Un motor de arranque (también arrancador automático , motor de arranque o motor de arranque ) es un dispositivo que se utiliza para girar (arrancar) un motor de combustión interna para iniciar el funcionamiento del motor por su propia fuerza. Los arrancadores pueden ser eléctricos , neumáticos o hidráulicos . El motor de arranque también puede ser otro motor de combustión interna en el caso, por ejemplo, de motores muy grandes o motores diésel en aplicaciones agrícolas o de excavación. [1]
Los motores de combustión interna son sistemas de retroalimentación que, una vez arrancados, dependen de la inercia de cada ciclo para iniciar el siguiente ciclo. En un motor de cuatro tiempos , el tercer golpe libera energía del combustible, impulsando el cuarto golpe (de escape) y también los dos primeros golpes (admisión, compresión) del siguiente ciclo, además de alimentar la carga externa del motor. Para iniciar el primer ciclo al comienzo de cualquier sesión en particular, los dos primeros tiempos deben ser impulsados de alguna otra manera que no sea el propio motor. El motor de arranque se utiliza para este propósito y no es necesario una vez que el motor comienza a funcionar y su circuito de retroalimentación se vuelve autosostenible.
Antes de la llegada del motor de arranque, los motores se arrancaban mediante diversos métodos, incluidos resortes de cuerda, cilindros de pólvora y técnicas de propulsión humana, como una manivela extraíble que enganchaba la parte delantera del cigüeñal, tirando de la hélice de un avión o tirando de una cuerda enrollada alrededor de una polea abierta.
El método de manivela se usaba comúnmente para arrancar motores, pero era inconveniente, difícil y peligroso. El comportamiento de un motor durante el arranque no siempre es predecible. El motor puede retroceder y provocar una rotación inversa repentina. Muchos arrancadores manuales incluían una disposición de deslizamiento o liberación unidireccional para que una vez que comenzara la rotación del motor, el arrancador se desconectara del motor. En caso de un contragolpe, la rotación inversa del motor podría activar repentinamente el motor de arranque, provocando que la manivela se sacuda inesperada y violentamente, posiblemente lesionando al operador. En el caso de los arrancadores de cable enrollado, un contragolpe podría tirar al operador hacia el motor o la máquina, o hacer girar el cable de arranque y la manija a alta velocidad alrededor de la polea de arranque. Aunque las manivelas tenían un mecanismo de inercia , cuando el motor arrancaba, la manivela podía comenzar a girar junto con el cigüeñal y potencialmente golpear a la persona que hacía girar el motor. Además, había que tener cuidado de retardar la chispa para evitar que resultara contraproducente ; con un ajuste de chispa avanzado, el motor podría retroceder (girar en reversa), arrastrando consigo la manivela, porque el mecanismo de seguridad de inercia funciona en una sola dirección.
Aunque se recomendó a los usuarios colocar los dedos y el pulgar debajo de la manivela y tirar hacia arriba, a los operadores les pareció natural agarrar el mango con los dedos de un lado y el pulgar del otro. Incluso un simple efecto contraproducente podría provocar una fractura en el pulgar; era posible terminar con una muñeca rota , un hombro dislocado o algo peor. Además, los motores cada vez más grandes y con mayores relaciones de compresión hicieron que el arranque manual fuera una tarea más exigente físicamente.
El primer arranque eléctrico se instaló en un Arnold , una adaptación del Benz Velo, construido en 1896 en East Peckham , Inglaterra , por el ingeniero eléctrico HJ Dowsing. [2]
En 1903, Clyde J. Coleman inventó y patentó el primer arrancador eléctrico en Estados Unidos ( patente estadounidense 0.745.157) . [3]
En 1911, Charles F. Kettering , con Henry M. Leland , de Dayton Engineering Laboratories Company ( DELCO ), inventó y presentó la patente estadounidense 1.150.523 para un arrancador eléctrico en Estados Unidos. (Kettering había reemplazado la manivela de las cajas registradoras de NCR por un motor eléctrico cinco años antes).
