Motor de dos tiempos

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Un motor de dos tiempos tiene uno o más pistones que se mueven a través de los cilindros y completan un ciclo de combustión completo en solo dos movimientos lineales. El movimiento del pistón en el cilindro, a través de los conductos de luz entre la parte inferior del cárter y la parte superior del cilindro, permite evacuar los gases quemados y llenar el cilindro con gas fresco (vapor de combustible y oxidante). .a través de la caja de concha . Otra técnica de motores de dos tiempos se basa en válvulas de admisión y escape, como Cummins Diesel. No pasa gas al cárter, el barrido se realiza directamente en el cilindro, la inyección se realiza una vez cerradas las válvulas.

Origen

Inspirado en el trabajo de Pierre Hugon , el primer motor de dos tiempos fue diseñado por el ingeniero belga Étienne Lenoir en 1859. Este motor fue mejorado por el ingeniero escocés Dugald Clerk en 1878.

El motor de dos tiempos en una forma aproximadamente idéntica a lo que conocemos hoy fue diseñado por otro ingeniero inglés, Joseph Day , en 1889.

El motor Ixion fue inventado en 1897 por Léon Cordonnier y marcó los inicios del motor de dos tiempos con distribuidor rotativo.

Motocicleta

El ciclo de dos tiempos de un motor de combustión interna se diferencia del ciclo Beau de Rochas por tener un ciclo de solo dos movimientos lineales del pistón en lugar de cuatro, aunque siempre se realizan las mismas cuatro operaciones (admisión, compresión, combustión / expansión y escape). fuera. Por tanto, hay un ciclo de motor por revolución en lugar de una cada dos revoluciones para el motor de cuatro tiempos . El ciclo se desglosa de la siguiente manera:

  1. Compresión, combustión, expansión y luego escape con transferencia de la mezcla combustible fresca a través de la ventana de transferencia;
  2. Admisión, aspiración y compresión de la mezcla en la parte inferior del motor.

Las diferentes etapas son las siguientes:

Esquema de funcionamiento del motor de dos tiempos.

Particularidades

Evoluciones

El motor de 2 tiempos no siempre tuvo el rendimiento que conocemos hoy. Incluso anteriormente era un motor meticuloso y lento con una eficiencia desesperadamente baja. Desde muy temprano, los ingenieros hicieron cambios para contrarrestar el principal problema del motor de 2 tiempos, el hecho de que los puertos de admisión y escape no estén completamente cerrados durante la fase ascendente del pistón causa dos fenómenos:

Por tanto, se desarrollan varios cambios a lo largo del tiempo. Algunas están ahora generalizadas, otras más marginales.

Los principales desarrollos en motores de consumo son los siguientes:

Olla de relajación concedida Esta olla mejora el barrido empujando los gases frescos de regreso al cilindro. El término "tubo de expansión" es un nombre extendido pero inadecuado (también se usa para el silenciador previo de los sistemas de escape de los automóviles); técnicamente es más correcto hablar de resonador. La afinación de gatillo-resonador es una ciencia compleja y en parte empírica, con sintonizadores que desarrollan verdaderas bibliotecas de tubos de escape, algunos de los cuales son adecuados para circuitos tortuosos y otros para circuitos con líneas rectas largas, con diferencias sutiles en los cuatro elementos: tubo de escape, divergencia cono, contracono convergente y tubo de arrastre. Sin entrar en detalles, un resonador corto y barrigón promueve la máxima potencia pero en un rango de revoluciones estrecho, mientras que un resonador más delgado y largo promueve la suavidad y versatilidad del motor a expensas de la máxima potencia. Las propagaciones de ondas de presión y contrapresión en un resonador de 2 tiempos son bastante similares a las que se encuentran en el reactor de pulsos que se desarrolló durante la Segunda Guerra Mundial para los misiles V1 . Los cálculos para el diseño de ollas relajación tener en cuenta una velocidad de onda del orden de 510 metros por segundo a una temperatura de 700  ° C . Este concepto, desarrollado en 1955 por CZ (marca de motocicletas checoslovacas), fue una de las principales mejoras del motor de dos tiempos. Válvulas de entrada Estas válvulas pueden ser planas o con forma de techo para que el ciclo de admisión en el cárter sea asimétrico. Por lo general, se encuentra en el cárter (a veces en el cilindro). La admisión de la válvula por sí sola constituye una pequeña revolución: permite agregar una transferencia a la parte trasera del cilindro, lo que hace que el motor sea más eficiente y elimina el problema del reflujo de gas al carburador, lo que también permite un arranque en frío más fácil y mejores recolecciones. (precompresión mejorada). Estas válvulas planas " encadenadas en cadena " fueron utilizadas por primera vez en serie por los fabricantes de motores fuera de borda (Kiekhafer-Mercury, OMC-Johnson-Evinrude). La firma japonesa Yamaha y la sueca Husqvarna perfeccionaron este sistema con válvulas de "techo" denominadas comercialmente "  válvula de láminas  " que permiten un mejor flujo y un control real de los fenómenos de resonancia. Otros desarrollos consistirán en sustituir las lamas de primera generación por epoxi o carbono. Como cualquier sistema cíclico, la frecuencia de resonancia puede perturbar la correcta fase de cierre y apertura. Tenga en cuenta que no hay ningún estudio sobre estos sistemas, excepto en el campo de los compresores de refrigeración. Sin embargo, se ha determinado que las válvulas de carbón son preferibles para rangos de operación de alta velocidad, mientras que las de epoxi favorecen la velocidad baja y media. La desventaja de estas cajas de válvulas radica en la caída de presión que no permite un llenado completamente optimizado. Sin embargo, es el mejor sistema de admisión porque es completamente autoadaptable.

Otros sistemas de admisión

El distribuidor rotativo tiene la ventaja de no generar pérdidas de carga y, por tanto, permite un llenado óptimo en un rango de velocidad determinado.

A diferencia de las cajas de válvulas, el rango de uso es más restringido. Sin embargo, todavía es posible utilizar este dispositivo para altas velocidades (con tiempos de apertura elevados) y ha sido ampliamente utilizado en el campo de la velocidad.

Variación del puerto de escape según la velocidad. Esto permite aumentar el tiempo de escape a altas revoluciones. Rara en ciclomotores, pero muy extendida en máquinas de mayor cilindrada. Sin embargo, este sistema está muy extendido en el campo del jet-sky, sky-doo (muy conocido en Bombardier), pero también en el mundo de las carreras de motos ya que se ha vuelto imprescindible. Así, un sistema de apertura (electrónico o centrífugo) permite variar la altura del puerto de escape. Ventajas : La apertura de la válvula de escape debe coincidir con la resonancia del tubo de expansión. Encendido de avance variable Permite el máximo rendimiento a diferentes velocidades (facilitado por la llegada de los encendidos electrónicos). Cabe destacar también la llegada de los encendidos digitales que permiten una mejor adaptación del avance según las condiciones. A diferencia de la mayoría de 4 tiempos, el avance debe descender considerablemente durante el aumento de velocidad debido a la mejora del llenado con el aumento de velocidad. Otros desarrollos más marginalesCalidad del aceite

usar

Este tipo de motor es común especialmente en motores más pequeños, especialmente en scooters. Tiene las ventajas de simplicidad, peso y tamaño reducido, además de funcionar en cualquier posición sin necesidad de lubricación por cárter seco . También se utiliza en motores marinos de alta potencia como el del buque portacontenedores CMA CGM Jules Verne , un motor de 14 cilindros en línea, diámetro 960  mm , potencia 108.000  CV . Algunos grandes buques GNL recientes utilizan motores de gas y fuel oil de 2 tiempos, cuyo gas proviene de la evaporación del metano líquido de los tanques, lo que evita la liberación de metano gaseoso a la atmósfera, y también reduce la descarga de los contaminantes contenidos de forma natural. en combustibles líquidos que luego se utilizan en pequeñas cantidades. No obstante, si se trata también de motores de 2 tiempos, se trata de motores Diesel que funcionan con fuel oil pesado, equipados con compresor (es), con inyección indirecta o incluso directa, y algunos de ellos con válvulas que controlan la fase combustible. Estos motores obviamente tienen poco en común con los de nuestras dos ruedas de pequeña o mediana cilindrada.

En la década de 1970 , el motor de dos tiempos fue ampliamente utilizado debido a su ligereza, simplicidad y rendimiento, y también a su menor costo de fabricación. En ese momento, muchos fabricantes de motocicletas desarrollaron modelos con motores de 2 tiempos, incluidos los de gran cilindrada, como la Kawasaki 750 H2 . En Francia, la Motobécane 125 de 1970 es el reflejo de esta época. Pero el aumento del precio del petróleo y sobre todo las cada vez más restrictivas normas anticontaminación han ido limitando paulatinamente el uso de este tipo de motores.
Sin embargo, por razones de coste, fiabilidad y peso, las motos con motores de 2 tiempos equipados con sistema de inyección de gasolina están cada vez más presentes en el inicio de las competiciones todoterreno (motocross, enduro y trial).

  • Motocicletas de 2 tiempos

  • Kawasaki 750 H2 Mach IV primer modelo.

  • Motobécane 125 LT1, preparado para participar en la Coupe Moto Légende .

En 2017 apareció la inyección directa en las KTM 250 y 300 TPI EXC (motocicletas de enduro homologadas para vía pública y Euro 4 ). La gasolina se pulveriza mediante dos inyectores colocados en las transferencias izquierda y derecha. Tenga en cuenta que la lubricación es proporcionada por una bomba de grasa separada, que permite que el combustible se llene directamente en la bomba. En 2020 fue el turno de TM Racing de utilizar un sistema muy similar también en sus Enduro 250 y 300.

Motores marinos

La tecnología de 2 tiempos tiene la ventaja de la ligereza y la sencillez, que es lo que la hizo adoptar desde el principio para los motores fuera de borda (la tradicional Motogodille , cuya parte térmica fue producida por la firma Buchet, y la americana ELTO desarrollada por la americana- El ingeniero sueco Ole Evinrude .) Este tipo de motor se consideraba el equivalente mecánico de un remo y tenía que poder desmontarse y transportarse fácilmente para protegerlo de los ladrones.

El industrial nantesista Goïot, también fabricante de herrajes, y motociclista en su tiempo libre, prefirió hablar de un “propulsor desmontable” para los motores fueraborda que desarrolló antes de la Segunda Guerra Mundial utilizando una aleación de aluminio propia. , perfectamente insensible a la corrosión marina.

En comparación con los motores de motocicleta, con los que comparte muchas características (algunos fabricantes como Yamaha , Suzuki , Tohatsu , Honda , Sunbeam- British Seagull , Tomos, están o han estado presentes en ambos mercados), el motor out- 2 tiempos edge tiene algunas características específicas.

Implantación mecánica

A excepción de la antigua Motogodille (oblicuamente), el cigüeñal y el eje de transmisión principal están dispuestos verticalmente (por razones de compacidad), el volante en la parte superior, colocando, en la medida de lo posible, los delicados componentes eléctricos ( tornillos platinados). ) protegido de posibles salpicaduras de agua salada. El carburador (es) (los cilindros gemelos a menudo están equipados con un solo carburador para evitar ajustes de sincronización complejos) están hacia la parte delantera del barco, los cilindros y las bujías hacia la parte trasera (a veces vulnerables cuando el barco reduce la velocidad y la onda de estela atrapa). arriba con eso).

Enfriamiento

La solución adoptada casi universalmente es la refrigeración por agua (las motocicletas de 2 tiempos han sido enfriadas por aire, por desplazamiento o forzadas por una turbina) sin ningún radiador. En los motores fuera de borda, el agua se extrae directamente del agua (del mar o del río), por debajo de la línea de flotación, mediante conductos de ventilación conectados a una bomba rotativa acoplada al eje vertical. El rotor de esta bomba ( hecho de caucho de nitrilo ) toma la forma de una estrella de mar y debe cambiarse con mucha regularidad.

Este es uno de los puntos más cruciales de este tipo de motores: el usuario debe tener cuidado con las algas, las bolsas de plástico entre dos aguas y los sedimentos en suspensión. Debe comprobar el indicador de bypass del circuito de agua (la "botella exprimidora") y estar atento al ruido del motor, si está seco y metálico: de hecho el agua de refrigeración también sirve para atenuar el ruido del motor. 'cansada.

