Arrancador (motor)
Un arrancador (también autoarranque, motor de arranque o motor de arranque) es un dispositivo que se utiliza para girar (manivela) un motor de combustión interna para iniciar la operación del motor por su propia potencia. Los arrancadores pueden ser eléctricos, neumáticos o hidráulicos. El motor de arranque también puede ser otro motor de combustión interna en el caso, por ejemplo, de motores muy grandes o motores diésel en aplicaciones agrícolas o de excavación.
Los motores de combustión interna son sistemas de retroalimentación que, una vez iniciados, dependen de la inercia de cada ciclo para iniciar el ciclo siguiente. En un motor de cuatro tiempos, el tercer golpe libera energía del combustible, impulsando el cuarto golpe (de escape) y también los dos primeros (admisión, compresión) del siguiente ciclo, así como también alimentando la parte externa del motor. carga. Para iniciar el primer ciclo al comienzo de cualquier sesión en particular, los dos primeros tiempos deben ser alimentados de alguna otra manera que no sea el propio motor. El motor de arranque se usa para este propósito y no se requiere una vez que el motor comienza a funcionar y su ciclo de retroalimentación se vuelve autosuficiente.
Historia
Antes de la llegada del motor de arranque, los motores se arrancaban mediante varios métodos, incluidos resortes de cuerda, cilindros de pólvora y técnicas impulsadas por humanos, como una manivela extraíble que enganchaba la parte delantera del cigüeñal y tiraba de la hélice de un avión., o tirando de una cuerda que estaba enrollada alrededor de una polea de cara abierta.
El método de manivela se usaba comúnmente para arrancar motores, pero era inconveniente, difícil y peligroso. El comportamiento de un motor durante el arranque no siempre es predecible. El motor puede retroceder, provocando una rotación inversa repentina. Muchos arrancadores manuales incluían una disposición de deslizamiento o liberación unidireccional para que una vez que comenzara la rotación del motor, el arrancador se desconectara del motor. En el caso de un contragolpe, la rotación inversa del motor podría activar repentinamente el motor de arranque, lo que provocaría que la manivela se sacudiera de forma inesperada y violenta, lo que podría lesionar al operador. Para los arrancadores con cordón enrollado, un contragolpe podría empujar al operador hacia el motor o la máquina, o balancear el cordón y la manija del arrancador a alta velocidad alrededor de la polea del arrancador. A pesar de que las manivelas tenían un mecanismo de sobremarcha, cuando el motor arrancaba, la manivela podía comenzar a girar junto con el cigüeñal y potencialmente golpear a la persona que arrancaba el motor. Además, había que tener cuidado de retardar la chispa para evitar que se reprodujera; con un ajuste de chispa avanzado, el motor podría retroceder (marcha atrás), tirando de la manivela con él, porque el mecanismo de seguridad de sobremarcha funciona en una sola dirección.
Aunque se aconsejó a los usuarios colocar los dedos y el pulgar debajo de la manivela y tirar hacia arriba, era natural que los operadores agarraran el mango con los dedos de un lado y el pulgar del otro. Incluso un simple petardeo podría resultar en un pulgar roto; era posible terminar con una muñeca rota, un hombro dislocado o algo peor. Además, los motores cada vez más grandes con relaciones de compresión más altas hicieron que el arranque manual fuera un esfuerzo físicamente más exigente.
El primer arranque eléctrico se instaló en un Arnold, una adaptación del Benz Velo, construido en 1896 en East Peckham, Inglaterra, por el ingeniero eléctrico H. J. Dowsing.
En 1903, Clyde J. Coleman inventó y patentó el primer motor de arranque eléctrico en América EE. UU. Patente 0.745.157.
En 1911, Charles F. Kettering, junto con Henry M. Leland, de Dayton Engineering Laboratories Company (DELCO), inventaron y archivaron U.S. Patente 1.150.523 de arranque eléctrico en América. (Kettering había reemplazado la manivela de las cajas registradoras de NCR por un motor eléctrico cinco años antes).