Un aspecto de la invención radica en la comprensión de que un motor relativamente pequeño, accionado con voltaje y corriente más altos de los que serían factibles para un funcionamiento continuo, podría entregar suficiente potencia para hacer girar el motor para arrancar. Con los niveles de voltaje y corriente requeridos, dicho motor se quemaría en unos pocos minutos de funcionamiento continuo, pero no durante los pocos segundos necesarios para arrancar el motor. Los motores de arranque se instalaron por primera vez en el Cadillac Modelo Treinta en 1912, y Lanchester adoptó el mismo sistema ese mismo año. [4] Estos arrancadores también funcionaban como generadores una vez que el motor estaba en marcha, un concepto que ahora está reviviendo en los vehículos híbridos .
Aunque el motor de arranque eléctrico llegaría a dominar el mercado de automóviles, en 1912 había varios tipos de arranque en competencia, [4] los automóviles Adams, SCAT y Wolseley tenían arrancadores neumáticos directos, y Sunbeam introdujo un motor de arranque neumático con motores de arranque similares. aproximación a la utilizada para los motores de arranque eléctrico Delco y Scott-Crossley (es decir, acoplado con un anillo dentado en el volante). Los automóviles Star y Adler tenían motores de resorte (a veces denominados motores de relojería), que utilizaban la energía almacenada en un resorte que se movía a través de un engranaje reductor. Si el coche no arrancaba, se podía utilizar la palanca de arranque para enrollar el resorte y poder volver a intentarlo.
Una de las innovaciones del primer automóvil Dodge , el Modelo 30-35 en su presentación en 1914, fue un arranque eléctrico y una iluminación eléctrica con un sistema de 12 voltios (contra los seis voltios habituales en ese momento) como equipamiento estándar. lo que era un coche de precio relativamente bajo. El Dodge utilizó una unidad combinada de generador de arranque, con una dinamo de corriente continua acoplada permanentemente mediante engranajes al cigüeñal del motor. Un sistema de relés eléctricos permitió que esto fuera accionado como un motor para girar el motor para arrancar, y una vez que se soltó el botón de arranque, el interruptor de control devolvió la unidad a su funcionamiento como generador. Debido a que el generador de arranque estaba directamente acoplado al motor, no necesitaba un método para activar y desactivar el motor. Por tanto, sufrió un desgaste mecánico insignificante y su funcionamiento fue prácticamente silencioso. El generador de arranque siguió siendo una característica de los automóviles Dodge hasta 1929. La desventaja del diseño era que, como dispositivo de doble propósito, la unidad estaba limitada tanto en su potencia como motor como en su salida como generador, lo que se convirtió en un problema. a medida que aumentaban el tamaño del motor y las demandas eléctricas de los automóviles. Controlar el cambio entre los modos de motor y generador requería un interruptor dedicado y relativamente complejo que era más propenso a fallar que los contactos de alta resistencia de un motor de arranque dedicado. Si bien el generador de arranque perdió popularidad entre los automóviles en la década de 1930, el concepto todavía era útil para vehículos más pequeños y fue adoptado por la empresa alemana SIBA Elektrik , que construyó un sistema similar destinado principalmente a su uso en motocicletas, scooters y automóviles económicos (especialmente Serán motores de dos tiempos de pequeña cilindrada ) y motores marinos. Estos se comercializaron con el nombre "Dynastart". Dado que las motocicletas normalmente tenían motores pequeños y equipo eléctrico limitado, además de espacio y peso restringidos, el Dynastart fue una característica útil. Los devanados del generador de arranque generalmente se incorporaban al volante del motor, por lo que no requerían ninguna unidad separada.
El Ford Modelo T se basó en manivelas hasta 1919; Durante la década de 1920, los arranques eléctricos se volvieron casi universales en la mayoría de los automóviles nuevos, lo que facilitó la conducción a mujeres y personas mayores. En los años 60 todavía era común que los automóviles se suministraran con manija de arranque, y esto continuó mucho más tarde para algunas marcas (por ejemplo, Citroën 2CV hasta el final de su producción en 1990). En muchos casos, las manivelas se usaban para ajustar la sincronización en lugar de arrancar el motor, ya que los crecientes desplazamientos y relaciones de compresión hacían que esto no fuera práctico. Los coches del bloque comunista, como los Ladas, a menudo todavía tenían arranque por manivela hasta la década de 1980.
Para los primeros ejemplos de motores turborreactores alemanes de producción posterior en la Segunda Guerra Mundial, Norbert Riedel diseñó un pequeño motor de gasolina bicilíndrico opuesto de dos tiempos para arrancar las turbinas de gas de los aviones Junkers Jumo 004 y BMW 003 como una forma de unidad de potencia auxiliar para hacer girar el eje central de cada diseño de motor; estos generalmente se instalaban en la parte delantera del turborreactor y se activaban mediante una cuerda de tracción para hacerlos funcionar durante el procedimiento de arranque de los motores a reacción en los que estaban instalados.
Antes de la innovación de Chrysler en 1949 del interruptor combinado de encendido y arranque accionado por llave, [5] el conductor solía accionar el motor de arranque presionando un botón montado en el piso o en el tablero. Algunos vehículos tenían un pedal en el piso que acoplaba manualmente el piñón de arranque con la corona dentada del volante y luego completaba el circuito eléctrico al motor de arranque una vez que el pedal llegaba al final de su recorrido. Los tractores Ferguson de la década de 1940, incluido el Ferguson TE20 , tenían una posición adicional en la palanca de cambios que activaba el interruptor de arranque, lo que garantizaba la seguridad al evitar que los tractores se pusieran en marcha. [6]
El motor de arranque eléctrico o motor de arranque es el tipo más común utilizado en motores de gasolina y motores diésel pequeños. El motor de arranque moderno es un motor eléctrico de corriente continua de imán permanente o de bobinado en serie -paralelo con un solenoide de arranque (similar a un relé ) montado en él. Cuando se aplica energía CC de la batería de arranque al solenoide, generalmente a través de un interruptor accionado por llave (el "interruptor de encendido"), el solenoide activa una palanca que empuja hacia afuera el piñón de accionamiento en el eje de transmisión del motor de arranque y engrana el piñón con el motor de arranque. corona dentada en el volante del motor. [7]
El solenoide también cierra los contactos de alta corriente del motor de arranque, que comienza a girar. Una vez que el motor arranca, se abre el interruptor de llave, un resorte en el conjunto del solenoide aleja el piñón de la corona y el motor de arranque se detiene. El piñón del motor de arranque está acoplado a su eje de transmisión a través de un embrague de rueda libre que permite que el piñón transmita la transmisión en una sola dirección. De esta manera, la tracción se transmite a través del piñón a la corona del volante, pero si el piñón permanece engranado (como por ejemplo porque el operador no suelta la llave tan pronto como arranca el motor, o si hay un cortocircuito y el solenoide permanece engranado), el piñón girará independientemente de su eje motor. Esto evita que el motor accione el motor de arranque, ya que dicha marcha atrás haría que el motor de arranque girara tan rápido que se separara.
La disposición del embrague de bloqueo impediría el uso del motor de arranque como generador si se empleara en el esquema híbrido mencionado anteriormente, a menos que se hicieran modificaciones. El motor de arranque estándar suele estar diseñado para uso intermitente, lo que impediría su uso como generador. Los componentes eléctricos del motor de arranque están diseñados para funcionar únicamente durante menos de 30 segundos antes de sobrecalentarse (por una disipación demasiado lenta del calor debido a las pérdidas óhmicas ), para ahorrar peso y costos. La mayoría de los manuales del propietario de automóviles indican al operador que haga una pausa de al menos diez segundos después de cada diez o quince segundos de arrancar el motor, cuando intenta arrancar un motor que no arranca inmediatamente.
Esta disposición de piñón de embrague libre se empezó a utilizar gradualmente a principios de la década de 1960; antes de ese tiempo, se usaba una unidad Bendix . El sistema Bendix coloca el piñón impulsor del motor de arranque en un eje impulsor cortado helicoidalmente. Cuando el motor de arranque comienza a girar, la inercia del conjunto del piñón impulsor hace que se desplace hacia adelante sobre la hélice y, por lo tanto, se engrane con la corona dentada. Cuando el motor arranca, la contramarcha de la corona hace que el piñón impulsor exceda la velocidad de rotación del motor de arranque, momento en el cual el piñón impulsor es forzado a bajar por el eje helicoidal y, por lo tanto, se desengrana con la corona. [8] Esto tiene la desventaja de que las marchas se desconectarán si el motor arranca brevemente pero no continúa funcionando.
