa
razón el nombre de cabeza caliente o Hot Bulb en inglés o Gluhkopf en alemán
que significan lo mismo.
En la mayoría de estos motores esta zona incandescente o
caliente es una cámara o pieza auxiliar adjunta a la cabeza o tapa de cilindro.
En los primeros esa pieza auxiliar tiene forma de bola o esfera maciza, luego
han ido adoptando diversas formas de cuña o cónica.
Para lograr la puesta en marcha de estas máquinas es necesario
calentar mediante una lámpara de querosene o soplete de gas la zona caliente de
la cabeza, ya sea la bola, la cuña o el cono hasta una temperatura tal que al
introducirse el combustible por el orificio de inyección este se vaporice.
Algunos motores venían con dispositivos eléctricos como grandes bujías de
precalentamiento o sistemas de encendido a chispa para iniciar el motor con
nafta y una vez arrancado y caliente pasarlo a un combustible más pesado.
Digo combustible más pesado porque estos motores no solo
podían funcionar con gasoil sino que también funcionaban con fuel oil, aceites,
querosene e incluso aceites de origen vegetal o animal. Ello se lograba también
porque a diferencia de los motores diésel que tienen sistemas de inyección de
alta presión (150 a 350 Bar) y de precisión, los semi diésel tienen un sistema
de inyección más simple de baja presión (10 Bar o menos) y no necesitan una
tobera sino un inyector simple de paso calibrado.
Solo en pocos casos tenían motores o burros de arranque, en
la gran mayoría se consigue el arranque una vez caliente balanceando hacia un
lado u otro el volante, en ciertas ocasiones arrancan al revés, luego se le
baja las rpm al ritmo de balanceo hasta logra el giro contrario. Los motores
grandes se arrancaban con el método de insuflar aire comprimido al cilindro
como en los motores diésel de gran tamaño.
Estos motores no tienen válvulas ni árbol de levas ya que
adoptan el principio de funcionamiento de 2 ciclos o tiempos, con carter seco y
con válvulas tipo flaps para permitir el ingreso de aire al motor.
1° Tiempo o ciclo
El primer ciclo comienza con el pistón en el PMI punto muerto
inferior las lumbreras de escape y admisión abiertas, el pistón en su carrera
ascendente se carga de aire que llega por la lumbrera de admisión barriendo los
gases que quedaron del ciclo anterior, enviándolos al exterior por la lumbrera
de escape.
Este efecto de barrido se logra gracias a que en el ciclo
anterior se produjo una pre compresión de aire en el carter.
2° Tiempo o ciclo
Cuando el pistón llega al PMS punto muerto superior el aire
con el combustible vaporizado que se inyecto sobre el punto caliente producen
la expansión de los gases que empujan al pistón produciendo un trabajo. El
ciclo de expansión tanto en los motores diésel como semi diésel varía de
acuerdo a la velocidad del motor pero la combustión continúa unos 20 a 30
grados de cigüeñal después del PMS. La máxima presión de los gases se logra
alrededor de los 10 grados después del PMS. La antedicha producción de trabajo
es lo que da la potencia al pistón que traslada el trabajo al cigüeñal.
Finalmente el pistón en su carrera descendente hacia el PMI
descubre la lumbrera de escape y los gases salen al tubo de escape, a su vez en
este ciclo las válvulas flaps del carter se cierran y el aire que por allí se
había aspirado al carter se pre comprime a una presión que hace que al
descubrirse la lumbrera de admisión este aire ingresa a presión al cilindro
produce el barrido de los gases hacia el escape como mencione en el ciclo
anterior. Este aire es suficiente para barrer los gases y llenar el cilindro
con aire fresco para comenzar el primer tiempo o ciclo nuevamente.
En esta imagen de la tapa de cilindros del motor Leisnig vista de arriba se ve abajo la pieza postiza que va arriba que es su cabeza caliente y en este caso tiene forma cónica abajo y esfera arriba
Pieza caliente cónica del motor del tractor Pampa
Pistón y biela del tractor Pampa
Otra toma de la cabeza del pistón del tractor Pampa
Pistón y biela del motor Fraire Hnos.
