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Motor de pistón libre

Motor de pistón libre utilizado como generador de gas para accionar una turbina. Un motor de pistón libre es un motor de combustión interna lineal, "sin cigüeñal" , en el que el...

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Motor de pistón libre utilizado como generador de gas para accionar una turbina.

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 que está determinado por la interacción de las 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 objetivo de todos estos motores de pistón es generar energía. En el motor de pistón libre, esta energía no se transmite a un cigüeñal, sino que se extrae mediante la presión de los gases de escape que acciona una turbina, mediante el accionamiento de una carga lineal como un compresor de aire para generar energía neumática , o mediante la incorporación de 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 limitado 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 ]

Primera generación

Figura 1 de US1657641

El moderno motor de pistón libre fue propuesto por RP Pescara [ 2 ] y su aplicación original fue un compresor de aire de pistón único . Pescara creó la Oficina Técnica Pescara para desarrollar motores de pistón libre y Robert Huber fue director técnico de la Oficina desde 1924 hasta 1962. [ 3 ]

El concepto de motor fue un tema de gran interés entre 1930 y 1960, y se desarrollaron varias unidades disponibles comercialmente. Estos motores de pistón libre de primera generación eran, sin excepción, motores de pistones opuestos, en los que los dos pistones estaban unidos mecánicamente para garantizar un movimiento simétrico. Los motores de pistón libre ofrecían algunas ventajas sobre la tecnología convencional, como su compacidad y un diseño libre de vibraciones.

Compresores de aire

La primera aplicación exitosa del concepto de motor de pistón libre fue en los compresores de aire. En estos motores, los cilindros del compresor estaban acoplados a los pistones móviles, a menudo en una configuración de varias etapas. Algunos de estos motores utilizaban el aire restante en los cilindros del compresor para el retorno del pistón, eliminando así la necesidad de un dispositivo de rebote.

Los compresores de aire de pistón libre fueron utilizados, entre otros, por la Armada alemana, y tenían las ventajas de alta eficiencia, compacidad y bajo nivel de ruido y vibración. [ 7 ]

generadores de gas

Tras el éxito del compresor de aire de pistón libre, varios grupos de investigación industrial iniciaron el desarrollo de generadores de gas de pistón libre. En estos motores no hay ningún dispositivo de carga acoplado al motor propiamente dicho, sino que la energía se extrae de una turbina de escape. El movimiento giratorio de la turbina puede, por lo tanto, accionar una bomba, una hélice, un generador u otro dispositivo.

En esta configuración, la única carga para el motor es la sobrealimentación del aire de admisión, aunque en teoría parte de este aire podría desviarse para usarse como fuente de aire comprimido si se deseara. Dicha modificación permitiría que el motor de pistón libre, cuando se usa junto con la turbina accionada por los gases de escape mencionada anteriormente, proporcione tanto fuerza motriz (desde el eje de salida de la turbina) como aire comprimido bajo demanda.

Se desarrollaron varios generadores de gas de pistón libre, y dichas unidades se utilizaron ampliamente en aplicaciones a gran escala, como centrales eléctricas estacionarias y marinas. [ 8 ] Se intentó utilizar generadores de gas de pistón libre para la propulsión de vehículos (por ejemplo, en locomotoras de turbina de gas ), pero sin éxito. [ 9 ] [ 10 ]

Aplicaciones modernas

Las aplicaciones modernas del concepto de motor de pistón libre incluyen motores hidráulicos, destinados a vehículos todoterreno, y generadores de motor de pistón libre, destinados a su uso en vehículos eléctricos híbridos.

Hidráulico

Estos motores suelen ser de pistón único, con el cilindro hidráulico funcionando como dispositivo de carga y rebote mediante un sistema de control hidráulico. Esto proporciona a la unidad una gran flexibilidad operativa. Se ha informado de un excelente rendimiento a carga parcial. [ 11 ] [ 12 ]

Generadores

Varios grupos de investigación están estudiando generadores lineales de pistón libre que eliminan un cigüeñal pesado con bobinas eléctricas en el pistón y las paredes del cilindro para su uso en vehículos eléctricos híbridos como extensores de autonomía . El primer generador de pistón libre se patentó en 1934. [ 13 ] Algunos ejemplos son el motor Stelzer y el Free Piston Power Pack fabricado por Pempek Systems.Archivado el 27 de agosto de 2016 en Wayback Machine basado en una patente alemana. [ 14 ] En 2013 se demostró un generador lineal de pistón libre en el Centro Aeroespacial Alemán (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR). [ 15 ]

Estos motores son principalmente de doble pistón, lo que da como resultado una unidad compacta con una alta relación potencia-peso . Un desafío con este diseño es encontrar un motor eléctrico con un peso suficientemente bajo. Se han reportado problemas de control en forma de altas variaciones ciclo a ciclo para los motores de doble pistón. [ 16 ] [ 17 ]

En junio de 2014, Toyota anunció un prototipo de generador lineal de motor de pistón libre (FPEG). A medida que el pistón desciende durante su carrera de potencia, pasa a través de los devanados del cilindro para generar una ráfaga de electricidad de CA trifásica. El pistón genera electricidad en ambas carreras, lo que reduce las pérdidas por fricción. El generador funciona con un ciclo de dos tiempos, utilizando válvulas de escape de asiento accionadas hidráulicamente , inyección directa de gasolina y válvulas de accionamiento electrónico. El motor se puede modificar fácilmente para funcionar con diversos combustibles, como hidrógeno, gas natural, etanol, gasolina y diésel. Un FPEG de dos cilindros está intrínsecamente equilibrado. [ 18 ]

Toyota afirma que su eficiencia térmica es del 42 % en uso continuo, superando ampliamente el promedio actual del 25-30 %. Toyota demostró una unidad de 24 pulgadas de largo por 2,5 pulgadas de diámetro que producía 15  hp (más de 11  kW). [ 19 ]

Características

Las características operativas de los motores de pistón libre difieren de las de los motores convencionales con cigüeñal. La principal diferencia radica en que, en el motor de pistón libre, el movimiento del pistón no está restringido por un cigüeñal, lo que permite la valiosa característica de una relación de compresión variable. Sin embargo, esto también plantea un desafío de control, ya que la posición de los puntos muertos debe controlarse con precisión para asegurar la ignición del combustible y una combustión eficiente, y para evitar presiones excesivas en el cilindro o, peor aún, que el pistón golpee la culata . El motor de pistón libre posee varias características únicas; algunas le confieren ventajas potenciales y otras representan desafíos que deben superarse para que se convierta en una alternativa viable a la tecnología convencional.

Dado que el movimiento del pistón entre los extremos no está restringido mecánicamente por un mecanismo de manivela, el motor de pistón libre ofrece la valiosa ventaja de una relación de compresión variable, lo que permite una optimización considerable del funcionamiento, una mayor eficiencia a carga parcial y la posibilidad de utilizar diferentes combustibles. Estas ventajas se ven potenciadas por la sincronización variable de la inyección de combustible y la distribución de válvulas mediante métodos de control adecuados.

La longitud de carrera variable se logra mediante un esquema de control de frecuencia adecuado, como el control PPM (Modulación por Pausa de Pulso) [1], en el que el movimiento del pistón se pausa en el PMI 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 la energía de compresión para la siguiente carrera.

Al tener menos piezas móviles, se reducen las pérdidas por fricción y el coste de fabricación. Por lo tanto, su diseño sencillo y compacto requiere menos mantenimiento, lo que aumenta su vida útil.

El movimiento puramente lineal produce cargas laterales muy bajas en el pistón, por lo que requiere menos lubricación.

El proceso de combustión de un motor de pistón libre es ideal para el modo de encendido por compresión de carga homogénea (HCCI), en el que la mezcla premezclada se comprime y se autoenciende, lo que resulta en una combustión muy rápida y menores exigencias en el control preciso del momento del encendido. Además, se obtienen altas eficiencias gracias a la combustión a volumen casi constante y a la posibilidad de quemar mezclas pobres para reducir la temperatura de los gases y, por consiguiente, algunos tipos de emisiones.

Al hacer funcionar varios motores en paralelo, se pueden reducir las vibraciones debidas a problemas de equilibrado, pero esto requiere un control preciso de la velocidad del motor. Otra posibilidad es utilizar contrapesos, lo que implica 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 de inercia en los motores convencionales, los motores de pistón libre son más susceptibles a detenerse debido a mínimas variaciones en la sincronización o la presión del ciclo del motor. Se requiere un control preciso de la velocidad y la sincronización, ya que, si el motor no alcanza la compresión suficiente o si otros factores influyen en la inyección, el encendido y la combustión, puede sufrir fallos de encendido o detenerse.