Un desarrollo intermedio entre la transmisión Bendix desarrollada en la década de 1930 y los diseños de embrague libre introducidos en la década de 1960 fue la transmisión Bendix Folo-Thru. La transmisión Bendix estándar se desconectaría de la corona dentada tan pronto como el motor se encendiera, incluso si no continuara funcionando. La unidad Folo-Thru contiene un mecanismo de bloqueo y un conjunto de contrapesos en el cuerpo de la unidad de transmisión. Cuando el motor de arranque comienza a girar y la unidad motriz es forzada hacia adelante sobre el eje helicoidal por inercia, queda bloqueada en la posición de acoplamiento. Sólo una vez que la unidad motriz gira a una velocidad mayor que la alcanzada por el propio motor de arranque (es decir, es impulsada hacia atrás por el motor en marcha), los contrapesos tirarán radialmente hacia afuera, liberando el pestillo y permitiendo que la unidad motriz sobreimpulsada gire. de compromiso. De esta manera se evita una desconexión no deseada del motor de arranque antes de un arranque exitoso del motor.
En 1962, Chrysler introdujo un motor de arranque que incorporaba un tren de engranajes entre el motor y el eje de transmisión. El eje del motor incluía dientes de engranaje cortados integralmente que formaban un piñón que engrana con un engranaje impulsado adyacente más grande para proporcionar una relación de reducción de engranaje de 3,75:1. Esto permitió el uso de un conjunto de motor de mayor velocidad, menor corriente, más ligero y más compacto, al tiempo que aumentaba el par de arranque. [9] Se utilizaron variantes de este diseño de motor de arranque en la mayoría de los vehículos con tracción trasera y en las cuatro ruedas producidos por Chrysler Corporation desde 1962 hasta 1987. Emite un sonido único y distintivo al arrancar el motor, lo que llevó a que lo apodaran " Highland Park Hummingbird", una referencia a la sede de Chrysler en Highland Park, Michigan . [10]
El motor de arranque con reducción de engranajes de Chrysler formó la base conceptual para los motores de arranque con reducción de engranajes que ahora predominan en los vehículos de carretera. Muchos fabricantes de automóviles japoneses incorporaron gradualmente motores de arranque con reducción de engranajes en las décadas de 1970 y 1980. [ cita necesaria ] Los motores de aviones ligeros también hicieron un uso extensivo de este tipo de motor de arranque, porque su peso liviano ofrecía una ventaja.
Los motores de arranque que no emplean trenes de engranajes desplazados como la unidad de Chrysler generalmente emplean trenes de engranajes epicicloidales planetarios . Los arrancadores de accionamiento directo están casi completamente obsoletos debido a su mayor tamaño, mayor peso y mayores necesidades de corriente. [ cita necesaria ]
Ford lanzó un motor de arranque no estándar, un diseño de " zapata de polo móvil" de transmisión directa que proporcionaba una reducción de costos en lugar de beneficios eléctricos o mecánicos. Este tipo de arrancador eliminó el solenoide y lo reemplazó con una zapata polar móvil y un relé de arranque separado. Este motor de arranque funciona de la siguiente manera: el conductor gira la llave y activa el interruptor de arranque. Una pequeña corriente eléctrica fluye a través del relé de arranque accionado por solenoide , cerrando los contactos y enviando una gran corriente de la batería al motor de arranque. Una de las zapatas polares, articulada en la parte delantera, unida al motor de arranque y accionada por un resorte fuera de su posición operativa normal, se coloca en su posición mediante el campo magnético creado por la electricidad que fluye a través de su bobina de campo. Esto mueve el motor de arranque hacia adelante para engranar la corona dentada del volante y, simultáneamente, cierra un par de contactos que suministran corriente al resto del devanado del motor de arranque. Una vez que el motor arranca y el conductor suelta el interruptor de arranque, un resorte retrae la zapata polar, lo que desengancha el motor de arranque de la corona dentada.
Este motor de arranque se utilizó en vehículos Ford desde 1973 hasta 1990, cuando lo reemplazó una unidad reductora de engranajes conceptualmente similar a la unidad Chrysler.
Una variante del motor de arranque eléctrico es el arrancador de inercia (no debe confundirse con el arrancador tipo Bendix descrito anteriormente). Aquí el motor de arranque no hace girar el motor directamente. En cambio, cuando se energiza, el motor hace girar un pesado volante integrado en su carcasa (no el volante principal del motor). Una vez que la unidad volante/motor ha alcanzado una velocidad constante, la corriente al motor se corta y el accionamiento entre el motor y el volante se desconecta mediante un mecanismo de rueda libre. Luego, el volante giratorio se conecta al motor principal y su inercia lo hace girar para arrancarlo. Estas etapas comúnmente se automatizan mediante interruptores de solenoide , donde el operador de la máquina usa un interruptor de control de dos posiciones, que se mantiene en una posición para hacer girar el motor y luego se mueve a la otra para cortar la corriente al motor y acoplar el volante al motor. motor.
La ventaja del arrancador de inercia es que, debido a que el motor no impulsa directamente el motor, puede tener una potencia mucho menor que el arrancador estándar para un motor del mismo tamaño. Esto permite un motor de mucho menor peso y tamaño, así como cables más livianos y baterías más pequeñas para alimentar el motor. Esto hizo que el arrancador de inercia fuera una opción común para aviones con grandes motores de pistones radiales . La desventaja es el mayor tiempo necesario para arrancar el motor: hacer girar el volante a la velocidad requerida puede tardar entre 10 y 20 segundos. Si el motor no arranca cuando el volante ha perdido su inercia, entonces se debe repetir el proceso para el siguiente intento.
Algunos motores de turbina de gas y motores diésel , particularmente en camiones , utilizan un arranque automático neumático . En los vehículos terrestres, el sistema consta de una turbina con engranajes, un compresor de aire y un tanque de presión. El aire comprimido liberado del tanque se utiliza para hacer girar la turbina y, a través de un conjunto de engranajes reductores , acopla la corona dentada en el volante, muy parecido a un arrancador eléctrico. El motor, una vez en marcha, acciona el compresor para recargar el depósito.
Los aviones con grandes motores de turbina de gas normalmente arrancan utilizando un gran volumen de aire comprimido a baja presión, suministrado desde un motor muy pequeño denominado unidad de potencia auxiliar , ubicado en otra parte del avión. Alternativamente, los motores de turbina de gas de los aviones se pueden arrancar rápidamente utilizando un motor de arranque neumático móvil terrestre, denominado carro de arranque o carro de arranque neumático .
En los generadores diésel más grandes que se encuentran en grandes instalaciones costeras y especialmente en barcos, se utiliza un engranaje de arranque neumático. El motor neumático normalmente funciona con aire comprimido a presiones de 10 a 30 bar . El motor neumático está formado por un tambor central del tamaño de una lata de sopa con cuatro o más ranuras cortadas para permitir que las paletas se coloquen radialmente en el tambor para formar cámaras alrededor del tambor. El tambor está desplazado dentro de una carcasa redonda de modo que el aire de entrada para el arranque ingresa en el área donde el tambor y las paletas forman una cámara pequeña en comparación con los demás. El aire comprimido sólo puede expandirse girando el tambor, lo que permite que la pequeña cámara se haga más grande y coloca otra de las curvaturas en la entrada de aire. El motor neumático gira demasiado rápido para usarse directamente en el volante del motor; en su lugar, se utiliza una gran reducción de engranajes, como un engranaje planetario, para reducir la velocidad de salida. Se utiliza un engranaje Bendix para acoplar el volante.
Dado que los camiones grandes suelen utilizar frenos de aire , el sistema cumple una doble función: suministra aire comprimido al sistema de frenos. Los arrancadores neumáticos tienen las ventajas de ofrecer un par elevado, simplicidad mecánica y confiabilidad. Eliminan la necesidad de baterías de almacenamiento pesadas y de gran tamaño en los sistemas eléctricos de energía primaria.