Un aspecto de la invención consiste en darse cuenta de que un motor relativamente pequeño, impulsado con un voltaje y una corriente más altos de lo que sería factible para una operación continua, podría generar suficiente potencia para arrancar el motor. A los niveles de voltaje y corriente requeridos, dicho motor se quemaría en unos pocos minutos de funcionamiento continuo, pero no durante los pocos segundos necesarios para arrancar el motor. Los motores de arranque se instalaron por primera vez en el Cadillac Model Thirty en 1912, y Lanchester adoptó el mismo sistema ese mismo año. Estos arrancadores también funcionaban como generadores una vez que el motor estaba en marcha, un concepto que ahora se está recuperando en los vehículos híbridos.
Aunque el motor de arranque eléctrico llegaría a dominar el mercado de automóviles, en 1912 existían varios tipos de arranque en competencia, con Adams, S.C.A.T. y los automóviles Wolseley que tienen arranques de aire directos, y Sunbeam presenta un motor de arranque de aire con un enfoque similar al utilizado para los motores de arranque eléctricos Delco y Scott-Crossley (es decir, acoplado con un anillo dentado en el volante). Los automóviles Star y Adler tenían motores de resorte (a veces denominados motores de relojería), que usaban la energía almacenada en un resorte que conducía a través de un engranaje reductor. Si el automóvil no arranca, la manija de arranque podría usarse para enrollar el resorte para un nuevo intento.
Una de las innovaciones del primer automóvil Dodge, el Modelo 30-35 en su presentación en 1914, fue un arranque eléctrico y alumbrado eléctrico con un sistema de 12 voltios (contra los seis voltios que era habitual en ese momento) como equipamiento estándar en lo que era un automóvil de precio relativamente bajo. El Dodge usaba una unidad combinada de generador de arranque, con una dínamo de corriente continua acoplada permanentemente por engranajes al cigüeñal del motor. Un sistema de relés eléctricos permitió que esto se accionara como un motor para girar el motor para arrancar, y una vez que se soltó el botón de arranque, el interruptor de control devolvió la unidad a la operación como un generador. Debido a que el generador de arranque estaba acoplado directamente al motor, no necesitaba un método para conectar y desconectar la transmisión del motor. Por lo tanto, sufrió un desgaste mecánico insignificante y su funcionamiento fue prácticamente silencioso. El generador de arranque siguió siendo una característica de los automóviles Dodge hasta 1929. La desventaja del diseño era que, como dispositivo de doble propósito, la unidad estaba limitada tanto en su potencia como motor como en su salida como generador, lo que se convirtió en un problema. a medida que aumentaba el tamaño del motor y las demandas eléctricas de los automóviles. Controlar el interruptor entre los modos de motor y generador requería un dispositivo de conmutación dedicado y relativamente complejo que era más propenso a fallar que los contactos de servicio pesado de un motor de arranque dedicado. Si bien el generador de arranque dejó de ser apreciado por los automóviles en la década de 1930, el concepto seguía siendo útil para vehículos más pequeños y fue retomado por la empresa alemana SIBA Elektrik, que construyó un sistema similar diseñado principalmente para su uso en motocicletas, scooters, automóviles económicos (especialmente esos serán motores de dos tiempos de pequeña capacidad) y motores marinos. Estos se comercializaron bajo la marca 'Dynastart' nombre. Dado que las motocicletas generalmente tenían motores pequeños y equipo eléctrico limitado, así como espacio y peso restringidos, el Dynastart fue una característica útil. Los devanados para el generador de arranque generalmente se incorporaban al volante del motor, por lo que no requerían una unidad separada en absoluto.
El Ford Modelo T se basó en manivelas manuales hasta 1919; Durante la década de 1920, los arrancadores eléctricos se volvieron casi universales en la mayoría de los automóviles nuevos, lo que facilitó la conducción para mujeres y personas mayores. Todavía era común que los automóviles se suministraran con manijas de arranque en la década de 1960, y esto continuó mucho más tarde para algunas marcas (por ejemplo, Citroën 2CV hasta el final de la producción en 1990). En muchos casos, las manivelas se usaron para ajustar la sincronización en lugar de arrancar el motor, ya que el aumento de los desplazamientos y las relaciones de compresión hicieron que esto no fuera práctico. Los automóviles del bloque comunista, como los Ladas, a menudo todavía lucían arranques a manivela hasta la década de 1980.