Ventajas

Entre las posibles ventajas del concepto de pistón libre se incluyen:

  • Diseño sencillo con pocas piezas móviles, lo que da como resultado un motor compacto con bajos costes de mantenimiento y pérdidas por fricción reducidas.
  • La flexibilidad operativa que ofrece la relación de compresión variable permite optimizar el funcionamiento en todas las condiciones operativas y con diferentes combustibles. El motor de pistón libre también es idóneo para el funcionamiento con encendido por compresión de carga homogénea (HCCI). [ 20 ]
  • La alta velocidad del pistón cerca del punto muerto superior (PMS) y una rápida expansión de la carrera de potencia mejoran la mezcla de combustible y aire y reducen el tiempo disponible para las pérdidas por transferencia de calor y la formación de emisiones dependientes de la temperatura, como los óxidos de nitrógeno (NOx). [ 21 ] [ 22 ]

Desafíos

El principal desafío para los motores de pistón libre es el control del motor, que solo puede considerarse completamente resuelto en los motores hidráulicos de pistón libre de un solo pistón. Cuestiones como la influencia de las variaciones ciclo a ciclo en el proceso de combustión y el rendimiento del motor durante el funcionamiento transitorio en motores de doble pistón son temas que requieren mayor investigación. Los motores de cigüeñal pueden conectar accesorios tradicionales como el alternador, la bomba de aceite, la bomba de combustible, el sistema de refrigeración, el motor de arranque, etc.

El movimiento de rotación necesario para hacer girar los accesorios convencionales del motor del automóvil, como alternadores, compresores de aire acondicionado, bombas de dirección asistida y dispositivos anticontaminación, podría capturarse mediante una turbina situada en el flujo de escape.

Motor de pistones opuestos

La mayoría de los motores de pistones libres son del tipo de pistones opuestos con una sola cámara de combustión central. Una variante es el motor de pistones opuestos , que tiene dos cámaras de combustión separadas. Un ejemplo es el motor Stelzer .

Novedades recientes

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 llevando a cabo investigaciones sobre motores de pistón libre. [ 23 ]

El centro aeroespacial alemán está desarrollando un nuevo tipo de motor de pistón libre, un generador lineal de pistón libre . [ 15 ]

Además de estos prototipos, investigadores de la Universidad de West Virginia en los EE. UU. 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. [ 24 ]

Véase también

  • El motor lineal Braun: https://en.wikipedia.org/wiki/Free-piston_engine
  • El motor lineal de Braun: https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/730185/
  • El motor lineal Braun: https://ppubs.uspto.gov/api/pdf/downloadPdf/3610214?requestToken=eyJzdWIiOiJjYmU0MTIyZS04YmE4LTQxMGItYmE0ZC05NjcwZjhlOTdmYjAiLCJ2ZXIiOiI2MDJkYmVlOS02ZWRiLTQ2ZjgtYWJjYS0zODc2MTljNmEwMDEiLCJleHAiOjB9
  • Inyector de combustible para combustible gaseoso (Thomas Braun): https://patentimages.storage.googleapis.com/2e/bc/b8/78460b986316e8/US5269280.pdf

