Un motor neumático ( motor de aire ), o motor de aire comprimido , es un tipo de motor que realiza trabajo mecánico expandiendo aire comprimido . Los motores neumáticos generalmente convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico a través de un movimiento lineal o rotatorio. El movimiento lineal puede provenir de un actuador de diafragma o pistón, mientras que el movimiento rotatorio lo proporciona un motor de aire de paletas, un motor de aire de pistón, una turbina de aire o un motor de engranajes.
Los motores neumáticos han existido en muchas formas durante los últimos dos siglos, y su tamaño varía desde motores portátiles hasta motores de hasta varios cientos de caballos de fuerza. Algunos tipos se basan en pistones y cilindros; otros en rotores ranurados con álabes (motores de álabes) y otros utilizan turbinas. Muchos motores de aire comprimido mejoran su rendimiento calentando el aire entrante o el propio motor. Los motores neumáticos han tenido un gran éxito en la industria de las herramientas portátiles [1] , pero también se utilizan de forma estacionaria en una amplia gama de aplicaciones industriales. Se están realizando continuos intentos para ampliar su uso a la industria del transporte. Sin embargo, los motores neumáticos deben superar las ineficiencias antes de ser vistos como una opción viable en la industria del transporte.
Para lograr un movimiento lineal a partir de aire comprimido, se suele utilizar un sistema de pistones. El aire comprimido se introduce en una cámara hermética que alberga el eje del pistón. Además, dentro de esta cámara hay un resorte enrollado alrededor del eje del pistón para mantener la cámara completamente abierta cuando no se bombea aire a la cámara. A medida que se introduce aire en la cámara, la fuerza sobre el eje del pistón comienza a superar la fuerza que se ejerce sobre el resorte. [2] A medida que se introduce más aire en la cámara, la presión aumenta y el pistón comienza a moverse hacia abajo en la cámara. Cuando alcanza su longitud máxima, la presión del aire se libera de la cámara y el resorte completa el ciclo cerrando la cámara para volver a su posición original.
Los motores de pistón son los más utilizados en los sistemas hidráulicos. Básicamente, los motores de pistón son iguales a los motores hidráulicos, excepto que se utilizan para convertir la energía hidráulica en energía mecánica [3] . [4]
Los motores de pistón suelen utilizarse en series de dos, tres, cuatro, cinco o seis cilindros encerrados en una carcasa. Esto permite que los pistones suministren más potencia porque varios motores están sincronizados entre sí en determinados momentos de su ciclo.
Las eficiencias mecánicas prácticas alcanzadas por un motor neumático de pistón están entre el 40 y el 50 %. [5]
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Un tipo de motor neumático, conocido como motor de paletas rotativas, utiliza aire para producir un movimiento de rotación en un eje. El elemento giratorio es un rotor ranurado que está montado en un eje de transmisión. Cada ranura del rotor está equipada con una paleta rectangular que se desliza libremente. [4] Las paletas se extienden hasta las paredes de la carcasa mediante resortes, acción de leva o presión de aire, según el diseño del motor. El aire se bombea a través de la entrada del motor que empuja las paletas creando el movimiento de rotación del eje central. Las velocidades de rotación pueden variar entre 100 y 25.000 rpm dependiendo de varios factores que incluyen la cantidad de presión de aire en la entrada del motor y el diámetro de la carcasa. [2]
Una de las aplicaciones de los motores neumáticos de paletas es el arranque de grandes motores industriales diésel o de gas natural. La energía almacenada en forma de aire comprimido, nitrógeno o gas natural entra en la cámara sellada del motor y ejerce presión contra las paletas de un rotor. Esto hace que el rotor gire a alta velocidad. Como el volante del motor requiere una gran cantidad de par para arrancar el motor, se utilizan engranajes reductores. Los engranajes reductores crean altos niveles de par con una menor cantidad de energía de entrada. Estos engranajes reductores permiten que el volante del motor genere suficiente par mientras está acoplado por el piñón del motor de aire o el arrancador neumático.
Las turbinas de aire hacen girar la fresa en las piezas de mano dentales de alta velocidad , a velocidades superiores a 180.000 rpm, pero con un par motor limitado . Una turbina es lo suficientemente pequeña como para caber en la punta de una pieza de mano sin aumentar el peso.
