Un motor alternativo , también conocido como motor de pistón , es típicamente un motor térmico (aunque también hay motores alternativos neumáticos e hidráulicos ) que utiliza uno o más pistones alternativos para convertir la presión en un movimiento giratorio . Este artículo describe las características comunes de todos los tipos. Los principales tipos son: el motor de combustión interna , ampliamente utilizado en los vehículos de motor; la máquina de vapor , pilar de la Revolución Industrial ; y el motor Stirling de aplicaciones específicas. Los motores de combustión interna se clasifican además de dos maneras: un motor de encendido por chispa (SI) , donde la bujía inicia la combustión; o un motor de encendido por compresión (CI) , donde el aire dentro del cilindro se comprime, calentándolo así , de modo que el aire caliente encienda el combustible que se inyecta en ese momento o antes . [1]
Características comunes en todos los tipos [ editar ]
Puede haber uno o más pistones. Cada pistón está dentro de un cilindro , en el que se introduce un gas, ya sea a presión (por ejemplo, una máquina de vapor ) o se calienta dentro del cilindro, ya sea mediante el encendido de una mezcla de aire y combustible ( motor de combustión interna ) o por contacto con un intercambiador de calor caliente. en el cilindro ( motor Stirling ). Los gases calientes se expanden, empujando el pistón hacia la parte inferior del cilindro. Esta posición también se conoce como el punto muerto inferior (BDC), o donde el pistón forma el volumen más grande en el cilindro. El pistón se devuelve a la parte superior del cilindro ( centro muerto superior ) (TDC) mediante un volante, la potencia de otros pistones conectados al mismo eje o (en un cilindro de doble efecto ) por el mismo proceso actuando en el otro lado del pistón. Aquí es donde el pistón forma el volumen más pequeño del cilindro. En la mayoría de los tipos, los gases expandidos o " agotados " se eliminan del cilindro mediante esta carrera . La excepción es el motor Stirling , que calienta y enfría repetidamente la misma cantidad sellada de gas. La carrera es simplemente la distancia entre el TDC y el BDC, o la mayor distancia que el pistón puede viajar en una dirección.
En algunos diseños, el pistón puede accionarse en ambas direcciones en el cilindro, en cuyo caso se dice que es de doble acción .
Un diagrama esquemático etiquetado de un motor de vapor de alta presión de doble acción, expansión simple y monocilíndrico típico. La toma de fuerza del motor se realiza mediante una correa.
- Pistón
- Vástago de émbolo
- Cojinete de cruceta
- Biela
- Manivela
- Movimiento excéntrico de la válvula
- Volante
- Valvula corrediza
- Gobernador centrífugo
En la mayoría de los tipos, el movimiento lineal del pistón se convierte en un movimiento de rotación mediante una biela y un cigüeñal o mediante un plato oscilante u otro mecanismo adecuado. A menudo se usa un volante para asegurar una rotación suave o para almacenar energía para llevar el motor a través de una parte del ciclo sin motor. Cuantos más cilindros tenga un motor alternativo, por lo general, más libre de vibraciones (sin problemas) puede funcionar. La potencia de un motor alternativo es proporcional al volumen de desplazamiento de los pistones combinados.
Se debe hacer un sello entre el pistón deslizante y las paredes del cilindro para que el gas a alta presión sobre el pistón no se escape y reduzca la eficiencia del motor. Este sello generalmente lo proporcionan uno o más anillos de pistón . Estos son anillos hechos de un metal duro y se colocan en una ranura circular en la cabeza del pistón. Los anillos encajan estrechamente en la ranura y presionan ligeramente contra la pared del cilindro para formar un sello, y más fuertemente cuando la presión de combustión más alta se mueve hacia sus superficies internas.
Es común clasificar dichos motores por el número y alineación de cilindros y el volumen total de desplazamiento de gas por los pistones que se mueven en los cilindros, generalmente medido en centímetros cúbicos (cm³ o cc) o litros (l) o (L) (EE. UU.: litro). Por ejemplo, para los motores de combustión interna, los diseños de uno y dos cilindros son comunes en vehículos más pequeños como las motocicletas , mientras que los automóviles suelen tener entre cuatro y ocho, y las locomotoras , y los barcos pueden tener una docena de cilindros o más. Las capacidades de los cilindros pueden variar desde 10 cm³ o menos en los modelos de motores hasta miles de litros en los motores de los barcos. [2]
La relación de compresión afecta el rendimiento en la mayoría de los tipos de motores alternativos. Es la relación entre el volumen del cilindro, cuando el pistón está en la parte inferior de su carrera, y el volumen cuando el pistón está en la parte superior de su carrera.
La relación diámetro / carrera es la relación entre el diámetro del pistón, o "diámetro", y la longitud del recorrido dentro del cilindro, o "carrera". Si es alrededor de 1, se dice que el motor es "cuadrado", si es mayor que 1, es decir, el diámetro es mayor que la carrera, es "sobrecuadrado". Si es menor que 1, es decir, la carrera es mayor que el orificio, es "bajo cuadrado".
Los cilindros se pueden alinear en línea , en una configuración en V , horizontalmente opuestos entre sí o radialmente alrededor del cigüeñal. Los motores de pistones opuestos ponen dos pistones trabajando en extremos opuestos del mismo cilindro y esto se ha extendido en arreglos triangulares como el Napier Deltic . Algunos diseños han puesto los cilindros en movimiento alrededor del eje, como el motor rotativo .
- Pared del cilindro caliente
- Pared del cilindro frío
- Pistón desplazador
- Pistón de potencia
- Volantes
En las máquinas de vapor y los motores de combustión interna, se requieren válvulas para permitir la entrada y salida de gases en los momentos correctos del ciclo del pistón. Estos son accionados por levas, excéntricas o manivelas accionadas por el eje del motor. Los primeros diseños usaban la válvula de corredera D, pero esto ha sido reemplazado en gran medida por los diseños de válvula de pistón o válvula de asiento . En las máquinas de vapor, el punto en el ciclo del pistón en el que se cierra la válvula de entrada de vapor se llama corte y esto a menudo se puede controlar para ajustar el par suministrado por el motor y mejorar la eficiencia. En algunas máquinas de vapor, la acción de las válvulas se puede reemplazar por un cilindro oscilante .
Los motores de combustión interna operan a través de una secuencia de carreras que admiten y eliminan gases hacia y desde el cilindro. Estas operaciones se repiten cíclicamente y se dice que un motor es de 2 tiempos , 4 tiempos o 6 tiempos dependiendo de la cantidad de carreras que se necesitan para completar un ciclo.
En algunas máquinas de vapor, los cilindros pueden ser de diferentes tamaños y el cilindro de diámetro más pequeño trabaja con vapor a la presión más alta. A continuación, se alimenta a través de uno o más cilindros de orificio cada vez más grande sucesivamente, para extraer energía del vapor a presiones cada vez más bajas. Estos motores se denominan motores compuestos .
Además de observar la potencia que puede producir el motor, la presión efectiva media (MEP) también se puede utilizar para comparar la potencia y el rendimiento de motores alternativos del mismo tamaño. La presión efectiva media es la presión ficticia que produciría la misma cantidad de trabajo neto que se produjo durante el ciclo de carrera de potencia. Esto se muestra por:
- W neto = MEP × Área del pistón × Carrera = MEP × Volumen de desplazamiento
y por lo tanto:
- MEP = W neto / Volumen de desplazamiento
Cualquiera que sea el motor con el mayor valor de MEP produce más trabajo neto por ciclo y funciona de manera más eficiente. [1]
Historia [ editar ]
Un ejemplo conocido temprano de movimiento rotativo a alternativo es el mecanismo de manivela . Las primeras manivelas manuales aparecieron en China durante la dinastía Han (202 a. C.-220 d. C.). [3] Los chinos utilizaron la manivela y la biela para operar molinillos desde la dinastía Han Occidental (202 a. C. - 9 d. C.). Finalmente, se utilizaron manivelas y bielas en la interconversión de movimientos rotatorios y alternativos para otras aplicaciones, como tamizadoras de harina, máquinas devanadoras de seda, ruedas giratorias de pedal y fuelles de hornos accionados por caballos o ruedas hidráulicas. [4] [3] Varios aserraderos en Asia romana y Siria bizantinadurante los siglos III-VI dC tenía un mecanismo de manivela y biela que convertía el movimiento giratorio de una rueda hidráulica en el movimiento lineal de las hojas de sierra. [5] En 1206, el ingeniero árabe Al-Jazari inventó un cigüeñal . [6]
El motor alternativo se desarrolló en Europa durante el siglo XVIII, primero como motor atmosférico y luego como motor de vapor . Estos fueron seguidos por el motor Stirling y el motor de combustión interna en el siglo XIX. Hoy en día, la forma más común de motor alternativo es el motor de combustión interna que funciona con la combustión de gasolina , diésel , gas licuado de petróleo (GLP) o gas natural comprimido (GNC) y se utiliza para impulsar vehículos de motor y centrales eléctricas .
