Motor alternativo

Motor de combustión interna

Componentes de un ciclo típico de cuatro tiempos, combustión interna, motor de pistón de gasolina.

1. C. Crankshaft
2. E. Exhaust camshaft
3. Yo. Toma camshaft
4. P. Piston
5. R. Barra de conexión
6. Spark plug
7. W. Chaqueta de agua para flujo refrigerante
8. V. Válvulas

Un motor alternativo, también conocido como motor de pistón, suele ser un motor térmico que utiliza uno o más pistones alternativos para convertir alta temperatura y alta presión en un movimiento giratorio. Este artículo describe las características comunes de todos los tipos. Los principales tipos son: el motor de combustión interna, muy utilizado en los vehículos de motor; la máquina de vapor, pilar de la Revolución Industrial; y el motor Stirling para aplicaciones de nicho. Los motores de combustión interna se clasifican además de dos maneras: ya sea 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, de modo que el aire calentado enciende el combustible que se inyecta en ese momento o antes.

Características comunes en todos los tipos

Imagen trazada por Ray de un motor de pistón

Puede haber uno o más pistones. Cada pistón está dentro de un cilindro, en el que se introduce un gas, ya sea bajo presión (por ejemplo, motor de vapor), o calentado dentro del cilindro, ya sea por ignición de una mezcla de combustible y aire (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 el fondo del cilindro. Esta posición también se conoce como Punto Muerto Inferior (BDC), o donde el pistón forma el mayor volumen en el cilindro. El pistón regresa a la parte superior del cilindro (punto muerto superior) (TDC) por un volante, la potencia de otros pistones conectados al mismo eje o (en un cilindro de doble acción) por el mismo proceso que actúa en el otro lado del pistón.. Aquí es donde el pistón forma el volumen más pequeño del cilindro. En la mayoría de los tipos, el expandido o "agotado" los gases son eliminados del cilindro por 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 recorrer 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.

Motor de pistón de vapor
Un diagrama esquemático etiquetado de un motor de vapor de alta presión de doble efecto simple, simple expansión. El despegue del motor es a través de un cinturón.

1. Piston
2. Piston rod
3. Rodamiento de cabeza cruzada
4. Barra de conexión
5. Crank
6. Movimiento de válvula excéntrica
7. Flywheel
8. Válvula deslizante
9. Gobernador centrífugo

En la mayoría de los tipos, el movimiento lineal del pistón se convierte en un movimiento giratorio mediante una biela y un cigüeñal o mediante un plato cíclico u otro mecanismo adecuado. Un volante de inercia se usa a menudo para garantizar una rotación suave o para almacenar energía para llevar el motor a través de una parte del ciclo sin motor. Cuantos más cilindros tiene un motor alternativo, generalmente, más libre de vibraciones (suavemente) puede funcionar. La potencia de un motor alternativo es proporcional al volumen de los pistones combinados' desplazamiento.

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 insertan 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 fuerte cuando la presión de combustión más alta se mueve alrededor de sus superficies internas.

Es común clasificar dichos motores por el número y la alineación de los 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 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 cilindradas pueden variar desde 10 cm³ o menos en modelos de motores hasta miles de litros en barcos' motores

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 interior", y la longitud de recorrido dentro del cilindro, o "carrera". Si está alrededor de 1, se dice que el motor es "cuadrado". Si es mayor que 1, es decir, el diámetro interior es mayor que la carrera, es "sobrecuadrado". Si es menor que 1, es decir, la carrera es mayor que el diámetro interior, es "inferior al cuadrado".

Los cilindros se pueden alinear en línea, en una configuración en V, horizontalmente uno frente al otro o radialmente alrededor del cigüeñal. Los motores de pistones opuestos colocan dos pistones trabajando en extremos opuestos del mismo cilindro y esto se ha extendido a arreglos triangulares como el Napier Deltic. Algunos diseños han puesto los cilindros en movimiento alrededor del eje, como el motor rotativo.

Motor de pistón de primera línea Drive Rhombic – Beta Stirling Engine Design, mostrando el segundo pistón desplacer (verde) dentro del cilindro, que estremece el gas de trabajo entre los extremos fríos y calientes, pero no produce energía en sí mismo.

1. Muro de cilindro caliente
2. Muro de cilindro frío

5. pistón desplazador
6. pistón
7. Flywheels

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. Luego se alimenta sucesivamente a través de uno o más cilindros de diámetro cada vez más grande, para extraer energía del vapor a presiones cada vez más bajas. Estos motores se llaman motores compuestos.

Además de observar la potencia que puede producir el motor, la presión efectiva media (MEP) también se puede usar para comparar la potencia de salida 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 la carrera de potencia. Esto se muestra por:

Wnet=MEP⋅ ⋅ ApS=MEP⋅ ⋅ Vd{displaystyle W_{net}={text{MEP}cdot A_{p}S={text{MEP}cdot V_{d}

Donde Ap{displaystyle A_{p} es la superficie total del pistón del motor, S{displaystyle S. es la carrera del pistón y la longitud de la carrera del pistón Vd{displaystyle V_{d} es el volumen total de desplazamiento del motor. Por lo tanto:

MEP=WnetVd{displaystyle {text{}={frac} {W_{net} {V_{d}}}

Cualquier motor con el mayor valor de MEP produce más trabajo neto por ciclo y funciona de manera más eficiente.

Operaciones

En las máquinas de vapor y 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 deslizante 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 del ciclo del pistón en el que se cierra la válvula de entrada de vapor se denomina corte y, a menudo, se puede controlar para ajustar el par suministrado por la máquina y mejorar la eficiencia. En algunas máquinas de vapor, la acción de las válvulas puede ser reemplazada por un cilindro oscilante.