Para los primeros ejemplos de producción de motores turborreactores alemanes más adelante en la Segunda Guerra Mundial, Norbert Riedel diseñó un pequeño motor de gasolina de dos tiempos y dos cilindros opuestos para poner en marcha las turbinas de gas de los aviones Junkers Jumo 004 y BMW 003 como una forma de auxiliar. unidad de potencia para hacer girar el eje central de cada diseño de motor; por lo general, se instalaban en la parte delantera del turborreactor y se arrancaban con una cuerda de tracción para que funcionaran durante el procedimiento de arranque de los motores a reacción en los que estaban instalados..
Antes de la innovación de Chrysler de 1949 de la combinación de interruptor de encendido-arranque operado con llave, el conductor a menudo accionaba el motor de arranque presionando un botón montado en el piso o en el tablero. Algunos vehículos tenían un pedal en el piso que engranaba manualmente el piñón de mando del motor de arranque con la corona del volante y luego completaba el circuito eléctrico al motor de arranque una vez que el pedal llegaba al final de su recorrido. Los tractores Ferguson de la década de 1940, incluido el Ferguson TE20, tenían una posición adicional en la palanca de cambios que activaba el interruptor de arranque, lo que garantizaba la seguridad al evitar que los tractores arrancaran con una marcha engranada.
Eléctrica
(feminine)
- Vivienda principal (yoke)
- Freewheel y montaje de engranajes de pinión
- Armature
- Bobinas de campo con pinceles pegados
- Cepillo-carrera
- Solenoid
El motor de arranque o motor de arranque eléctrico es el tipo más común utilizado en motores de gasolina y motores diésel pequeños. El motor de arranque moderno es un motor eléctrico de corriente continua de imán permanente o bobinado en serie en paralelo con un solenoide de arranque (similar a un relé) montado en él. Cuando la energía de CC de la batería de arranque se aplica al solenoide, por lo general a través de un interruptor de llave (el 'interruptor de encendido'), el solenoide engrana una palanca que empuja hacia afuera el piñón impulsor en el eje impulsor del motor de arranque y engrana el piñón con la corona dentada de arranque en el volante del motor.
El solenoide también cierra los contactos de alta corriente para el motor de arranque, que comienza a girar. Una vez que el motor arranca, se abre el interruptor de llave, un resorte en el conjunto del solenoide tira del piñón para separarlo de la corona y el motor de arranque se detiene. El piñón del motor de arranque está acoplado a su eje de transmisión a través de un embrague de rueda libre que permite que el piñón transmita el impulso en una sola dirección. De esta manera, el impulso se transmite a través del piñón a la corona del volante, pero si el piñón permanece enganchado (como por ejemplo porque el operador no suelta la llave tan pronto como el motor arranca, o si hay un cortocircuito y el solenoide permanece acoplado), el piñón girará independientemente de su eje de transmisión. Esto evita que el motor impulse el motor de arranque, ya que tal retroceso haría que el motor de arranque girara tan rápido como para volar en pedazos.
La disposición del embrague de arrastre impediría el uso del motor de arranque como generador si se emplea en el esquema híbrido mencionado anteriormente, a menos que se realicen modificaciones. El motor de arranque estándar generalmente está diseñado para uso intermitente, lo que impediría su uso como generador. Los componentes eléctricos del arrancador están diseñados para funcionar normalmente menos de 30 segundos antes de sobrecalentarse (por una disipación demasiado lenta del calor de las pérdidas óhmicas), para ahorrar peso y costos. La mayoría de los manuales de propietarios de automóviles instruyen al operador a hacer una pausa de al menos diez segundos después de cada diez o quince segundos de arrancar el motor, cuando intenta arrancar un motor que no arranca inmediatamente.
Esta disposición de piñón de embrague libre se introdujo gradualmente a principios de la década de 1960; antes de ese momento, se usaba una unidad Bendix. El sistema Bendix coloca el piñón impulsor del motor de arranque en un eje impulsor cortado helicoidalmente. Cuando el motor de arranque comienza a girar, la inercia del conjunto del piñón impulsor hace que avance sobre la hélice y, por lo tanto, se enganche con la corona dentada. Cuando el motor arranca, el retroceso de la corona hace que el piñón impulsor exceda la velocidad de rotación del arrancador, momento en el cual el piñón impulsor es empujado hacia atrás por el eje helicoidal y, por lo tanto, fuera de engrane con la corona. Esto tiene la desventaja de que los engranajes se desconectarán si el motor se enciende brevemente pero no continúa funcionando.
Unidad Folo-Thru
Un desarrollo intermedio entre la transmisión Bendix desarrollada en la década de 1930 y los diseños de embrague de rueda libre introducidos en la década de 1960 fue la transmisión Folo-Thru de Bendix. La transmisión Bendix estándar se desconectaba de la corona dentada tan pronto como el motor se encendía, incluso si no continuaba funcionando. La unidad Folo-Thru contiene un mecanismo de enganche y un conjunto de contrapesos en el cuerpo de la unidad de unidad. Cuando el motor de arranque comienza a girar y la unidad de accionamiento es forzada hacia adelante sobre el eje helicoidal por inercia, se traba en la posición acoplada. Solo una vez que la unidad impulsora gire a una velocidad superior a la alcanzada por el propio motor de arranque (es decir, el motor en marcha la impulsa hacia atrás), los contrapesos tirarán radialmente hacia afuera, liberando el pestillo y permitiendo que la unidad impulsora sobremarcha gire hacia afuera. de compromiso De esta manera, se evita el desacoplamiento no deseado del motor de arranque antes de que el motor arranque con éxito.
Reducción de engranajes
En 1962, Chrysler introdujo un motor de arranque que incorporaba un tren de engranajes entre el motor y el eje de transmisión. El eje del motor incluía dientes de engranaje cortados integralmente que formaban un piñón que engrana con un engranaje impulsado adyacente más grande para proporcionar una relación de reducción de engranajes de 3,75:1. Esto permitió el uso de un conjunto de motor de mayor velocidad, menor corriente, más ligero y más compacto al mismo tiempo que aumentaba el par de arranque. Se usaron variantes de este diseño de arranque en la mayoría de los vehículos con tracción trasera y en las cuatro ruedas producidos por Chrysler Corporation desde 1962 hasta 1987. Hace un sonido único y distintivo al arrancar el motor, lo que llevó a que se le apodara " Highland Park Hummingbird: una referencia a la sede de Chrysler en Highland Park, Michigan.
El arrancador de reducción de engranajes de Chrysler formó la base conceptual para los arrancadores de reducción de engranajes que ahora predominan en los vehículos de carretera. Muchos fabricantes de automóviles japoneses incorporaron motores de arranque con reducción de engranajes en las décadas de 1970 y 1980. Los motores de aviones ligeros también hicieron un uso extensivo de este tipo de arranque, porque su peso ligero ofrecía una ventaja.
Los motores de arranque que no emplean trenes de engranajes desplazados como la unidad Chrysler generalmente emplean trenes de engranajes epicíclicos planetarios en su lugar. Los arrancadores de transmisión directa están casi completamente obsoletos debido a su mayor tamaño, mayor peso y mayores requisitos de corriente.
Zapata de poste móvil
Ford emitió un motor de arranque no estándar, una "zapata polar móvil" diseño que proporcionó reducción de costos en lugar de beneficios eléctricos o mecánicos. Este tipo de motor de arranque eliminó el solenoide y lo reemplazó con una zapata polar móvil y un relé de arranque separado. Este motor de arranque funciona de la siguiente manera: El conductor gira la llave, activando el interruptor de arranque. Una pequeña corriente eléctrica fluye a través del relé de arranque accionado por solenoide, cerrando los contactos y enviando una gran cantidad de corriente de batería al motor de arranque. Una de las zapatas polares, con bisagras en la parte delantera, unida a la transmisión del motor de arranque y accionada por un resorte fuera de su posición normal de operación, se coloca en posición por el campo magnético creado por la electricidad que fluye a través de su bobina de campo. Esto mueve la transmisión del motor de arranque hacia adelante para engranar la corona del volante y, simultáneamente, cierra un par de contactos que suministran corriente al resto del devanado del motor de arranque. Una vez que el motor arranca y el conductor suelta el interruptor de arranque, un resorte retrae la zapata polar, lo que hace que la transmisión del arranque se desenganche de la corona.