Un motor alternativo notable de la era de la Segunda Guerra Mundial fue el motor radial Wasp Major de 28 cilindros y 3500 hp (2600 kW) Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major . Impulsó la última generación de grandes aviones con motor de pistón antes de que los motores a reacción y los turbohélices se hicieran cargo de 1944 en adelante. Tenía una capacidad total del motor de 71,5 L (4.360 pulgadas cúbicas) y una alta relación potencia-peso.
El motor alternativo más grande en producción en la actualidad, pero no el más grande jamás construido, es el motor diesel de dos tiempos turboalimentado Wärtsilä-Sulzer RTA96-C de 2006 construido por Wärtsilä . Se utiliza para impulsar los buques portacontenedores modernos más grandes, como el Emma Mærsk . Tiene cinco pisos de altura (13,5 mo 44 pies), 27 m (89 pies) de largo y pesa más de 2.300 toneladas métricas (2.500 toneladas cortas) en su versión más grande de 14 cilindros que produce más de 84,42 MW (114.800 bhp). Cada cilindro tiene una capacidad de 1.820 L (64 pies cúbicos), lo que hace una capacidad total de 25.480 L (900 pies cúbicos) para las versiones más grandes.
Capacidad del motor [ editar ]
Para los motores de pistón, la capacidad de un motor es el desplazamiento del motor , en otras palabras, el volumen barrido por todos los pistones de un motor en un solo movimiento. Generalmente se mide en litros (l) o pulgadas cúbicas (cid, cu in o in³) para motores más grandes, y centímetros cúbicos (abreviado cc) para motores más pequeños. En igualdad de condiciones, los motores con mayores capacidades son más potentes y el consumo de combustible aumenta en consecuencia (aunque esto no es cierto para todos los motores alternativos), aunque la potencia y el consumo de combustible se ven afectados por muchos factores fuera de la cilindrada del motor.
Poder [ editar ]
Los motores alternativos se pueden caracterizar por su potencia específica , que normalmente se expresa en kilovatios por litro de cilindrada (en EE. UU. También caballos de fuerza por pulgada cúbica). El resultado ofrece una aproximación de la potencia máxima de un motor. Esto no debe confundirse con la eficiencia del combustible , ya que una alta eficiencia a menudo requiere una relación pobre entre combustible y aire y, por lo tanto, una menor densidad de potencia. Un motor de automóvil moderno de alto rendimiento genera más de 75 kW / L (1.65 hp / in 3 ).
Otros tipos modernos de combustión no interna [ editar ]
Los motores alternativos que funcionan con aire comprimido, vapor u otros gases calientes todavía se utilizan en algunas aplicaciones, como para impulsar muchos torpedos modernos o como fuerza motriz libre de contaminación. La mayoría de las aplicaciones impulsadas por vapor utilizan turbinas de vapor , que son más eficientes que los motores de pistón.
Los vehículos FlowAIR de diseño francés utilizan aire comprimido almacenado en un cilindro para impulsar un motor alternativo en un vehículo urbano libre de contaminación local. [7]
Los torpedos pueden usar un gas de trabajo producido por peróxido de prueba alto o combustible Otto II , que presurizan sin combustión. El torpedo Mark 46 de 230 kg (510 lb) , por ejemplo, puede viajar 11 km (6,8 millas) bajo el agua a 74 km / h (46 mph) alimentado por combustible Otto sin oxidante .
Motor de calor cuántico alternativo [ editar ]
Los motores de calor cuántico son dispositivos que generan energía a partir del calor que fluye de un depósito caliente a uno frío. El mecanismo de funcionamiento del motor puede describirse mediante las leyes de la mecánica cuántica . Los refrigeradores Quantum son dispositivos que consumen energía con el propósito de bombear calor de un depósito frío a uno caliente.
En un motor térmico cuántico alternativo, el medio de trabajo es un sistema cuántico como los sistemas de espín o un oscilador armónico. El ciclo de Carnot y el ciclo de Otto son los más estudiados. [8] Las versiones cuánticas obedecen a las leyes de la termodinámica . Además, estos modelos pueden justificar los supuestos de la termodinámica endorreversible . Un estudio teórico ha demostrado que es posible y práctico construir un motor alternativo que se compone de un solo átomo oscilante. Esta es un área de investigación futura y podría tener aplicaciones en nanotecnología . [9]
Motores varios [ editar ]
Existe una gran cantidad de variedades inusuales de motores de pistón que tienen varias ventajas, muchas de las cuales tienen poco o ningún uso actual:
- Motor de pistón libre
- Motor de pistones opuestos
- Motor de pistón oscilante
- Motor IRIS
- Motor de Bourke
- Motor termomagnético
Ver también [ editar ]
- Calentar motor para ver la termodinámica involucrada en estos motores.
- Para un enfoque contrastante sin pistones, vea el motor rotativo sin pistones .
- Para obtener una perspectiva histórica, consulte Cronología de la tecnología de motores térmicos .
- Máquina de vapor
- Locomotora de vapor
- motor Stirling
- Motor de combustión interna
- Ciclo de Otto
- Ciclo diesel
- Configuración del motor para una discusión de la disposición de los componentes principales de un motor de combustión interna de pistón alternativo.
- Motor diesel
- Motor de gasolina
Notas [ editar ]
- ^ a b Termodinámica: un enfoque de ingeniería por Yunus A. Cengal y Michael A. Boles
- ^ Hanlon, Mike. El motor diesel más potente del mundo GizMag . Consultado: 14 de abril de 2017.
- ^ a b Needham, José. (1986). Ciencia y civilización en China: Volumen 4, Parte 2, Ingeniería mecánica. Taipei: Caves Books, Ltd. Páginas 118–119.
- ↑ Hong-Sen Yan, Marco Ceccarelli (2009). Simposio Internacional de Historia de Máquinas y Mecanismos . Springer Science and Business Media. pag. 235–249. ISBN 978-1-4020-9484-2.
- ^ Ritti, Tullia; Grewe, Klaus; Kessener, Paul (2007), "Un alivio de un aserradero de piedra impulsado por agua en un sarcófago en Hierápolis y sus implicaciones", Journal of Roman Archaeology , 20 : 138–163, doi : 10.1017 / S1047759400005341
- ^ Sally Ganchy, Sarah Gancher (2009), Islam y ciencia, medicina y tecnología , The Rosen Publishing Group, p. 41 , ISBN 978-1-4358-5066-8
- ^ AIRPod fabricado por MDI SA. Consultado el 19 de febrero de 2015.
- ^ [1] Rendimiento irreversible de un motor de calor armónico cuántico, Rezek y Kosloff, New J. Phys. 8 (2006) 83
- ^ ¿Se puede construir un motor de automóvil con una sola partícula? Physorg, 30 de noviembre de 2012 por Lisa Zyga. Accedido 01-12-12
Enlaces externos [ editar ]
- Vídeo de combustión : combustión en cilindro en un motor de dos tiempos ópticamente accesible
- HowStuffWorks: cómo funcionan los motores de los automóviles
- Motores alternativos en Infoplease.
- Piston Engines en la Comisión del Centenario de Vuelo de EE. UU.