Los motores de combustión interna funcionan 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 del número de tiempos que se necesitan para completar un ciclo.

El tipo más común es el de 4 tiempos, que tiene ciclos siguientes.

1. Entrada: También conocido como inducción o succión. Esta carrera del pistón comienza en el centro de la muerte superior (T.D.C.) y termina en el centro de la muerte inferior (B.D.C.). En esta carrera la válvula de entrada debe estar en posición abierta mientras que el pistón tira una mezcla de combustible de aire en el cilindro produciendo presión de vacío en el cilindro a través de su movimiento hacia abajo. El pistón se está moviendo hacia abajo como el aire está siendo absorbido por la moción hacia abajo contra el pistón.
2. Compresión: Este derrame cerebral comienza en B.D.C, o justo al final del derrame de succión, y termina en T.D.C. En esta carrera el pistón comprime la mezcla de combustible de aire en preparación para el encendido durante la carrera eléctrica (bajo). Tanto las válvulas de ingesta como el escape están cerradas durante esta etapa.
3. Combustión: También conocido como poder o ignición. Este es el comienzo de la segunda revolución del ciclo de cuatro golpes. En este momento el crankshaft ha completado una revolución de 360 grados. Mientras que el pistón está en T.D.C. (el final de la carrera de compresión) la mezcla de combustible de aire comprimido se enciende por un enchufe de chispa (en un motor de gasolina) o por calor generado por la alta compresión (motores de diésel), devolviendo el pistón a B.D.C. Este trazo produce trabajo mecánico del motor para girar el crankshaft.
4. Agotamiento: También conocido como outlet. Durante el agotamiento carrera, el pistón, una vez más, regresa de B.D.C. a T.D.C. mientras que la válvula de escape está abierta. Esta acción expulsa la mezcla de combustible de aire gastado a través de la válvula de escape.

Historia

Un ejemplo temprano conocido de movimiento rotatorio a alternativo es el mecanismo de manivela. Las primeras manivelas manuales aparecieron en China durante la dinastía Han (202 a. C.-220 d. C.). Los chinos utilizaron la manivela y la biela para hacer funcionar los molinillos desde la dinastía Han occidental (202 a. C.-9 d. C.). Eventualmente, las bielas y bielas se utilizaron en la interconversión del movimiento rotatorio y alternativo 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. Varios aserraderos en el Asia romana y la Siria bizantina durante los siglos III al VI d. C. tenían un mecanismo de manivela y biela que convertía el movimiento giratorio de una rueda hidráulica en el movimiento lineal de las hojas de sierra. En 1206, el ingeniero árabe Al-Jazari inventó un cigüeñal.

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 de motores.

Un motor alternativo notable de la época de la Segunda Guerra Mundial fue el Pratt & de 28 cilindros y 3500 hp (2600 kW). Motor radial Whitney R-4360 Wasp Major. Propulsó la última generación de grandes aviones con motor de pistón antes de que los motores a reacción y los turbohélices se hicieran cargo a partir de 1944. Tenía una capacidad total del motor de 71,5 L (4360 cu in) 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 turbocargado Wärtsilä-Sulzer RTA96-C de 2006 construido por Wärtsilä. Se utiliza para propulsar los buques portacontenedores modernos más grandes, como el Emma Mærsk. Tiene cinco pisos de altura (13,5 m o 44 ft), 27 m (89 ft) de largo y pesa más de 2300 toneladas métricas (2500 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 1820 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

Para los motores de pistón, la capacidad de un motor es la cilindrada del motor, es decir, el volumen barrido por todos los pistones de un motor en un solo movimiento. Por lo general, se mide en litros (l) o pulgadas cúbicas (c.i.d., 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 del desplazamiento del motor.

Poder

Los motores alternativos se pueden caracterizar por su potencia específica, que normalmente se expresa en kilovatios por litro de desplazamiento del motor (en los EE. UU. también caballos de fuerza por pulgada cúbica). El resultado ofrece una aproximación de la potencia máxima de salida de un motor. Esto no debe confundirse con la eficiencia del combustible, ya que una alta eficiencia a menudo requiere una relación aire-combustible pobre y, por lo tanto, una menor densidad de potencia. El motor de un automóvil moderno de alto rendimiento genera más de 75 kW/L (1,65 hp/in³).

Otros tipos modernos de combustión no interna

Los motores alternativos que funcionan con aire comprimido, vapor u otros gases calientes todavía se usan 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.

Los torpedos pueden usar un gas de trabajo producido por peróxido de alta prueba o combustible Otto II, que se presuriza sin combustión. El torpedo Mark 46 de 230 kg (510 lb), por ejemplo, puede viajar 11 km (6,8 mi) bajo el agua a 74 km/h (46 mph) alimentado con combustible Otto sin oxidante.

Motor térmico cuántico alternativo

Los motores térmicos cuánticos 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 cuánticos 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. Las versiones cuánticas obedecen las leyes de la termodinámica. Además, estos modelos pueden justificar los supuestos de Termodinámica endorreversible. Un estudio teórico ha demostrado que es posible y práctico construir un motor alternativo compuesto por un solo átomo oscilante. Esta es un área para futuras investigaciones y podría tener aplicaciones en nanotecnología.

Motores varios

Hay una gran cantidad de variedades inusuales de motores de pistón que tienen varias ventajas reclamadas, muchas de las cuales ven poco o ningún uso actual:

• Motor de pistón libre
• Motor Opposed-piston
• Motor Swing-piston
• Motor IRIS
• Motor Bourke
• Motor termomagnético