Transmisión

La caja de cambios (o caja inversora) se reduce a su expresión más simple: marcha adelante, punto muerto y marcha atrás o incluso completamente ausente en los motores más pequeños. La marcha final se puede ajustar cambiando la hélice para encontrar el paso que mejor se adapte al barco. Ubicado debajo de la línea de flotación en la base del motor, es vulnerable al impacto en las rocas y el usuario debe mostrar una buena navegabilidad.

Desarrollos tecnológicos

Potencias específicas inferiores a las de los motores de motocicleta ( es común una cilindrada de 250  cm 3 para solo 10  CV de potencia) y diseñados con requisitos de seguridad y confiabilidad, los motores fueraborda de 2 tiempos han sufrido cambios. Técnicas paralelas a sus "primos" motociclistas: admisión válvulas, encendido electrónico CDI (generalmente sellado con resina en una carcasa completamente sellada), lubricación separada (excepto para pequeñas potencias) y, más recientemente, reemplazo de carburadores por sistemas de inyección para cumplir con las nuevas reglas anticontaminación (estándar europeo conocido como "  Bodensee  " ).

Desde el comienzo del XXI °  siglo, los motores de 4 tiempos han reemplazado gradualmente el 2-hora de alta potencia (que casi nunca se desmanteló el barco) pero las empresas Evinrude, Tohatsu y Kiekhafer Mercurio continuaron produciendo motores de inyección de 2 tiempos satisfacer contra moderna -Normas de contaminación. Otro punto fuerte del motor fueraborda de 2 tiempos es la facilidad con la que se puede reiniciar después de la inmersión (vuelco de la embarcación, caída al agua durante la manipulación, sea pack), un simple enjuague con agua dulce, purgando el carburador y pulverizando con aceite penetrante son suficientes, mientras que un motor de 4 tiempos requiere operaciones mucho más complejas y costosas para volver a ponerse en servicio.

Automotor

El más conocido de los automóviles de 2 tiempos es la serie Trabant , que luego fue producida en la RDA por la empresa VEB Sachsenring Automobilwerk Zwickau .

La firma DKW (en Alemania Occidental) y su contraparte de Alemania Oriental , Wartburg, produjeron automóviles de tres cilindros y dos tiempos que eran significativamente más eficientes y se ubicaban más en la parte superior de la gama que el Trabant muy básico, que estaba satisfecho con un gemelo.

En Polonia, la empresa FSO produjo entre 1957 y 1983 un automóvil con motor de 2 tiempos: el FSO Syrena .

El fabricante sueco Saab usó motores de 2 tiempos para impulsar sus modelos 92001 , 92 , 93 , así como los primeros 96 .

El microurbano también utilizó un motor de 2 tiempos como el Isetta diseñado por la firma italiana ISO Rivolta , y la muy original Vespa 400 , competidora del Fiat 500 Topolino, que utilizaba un bimotor de 2 tiempos de 400  cm 3 equipado con una automática. Mixer, un ingenioso dispositivo que, sin ser una lubricación independiente real como el Yamaha Autolube que fue el precursor.

  • Coches de 2 tiempos

  • Trabant 601 .

  • FSO Syrena 101.

  • Saab 96 de 1961.

  • Isetta.

Motosierras y sopladores de hojas

Hoy en día, los motores pequeños de 2 tiempos se utilizan en todo tipo de máquinas que requieren una alta velocidad de revolución en transmisión directa, como motosierras o sopladores de hojas , y en vehículos como karting , o muchos scooters (que tienen un sistema de embrague).

  • Sierra de cadena.

  • Scooter.

Motores diesel lentos o exóticos

El ciclo de 2 tiempos todavía se utiliza ampliamente en grandes motores diésel a baja velocidad (unos pocos cientos de revoluciones por minuto), como los que impulsan buques portacontenedores (ejemplo: Wärtsilä-Sulzer 14RT-flex96C ). El escape se realiza a menudo mediante una o más válvulas y la admisión mediante luces.

