Un motor de pistón libre es un motor de combustión interna lineal, "sin cigüeñal" , en el que el movimiento del pistón no está controlado por un cigüeñal sino determinado por la interacción de fuerzas de los gases de la cámara de combustión , un dispositivo de rebote (por ejemplo, un pistón en un cilindro cerrado) y un dispositivo de carga (por ejemplo, un compresor de gas o un alternador lineal ).
El propósito de todos estos motores de pistón es generar energía. En el motor de pistón libre, esta potencia no se entrega a un cigüeñal sino que se extrae a través de la presión de los gases de escape impulsando una turbina, impulsando una carga lineal como un compresor de aire para energía neumática , o incorporando un alternador lineal directamente en los pistones para producir energía eléctrica.
La configuración básica de los motores de pistón libre se conoce comúnmente como pistón simple, pistón doble o pistones opuestos , en referencia al número de cilindros de combustión. El motor de pistón libre suele estar restringido al principio de funcionamiento de dos tiempos , ya que se requiere una carrera de potencia en cada ciclo de avance y retroceso. Sin embargo, se ha patentado una versión de cuatro tiempos de ciclo dividido , GB2480461 (A), publicada el 23 de noviembre de 2011. [1]
El moderno motor de pistón libre fue propuesto por RP Pescara [2] y la aplicación original era un compresor de aire de un solo pistón . Pescara creó la Oficina Técnica Pescara para desarrollar motores de pistón libre y Robert Huber fue director técnico de la Oficina de 1924 a 1962. [3]
El concepto del motor fue un tema de gran interés en el período 1930-1960, y se desarrollaron varias unidades disponibles comercialmente. Estos motores de pistón libre de primera generación eran, sin excepción, motores de pistón opuesto, en los que los dos pistones estaban unidos mecánicamente para asegurar un movimiento simétrico. Los motores de pistón libre ofrecieron algunas ventajas sobre la tecnología convencional, incluida la compacidad y un diseño sin vibraciones.
La primera aplicación exitosa del concepto de motor de pistón libre fue como compresores de aire. En estos motores, los cilindros del compresor de aire estaban acoplados a los pistones móviles, a menudo en una configuración de múltiples etapas. Algunos de estos motores utilizaban el aire que quedaba en los cilindros del compresor para devolver el pistón, eliminando así la necesidad de un dispositivo de rebote.
Los compresores de aire de pistón libre se utilizaban, entre otros, en la Armada alemana y tenían las ventajas de alta eficiencia, compacidad y bajo nivel de ruido y vibración. [4]
Tras el éxito del compresor de aire de pistón libre, varios grupos de investigación industrial comenzaron a desarrollar generadores de gas de pistón libre. En estos motores no existe ningún dispositivo de carga acoplado al propio motor, sino que la potencia se extrae de una turbina de escape. Por tanto, el movimiento giratorio de la turbina puede impulsar una bomba, una hélice, un generador u otro dispositivo.
En esta disposición, la única carga para el motor es sobrealimentar el aire de entrada, aunque en teoría parte de este aire podría desviarse para usarlo como fuente de aire comprimido si se desea. Tal modificación permitiría que el motor de pistón libre, cuando se use junto con la turbina impulsada por escape antes mencionada, proporcione energía motriz (desde el eje de salida de la turbina) además de aire comprimido según sea necesario.
Se desarrollaron varios generadores de gas de pistón libre, y dichas unidades se utilizaron ampliamente en aplicaciones a gran escala, como plantas de energía estacionarias y marinas. [5] Se intentó utilizar generadores de gas de pistón libre para la propulsión de vehículos (p. ej., en locomotoras de turbina de gas ), pero sin éxito. [6] [7]
Las aplicaciones modernas del concepto de motor de pistón libre incluyen motores hidráulicos, destinados a vehículos todo terreno, y generadores de motor de pistón libre, destinados a vehículos eléctricos híbridos.
Estos motores suelen ser del tipo de pistón único, con el cilindro hidráulico actuando como dispositivo de carga y rebote mediante un sistema de control hidráulico. Esto le da a la unidad una alta flexibilidad operativa. Se ha informado de un excelente rendimiento a carga parcial. [8] [9]
Múltiples grupos de investigación están investigando generadores lineales de pistón libre que eliminan un cigüeñal pesado con bobinas eléctricas en las paredes del pistón y del cilindro para su uso en vehículos eléctricos híbridos como extensores de alcance . El primer generador de pistón libre se patentó en 1934. [10] Los ejemplos incluyen el motor Stelzer y el Free Piston Power Pack fabricado por Pempek Systems [4] basado en una patente alemana. [11] En 2013 se demostró un generador lineal de pistón libre en el Centro Aeroespacial Alemán (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR). [12]
Estos motores son principalmente del tipo de doble pistón, lo que proporciona una unidad compacta con una alta relación potencia-peso . Un desafío en este diseño es encontrar un motor eléctrico con un peso suficientemente reducido. Se informaron desafíos de control en forma de altas variaciones de un ciclo a otro para los motores de doble pistón. [13] [14]
En junio de 2014, Toyota anunció un prototipo de generador lineal con motor de pistón libre (FPEG). A medida que el pistón es forzado hacia abajo durante su carrera de potencia, pasa a través de los devanados del cilindro para generar una ráfaga de electricidad CA trifásica. El pistón genera electricidad en ambas carreras, lo que reduce las pérdidas por movimiento muerto del pistón. El generador funciona en un ciclo de dos tiempos, utilizando válvulas de asiento de escape activadas hidráulicamente , inyección directa de gasolina y válvulas operadas electrónicamente. El motor se modifica fácilmente para funcionar con diversos combustibles, incluidos hidrógeno, gas natural, etanol, gasolina y diésel. Un FPEG de dos cilindros está inherentemente equilibrado. [15]
Toyota afirma tener una calificación de eficiencia térmica del 42% en uso continuo, superando con creces el promedio actual del 25-30%. Toyota demostró una unidad de 24 pulgadas de largo por 2,5 pulgadas de diámetro que produce 15 hp (más de 11 kW). [dieciséis]
Las características operativas de los motores de pistón libre difieren de las de los motores de cigüeñal convencionales. La principal diferencia se debe a que el movimiento del pistón no está restringido por un cigüeñal en el motor de pistón libre, lo que lleva a la característica potencialmente valiosa de la relación de compresión variable. Sin embargo, esto también presenta un desafío de control, ya que la posición de los puntos muertos debe controlarse con precisión para garantizar el encendido del combustible y una combustión eficiente, y para evitar presiones excesivas dentro del cilindro o, peor aún, que el pistón golpee la culata. . El motor de pistón libre tiene una serie de características únicas, algunas le otorgan ventajas potenciales y otras representan desafíos que deben superarse para que el motor de pistón libre sea una alternativa realista a la tecnología convencional.
Como el movimiento del pistón entre los puntos finales no está restringido mecánicamente por un mecanismo de manivela, el motor de pistón libre tiene la valiosa característica de una relación de compresión variable, que puede proporcionar una amplia optimización de la operación, una mayor eficiencia de carga parcial y una posible operación con múltiples combustibles. Estos se ven mejorados por la sincronización variable de la inyección de combustible y la sincronización de válvulas a través de métodos de control adecuados.
La longitud de carrera variable se logra mediante un esquema de control de frecuencia adecuado, como el control PPM (modulación de pausa por pulso) [1], en el que el movimiento del pistón se detiene en el BDC utilizando un cilindro hidráulico controlable como dispositivo de rebote. Por lo tanto, la frecuencia se puede controlar aplicando una pausa entre el momento en que el pistón alcanza el PMI y la liberación de energía de compresión para la siguiente carrera.
Como hay menos piezas móviles, se reducen las pérdidas por fricción y los costes de fabricación. Por tanto, el diseño simple y compacto requiere menos mantenimiento y esto aumenta la vida útil.
El movimiento puramente lineal provoca cargas laterales muy reducidas sobre el pistón y, por tanto, menores necesidades de lubricación para el pistón.
El proceso de combustión del motor de pistón libre es muy adecuado para el modo de encendido por compresión de carga homogénea (HCCI), en el que la carga premezclada se comprime y se enciende automáticamente, lo que da como resultado una combustión muy rápida, junto con menores requisitos para un control preciso del tiempo de encendido. Además, se obtienen altas eficiencias debido a un volumen de combustión casi constante y a la posibilidad de quemar mezclas pobres para reducir las temperaturas de los gases y, por tanto, algunos tipos de emisiones.
Al hacer funcionar varios motores en paralelo, se pueden reducir las vibraciones debidas a problemas de equilibrio, pero esto requiere un control preciso de la velocidad del motor. Otra posibilidad es aplicar contrapesos, lo que da como resultado un diseño más complejo, un mayor tamaño y peso del motor y pérdidas adicionales por fricción.
Al carecer de un dispositivo de almacenamiento de energía cinética, como un volante en los motores convencionales, los motores de pistón libre son más susceptibles a apagarse causados por variaciones mínimas en el tiempo o la presión del ciclo del motor. Se requiere un control preciso de la velocidad y la sincronización ya que, si el motor no logra generar suficiente compresión o si otros factores influyen en la inyección/encendido y la combustión, el motor puede fallar o detenerse.
Las posibles ventajas del concepto de pistón libre incluyen:
El principal desafío para los motores de pistón libre es el control del motor, que sólo se puede decir que está completamente resuelto en los motores hidráulicos de pistón libre de un solo pistón. Cuestiones como la influencia de las variaciones de un ciclo a otro en el proceso de combustión y el rendimiento del motor durante el funcionamiento transitorio en motores de doble pistón son temas que necesitan más investigación. Los motores de cigüeñal pueden conectar accesorios tradicionales como alternador, bomba de aceite, bomba de combustible, sistema de refrigeración, motor de arranque, etc.
El movimiento de rotación para hacer girar los accesorios de motores de automóviles convencionales, como alternadores, compresores de aire acondicionado, bombas de dirección asistida y dispositivos anticontaminación, podría capturarse desde una turbina situada en la corriente de escape.
La mayoría de los motores de pistones libres son del tipo de pistones opuestos con una única cámara de combustión central. Una variación es el motor de pistones opuestos que tiene dos cámaras de combustión separadas. Un ejemplo es el motor Stelzer .
En el siglo XXI, la investigación sobre motores de pistón libre continúa y se han publicado patentes en muchos países. En el Reino Unido, la Universidad de Newcastle está investigando motores de pistón libre. [20]
El centro aeroespacial alemán está desarrollando un nuevo tipo de motor de pistón libre, el generador lineal de pistón libre . [21]
Además de estos prototipos, investigadores de la Universidad de West Virginia, en Estados Unidos, están trabajando en el desarrollo de un prototipo de motor monocilíndrico de pistón libre con resortes mecánicos a una frecuencia de funcionamiento de 90 Hz. [22]