Motor alternativo

Un motor alternativo , más conocido como motor de pistón , es un motor térmico que utiliza uno o más pistones alternativos para convertir alta temperatura y alta presión en un movimiento rotatorio . ^{[ 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 ; la máquina de vapor , pilar de la Revolución Industrial ; y el motor Stirling para aplicaciones específicas. Los motores de combustión interna se clasifican además de dos maneras: 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 caliente enciende el combustible que se inyecta entonces, en un motor diésel , o antes, en un motor de bulbo caliente . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

Puede haber uno o más pistones. Cada pistón se encuentra dentro de un cilindro en el que se introduce un gas, ya sea a presión (por ejemplo, en una máquina de vapor ) o calentado dentro del cilindro mediante la ignición de una mezcla de combustible y aire ( 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 (PMI), o donde el pistón forma el mayor volumen en el cilindro. El pistón regresa a la parte superior del cilindro (punto muerto superior) (PMS) mediante un volante , la fuerza de otros pistones conectados al mismo eje o (en un cilindro de doble efecto ) mediante el mismo proceso que actúa en el otro lado del pistón. Aquí es donde el pistón forma el menor volumen en el cilindro. En la mayoría de los tipos, los gases expandidos o " expulsados " se eliminan del cilindro con 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 punto muerto superior (PMS) y el punto muerto inferior (PMI), o la mayor distancia que el pistón puede recorrer en una dirección.

En algunos diseños, el pistón puede ser accionado en ambas direcciones dentro del cilindro, en cuyo caso se dice que es de doble efecto .

En la mayoría de los tipos, el movimiento lineal del pistón se convierte en movimiento rotatorio mediante una biela y un cigüeñal , o bien mediante un plato oscilante u otro mecanismo adecuado. A menudo se utiliza un volante de inercia para asegurar una rotación suave o para almacenar energía y permitir que el motor funcione durante la parte del ciclo en la que no recibe potencia. Generalmente, cuantos más cilindros tenga un motor alternativo, más suave será su funcionamiento. La potencia de un motor alternativo es proporcional al volumen de la cilindrada total de los pistones.

Es necesario crear un sello entre el pistón deslizante y las paredes del cilindro para evitar que el gas a alta presión se filtre y reduzca la eficiencia del motor. Este sello generalmente lo proporcionan uno o más segmentos de pistón . Estos segmentos, fabricados con un metal duro, se insertan a presión en una ranura circular en la cabeza del pistón. Los segmentos se ajustan perfectamente a la ranura y ejercen una ligera presión contra la pared del cilindro para formar el sello, y una presión mayor cuando la alta presión de combustión se desplaza hacia sus superficies internas.

Es común clasificar estos motores según el número y la disposición de los cilindros y el volumen total de gas desplazado por los pistones que se mueven en ellos, generalmente medido en centímetros cúbicos (cm³ ^o cc) o litros (l) o (L) (EE. UU.: litro). Por ejemplo, en los motores de combustión interna, los diseños de uno o dos cilindros son comunes en vehículos 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  cm³ o ^menos en motores de modelismo hasta miles de litros en motores de barcos. ^{[ 7 ]}

La relación de compresión afecta al rendimiento en la mayoría de los motores de pistón. Es la relación entre el volumen del cilindro cuando el pistón está en la parte inferior de su recorrido y el volumen cuando el pistón está en la parte superior de su recorrido.

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 esta relación es cercana a 1, se dice que el motor es "cuadrado". Si es mayor que 1, es decir, el diámetro es mayor que la carrera, es "sobrecuadrado". Si es menor que 1, es decir, la carrera es mayor que el diámetro, es "subcuadrado".

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 que trabajan en extremos opuestos del mismo cilindro, y esta configuración se ha extendido a disposiciones triangulares como la del Napier Deltic . Algunos diseños han puesto los cilindros en movimiento alrededor del eje, como en el motor rotativo .

En algunas máquinas de vapor, los cilindros pueden ser de diferentes tamaños, y el cilindro de menor diámetro trabaja con el vapor a mayor presión. Este vapor se alimenta sucesivamente a través de uno o más cilindros de diámetro cada vez mayor, para extraer energía a presiones cada vez menores. Estas máquinas se denominan máquinas compuestas .

Además de analizar la potencia que puede producir el motor, la presión media efectiva (PME) también se puede utilizar para comparar la potencia de salida y el rendimiento de 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 la carrera de potencia. Esto se muestra mediante:

${\displaystyle W_{net}={\text{MEP}}\cdot A_{p}S={\text{MEP}}\cdot V_{d}}$

dónde${\displaystyle A_{p}}$es el área total del pistón del motor,${\displaystyle S}$es la longitud de carrera de los pistones, y${\displaystyle V_{d}}$es el volumen de desplazamiento total del motor. Por lo tanto:

${\displaystyle {\text{MEP}}={\frac {W_{net}}{V_{d}}}}$

El motor con el mayor valor de MEP produce más trabajo neto por ciclo y funciona de manera más eficiente. ^{[ 2 ]}

En las máquinas de vapor y los motores de combustión interna, se requieren válvulas para permitir la entrada y salida de gases en los momentos precisos del ciclo del pistón. Estas se accionan mediante levas, excéntricas o manivelas impulsadas por el eje del motor. Los primeros diseños utilizaban la válvula de corredera D , pero esta ha sido reemplazada en gran medida por válvulas de pistón o 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 denomina punto de corte , y este puede controlarse para ajustar el par motor y mejorar la eficiencia. En algunas máquinas de vapor, la acción de las válvulas puede sustituirse por un cilindro oscilante .

Los motores de combustión interna funcionan mediante una secuencia de ciclos que permiten la entrada y salida de gases del cilindro. Estas operaciones se repiten cíclicamente, y un motor se clasifica como de 2 tiempos , 4 tiempos o 6 tiempos según el número de ciclos necesarios para completarlo.

El tipo más común es el de 4 tiempos, que tiene los siguientes ciclos.

1. Admisión : También conocida como inducción o succión. Esta carrera del pistón comienza en el punto muerto superior (PMS) y termina en el punto muerto inferior (PMI). Durante esta carrera, la válvula de admisión debe estar abierta mientras el pistón introduce una mezcla de aire y combustible en el cilindro, generando presión de vacío mediante su movimiento descendente. El pistón desciende mientras el aire es aspirado por la fuerza descendente que ejerce su propio movimiento.
2. Compresión : Esta fase comienza en el PMI (punto muerto inferior), o justo al final de la fase de admisión, y termina en el PMS (punto muerto superior). En esta fase, el pistón comprime la mezcla de aire y combustible para prepararla para la ignición durante la fase de potencia (ver más abajo). Tanto las válvulas de admisión como las de escape están cerradas durante esta fase.
3. Combustión : También conocida como encendido o ignición. Es el inicio de la segunda revolución del ciclo de cuatro tiempos. En este punto, el cigüeñal ha completado una revolución completa de 360 ​​grados. Mientras el pistón se encuentra en el PMS (el final de la carrera de compresión), la mezcla comprimida de aire y combustible se enciende mediante una bujía (en un motor de gasolina) o por el calor generado por la alta compresión (motores diésel), lo que impulsa el pistón de vuelta al PMI. Esta carrera produce trabajo mecánico del motor para hacer girar el cigüeñal.
4. Escape : También conocido como salida. Durante la carrera de escape , el pistón regresa del punto muerto inferior (PMI) al punto muerto superior (PMS) mientras la válvula de escape está abierta. Esta acción expulsa la mezcla de aire y combustible usada a través de la válvula de escape.

El motor de pistón se desarrolló en Europa durante el siglo XVIII, primero como motor atmosférico y luego como máquina de vapor . Posteriormente, en el siglo XIX, surgieron el motor Stirling y el motor de combustión interna . Actualmente, la forma más común de motor de pistón 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 y centrales eléctricas .

Un motor de pistón 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) . Impulsó la última generación de grandes aviones con motor de pistón antes de que los motores a reacción y las turbohélices tomaran el relevo a partir de 1944. Tenía una cilindrada total de 71,5 L (4360 pulgadas cúbicas) y una alta relación potencia-peso .     

El motor de pistón más grande en producción actualmente, aunque no el más grande jamás construido, es el motor diésel de dos tiempos turboalimentado Wärtsilä-Sulzer RTA96-C de 2006, fabricado por Wärtsilä . Se utiliza para propulsar los mayores buques portacontenedores modernos, como el Emma Mærsk . Tiene una altura de cinco pisos ( 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, que produce más de 84,42 MW (113 209 CV) . Cada cilindro tiene una capacidad de 1820 L (64 pies cúbicos ) , lo que da una capacidad total de 25 480 L (900 pies cúbicos ) para las versiones más grandes.            

En los motores de pistón, la cilindrada es el volumen que barren todos los pistones en un solo movimiento. Generalmente se mide en litros (l) o pulgadas cúbicas (√c, √c  o √c ) para motores grandes, y en centímetros cúbicos ( ^µc ) para motores pequeños. En igualdad de condiciones, los motores con mayor cilindrada son más potentes y, por consiguiente, consumen más combustible (aunque esto no se aplica a todos los motores de pistón), si bien la potencia y el consumo de combustible se ven afectados por muchos factores ajenos a la cilindrada.

Los motores de pistón se caracterizan por su potencia específica , que generalmente 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 del motor. Esto no debe confundirse con la eficiencia de combustible , ya que una alta eficiencia suele requerir una mezcla pobre de combustible y aire, y por lo tanto, una menor densidad de potencia. Un motor de automóvil moderno de alto rendimiento genera más de 75 kW/L (1,65 hp/ ^in³ ) .  

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 fuente de energía limpia. La mayoría de las aplicaciones que utilizan vapor emplean 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 accionar un motor alternativo en un vehículo urbano libre de contaminación local. ^{[ 8 ]}

Los torpedos pueden utilizar un gas de trabajo producido por peróxido de alta concentración o combustible Otto II , que se presuriza sin combustión. El torpedo Mark 46 de 230 kg (510 lb) , por ejemplo, puede recorrer 11 km (6,8 millas) bajo el agua a 74 km/h (46 mph) alimentado con combustible Otto sin oxidante .      

Las máquinas térmicas cuánticas son dispositivos que generan energía a partir del calor que fluye de un depósito caliente a uno frío. El mecanismo de funcionamiento de la máquina se puede describir 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 sistemas de espín o un oscilador armónico. Los ciclos de Carnot y Otto son los más estudiados. ^{[ 9 ]} Las versiones cuánticas obedecen 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 alternativo compuesto por un solo átomo oscilante. Esta es un área de investigación futura y podría tener aplicaciones en nanotecnología . ^{[ 10 ]}

Existen numerosas variantes inusuales de motores de pistón que, según afirman, ofrecen diversas ventajas, muchas de las cuales apenas se utilizan en la actualidad:

• Motor Bourke
• Motor de pistón libre
• Motor IRIS
• Motor de pistones opuestos
• Motor axial
• Motor de levas ^{[ 11 ]}
• Motor de cilindro giratorio ^{[ 12 ]}
• Motor de pistón oscilante
• Motor termomagnético

• Vídeo de combustión : combustión en el interior del cilindro en un motor de dos tiempos con acceso óptico.
• Cómo funciona: Cómo funcionan los motores de los coches
• Motores alternativos en Infoplease.
• Motores de pistón en la Comisión del Centenario del Vuelo de EE. UU.