Un motor alternativo , también conocido como motor de pistón , es típicamente 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 vehículos de motor ; la máquina de vapor , puntal de la Revolución Industrial ; y el motor Stirling para aplicaciones específicas. Los motores de combustión interna se clasifican además de dos maneras: 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 calentado enciende el combustible que se inyecta en ese momento o antes . [1] [2] [3] [4] [5]
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, máquina de vapor ), o calentado dentro del cilindro, ya sea por ignición 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 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) mediante un volante , la potencia de otros pistones conectados al mismo eje o (en un cilindro de doble efecto ) mediante el mismo proceso actuando en el otro lado del pistón. . Aquí es donde el pistón forma el volumen más pequeño en el 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 de gas sellada. La carrera es simplemente la distancia entre el PMS y el PMI, o la mayor distancia que puede recorrer el pistón en una dirección.
En algunos diseños, el pistón puede ser accionado en ambas direcciones en el cilindro, en cuyo caso se dice que es de doble acción .
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. A menudo se utiliza un volante para garantizar una rotación suave o para almacenar energía para llevar el motor a través de una parte del ciclo sin energía. Cuantos más cilindros tenga un motor alternativo, generalmente, más libre de vibraciones (suavemente) podrá 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 suele estar proporcionado por uno o más anillos de pistón . Estos son anillos hechos de un metal duro y se introducen 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 este tipo de motores por el número y alineación de los cilindros y el volumen total de desplazamiento de gas de los pistones que se mueven en los cilindros, generalmente medido en centímetros cúbicos (cm 3 o cc) o litros (l) o (L) (EE.UU. : litro). Por ejemplo, en el caso de 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. La capacidad de los cilindros puede variar desde 10 cm 3 o menos en los motores de modelo hasta miles de litros en los motores de barcos. [6]
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 está "cuadrado". Si es mayor que 1, es decir, el diámetro interior es mayor que la carrera, está "sobreescuadrado". Si es menor que 1, es decir, la carrera es mayor que el diámetro interior, es "cuadrado inferior".
Los cilindros pueden estar alineados en línea , en configuración en V , horizontalmente opuestos entre sí 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 disposiciones triangulares como el Napier Deltic . Algunos diseños han puesto los cilindros en movimiento alrededor del eje, como el motor rotativo .
En algunas máquinas de vapor, los cilindros pueden ser de diferentes tamaños y el cilindro de menor diámetro genera vapor a mayor presión. Luego, este se alimenta sucesivamente a través de uno o más cilindros de diámetro cada vez mayor, para extraer energía del vapor a presiones cada vez más bajas. Estos motores se denominan motores compuestos .
Además de observar la potencia que el motor puede producir, la presión media efectiva (MEP) también se puede utilizar 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 carrera de potencia. Esto se muestra por:
donde es el área total del pistón del motor, es la longitud de carrera de los pistones y es el volumen de desplazamiento total del motor. Por lo tanto:
Cualquiera que sea el motor con mayor valor de MEP produce más trabajo neto por ciclo y se desempeña de manera más eficiente. [1]
En los motores de vapor y de combustión interna se requieren válvulas que permitan la entrada y salida de gases en los momentos correctos del ciclo del pistón. Estos son accionados por levas, excéntricas o manivelas impulsadas por el eje del motor. Los primeros diseños utilizaban la válvula deslizante D , pero esta ha sido reemplazada en gran medida por 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 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 puede ser sustituida por un cilindro oscilante .
Los motores de combustión interna funcionan mediante 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 , de 4 tiempos o de 6 tiempos dependiendo del número de golpes que necesite para completar un ciclo.
El tipo más común es el de 4 tiempos, que tiene los siguientes ciclos.
Un ejemplo temprano conocido de movimiento giratorio a alternativo es el mecanismo de manivela . Las primeras manivelas manuales aparecieron en China durante la dinastía Han (202 a. C.-220 d. C.). [7] Los chinos usaban la manivela y la biela para operar los molinillos ya en la dinastía Han Occidental (202 a. C.-9 d. C.). Con el tiempo, las bielas y manivelas se utilizaron en la interconversión del movimiento giratorio y alternativo para otras aplicaciones, como tamizar harina, máquinas devanadoras de seda, ruedas giratorias a pedal y fuelles de hornos impulsados por caballos o ruedas hidráulicas. [8] [7] Varios aserraderos en el Asia romana y la Siria bizantina durante los siglos III-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. [9] En 1206, el ingeniero árabe Al-Jazari inventó un cigüeñal . [10]
El motor alternativo se desarrolló en Europa durante el siglo XVIII, primero como motor atmosférico y luego como máquina de vapor . A estos les siguieron 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 gasolina , diésel , gas licuado de petróleo (GLP) o gas natural comprimido (GNC) y se utiliza para propulsar vehículos de motor y centrales eléctricas .
Un motor alternativo notable de la época de la Segunda Guerra Mundial fue el motor radial Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major de 28 cilindros y 3500 hp (2600 kW) . Impulsaba la última generación de grandes aviones con motores de pistón antes de que los motores a reacción y los turbohélices tomaran el relevo a partir de 1944. Tenía una capacidad total de motor de 71,5 L (4360 pulgadas cúbicas) y una alta relación potencia-peso .
El motor alternativo más grande que se produce actualmente, pero no el más grande jamás construido, es el motor diésel de dos tiempos turboalimentado Wärtsilä-Sulzer RTA96-C de 2006 construido por Wärtsilä . Se utiliza para propulsar los 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 CV). 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.
Para los motores de pistón, la cilindrada de un motor es la cilindrada , es decir 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 in 3 ) para motores más grandes, y centímetros cúbicos (abreviado cc) para motores más pequeños. En igualdad de condiciones, los motores con mayor capacidad 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 ajenos a la cilindrada del motor.
Los motores alternativos se pueden caracterizar por su potencia específica , que normalmente se expresa en kilovatios por litro de cilindrada (en EE. UU. también en 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. El motor de un automóvil moderno de alto rendimiento genera más de 75 kW/L (1,65 hp/in 3 ).
Los motores alternativos propulsados por aire comprimido, vapor u otros gases calientes todavía se utilizan en algunas aplicaciones, como por ejemplo 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. [11]
Los torpedos pueden utilizar 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 millas) bajo el agua a 74 km/h (46 mph) alimentado con combustible Otto sin oxidante .
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 fin 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. [12] Las versiones cuánticas obedecen a las leyes de la termodinámica . Además, estos modelos pueden justificar los supuestos de la termodinámica endorversible . 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 . [13]
Hay una gran cantidad de variedades inusuales de motores de pistón que tienen varias ventajas supuestas, muchas de las cuales tienen poco o ningún uso actual:
