Los inicios del motor Diesel

Le Génie Civil, 26 de febrero de 1898

MECÁNICA

NUEVO MOTOR DE PETRÓLEO 

Sistema Diésel

Durante casi un siglo, científicos e ingenieros de todos los países se han dedicado al estudio de la máquina de vapor y a la búsqueda de mejoras en su funcionamiento económico. Se han logrado muchos avances, pero a pesar de todos estos esfuerzos, la eficiencia térmica no supera el 13%. Esta cifra del 13% es incluso excepcional y sólo se obtuvo gracias a la utilización de una presión de vapor de 13 kilogramos y al sobrecalentamiento del vapor a una temperatura de 350° antes de su admisión en el cilindro. Evidentemente, estas no son las condiciones operativas industriales habituales.

FIG. 1. — NUEVO MOTOR DE PETRÓLEO (Sistema diésel): Vista del motor de 20 caballos de potencia utilizado en los experimentos de Augsbourg.

Se puede considerar que actualmente, con motores bien construidos y operados con cuidado, la eficiencia térmica máxima alcanza:

12 % con motores de triple o cuádruple expansión, con una potencia superior a 1.000 caballos de potencia, lo que corresponde a 0,7 kg de carbón por caballo de potencia-hora, con un carbón con un poder calorífico de 7.500 calorías;

9 a 10 % con motores de expansión larga, de 200 a 1.000 caballos de potencia, o 0,81 kg de carbón por caballo de potencia-hora;

5 a 6 % con motores de condensación con una potencia inferior a 100 caballos de potencia, o 1,4 kg de carbón por caballo de potencia-hora; 

3 a 4 % con motores sin condensación, o 2 a 2,85 kg de carbón por caballo de potencia-hora. 

Hace unos años, el ingeniero alemán Rudolf Diesel, tras un estudio exhaustivo de las múltiples causas que limitan la eficiencia de las máquinas de vapor, emprendió una serie de estudios para construir una máquina racional con alta eficiencia térmica. Se fijó el objetivo de implementar, en la medida de lo posible, el ciclo reversible de Carnot.

Para lograr este resultado, buscó aprovechar tanto una gran caída de temperatura como de presión, eliminando algunos de los componentes auxiliares que causan pérdida de calor. La idea era producir la combustión en el cilindro del motor con aire previamente sometido a alta presión.

Los motores de gas ya cumplían estas condiciones, al menos en parte, ya que en estos dispositivos se enciende una mezcla explosiva más o menos comprimida mediante una chispa eléctrica o cualquier otro medio. Todos los ingenieros que trabajan con motores de gas saben que su funcionamiento es más económico cuanto mayor es la compresión antes de la ignición. Un aumento de la compresión resulta en un aumento de la presión de explosión y permite un período de expansión más largo, lo que obviamente se traduce en un aumento de la eficiencia.

Desafortunadamente, en la compresión de mezclas explosivas de gases, existe un límite insuperable: el que causaría una ignición espontánea debido al aumento de temperatura producido por la propia compresión. La experiencia práctica ha determinado, para cada tipo de mezcla de gases (gas de alumbrado y aire, vapores de petróleo o gasolina y aire, gas pobre y aire), el límite de compresión que no debe superarse sin correr el riesgo de igniciones prematuras que rompan los ejes del motor. Generalmente se considera que este límite se alcanza alrededor de las 6 a 8 atmósferas.

El señor Diesel, queriendo aumentar el rendimiento, propuso aumentar la compresión más allá de las 30 atmósferas. y, para que esto fuera posible, comprimió por separado el combustible y el aire de combustión, y sólo los reunió en el momento preciso en que debía producirse la combustión.

El motor diseñado por este ingeniero y probado en Augsburgo funciona con aceite. El líquido es empujado hacia el cilindro, cuando se abre la válvula de admisión, mediante una pequeña bomba de alta presión impulsada por el motor. Otra bomba comprime aire a una presión de 40 atmósferas, en un pequeño recipiente colocado al lado de la máquina. Esta reserva de aire comprimido se utiliza para poner en marcha la máquina tras las paradas.

El motor funciona en un ciclo de cuatro tiempos, como la mayoría de los motores de gasolina: succión de aire por el pistón del motor; compresión en el cilindro; introducción y combustión de petróleo, seguida del período de expansión; finalmente, expulsión de gases quemados.

El ciclo adoptado por el Sr. Diesel tiene la particularidad de que el aire comprimido durante la segunda etapa se lleva a una presión de aproximadamente 34 atmósferas. Esta elevada compresión tiene el efecto de elevar la temperatura del aire más allá de la que corresponde a la ignición del aceite. El resultado es que, en cuanto una partícula de líquido combustible ha entrado en el cilindro tras la elevación de la aguja que cierra el orificio de introducción, la combustión se produce completamente en un medio oxidante a alta temperatura. La combustión continúa mientras, con la aguja en alto, el aceite continúa entrando en el cilindro. Durante este tiempo, el pistón no permanece estacionario, sino que avanza un poco, aumentando así gradualmente la capacidad de la cámara de combustión.

Como consecuencia del calor desprendido por la combustión, la temperatura tiende a aumentar en la cámara y a aumentar la presión de los gases que la llenan. Pero como, al mismo tiempo, la capacidad de la cámara ha aumentado, siguiendo el avance del pistón, se ha producido un comienzo de expansión, cuyo efecto es bajar la temperatura de la masa gaseosa. El dispositivo está regulado de tal manera que el enfriamiento debido a la expansión compensa el aumento de presión debido a la combustión, de modo que, durante el período de combustión, el pistón es empujado bajo presión constante, como ocurre en una máquina de vapor durante el período de admisión.

Por tanto, los componentes de la máquina no están sometidos a golpes violentos como en otros sistemas de motores de gas donde la ignición de la mezcla comprimida produce una explosión al inicio de la carrera.

En la práctica, como se desprende de los esquemas observados durante las pruebas, la parte superior de la curva no es horizontal, sino redondeada, pero no tiene el carácter de proyección violenta que observamos en los esquemas de los motores de combustión interna.

Cabe señalar que la combustión del aceite es absolutamente completa, como lo demuestra la ausencia de olor en los gases de escape.

Se probaron varias disposiciones antes de llegar a la forma actual del dispositivo. Se construyó un primer motor con dos cilindros que actuaban alternativamente; estaban conectados a un tercer cilindro de mayor diámetro, en el que se expandían los gases de combustión. Después de dos años de experimentos, durante los cuales el primer motor fue modificado varias veces, el Sr. Diesel construyó un nuevo motor monocilíndrico de 12 caballos de fuerza que funcionó durante un tiempo suficiente para permitirle estudiar experimentalmente las mejores disposiciones para los diferentes órganos: pistones, válvulas, levas, bombas, etc. Finalmente, en 1896, el Sr. Diesel inició la construcción de un tercer tipo de 20 caballos: este es el que se utilizó en los experimentos de Augsburgo y que dio los resultados económicos. que acabamos de indicar; está representado por las Figuras 1, 2, 3, 4 y 5.

Mientras que en los dos primeros tipos el cilindro era de pared simple, en el nuevo está provisto de circulación de agua C. El pistón P, muy largo, está equipado con numerosos segmentos. El árbol de levas que controla los movimientos de las válvulas se encuentra en la parte superior de la máquina. En la culata superior están dispuestas simétricamente la válvula de aspiración y la válvula de escape, y en el centro se encuentra la válvula de entrada de aceite. Una pequeña bomba de aire Q (fig. 4), situada en el lateral, suministra en un depósito L aire comprimido a 40 atmósferas, destinado al arranque de la máquina y que puede distribuirse en la cámara de inyección D (fig. 4 y 5), a través del tubo S. Es también en esta cámara donde llega el aceite que es enviado allí por una bomba, no indicada en la figura, en los intervalos que quedan entre los períodos de combustión en el funcionamiento a 4 tiempos.

Cuando la aguja de inyección sube, entra aceite, como resultado de su exceso de presión, en la cámara de compresión produciéndose así el periodo de combustión. La forma y longitud de la curva de combustión se puede modificar según la potencia que debe proporcionar la máquina, modificando ya sea el período de admisión, o la presión de aire del tanque L, o iniciando la inyección en diferentes puntos de la compresión.

FIG. 2 y 3. — Alzado y planta del motor de aceite de 20 caballos de potencia, sistema Diesel.

La figura 3 representa el conjunto de la distribución y, en particular, el dispositivo de arranque del motor mediante aire comprimido procedente del depósito L. El árbol de levas W lleva un determinado número de levas de I a V; la leva I controla la válvula V1 durante el funcionamiento de cuatro tiempos, III la inyección de combustible en la boquilla D y V la válvula de escape V2. Toda esta distribución también se utiliza para arrancar la máquina haciendo pasar el aire comprimido de L al cilindro a través de la válvula Y (fig. 4); este aire entra así en el pistón y luego escapa a través de la válvula V2. Durante este breve período de arranque, la palanca H (fig. 3) se encuentra en la posición punteada H2, en la que la válvula Y está controlada por la leva 11, la válvula V2 por la leva IV (en lugar de V), mientras que la leva III controla la aguja de inyección, estando fuera de acción la leva I de la válvula de inyección.

FIG. 4 y 5. — Secciones verticales del motor de aceite de 20 caballos de potencia, sistema Diesel.

Después de un pequeño número de revoluciones, la máquina adquiere su velocidad normal; en este momento retiramos un pasador d (fig. 3), que sujeta la palanca en la posición H1; regresa con las cinco levas automáticamente a su posición normal por la acción del resorte F y se establece la velocidad normal de funcionamiento sin que exista interrupción alguna. Para que las levas se muevan en el momento deseado, su salto sólo puede producirse en el momento exacto en que una muesca, practicada a tal efecto en el cubo de la leva, pasa por delante de la cala p.

La lubricación se realiza mediante una bomba de aceite cuyo caudal está fijado en 40 centímetros cúbicos por hora.

Se llevaron a cabo varias series de experimentos con este motor de 20 caballos durante el primer trimestre de 1897. Los resultados generales se resumen en la siguiente tabla:

Un gran número de esquemas, observados durante las pruebas, ponen de relieve la gran regularidad de funcionamiento del motor. Las figuras 6, 7, 8 y 9 representan las más interesantes.

La figura 7 es un diagrama tomado en carga normal y presenta del 1 al 2 la curva de compresión, del 2 al 3 la curva de combustión, primero redondeada, luego aproximadamente isotérmica, y del 3 al 4 la curva de expansión.

La Figura 6 muestra el ajuste automático de la máquina, cuando la carga completa se elimina repentinamente y se reduce a un valor casi nulo. 1, 2, 3,4 es el diagrama normal similar al de la Figura 6; 1' 2' 3' 4' muestra la reducción en el diagrama producida por la reducción del período de admisión de combustible, del mismo modo que, en una máquina de vapor, el trabajo producido se reduce al variar la longitud de admisión. Este diagrama muestra una de las propiedades más importantes de la máquina: su parecido con la máquina de vapor desde el punto de vista de la forma de sus esquemas y su ajuste.

 

FIG. 10. — NUEVO MOTOR DE ACEITE (Sistema Diesel): Vista del motor de 150 caballos de potencia.

La figura 8 muestra un diagrama tomado a media carga.

Finalmente, el diagrama representado por la Figura 9 muestra el trabajo de la bomba de aire comprimido.

El señor Schrôter, profesor de la Escuela Politécnica de Munich, dirigió los experimentos del 17 de febrero, que se llevaron a cabo con el mayor cuidado, y en el informe que presentó el 16 de junio a la Sociedad de Ingenieros Alemanes en Cassel, resume el balance térmico del motor Diesel en la siguiente tabla donde todos los valores se entienden por hora:

De lo que se deduce, haciendo la media aritmética de los dos tipos de carga, que el porcentaje de calor disponible utilizado es el siguiente:

La temperatura de los gases de escape se midió varias veces durante los experimentos: varió, a plena carga, entre 378° y 404º; a media carga, era 260º.

A raíz de las experiencias que acabamos de describir, el Sr. Diesel invitó a una comisión de ingenieros franceses (1) a venir a Augsburgo para realizar nuevas pruebas de consumo y eficiencia.

Esta Comisión llevó a cabo nuevos experimentos el 30 de abril y el 1 de mayo de 1897, con la asistencia del Sr. Reichembach, ingeniero de la Maschinenfabrik, de Augsburgo.

El aceite utilizado era de calidad lampante ordinaria, con una densidad de 0,791 a una temperatura de 25°. Su poder calorífico se determinó sucesivamente con el calorímetro Junckers y con la bomba Malher, y resultó igual a 10.200 calorías por kilogramo.

Se encontró que el funcionamiento de la máquina era muy suave bajo diversas cargas.

Los diagramas se registraron cada 5 minutos durante las pruebas, y el mismo diagrama registró 83 pasajes sucesivos que se superpusieron absolutamente sin producir más rastro que un ligero engrosamiento de la línea del lápiz.

Se llevaron a cabo seis series de pruebas variando la carga de frenado, desde plena carga hasta el ralentí.

Los resultados de estas pruebas se resumen en la siguiente tabla.

Estos resultados, como vemos, confirman plenamente los obtenidos en experimentos anteriores.

Todos los experimentos a los que ha sido sometido ponen de relieve dos valiosas particularidades del motor Diesel, que lo distinguen de todos los demás motores térmicos conocidos hasta la fecha: 1° la tasa de calor disponible transformado por él en trabajo indicado; 2° el aumento de este régimen a carga reducida.

Por otro lado, gracias a su ciclo, completamente diferente al de los motores de combustión interna, el motor Diesel se regula exactamente como el motor de vapor, es decir variando la admisión, como lo indica muy claramente el diagrama de la Figura 11 que se observó durante la transición de carga completa a funcionamiento sin carga.

Después del motor cuya descripción acabamos de hacer, el señor Diesel construyó otro de 150 caballos de potencia, cuyo aspecto exterior se muestra en las Figuras 10 y 12.

Se trata de un motor compuesto de tres cilindros, dos de combustión y uno de expansión colocado entre los dos primeros.

Los dos pequeños cilindros funcionan con cuatro tiempos y se alternan para producir una explosión con cada vuelta de la manivela. Los gases de combustión se expanden por encima del pistón del cilindro grande, cuya manivela está situada a 180º de los otros dos que están ambos en el mismo plano. La parte inferior del cilindro grande sirve como bomba de aire y alimenta un depósito intermedio que abastece a los dos cilindros pequeños, al inicio de su carrera, con aire ya comprimido.

Las pruebas realizadas con este nuevo tipo de motor aún no han sido publicadas.

Al mismo tiempo, el Sr. Diesel hizo construir otro motor para funcionar con el gas pobre producido en un gasógeno. En este motor será necesario comprimir el gas combustible y el aire de combustión, lo que aumentará significativamente la resistencia pasiva del dispositivo. Pero, por otra parte, como el precio del combustible es mucho más bajo que el del petróleo, este aumento negativo del trabajo puede muy bien no ser un obstáculo para el funcionamiento económico.

FIG. 12. - NUEVO MOTOR DE ACEITE (Sistema Diesel): Vista del motor de 150 caballos de potencia.

A la espera de los resultados de este nuevo motor, no podemos hacer más que desear al inventor que obtenga, con gas pobre, un éxito similar al que le proporcionó su motor de petróleo.

(1) Esta Comisión estaba compuesta por MM. F. SAUVAGE, profesor de la Escuela de Minas de París; CARIÉ, ingeniero jefe de la Société des Forges et Chantiers de la Méditerranée; J. MERCEREAU, ingeniero director de la Compagnie Meusienne des Chemins de fer; Fried DYCKHOFF, constructor en Bar-le-Duc.

C. JIMELS, Ingénieur civil.