Este motor de arranque se usó en vehículos Ford desde 1973 hasta 1990, cuando lo reemplazó una unidad de reducción de engranajes conceptualmente similar a la unidad Chrysler.
Arrancador de inercia
Una variante del motor de arranque eléctrico es el arrancador de inercia (que no debe confundirse con el arrancador tipo Bendix descrito anteriormente). Aquí el motor de arranque no hace girar el motor directamente. En cambio, cuando se energiza, el motor hace girar un volante pesado integrado en su carcasa (no el volante principal del motor). Una vez que la unidad de volante/motor ha alcanzado una velocidad constante, se corta la corriente al motor y se desactiva el accionamiento entre el motor y el volante mediante un mecanismo de rueda libre. Luego, el volante giratorio se conecta al motor principal y su inercia lo hace girar para arrancarlo. Estas etapas son comúnmente automatizadas por interruptores de solenoide, con el operador de la máquina utilizando un interruptor de control de dos posiciones, que se mantiene en una posición para hacer girar el motor y luego se mueve a la otra posición para cortar la corriente al motor y engranar el volante al motor. motor.
La ventaja del arrancador de inercia es que, debido a que el motor no impulsa el motor directamente, puede tener una potencia mucho menor que el arrancador estándar para un motor del mismo tamaño. Esto permite un motor de mucho menor peso y menor tamaño, así como cables más livianos y baterías más pequeñas para alimentar el motor. Esto convirtió al arrancador de inercia en una opción común para aviones con grandes motores de pistones radiales. La desventaja es el aumento del tiempo necesario para arrancar el motor: hacer girar el volante a la velocidad requerida puede llevar entre 10 y 20 segundos. Si el motor no arranca cuando el volante ha perdido su inercia, se debe repetir el proceso para el siguiente intento.
Neumático
Algunos motores de turbina de gas y motores diésel, especialmente en camiones, utilizan un arranque automático neumático. En los vehículos terrestres el sistema consta de una turbina de engranajes, un compresor de aire y un tanque de presión. El aire comprimido liberado del tanque se utiliza para hacer girar la turbina y, a través de un conjunto de engranajes reductores, acopla la corona dentada en el volante, como un motor de arranque eléctrico. El motor, una vez en marcha, acciona el compresor para recargar el depósito.
Las aeronaves con grandes motores de turbina de gas generalmente se ponen en marcha utilizando un gran volumen de aire comprimido a baja presión, suministrado desde un motor muy pequeño denominado unidad de potencia auxiliar, ubicado en otra parte de la aeronave. Alternativamente, los motores de turbina de gas de los aviones se pueden arrancar rápidamente utilizando un motor de arranque neumático móvil basado en tierra, denominado carro de arranque o carro de arranque neumático.
En los generadores diésel más grandes que se encuentran en grandes instalaciones en tierra y especialmente en barcos, se utiliza un mecanismo de arranque neumático. El motor neumático normalmente funciona con aire comprimido a presiones de 10 a 30 bar. El motor neumático se compone de un tambor central del tamaño de una lata de sopa con cuatro o más ranuras cortadas para permitir que las paletas se coloquen radialmente en el tambor para formar cámaras alrededor del tambor. El tambor está desplazado dentro de una carcasa redonda para que el aire de entrada para el arranque sea admitido en el área donde el tambor y las paletas forman una cámara pequeña en comparación con los demás. El aire comprimido solo puede expandirse girando el tambor, lo que permite que la pequeña cámara se haga más grande y coloca otra de las cámaras en la entrada de aire. El motor neumático gira demasiado rápido para usarse directamente en el volante del motor; en su lugar, se utiliza una gran reducción de engranajes, como un engranaje planetario, para reducir la velocidad de salida. Se utiliza un engranaje Bendix para engranar el volante.