Lubricación
Como son motores de 2 tiempos con carter seco necesitan un
sistema de lubricación distinto al del motor diésel convencional. Esto es lo
que los hace consumir más aceite ya que a diferencia del diésel 4 tiempos donde
el depósito de aceite es el carter y una bomba de engranajes moviliza el aceite
a presión hacia los diferentes puntos de engrase y luego retorna el aceite
nuevamente al carter en un ciclo cerrado en los motores de 2 tiempos es
necesario tener una maquina externa que lleva aceite por cañerías
independientes hacia los distintos puntos de engrase, el cilindro, los
cojinetes de bancadas del cigüeñal y de biela. La bomba lubricadora es movida
por el mismo motor y entrega aceite en cantidad pre calculada a cada punto de
engrase, el exceso de aceite en pequeños motores no se recupera, en motores más
grandes se vuelve a filtrar y retorna al depósito de aceite que está por encima
de la maquina aceitera para recibir el aceite por gravedad.
Bomba lubricadora Bosch de una entrada y 3 salidas, a medida que gira envía gotas de aceite
Regulación de la
velocidad
Para lograr una velocidad de funcionamiento estable cuentan
con un regulador centrifugo en algunos casos en el volante del motor y en otros
casos en otro lugar, el procedimiento es que la bomba de inyección es impulsada
por una leva cónica o cuña que varía la cantidad inyectada de acuerdo a la
posición de la cuña (que modifica el recorrido del embolo de inyección), la que
es desplazada en un eje por el regulador de pesas centrifugas (tipo de Watt) en
contraposición con un resorte y de esa manera poder lograr un número de
revoluciones estable del motor. Al apretar el resorte se aumentan las
revoluciones y al aflojarlo se bajan.
Eje suplementario movido por un engranaje, en el se aprecia la leva cónica la cual impulsa el embolo inyector y el conjunto de contrapesos
El elemento bombeante que apoya sobre la leva cónica y que de acuerdo a la posición de esta entrega más o menos combustible
El inyector no tiene aguja ni resorte de presión, es solo un tubo hueco que atraviesa la tapa de cilindro apuntando al punto caliente (bulbo, esfera o cono). En la punta tiene un paso calibrado por donde inyecta a baja presión el combustible que recibe del elemento bombeante.
Refrigeración
En todos los casos se trata de motores refrigerados por agua,
ya sea por el método de termosifón con un tanque auxiliar y un radiador en
algunos casos con paletas movidas por el motor que hacen circular aire por los
radiadores. En los motores de embarcaciones con una bomba de agua accionada por
el mismo motor y que hace circular el agua que toma del río como en cualquier
motor marinizado volviendo el agua al río.
Ventajas
Simplicidad en la construcción, menor cantidad de piezas, no
tiene válvulas ni árbol de levas ni bomba inyectora e inyectores.
Baja relación de compresión, la presión de compresión es de
entre 10 y 15 Bar y como las rpm de funcionamiento son bajas entre 500 y 1000
rpm, los hace eternos.
Tener en cuenta que al ser 2 tiempos hay una presión efectiva
en cada ciclo descendente del pistón a diferencia de los diésel 4 tiempos donde
cada 2 giros del cigüeñal hay una presión efectiva lo que los hace más potentes
a los 2 tiempos en relación a los 4 tiempos para una misma cilindrada de motor.
Pueden quemar todo tipo de combustibles más pesados que el
gasoil.
Desventajas
Más vibraciones
Sonido distinto. Para algunos muy agradable
Mayor consumo de combustible
Mayor humo por el escape, dependiendo del combustible que se
use.
Arranque trabajoso y problemático comparativamente con el
motor diésel debido a tener que precalentar la tapa con un soplete.
Limpieza frecuente del sistema de escape por la acumulación
de carbón.
Consumo de aceite más elevado.
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