Históricamente, se ha utilizado en motores bastante exóticos como:

  • el motor de pistones opuestos Junkers Jumo 205  ;
  • tres motores delta de cigüeñal dispuestos en un triángulo isósceles (lanchas rápidas y locomotoras) Napier Deltic  (de) , Fairbanks-Morse  ;
  • Detroit Diesel de peso pesado. El suministro de aire (barrido) de un diesel de 2 tiempos es proporcionado por uno o más compresores (a menudo del tipo Roots), a veces asistidos por uno o más turbocompresores.

Operaciones básicas

El motor de ciclo de dos tiempos es simple en su construcción pero de compleja dinámica en su funcionamiento.

Ventajas sobre 4 tiempos

  • Mecánica simple (sistema de lubricación, distribución ).
  • Costo de producción reducido.
  • Facilidad de mantenimiento.
  • 30% más ligero que un motor de 4 tiempos con la misma cilindrada.
  • 30% menos voluminoso que un motor de 4 tiempos con la misma cilindrada.
  • Posibilidad de más potencia por litro de cilindrada (del orden de 430  CV / L a la salida de la caja de cambios. Potencia que representa hasta 2 veces más que los motores 4 tiempos atmosféricos más extensos).
  • Se puede utilizar en todas las posiciones sin modificaciones especiales.
  • Ausencia de todos los regímenes de suministro de gas fresco en la toma gracias al uso de una caja de válvulas.
  • Elección de un rango de uso posible muy amplio (motor de prueba con alto par y flexible a baja velocidad, o para motocicletas públicas en general a velocidad media del orden de 3.000 a 8.000  rpm , a alta velocidad para competición del orden de más de 18.000  rpm para karting, o 35.000  rpm en casos extremos de modelismo ).
  • Posibilidad de gestionar el suministro de energía por inyección directa permitiendo así un gran saneamiento de este tipo de motores y obtener un consumo del orden de 2,85  L / 100  km (ver también los motores fueraborda que han avanzado enormemente, o los utilizados en motos de nieve).
  • Una de las razones del éxito del motor diésel de 2 tiempos en las embarcaciones de recreo es la menor tasa anual de francización y navegación (DAFN, antes impuesto de francización): el impuesto se calcula a partir del poder fiscal calculado (CV). A partir del número de cilindros, el diámetro y la carrera, con una reducción del 30% para los motores Diesel; y para la misma potencia mecánica, la potencia fiscal de un motor diésel de 2 tiempos también es menor; sin embargo, este motor diesel de 2 tiempos contamina más que el de 4 tiempos de la misma potencia.

Desventajas

El motor tradicional de 2 tiempos también tiene sus inconvenientes.

Principales inconvenientes

Los mayores problemas son, en su versión “clásica”, con admisión y escape por luces (estos inconvenientes no se aplican a motores con admisión / escape por válvulas - como el Diesel):

  • con un carburador , la distancia recorrida por el pistón antes de que se cierre el orificio de escape, lo que provoca una pérdida de hidrocarburos no quemados . Los fenómenos de resonancia inducidos por un recipiente de expansión ayudan a resolver esta dificultad, o inyección directa , que permite barrer el cilindro con aire puro, no inyectándose el combustible hasta el final de la compresión. Si se utiliza un silenciador simple, durante la fase de admisión / escape se puede perder hasta el 30% de la mezcla. Los sistemas de variación de altura del puerto de escape (conocidos como “válvula de escape”) ahora permiten resolver parte de este problema así como aumentar el rango de uso (par y potencia a bajas y altas velocidades);
  • el lubricante presente en su combustible para lubricar el cilindro, lo que genera una emisión de aceite (más o menos quemado) a la atmósfera, volviéndolo contaminante. Este inconveniente explica en gran medida su abandono paulatino a favor de los 4 tiempos . Los nuevos aceites de 2 tiempos ( norma ISO-L-EDG ) permiten una combustión en caliente prácticamente total. Las últimas versiones homologadas (KTM 250 y 300 EXC TPI por ejemplo) han visto caer drásticamente su consumo de aceite gracias a la inyección directa;
  • debido a los residuos no quemados del aceite contenido en el combustible, las bujías pueden sufrir un llenado progresivo del espacio entre electrodos (“rebordear”). Esta desventaja se puede evitar mediante un enfriamiento eficiente (líquido), una mejor calidad del aceite en comparación con la década de 1970 y bujías adecuadas. Sin embargo, con la mejora de los aceites de 2 tiempos, hoy en día, el perlage ya no existe;
  • el motor de 2 tiempos es una fuente importante de contaminación debido a las descargas de aceite e hidrocarburos no quemados que son potencialmente cancerígenos. Pero la llegada de la inyección directa permitirá solucionar este problema limitando la contaminación, el consumo de aceite y combustible. La eficiencia específica llegando incluso en algunos casos a valores de consumo de combustible inferiores a algunos de 4 tiempos. La principal causa podría ser que no haya reparto para entrenar.