Dado que los camiones grandes suelen utilizar frenos de aire, el sistema cumple una doble función y suministra aire comprimido al sistema de frenos. Los arrancadores neumáticos tienen las ventajas de ofrecer un alto par, simplicidad mecánica y confiabilidad. Eliminan la necesidad de baterías de almacenamiento pesadas y de gran tamaño en los sistemas eléctricos principales.
Los grandes generadores diésel y casi todos los motores diésel utilizados como motor principal de los barcos utilizan aire comprimido que actúa directamente sobre la culata. Esto no es ideal para los diésel más pequeños, ya que proporciona demasiado enfriamiento al arrancar. Además, la culata debe tener suficiente espacio para admitir una válvula adicional para el sistema de arranque neumático. El sistema de arranque neumático es conceptualmente muy similar a un distribuidor en un automóvil. Hay un distribuidor de aire que está engranado al árbol de levas del motor Diesel; en la parte superior del distribuidor de aire hay un solo lóbulo similar al que se encuentra en un árbol de levas. Dispuestos radialmente alrededor de este lóbulo hay seguidores de punta de rodillo para cada cilindro. Cuando el lóbulo del distribuidor de aire golpea uno de los seguidores, enviará una señal de aire que actúa sobre la parte posterior de la válvula de arranque de aire ubicada en la culata, lo que hace que se abra. El aire comprimido proviene de un gran depósito que se alimenta a un cabezal ubicado a lo largo del motor. Tan pronto como se abre la válvula de arranque de aire, se admite el aire comprimido y el motor comenzará a girar. Se puede utilizar en motores de dos y cuatro tiempos y en motores de marcha atrás. En motores grandes de dos tiempos, se necesita menos de una revolución del cigüeñal para arrancar.
Hidráulica
(feminine)
Algunos motores Diesel de seis a 16 cilindros se arrancan por medio de un motor hidráulico. Los arrancadores hidráulicos y los sistemas asociados proporcionan un método fiable y sin chispas para arrancar el motor en un amplio rango de temperaturas. Por lo general, los arrancadores hidráulicos se encuentran en aplicaciones tales como generadores remotos, motores de propulsión de botes salvavidas, motores de bombeo contra incendios en alta mar y plataformas de fracturamiento hidráulico. El sistema utilizado para soportar el arranque hidráulico incluye válvulas, bombas, filtros, un depósito y acumuladores de pistón. El operador puede recargar manualmente el sistema hidráulico; esto no se puede hacer fácilmente con los sistemas de arranque eléctrico, por lo que los sistemas de arranque hidráulico se prefieren en aplicaciones en las que el arranque de emergencia es un requisito.
Con varias configuraciones, los arrancadores hidráulicos se pueden instalar en cualquier motor. Los arrancadores hidráulicos emplean la alta eficiencia del concepto de motor de pistones axiales, que proporciona un alto par a cualquier temperatura o entorno, y garantiza un desgaste mínimo de la corona y el piñón del motor.
No motor
Arrancador de resorte
Un arrancador de resorte utiliza la energía potencial almacenada en un resorte enrollado con una manivela para arrancar un motor sin batería ni alternador. Al girar la manivela, el piñón se engrana con la corona del motor y luego se enrolla el resorte. Al tirar de la palanca de liberación, se aplica la tensión del resorte al piñón, girando la corona para arrancar el motor. El piñón se desengancha automáticamente del volante después de la operación. También se toman medidas para permitir que el motor se gire lentamente a mano para el mantenimiento del motor. Esto se logra operando la palanca de disparo justo después de que el piñón se haya enganchado con el volante. El giro subsiguiente de la manija de bobinado durante esta operación no cargará el arrancador. Los arrancadores de resorte se pueden encontrar en generadores de motor, paquetes de energía hidráulica y en motores de botes salvavidas, siendo la aplicación más común el sistema de arranque de respaldo en embarcaciones marítimas.
Arranque con combustible
Algunos motores de gasolina modernos con doce o más cilindros siempre tienen al menos uno o más pistones al comienzo de su carrera de potencia y pueden arrancar inyectando combustible en ese cilindro y encendiéndolo. El mismo procedimiento se puede aplicar a motores con menos cilindros, si el motor se detiene en la posición correcta. Esta es una forma de arrancar un motor de un automóvil con sistema stop-start.