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 . [1] Este artículo describe las características comunes de todos los tipos. Los principales tipos son: el motor de combustión interna , ampliamente utilizado en vehículos de motor ; el motor de vapor , el pilar de la Revolución Industrial ; y el motor Stirling para aplicaciones de nicho. Los motores de combustión interna se clasifican además de dos formas: 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 . [2] [3] [4] [5] [6]
Puede haber uno o más pistones. Cada pistón está dentro de un cilindro , en el que se introduce un gas, ya sea ya bajo presión (p. ej. , 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 es devuelto 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 efecto ) por el mismo proceso que actúa 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 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 PMS y el PMI, 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 .
En la mayoría de los tipos, el movimiento lineal del pistón se convierte en un movimiento giratorio a través de una biela y un cigüeñal o mediante un plato oscilante u otro mecanismo adecuado. A menudo se utiliza un volante para garantizar una rotación suave o para almacenar energía para que el motor pueda pasar por una parte del ciclo sin energía. Cuantos más cilindros tenga un motor alternativo, por lo general, más libre de vibraciones (suavemente) podrá funcionar. La potencia de un motor alternativo es proporcional al volumen del desplazamiento combinado de los pistones.
Se debe crear un sello entre el pistón deslizante y las paredes del cilindro para que el gas a alta presión que se encuentra sobre el pistón no se escape y reduzca la eficiencia del motor. Este sello generalmente se proporciona mediante uno o más anillos de pistón . Estos son anillos hechos de un metal duro y se colocan en una ranura circular en la cabeza del pistón. Los anillos encajan perfectamente en la ranura y presionan ligeramente contra la pared del cilindro para formar un sello, y con más fuerza cuando la presión de combustión más alta se desplaza hacia sus superficies internas.
Es común clasificar estos 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 (cm 3 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 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. Las capacidades de los cilindros pueden variar desde 10 cm 3 o menos en los motores modelo hasta miles de litros en los motores de los barcos. [7]
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 del recorrido dentro del cilindro, o "carrera". Si es aproximadamente 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 "subcuadrado".
Los cilindros pueden estar alineados en línea , en una configuración en V , horizontalmente opuestos entre sí o radialmente alrededor del cigüeñal. Los motores de pistones opuestos hacen que dos pistones trabajen 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 distintos tamaños, y el cilindro de diámetro más pequeño es el que trabaja con el vapor a mayor presión. Este vapor se alimenta a uno o más cilindros de diámetro cada vez mayor, uno tras otro, para extraer energía del vapor a presiones cada vez más bajas. Estas máquinas se denominan máquinas compuestas .
Además de observar la potencia que puede producir el motor, la presión media efectiva (MEP) también se puede utilizar para comparar la potencia de salida y el rendimiento de los motores alternativos del mismo tamaño. La presión media efectiva 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 total de desplazamiento del motor. Por lo tanto:
El motor con el mayor valor de MEP produce más trabajo neto por ciclo y funciona de manera más eficiente. [2]
En los motores de vapor y de combustión interna, se requieren válvulas para permitir la entrada y salida de gases en los momentos correctos en el ciclo del pistón. Estas funcionan mediante levas, excéntricas o manivelas impulsadas por el eje del motor. Los primeros diseños usaban la válvula de corredera D, pero esta ha sido reemplazada en gran medida por diseños de válvula de pistón o válvula de asiento . En los motores de vapor, el punto en el 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 algunos motores de vapor, la acción de las válvulas se puede reemplazar por un cilindro oscilante .
Los motores de combustión interna funcionan mediante una secuencia de tiempos que admiten y extraen gases del cilindro. Estas operaciones se repiten cíclicamente y se dice que un motor es de 2 tiempos , 4 tiempos o 6 tiempos, según el número de tiempos que se necesitan para completar un ciclo.
El tipo más común es el de 4 tiempos, que tiene los siguientes ciclos.
El motor alternativo se desarrolló en Europa durante el siglo XVIII, primero como motor atmosférico y luego como motor 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 la combustión de gasolina , diésel , gas licuado de petróleo (GLP) o gas natural comprimido (GNC) y se utiliza para impulsar vehículos de motor y plantas de energía de motor .
Un motor alternativo notable de la era de la Segunda Guerra Mundial fue el motor radial Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major de 28 cilindros y 3500 hp (2600 kW) . Impulsó la última generación de grandes aviones con motor 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 en producción en la actualidad, 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 impulsar los buques portacontenedores modernos más grandes, como el Emma Mærsk . Tiene cinco pisos de altura (13,5 m o 44 pies), 27 m (89 pies) de largo y pesa más de 2300 toneladas métricas (2535 toneladas cortas ; 2264 toneladas largas ) en su versión más grande de 14 cilindros, produciendo más de 84,42 MW (113 209 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.
En el caso de los motores de pistón, la capacidad del motor es el desplazamiento del motor , es decir, el volumen recorrido 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 así en todos los motores alternativos), aunque la potencia y el consumo de combustible se ven afectados por muchos factores ajenos al desplazamiento del motor.
Los motores alternativos se pueden caracterizar por su potencia específica , que normalmente se expresa en kilovatios por litro de cilindrada (en los EE. UU. también en 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 de combustible , ya que una alta eficiencia a menudo requiere una relación combustible-aire pobre y, por lo tanto, una densidad de potencia menor. Un motor de automóvil moderno de alto rendimiento produce más de 75 kW/L (1,65 hp/in 3 ).
Los motores alternativos que funcionan con aire comprimido, vapor u otros gases calientes todavía se utilizan 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. [8]
Los torpedos pueden utilizar un gas de trabajo producido por peróxido de alto rendimiento 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 por combustible Otto sin oxidante .
Los motores térmicos cuánticos son dispositivos que generan energía a partir del calor que fluye desde un depósito caliente a uno frío. El mecanismo de funcionamiento del motor se puede describir mediante las leyes de la mecánica cuántica . Los refrigeradores cuánticos son dispositivos que consumen energía con el fin de bombear calor desde un depósito frío a uno caliente.
En un motor térmico cuántico de vaivén, 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. [9] Las versiones cuánticas obedecen a las leyes de la termodinámica . Además, estos modelos pueden justificar los supuestos de la termodinámica endorreversible . Un estudio teórico ha demostrado que es posible y práctico construir un motor de vaivén que esté compuesto por un solo átomo oscilante. Este es un área para futuras investigaciones y podría tener aplicaciones en nanotecnología . [10]
Existe una gran cantidad de variedades inusuales de motores de pistón que tienen diversas ventajas declaradas, muchas de las cuales tienen poco o ningún uso en la actualidad:
