En ingeniería mecánica , los cilindros de los motores alternativos suelen clasificarse según sean de simple o doble efecto, dependiendo de cómo actúa el fluido de trabajo sobre el pistón .
Un cilindro de simple efecto en un motor alternativo es un cilindro en el que el fluido de trabajo actúa únicamente en un lado del pistón . Un cilindro de simple efecto depende de la carga, los resortes, otros cilindros o el impulso de un volante para empujar el pistón hacia atrás en la otra dirección. Los cilindros de simple efecto se encuentran en la mayoría de los tipos de motores alternativos. Son casi universales en los motores de combustión interna (por ejemplo, motores de gasolina y diésel ) y también se utilizan en muchos motores de combustión externa , como los motores Stirling y algunos motores de vapor . También se encuentran en bombas y arietes hidráulicos .
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Un cilindro de doble efecto es un cilindro en el que el fluido de trabajo actúa alternativamente en ambos lados del pistón. Para conectar el pistón en un cilindro de doble efecto a un mecanismo externo, como un cigüeñal , se debe proporcionar un orificio en un extremo del cilindro para el vástago del pistón, y este está equipado con un prensaestopas o " estampadora ". " para evitar el escape del fluido de trabajo. Los cilindros de doble efecto son comunes en las máquinas de vapor , pero inusuales en otros tipos de motores. Muchos cilindros hidráulicos y neumáticos los utilizan cuando es necesario producir una fuerza en ambas direcciones. Un cilindro hidráulico de doble acción tiene un puerto en cada extremo, alimentado con fluido hidráulico tanto para la retracción como para la extensión del pistón. Un cilindro de doble acción se utiliza cuando no se dispone de una fuerza externa para retraer el pistón o se puede utilizar cuando se requiere una gran fuerza en ambas direcciones de desplazamiento.
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Las máquinas de vapor normalmente utilizan cilindros de doble efecto. Sin embargo, las primeras máquinas de vapor, como las atmosféricas y algunas de haz , eran de simple efecto. Estos a menudo transmitían su fuerza a través de la viga mediante cadenas y una "cabeza de arco", ya que sólo se necesitaba tensión en una dirección.
Mientras que estos se utilizaban para bombear pozos de minas y sólo tenían que actuar contra una carga en una dirección, los diseños de simple efecto se mantuvieron en uso durante muchos años. El impulso principal hacia los cilindros de doble efecto se produjo cuando James Watt intentaba desarrollar un motor de viga rotativa , que pudiera usarse para impulsar maquinaria a través de un eje de salida. [1] En comparación con un motor monocilíndrico, un cilindro de doble efecto proporcionaba una potencia de salida más suave. El motor de alta presión, [i] desarrollado por Richard Trevithick , utilizaba pistones de doble efecto y posteriormente se convirtió en el modelo para la mayoría de las máquinas de vapor.
Algunas de las máquinas de vapor posteriores, las máquinas de vapor de alta velocidad , utilizaban pistones de simple efecto de un nuevo diseño. La cruceta pasó a formar parte del pistón, [ii] y ya no había vástago. Esto se debió a razones similares a las del motor de combustión interna, ya que evitar el vástago del pistón y sus sellos permitió un sistema de lubricación del cárter más efectivo.
Los modelos pequeños y los juguetes suelen utilizar cilindros de simple efecto por el motivo anterior pero también para reducir los costes de fabricación.
A diferencia de las máquinas de vapor, casi todos los motores de combustión interna utilizan cilindros de simple efecto.
Sus pistones suelen ser pistones tronco , donde la unión del bulón de la biela se encuentra dentro del propio pistón. Esto evita la cruceta, el vástago del pistón y su casquillo de sellado, pero también hace que un pistón de simple efecto sea casi imprescindible. Esto, a su vez, tiene la ventaja de permitir un fácil acceso al fondo del pistón para el aceite lubricante, que también tiene una importante función de refrigeración. Esto evita el sobrecalentamiento local del pistón y los segmentos.
Los pequeños motores de gasolina de dos tiempos , como los de las motocicletas, utilizan compresión del cárter en lugar de un sobrealimentador o un ventilador de barrido independiente . Esto utiliza ambos lados del pistón como caras de trabajo, el lado inferior del pistón actúa como un compresor de pistón para comprimir la carga de entrada lista para la siguiente carrera. El pistón todavía se considera de simple efecto, ya que sólo una de estas caras produce potencia.
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Algunos de los primeros motores de gas , como los motores originales de Lenoir , de alrededor de 1860, eran de doble efecto y seguían en su diseño a las máquinas de vapor .
Los motores de combustión interna pronto cambiaron a cilindros de simple efecto. Esto se debió a dos razones: en cuanto a la máquina de vapor de alta velocidad, la gran fuerza sobre cada pistón y su biela era tan grande que imponía grandes exigencias a los cojinetes. Un pistón de simple efecto, donde la dirección de las fuerzas era consistentemente compresiva a lo largo de la biela, permitía holguras de rodamientos más estrechas. [2] En segundo lugar, la necesidad de grandes áreas de válvulas para proporcionar un buen flujo de gas, al tiempo que requería un pequeño volumen para la cámara de combustión para proporcionar una buena compresión , monopolizaba el espacio disponible en la culata . El cilindro derivado de la máquina de vapor de Lenoir era inadecuado para el motor de gasolina , por lo que en su lugar apareció un nuevo diseño, basado en válvulas de asiento y un pistón troncal de simple efecto .
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También se construyeron motores de gas extremadamente grandes como motores de soplado para altos hornos , con uno o dos cilindros extremadamente grandes y propulsados por la quema de gas de horno . Estos, en particular los construidos por Körting , utilizaban cilindros de doble efecto. Los motores de gas requieren poca o ninguna compresión de su carga, en comparación con los motores de gasolina o de encendido por compresión , por lo que los diseños de cilindros de doble efecto seguían siendo adecuados, a pesar de sus pasillos estrechos y complicados.
Desde entonces, los cilindros de doble efecto se han utilizado con poca frecuencia en motores de combustión interna, aunque Burmeister & Wain fabricó motores diésel de ciclo de dos tiempos y doble efecto (2-SCDA) para propulsión marina antes de 1930. El primero, de 7.000 hp, se instaló en el Reino Unido. MV Amerika (United Baltic Co.) en 1929. [3] [4] Los dos motores B&W SCDA instalados en el MV Stirling Castle en 1937 producían 24.000 hp cada uno.
En 1935, se encargó el submarino estadounidense USS Pompano como parte de la clase Perch. [iii] Se construyeron seis barcos, con tres diseños diferentes de motores diésel de diferentes fabricantes. Pompano estaba equipado con motores de doble efecto HOR ( Hooven-Owens-Rentschler ) de 8 cilindros que eran una versión construida bajo licencia de los motores auxiliares MAN del crucero Leipzig . [5] Debido al espacio limitado disponible dentro de los submarinos, se prefirieron los motores de pistones opuestos o, en este caso, los de doble acción por ser más compactos. Los motores del Pompano fracasaron por completo y se arruinaron durante las pruebas, incluso antes de salir del Mare Island Navy Yard . Pompano estuvo inactivo durante ocho meses hasta 1938 mientras se reemplazaban los motores. [5] Incluso entonces, los motores se consideraron insatisfactorios y fueron reemplazados por motores Fairbanks-Morse en 1942. [5] Mientras Pompano todavía se estaba construyendo, se encargaron los submarinos de clase Salmon . Tres de ellos fueron construidos por Electric Boat , con un desarrollo del motor HOR de 9 cilindros. [6] Aunque no fue un fracaso tan grande como los motores del Pompano , esta versión todavía era problemática y los barcos fueron posteriormente rediseñados con los mismos motores General Motors 16-248 V16 de simple efecto que sus barcos hermanos. [6] Otros submarinos construidos con Electric Boat de las clases Sargo y Seadragon , así como los primeros de la clase Gato , también se construyeron con estos motores HOR de 9 cilindros, pero luego se les rediseñó. [7]
Un cilindro hidráulico es un actuador mecánico impulsado por un líquido presurizado, generalmente aceite. Tiene muchas aplicaciones, especialmente en equipos de construcción ( vehículos de ingeniería ), maquinaria de fabricación e ingeniería civil.