Los grandes generadores diésel y casi todos los motores diésel utilizados como motor principal de los barcos utilizan aire comprimido que actúa directamente sobre la culata. Esto no es ideal para motores diésel más pequeños, ya que proporciona demasiado enfriamiento al arrancar. Además, la culata debe tener suficiente espacio para soportar una válvula adicional para el sistema de arranque neumático. El sistema de arranque neumático es conceptualmente muy similar al distribuidor de un automóvil. Existe un distribuidor de aire que va acoplado al árbol de levas del motor Diesel; En la parte superior del distribuidor de aire hay un lóbulo único similar al que se encuentra en un árbol de levas. Alrededor de este lóbulo están dispuestos radialmente seguidores de punta de rodillo para cada cilindro. Cuando el lóbulo del distribuidor de aire golpea uno de los seguidores, enviará una señal de aire que actúa sobre la parte posterior de la válvula de arranque de aire ubicada en la culata, provocando que se abra. El aire comprimido proviene de un gran depósito que ingresa a un cabezal ubicado a lo largo del motor. Tan pronto como se abre la válvula de arranque de aire, se admite el aire comprimido y el motor comenzará a girar. Se puede utilizar en motores de dos y cuatro tiempos y en motores de marcha atrás. En los motores grandes de dos tiempos se necesita menos de una revolución del cigüeñal para arrancar.
Algunos motores Diesel de seis a 16 cilindros se arrancan mediante un motor hidráulico . Los arrancadores hidráulicos y los sistemas asociados proporcionan un método confiable y sin chispas para arrancar el motor en un amplio rango de temperaturas. [11] Normalmente, los arrancadores hidráulicos se encuentran en aplicaciones como generadores remotos, motores de propulsión de botes salvavidas, motores de bombeo contra incendios en alta mar y plataformas de fractura hidráulica . El sistema utilizado para soportar el arranque hidráulico incluye válvulas, bombas, filtros, un depósito y acumuladores de pistón. El operador puede recargar manualmente el sistema hidráulico; Esto no se puede hacer fácilmente con sistemas de arranque eléctricos, por lo que se prefieren los sistemas de arranque hidráulico en aplicaciones en las que el arranque de emergencia es un requisito.
Con varias configuraciones, los arrancadores hidráulicos se pueden instalar en cualquier motor. Los arrancadores hidráulicos emplean la alta eficiencia del concepto de motor de pistones axiales, que proporciona un alto par a cualquier temperatura o entorno y garantiza un desgaste mínimo de la corona del motor y el piñón. [12]
Un arrancador de resorte utiliza energía potencial almacenada en un resorte enrollado con una manivela para arrancar un motor sin batería ni alternador . Al girar la manivela, el piñón se engrana con la corona dentada del motor y luego se enrolla el resorte. Al tirar de la palanca de liberación se aplica la tensión del resorte al piñón, girando la corona para arrancar el motor. El piñón se desconecta automáticamente del volante después de la operación. También se toman medidas para permitir que el motor se gire lentamente a mano para su mantenimiento. Esto se logra accionando la palanca de disparo justo después de que el piñón se haya engranado con el volante. El giro posterior de la manija de cuerda durante esta operación no cargará el motor de arranque. Los arrancadores de resorte se pueden encontrar en generadores de motores y unidades de energía hidráulica, y en motores de botes salvavidas , siendo la aplicación más común el sistema de arranque de respaldo en embarcaciones marítimas. Muchas cortadoras de césped Briggs & Stratton de la década de 1960 tenían arrancadores de resorte manuales. [13]
Algunos motores de gasolina modernos con doce o más cilindros siempre tienen al menos uno o más pistones al comienzo de su carrera de potencia y pueden comenzar inyectando combustible en ese cilindro y encendiéndolo. El mismo procedimiento se puede aplicar a motores con menos cilindros, si el motor está parado en la posición correcta. Esta es una forma de arrancar el motor de un coche con sistema stop-start . [14]
...los gorjeos del colibrí de Highland Park, el famoso motor de arranque con reducción de engranajes de Mopar...