Referencias

  1. ↑ Patente británica 2480461 , Mikalsen, Rikard y Roskilly, Anthony Paul, "Motor de combustión interna de pistón libre", publicada el 23/11/2011, emitida el 19/05/2010. 
  2. ↑ Patente estadounidense 1657641A , Pescara, Raul Pateras, "Aparato motor-compresor", publicada el 31 de enero de 1928, asignada a Pescara & Raymond Corp. 
  3. ↑ "Historia" . freikolben.ch . Archivado del original el 22 de abril de 2012. Consultado el 27 de marzo de 2015 .
  4. ↑ Mikalsen, R.; Roskilly, AP (octubre de 2007). "Una revisión de la historia y las aplicaciones de los motores de pistón libre". Applied Thermal Engineering . 27 ( 14–15 ): 2339–2352 . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2007.03.015 .
  5. ↑ «Página de inicio de la UIBM (inglés)» . uibm.mise.gov.it. ​Ufficio Italiano Brevetti e Marchi.
  6. ↑ Eckardt, Dietrich (2023). Jet Web: CONEXIONES en la historia del desarrollo de los motores turborreactores 1920 - 1950. Springer Nature. pág. 732. ISBN  978-3-658-38531-6. Freudenreich, Jean de von, 35, 130, 202
  7. ↑ Toutant, WT (1952). "El compresor de aire de pistón libre Worthington-Junkers". Journal of the American Society of Naval Engineers . 64 (3): 583– 594. doi : 10.1111/j.1559-3584.1952.tb02985.x .
  8. ↑ Londres, AL; Oppenheim, AK (1952). "Desarrollo del motor de pistón libre: estado actual y aspectos de diseño". Transacciones de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos . 74 (8): 1349– 1361. doi : 10.1115/1.4016110 .
  9. ↑ Underwood, AF (1957). "El motor GMR 4-4 HYPREX : un concepto de motor de pistón libre para uso automotriz". SAE Transactions . SAE Technical Paper Series. 65 570032: 377–391 . doi : 10.4271/570032 .
  10. ↑ Frey DN, Klotsch P, Egli A (1957). "El motor de turbina de pistón libre para automóviles, 65:628–634". SAE Transactions . 65 : 628– 634. doi : 10.4271/570051 .
  11. ↑ Achten PA, Van Den Oever JP, Potma J, Vael GE (2000). "Potencia con inteligencia: El diseño del motor de pistón libre CHIRON". Documento técnico de la SAE . Serie de documentos técnicos de la SAE. 2000-01-2545 2000-01-2545. doi : 10.4271/2000-01-2545 .
  12. ^ Brunner H, Dantlgraber J, Feuser A, Fichtl H, Schaeffer R, extremo A (2005). "Una máquina Kolben del Renacimiento". Antriebstechnik . 4 : 66-70 .
  13. ↑ Patente estadounidense 2362151 , Ostenberg, P., "Generador eléctrico", publicada el 7 de noviembre de 1944. 
  14. ↑ Patente DE 2519912 , Willimczik, W., "Hubkolbenmaschine mit elektrischem Triebwerk, insbesondere Hubkolben-Lineargenerator", publicado el 19 de febrero de 1976 
  15. 1 2 Prof. Dr.-Ing. Horst E. Friedrich (19 de febrero de 2013). "Investigadores del DLR presentan un nuevo tipo de extensor de autonomía para coches eléctricos" . Centro Aeroespacial Alemán (DLR) . Archivado del original el 30 de marzo de 2018.
  16. ↑ Clark N, Nandkumar S, Atkinson C, Atkinson R, McDaniel T, Petreanu S (1998). "Modelado y desarrollo de un motor lineal". Conferencia de primavera de la ASME, División de motores de combustión interna . 30 (2): 49– 87.
  17. ↑ Tikkanen S, Lammila M, Herranen M, Vilenius M (2000). "Primeros ciclos del motor de pistón libre hidráulico dual". Documento técnico de la SAE . Serie de documentos técnicos de la SAE. 2000-01-2546 2000-01-2546. doi : 10.4271/2000-01-2546 .
  18. ↑ "Toyota Central R&D; desarrollo de generador lineal de motor de pistón libre; previsión de unidades multi-FPEG para vehículos eléctricos" . Green Car Congress . BioAge Group, LLC. 22 de abril de 2014. Archivado del original el 25 de abril de 2014. Consultado el 20 de febrero de 2026 .
  19. ↑ Cammisa, Jason (30 de junio de 2014). "Sin cigüeñal, sin problema: el motor de pistón libre de Toyota es brillante" . Road and Track . Hearst Autos, Inc.
  20. ↑ Van Blarigan, P (2001). "Generador eléctrico avanzado de combustión interna" (PDF) . En Gregoire, C. (ed.). Actas de la revisión del programa de hidrógeno del Departamento de Energía de EE. UU. de 2001 (PDF) . Golden, CO, EE. UU.: Laboratorio Nacional de Energías Renovables. págs. 690–709 . NREL/CP-570-30535 – vía Biblioteca Digital de la UNT. 
  21. ↑ Mikalsen R, Roskilly AP (2008). "Diseño y simulación de un motor de encendido por compresión de pistón libre de dos tiempos para la generación de energía eléctrica" ​​(PDF) . Applied Thermal Engineering . 28 ( 5–6 ): 589–600 . Bibcode : 2008AppTE..28..589M . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2007.04.009 .
  22. ↑ Mikalsen R, Roskilly AP (2009). "Un estudio computacional de la combustión de un motor diésel de pistón libre" (PDF) . Applied Energy . 86 ( 7–8 ): 1136–1143 . Bibcode : 2009ApEn...86.1136M . doi : 10.1016/j.apenergy.2008.08.004 .
  23. ↑ "Proyecto de motor de pistón libre" . free-piston.eu . Universidad de Newcastle.
  24. ↑ Bade M, Clark NN, Robinson MC, Famouri P (2018). "Investigación paramétrica de las características de combustión y transferencia de calor de un alternador de motor lineal oscilante" . Journal of Combustion . 2018 : 1–16 . doi : 10.1155/2018/2907572 .

Fuentes

  • Mikalsen R., Roskilly AP. Una revisión de la historia y las aplicaciones de los motores de pistón libre. Applied Thermal Engineering , Volumen 27, Números 14-15, Páginas 2339-2352, 2007..
  • Investigadores del DLR presentan un nuevo tipo de extensor de autonomía para coches eléctricos.
  • Página principal muy completa sobre motores de pistón gratuitos.
  • Innas BV
  • Universidad de Newcastle
  • Compresor de motor de pistón gratuito de la Universidad de Vanderbilt. Archivado el 23/12/2010 en Wayback Machine.
  • "El motor del mañana: entra en funcionamiento hoy". Popular Science , septiembre de 1957, págs.  138-141/294, artículo detallado con dibujo en sección transversal sobre motores diésel de pistón libre.