Inconvenientes menores

  • Frenado motor bajo .
  • Para motores "ligeros", desgaste más rápido de la segmentación, del pistón y del cilindro, los segmentos se deforman al pasar por los distintos puertos de admisión y escape durante el movimiento del cilindro, a diferencia de los 4 tiempos que tienen un cilindro liso.

Notas y referencias

Notas

  1. Estas acciones combinadas no permiten una mezcla de gases óptima, porque los gases frescos empujan los gases quemados, de ahí el riesgo de mezclar los dos. Sin embargo, en motores grandes, la inyección directa evita este problema.
  2. El vacío creado por la subida del pistón provoca la apertura de la válvula y la admisión de la mezcla de combustible más aire más aceite lubricante.
  3. Debido a la apertura simultánea del puerto de entrada de gas fresco y el puerto de escape.
  4. Debido al hecho de que hay una explosión por revolución, en lugar de una cada dos revoluciones para un 4 tiempos (de manera similar, un 6 cilindros produce un sonido más alto que un gemelo o un 4 cilindros).
  5. Los tubos de escape originales de los ciclomotores homologados en Francia tienen deliberadamente un caudal bajo para restringir el motor para evitar superar los 45  km / h .
  6. Yamaha fue pionera en una válvula de escape giratoria (vinculada al puño del acelerador) llamada "YPVS" (Sistema de válvula de potencia de Yamaha).
  7. Según un estudio estadounidense:
    • un motor convencional de 2 tiempos emite 151  g de hidrocarburos por kWh  ;
    • un motor de inyección directa de 2 tiempos de unos 40  g / kWh  ;
    • un motor de 4 tiempos de la misma potencia emite 4  g / kWh .

Referencias

  1. Ciclo de dos tiempos , en super-soupape.com .
  2. Motor de interna , en universalis.fr .
  3. Patente FR 4404E Motor rotativo de gas o petróleo, denominado “motor ixion”. (Prioridad FRT263851 - 1897-02-10). Léon Cordonnier.
  4. Émile Berthier, Motores de aviación , París, Librería aeronáutica,1912( leer en línea ).
  5. "Vals en dos pasos!" » , En tracto-old-engines.com .
  6. "  Aplicaciones de motores de dos ciclos y necesidades de lubricación  " , en amsoil.com ,1 er de julio de de 2001(consultado el 18 de agosto de 2019 ) .
  7. Arnaud Vibien, “¡  Se acerca la inyección de KTM Enduro 2T!  » , En moto-station.com ,16 de marzo de 2017(consultado el 22 de abril de 2021 ) .
  8. (in) Motor diésel de dos tiempos uniflow grande del tipo de cruceta de (especificación de patente europea)8 de octubre de 2008( leer en línea [PDF] ).
  9. (en) Paul H. Wilkinson Diesel Engines Aviation , Aircraft Engine Historical Society, Inc.1942( OCLC  1283275 , LCCN  43008155 ) , "4 El motor diesel Junkers Jumo 205".
  10. (en) Jean-Pierre Pirault y Martin Flint, Motores de pistón opuestos: evolución, uso y aplicaciones futuras , SAE International,2009, 576  p. ( ISBN  0768018005 ).
  11. “  Spark plug  ” , en super-soupape.com (consultado el 17 de noviembre de 2016 ) .
  12. "El motor convencional de dos tiempos (el que está equipado con un carburador): una tecnología completamente obsoleta" , en lacbowker.org (consultado el 12 de noviembre de 2013).

Ver también

Artículos relacionados

enlaces externos