Una aplicación generalizada de los motores neumáticos es en herramientas manuales, llaves de impacto, herramientas de pulso, destornilladores, aprietatuercas, taladros, amoladoras, lijadoras, etc. Los motores neumáticos también se utilizan estacionarios en una amplia gama de aplicaciones industriales. Aunque la eficiencia energética general de las herramientas neumáticas es baja y requieren acceso a una fuente de aire comprimido, existen varias ventajas sobre las herramientas eléctricas. Ofrecen una mayor densidad de potencia (un motor neumático más pequeño puede proporcionar la misma cantidad de potencia que un motor eléctrico más grande), no requieren un controlador de velocidad auxiliar (lo que se suma a su compacidad), generan menos calor y se pueden usar en atmósferas más volátiles ya que no requieren energía eléctrica [6] y no crean chispas. Se pueden cargar para detenerse con el par máximo sin sufrir daños. [7] La eficiencia de un motor de pistón rotativo depende en gran medida de las pérdidas de energía mecánica. El valor de las pérdidas mecánicas, según varias estimaciones, puede ser del 20% de la energía suministrada al motor. [8] Al mismo tiempo, se demostró experimentalmente que la eficiencia de un motor se puede aumentar mediante el uso de aditivos antifricción en el aceite lubricante. [9]
Históricamente, muchas personas han intentado aplicar motores neumáticos a la industria del transporte. Guy Negre, director ejecutivo y fundador de Zero Pollution Motors, ha sido pionero en este campo desde finales de la década de 1980. [10] Recientemente, Engineair también ha desarrollado un motor rotativo para su uso en automóviles. Engineair coloca el motor inmediatamente al lado de la rueda del vehículo y no utiliza piezas intermedias para transmitir el movimiento, lo que significa que casi toda la energía del motor se utiliza para girar la rueda. [11]
El motor neumático se aplicó por primera vez al campo del transporte a mediados del siglo XIX. Aunque se sabe poco sobre el primer vehículo de aire comprimido del que se tiene registro, se dice que los franceses Andraud y Tessie de Motay hicieron funcionar un automóvil propulsado por un motor neumático en una pista de pruebas en Chaillot, Francia, el 9 de julio de 1840. Aunque se informó que la prueba del automóvil había sido exitosa, la pareja no exploró más la posibilidad de ampliar el diseño. [12]
La primera aplicación exitosa del motor neumático en el transporte fue el motor de aire del sistema Mekarski utilizado en locomotoras. El innovador motor de Mekarski superó el enfriamiento que acompaña a la expansión del aire calentando el aire en una pequeña caldera antes de su uso. El Tranvía de Nantes , ubicado en Nantes, Francia, fue famoso por ser el primero en utilizar motores Mekarski para impulsar su flota de locomotoras. El tranvía comenzó a funcionar el 13 de diciembre de 1879 y continúa funcionando hoy, aunque los tranvías neumáticos fueron reemplazados en 1917 por tranvías eléctricos más eficientes y modernos.
El estadounidense Charles Hodges también tuvo éxito con los motores neumáticos en la industria de las locomotoras. En 1911 diseñó una locomotora neumática y vendió la patente a la HK Porter Company de Pittsburgh para su uso en minas de carbón. [13] Como los motores neumáticos no utilizan combustión, eran una opción mucho más segura en la industria del carbón. [12]
Muchas empresas [¿ quiénes? ] afirman estar desarrollando automóviles de aire comprimido , pero ninguno está realmente disponible para su compra o incluso para pruebas independientes.
Las llaves de impacto , las herramientas de impulsos, las llaves dinamométricas , los destornilladores , los taladros , las amoladoras , las rectificadoras de troqueles , las lijadoras , los taladros dentales , las desmontadoras de neumáticos y otras herramientas neumáticas utilizan una variedad de motores de aire . Entre ellos se incluyen los motores de paletas, las turbinas y los motores de pistón.
Las primeras formas más exitosas de torpedos autopropulsados utilizaban aire comprimido a alta presión , aunque éste fue reemplazado por motores de combustión interna o externa, motores de vapor (impulsados por la descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno) o motores eléctricos.
Los motores de aire comprimido se utilizaron en tranvías y locomotoras de maniobras, y finalmente encontraron un nicho exitoso en las locomotoras mineras, aunque al final fueron reemplazados por trenes eléctricos subterráneos. [14] Con el paso de los años, los diseños aumentaron en complejidad, lo que resultó en un motor de triple expansión con recalentadores aire-aire entre cada etapa. [15] Para obtener más información, consulte Locomotora sin fuego y sistema Mekarski .
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Los cohetes de agua utilizan aire comprimido para impulsar su chorro de agua y generar empuje; se utilizan como juguetes.
Air Hogs , una marca de juguetes, también utiliza aire comprimido para alimentar motores de pistón en aviones de juguete (y algunos otros vehículos de juguete).
Actualmente existe cierto interés en desarrollar automóviles aéreos . Se han propuesto varios motores para ellos, aunque ninguno ha demostrado el rendimiento y la larga vida útil necesarios para el transporte personal.
