Motor de arranque

Un motor de arranque (también llamado arrancador , motor de arranque o motor de arranque ) es un aparato instalado en vehículos de motor para hacer girar el cigüeñal de un motor de combustión interna e iniciar así el ciclo de combustión del motor. Los motores de arranque pueden ser eléctricos , neumáticos o hidráulicos . En el caso de motores muy grandes o motores diésel utilizados en aplicaciones agrícolas o de excavación, el motor de arranque también puede ser otro motor de combustión interna. ^{[ 1 ]}

Los motores de combustión interna son sistemas de retroalimentación que, una vez arrancados, se basan en la inercia de cada ciclo para iniciar el siguiente. En un motor de cuatro tiempos , el tercer tiempo libera energía del combustible, impulsando el cuarto tiempo (escape) y también los dos primeros tiempos (admisión y compresión) del siguiente ciclo, además de alimentar la carga externa del motor. Para iniciar el primer ciclo al comienzo de cualquier sesión, los dos primeros tiempos deben ser impulsados ​​por una fuente de energía distinta a la del propio motor. El motor de arranque se utiliza para este fin y deja de ser necesario una vez que el motor está en marcha y su sistema de retroalimentación se vuelve autosostenible.

Antes de la invención del motor de arranque, los motores se ponían en marcha mediante diversos métodos, como muelles de cuerda, cilindros de pólvora y técnicas manuales como una manivela extraíble que se acoplaba a 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 la manivela era comúnmente utilizado 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, causando una rotación inversa repentina. Muchos arrancadores manuales incluían un mecanismo de deslizamiento o liberación unidireccional para que, una vez que el motor comenzara a girar, el arrancador se desacoplara del motor. En caso de un retroceso, la rotación inversa del motor podría acoplar repentinamente el arrancador, causando que la manivela se sacudiera de forma inesperada y violenta, pudiendo lesionar al operador. En el caso de los arrancadores de cuerda, un retroceso podría tirar del operador hacia el motor o la máquina, o hacer que la cuerda y la manivela giraran a gran velocidad alrededor de la polea del arrancador. Aunque las manivelas tenían un mecanismo de rueda libre , cuando el motor arrancaba, la manivela podía comenzar a girar junto con el cigüeñal y potencialmente golpear a la persona que estaba girando el motor. Además, se debía tener cuidado de retardar la chispa para evitar explosiones en el escape . Con un ajuste de encendido avanzado, el motor podría retroceder (funcionar en reversa), arrastrando consigo el cigüeñal, ya que el mecanismo de seguridad de inercia funciona en una sola dirección.

Aunque se recomendaba a los usuarios colocar los dedos y el pulgar debajo de la manivela y tirar hacia arriba, para los operarios resultaba natural sujetar la manivela con los dedos a un lado y el pulgar al otro. Incluso una simple explosión podía provocar una fractura de pulgar; era posible sufrir una fractura de muñeca , una dislocación de hombro o algo peor. Además, los motores cada vez más grandes con mayores índices de compresión hacían que girar la manivela manualmente fuera una tarea físicamente más exigente.

El primer motor de 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 , junto con Henry M. Leland , de Dayton Engineering Laboratories Company ( DELCO ), inventó y solicitó la patente estadounidense número 1.150.523 para un arrancador eléctrico en Estados Unidos. (Cinco años antes, Kettering había sustituido la manivela de las cajas registradoras de NCR por un motor eléctrico).

Un aspecto de la invención radicaba en la constatación de que un motor relativamente pequeño, alimentado con un voltaje y una corriente superiores a los que serían factibles para un funcionamiento continuo, podía proporcionar suficiente potencia para arrancar el motor. 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 arrancadores se instalaron por primera vez en el Cadillac Modelo Treinta en 1912, y el mismo sistema fue adoptado por Lanchester más tarde ese mismo año. ^{[ 4 ]} Estos arrancadores también funcionaban como generadores una vez que el motor estaba en marcha, un concepto que ahora se está recuperando en los vehículos híbridos .

Aunque el motor de arranque eléctrico llegaría a dominar el mercado automovilístico, en 1912 existían varios tipos de arranque en competencia, ^{[ 4 ]} con los automóviles Adams, SCAT y Wolseley con arranque neumático directo, y Sunbeam introdujo un motor de arranque neumático con un enfoque similar al utilizado para los motores de arranque eléctricos Delco y Scott-Crossley (es decir, que se acoplaba 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 accionaba a través de un engranaje reductor. Si el automóvil no arrancaba, se podía usar la manivela de arranque para dar cuerda al resorte y volver a intentarlo.

Una de las innovaciones del primer automóvil Dodge , el Modelo 30-35, en su lanzamiento en 1914, fue un arranque eléctrico e iluminación eléctrica con un sistema de 12 voltios (frente a los seis voltios que eran habituales en ese momento) como equipamiento estándar en lo que era un automóvil de precio relativamente bajo. ^{[ 5 ]} El Dodge utilizaba una unidad combinada de arranque-generador, con una dinamo de corriente continua acoplada permanentemente mediante engranajes al cigüeñal del motor. Un sistema de relés eléctricos permitía que esta unidad funcionara como un motor para hacer girar el motor para el arranque, y una vez que se soltaba el botón de arranque, el interruptor de control volvía a poner la unidad en funcionamiento como generador. Debido a que el arranque-generador estaba acoplado directamente al motor, no necesitaba un método para conectar y desconectar el motor. Por lo tanto, sufría un desgaste mecánico mínimo y era prácticamente silencioso en funcionamiento. El motor de arranque-generador siguió siendo una característica de los automóviles Dodge hasta 1929. La desventaja del diseño era que, al ser un dispositivo de doble propósito, la unidad tenía una potencia limitada tanto como motor 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 interruptor entre los modos motor y generador requería un interruptor específico y relativamente complejo, más propenso a fallar que los contactos de alta resistencia de un motor de arranque dedicado. Si bien el motor de arranque-generador cayó en desuso para los automóviles en la década de 1930, el concepto aún era útil para vehículos más pequeños y fue adoptado por la empresa alemana SIBA Elektrik , que construyó un sistema similar destinado principalmente a motocicletas, scooters, automóviles económicos (especialmente aquellos con motores de dos tiempos de baja cilindrada ) y motores marinos. Estos se comercializaron bajo el nombre de "Dynastart". Dado que las motocicletas generalmente tenían motores pequeños y equipo eléctrico limitado, así como espacio y peso restringidos, el Dynastart resultó una característica útil. Los devanados del generador de arranque solían estar integrados en el volante del motor, por lo que no se requería una unidad separada.

El Ford Modelo T se arrancó con manivela hasta 1919; durante la década de 1920, el arranque eléctrico se generalizó en la mayoría de los coches nuevos, facilitando la conducción a mujeres y personas mayores. Todavía era común que los coches incluyeran manivela de arranque hasta la década de 1960, y esto continuó mucho más tarde en algunas marcas (por ejemplo, el Citroën 2CV hasta el final de su producción en 1990). En muchos casos, la manivela se utilizaba para ajustar la sincronización en lugar de arrancar el motor, ya que el aumento de la cilindrada y la relación de compresión lo hacían poco práctico. Los coches del bloque comunista, como los Lada, a menudo seguían teniendo arranque con manivela hasta bien entrada la década de 1980.

Para los primeros ejemplos de motores turborreactores alemanes de producción en serie, a finales de 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 especie de unidad de potencia auxiliar para hacer girar el eje central de cada diseño de motor; estos motores solían instalarse en la parte delantera del turborreactor y se arrancaban mediante una cuerda para ponerlos en marcha durante el procedimiento de arranque de los motores a reacción a los que estaban acoplados.

Antes de la innovación de Chrysler en 1949 del interruptor de encendido y arranque combinado accionado por llave, ^{[ 6 ]} el arranque solía ser accionado por el conductor presionando un botón ubicado en el piso o el tablero. Algunos vehículos tenían un pedal en el piso que acoplaba manualmente el piñón de arranque con la corona del volante, completando así 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, garantizando la seguridad al impedir que los tractores arrancaran con la marcha puesta. ^{[ 7 ]}

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 , ya sea de imán permanente o de excitación en serie -paralelo , con un solenoide de arranque (similar a un relé ) montado en él. Cuando se aplica corriente continua desde la batería de arranque al solenoide, generalmente a través de un interruptor accionado por llave (el "interruptor de encendido"), el solenoide acciona una palanca que empuja el piñón de transmisión en el eje de transmisión del motor de arranque y lo engrana con la corona dentada del motor de arranque en el volante del motor. ^{[ 8 ]}

El solenoide también cierra los contactos de alta corriente para el motor de arranque, que comienza a girar. Una vez que el motor arranca, se abre el interruptor accionado por la llave, un resorte en el conjunto del solenoide separa el piñón de la corona dentada y el motor de arranque se detiene. El piñón del motor de arranque está acoplado a su eje de transmisión mediante un embrague unidireccional que permite que el piñón transmita la fuerza motriz en una sola dirección. De esta manera, la fuerza motriz se transmite a través del piñón a la corona dentada del volante, pero si el piñón permanece acoplado (por ejemplo, porque el operador no suelta la llave tan pronto como arranca el motor, o si hay un cortocircuito y el solenoide permanece acoplado), el piñón girará independientemente de su eje de transmisión. Esto evita que el motor impulse el motor de arranque, ya que tal retroalimentación haría que el motor de arranque girara tan rápido que se desintegraría.

El sistema de embrague unidireccional impediría el uso del motor de arranque como generador en el esquema híbrido mencionado anteriormente, a menos que se realizaran modificaciones. El motor de arranque estándar suele estar diseñado para un uso intermitente, lo que impediría su uso como generador. Los componentes eléctricos del motor de arranque están diseñados para funcionar normalmente durante menos de 30 segundos antes de sobrecalentarse (debido a una disipación de calor demasiado lenta por pérdidas óhmicas ), para ahorrar peso y costes. La mayoría de los manuales de usuario de automóviles indican al conductor que haga una pausa de al menos diez segundos después de cada diez o quince segundos de arranque del motor, cuando este no arranca inmediatamente.

Este sistema de piñón con embrague de rueda libre se implementó gradualmente a principios de la década de 1960; antes de eso, se utilizaba un sistema Bendix . El sistema Bendix coloca el piñón de arranque en un eje de transmisión helicoidal. Cuando el motor de arranque comienza a girar, la inercia del conjunto del piñón hace que avance sobre la hélice y, por lo tanto, se acople con la corona dentada. Cuando el motor arranca, el retroceso de la corona dentada hace que el piñón supere la velocidad de rotación del motor de arranque, momento en el que el piñón retrocede por el eje helicoidal y, por lo tanto, se desacopla de la corona dentada. ^{[ 9 ]} Esto tiene la desventaja de que los engranajes se desacoplarán si el motor arranca brevemente pero no continúa funcionando.

Algunos motores de turbina de gas y motores diésel , especialmente en camiones , utilizan un sistema de arranque neumático . En vehículos terrestres, el sistema consta de una turbina con engranajes, un compresor de aire y un depósito de presión. El aire comprimido liberado del depósito se utiliza para hacer girar la turbina y, mediante un conjunto de engranajes reductores , acciona la corona dentada del volante, de forma similar a un motor de arranque eléctrico. Una vez en marcha, el motor acciona el compresor para recargar el depósito.

Los aviones con grandes motores de turbina de gas suelen arrancarse utilizando un gran volumen de aire comprimido a baja presión, suministrado por un motor muy pequeño denominado unidad de potencia auxiliar , ubicado en otra parte de la aeronave. Como alternativa, los motores de turbina de gas de los aviones pueden arrancarse rápidamente utilizando un motor de arranque neumático móvil en tierra, conocido como carro de arranque o carro de arranque neumático .

En los generadores diésel de mayor tamaño que se encuentran en grandes instalaciones terrestres y, especialmente, en barcos, se utiliza un sistema de arranque neumático. El motor neumático normalmente se alimenta con aire comprimido a presiones de 10 a 30 bares (1000 a 3000 kPa) . El motor neumático consta de un tambor central del tamaño aproximado de una lata de sopa con cuatro o más ranuras que permiten la colocación radial de las paletas, formando cámaras alrededor del tambor. El tambor está desplazado dentro de una carcasa redonda, de modo que el aire de entrada para el arranque se introduce en la zona donde el tambor y las paletas forman una cámara más pequeña en comparación con las demás. El aire comprimido solo puede expandirse al girar el tambor, lo que permite que la cámara pequeña se agrande y coloca otra de las cámaras 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 disminuir la velocidad de salida. Se utiliza un engranaje Bendix para acoplarse al volante. 

Dado que los camiones grandes suelen usar frenos de aire , el sistema cumple una doble función: suministrar aire comprimido al sistema de frenado. Los arrancadores neumáticos ofrecen las ventajas de un alto par motor, simplicidad mecánica y fiabilidad. Eliminan la necesidad de baterías de gran tamaño y peso en los sistemas eléctricos de los vehículos tractores .

Los generadores diésel de gran tamaño y casi todos los motores diésel utilizados como propulsores de barcos emplean aire comprimido que actúa directamente sobre la culata. Esto no es ideal para motores diésel más pequeños, ya que proporciona un enfriamiento excesivo durante el arranque. Además, la culata necesita espacio suficiente para alojar una válvula adicional para el sistema de arranque neumático. El sistema de arranque neumático es conceptualmente muy similar a un distribuidor de un automóvil. Hay un distribuidor de aire que está acoplado al árbol de levas del motor diésel; en la parte superior del distribuidor de aire hay una leva única similar a la que se encuentra en un árbol de levas. Alrededor de esta leva se disponen radialmente unos taqués de rodillo para cada cilindro. Cuando la leva del distribuidor de aire golpea uno de los taqués, envía una señal de aire que actúa sobre la parte posterior de la válvula de arranque neumático ubicada en la culata, provocando su apertura. El aire comprimido se suministra desde un gran depósito que alimenta un colector ubicado a lo largo del motor. Tan pronto como se abre la válvula de arranque neumático, se admite el aire comprimido y el motor comienza a girar. Puede utilizarse en motores de dos y cuatro tiempos, así como en motores reversibles. En los motores grandes de dos tiempos, basta con girar el cigüeñal menos de una vuelta para arrancar.

Algunos motores diésel de seis a dieciséis cilindros se arrancan mediante un motor hidráulico . Los arrancadores hidráulicos y sus sistemas asociados proporcionan un método fiable y sin chispas para el arranque del motor en un amplio rango de temperaturas. ^{[ 12 ]} 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 fracturación hidráulica . El sistema que alimenta el arrancador hidráulico incluye válvulas, bombas, filtros, un depósito y acumuladores de pistón. El operador puede recargar manualmente el sistema hidráulico; esto no es posible con los sistemas de arranque eléctrico, por lo que se prefieren los sistemas de arranque hidráulico en aplicaciones donde se requiere un arranque de emergencia.

Con diversas configuraciones, los arrancadores hidráulicos pueden instalarse en cualquier motor. Los arrancadores hidráulicos emplean la alta eficiencia del concepto de motor de pistón axial, que proporciona un par motor elevado a cualquier temperatura o entorno, y garantiza un desgaste mínimo de la corona dentada y el piñón del motor. ^{[ 13 ]}

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