Energine Corporation era una empresa surcoreana que afirmaba entregar automóviles completamente ensamblados que funcionaban con un motor híbrido de aire comprimido y eléctrico. El motor de aire comprimido se utiliza para activar un alternador , que amplía la capacidad de funcionamiento autónomo del automóvil. El director ejecutivo fue arrestado por promover fraudulentamente motores de aire con afirmaciones falsas. [17]
La empresa australiana EngineAir fabrica un motor rotativo propulsado por aire comprimido, llamado motor Di Pietro . El concepto del motor Di Pietro se basa en un pistón rotativo. A diferencia de los motores rotativos existentes, el motor Di Pietro utiliza un pistón rotativo cilíndrico simple (accionador del eje) que rueda, con poca fricción, dentro del estator cilíndrico. [18]
Se puede utilizar en barcos, coches, vehículos de carga y otros vehículos. Sólo se necesita una presión de 1 psi (≈ 6,8 kPa ) para superar la fricción. [19] [20] El motor también apareció en el programa New Inventors de la ABC en Australia el 24 de marzo de 2004. [21]
Los vehículos K'Airmobiles estaban previstos para su comercialización a partir de un proyecto desarrollado en Francia en 2006-2007 por un pequeño grupo de investigadores. Sin embargo, el proyecto no ha conseguido reunir los fondos necesarios.
Cabe señalar que, entretanto, el equipo ha reconocido la imposibilidad física de utilizar el aire comprimido almacenado a bordo debido a su escasa capacidad energética y a las pérdidas térmicas resultantes de la expansión del gas.
Actualmente, utilizando el generador 'K'Air', pendiente de patente, reconvertido para funcionar como motor de gas comprimido, el proyecto debería lanzarse en 2010, gracias a un grupo de inversores norteamericanos, pero con el objetivo de desarrollar primero un sistema de energía verde. [22]
En el motor de aire Nègre original , un pistón comprime el aire de la atmósfera para mezclarlo con el aire comprimido almacenado (que se enfriará drásticamente al expandirse). Esta mezcla impulsa el segundo pistón, que proporciona la potencia real del motor. El motor de MDI funciona con un par constante, y la única forma de cambiar el par a las ruedas es utilizar una transmisión de poleas de variación constante, perdiendo algo de eficiencia. Cuando el vehículo está parado, el motor de MDI debe estar encendido y funcionando, perdiendo energía. En 2001-2004, MDI cambió a un diseño similar al descrito en las patentes de Regusci (ver más abajo), que datan de 1990.
En 2008 se informó que el fabricante de automóviles indio Tata estaba considerando un motor de aire comprimido MDI como una opción para sus automóviles Nano de bajo precio. [23] Tata anunció en 2009 que el automóvil de aire comprimido estaba resultando difícil de desarrollar debido a su baja autonomía y a los problemas con las bajas temperaturas del motor.
El motor neumático Quasiturbine es un motor rotativo sin pistones de aire comprimido que utiliza un rotor de forma romboidal cuyos lados están articulados en los vértices.
La Quasiturbine ha demostrado ser un motor neumático que utiliza aire comprimido almacenado. [24]
También puede aprovechar la amplificación energética posible mediante el uso del calor externo disponible, como la energía solar . [25]
La Quasiturbina gira desde presiones tan bajas como 0,1 atm (1,47 psi).
Dado que la Quasiturbine es un motor de expansión pura, mientras que el Wankel y la mayoría de los otros motores rotativos no lo son, es muy adecuado como motor de fluido comprimido, motor de aire o motor neumático. [25]
La versión del motor de aire de Armando Regusci acopla el sistema de transmisión directamente a la rueda y tiene un par variable desde cero hasta el máximo, lo que mejora la eficiencia. Las patentes de Regusci datan de 1990. [26]
Psycho-Active está desarrollando un chasis multicombustible/híbrido de aire que pretende servir de base para una línea de automóviles. El rendimiento declarado es de 50 hp/litro. El motor de aire comprimido que utilizan se llama DBRE o motor rotativo de palas entubadas. [27] [28]
Milton M. Conger en 1881 patentó y supuestamente construyó un motor que funcionaba con aire comprimido o vapor que, mediante un tubo flexible , formaba una pared o tope en forma de cuña o inclinado en la parte trasera del cojinete tangencial de la rueda, y lo impulsaba con mayor o menor velocidad según la presión del medio propulsor. [29]
![Locomotora neumática con contenedor de presión acoplado utilizada durante la construcción del túnel ferroviario del San Gotardo entre 1872 y 1880.[16]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/07/CompressedAirLocomotive_Section1_AdolpheBraun1811to1877.jpg/1280px-CompressedAirLocomotive_Section1_AdolpheBraun1811to1877.jpg)
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