Motor de vacío

Un motor de vacío es cualquier tipo de motor que obtiene su fuerza de la presión del aire contra un lado del pistón, mientras que en el otro lado existe un vacío parcial . Esta diferencia de presión puede ser resultado de la transferencia de calor o producida mecánicamente por una fuente externa.

Algunos de los primeros motores de gas funcionaban según el principio de vacío o atmosférico, de forma similar a la máquina de vapor de Newcomen . Una mezcla de gas y aire era aspirada por el cilindro y encendida; la mezcla se expandía y parte de ella escapaba por la válvula de escape; esta se cerraba, la mezcla se enfriaba y contraía, y la presión atmosférica empujaba el pistón hacia adentro. Dichos motores eran muy ineficientes y fueron reemplazados por motores que funcionaban según el ciclo Otto .

(también llamado motor lamellamas , motor de llamas o bailarín de llamas )

Al inicio de la carrera de admisión, una válvula en la culata del cilindro se abre y permite la entrada de una mezcla de gases de combustión y aire, que queda atrapada al cerrarse la válvula y se expande. Hacia el final de la carrera, la mezcla entra en contacto con una parte del cilindro refrigerada por agua o aire y se enfría, provocando una caída repentina de presión suficiente para succionar el pistón —que está abierto hacia el cigüeñal— en la carrera de retorno. La válvula se abre de nuevo a tiempo para que el pistón expulse los gases de combustión antes de que comience la siguiente carrera.

En un motor de vacío, el vacío parcial se crea mediante una bomba externa. Estos motores se utilizaban comúnmente para accionar las plataformas giratorias de los ferrocarriles en el Reino Unido , aprovechando el vacío generado por el eyector del freno de vacío de una locomotora de vapor . El principio de funcionamiento es similar al de una máquina de vapor: en ambos casos, la energía se extrae de una diferencia de presión. ^{[ i ]}

También se utilizaban pequeños motores de vacío para accionar los limpiaparabrisas de los automóviles . En este caso, los motores se alimentaban mediante el vacío del colector . Esta disposición no era muy satisfactoria porque, si el acelerador estaba completamente abierto, los limpiaparabrisas se ralentizaban o incluso se detenían. Los automóviles modernos utilizan limpiaparabrisas eléctricos. Sin embargo, los automóviles modernos todavía utilizan un tipo de motor de vacío, el servomotor de vacío . Los frenos se accionan mediante un sistema hidráulico, pero utilizan un "motor de vacío" para amplificar la fuerza aplicada por el conductor. También se utilizaron pequeños motores de vacío desde finales de la década de 1960 para controlar servomecanismos como cerraduras de puertas, ^{[ ii ]} controles de calefacción ^{[ iii ]} o aletas de ventilación móviles del capó. ^{[ iv ]}

Algunos pianos automáticos utilizan motores de vacío.

Podría decirse que la Revolución Industrial global surgió gracias a un «motor de vacío», ya que todas las primeras máquinas de vapor, especialmente las pioneras Boulton y Watt, funcionaban con vapor a presión casi atmosférica. Es fácil construir un motor de vacío de demostración utilizando un volante, piezas de fontanería sencillas y algunos otros componentes simples, como muestra Neil A. Downie en la referencia.

Un sistema de vacío puede utilizarse para la transmisión de potencia, aunque la potencia máxima que puede transmitirse a un motor de vacío es menor que la de los sistemas neumáticos convencionales. Existe una presión óptima para el funcionamiento de un sistema de transmisión de potencia por vacío, de alrededor de 0,4 bar (8 psig), como también demuestra Downie. Si bien es menos eficiente que la neumática, puede ser perfectamente funcional. Por ejemplo, una tubería de 22 mm ( 7/8 pulg .) en vacío puede transmitir tanta potencia a 0,4 bar (8 psig) como una tubería de 6 mm ( 1/4 pulg .) a 8 bar (100 psig). El sistema es lo suficientemente eficiente como para que Boulton y Watt utilizaran la transmisión de potencia por vacío en su fábrica. Llamaban a la tubería principal de vacío de la fábrica «tubería de espíritu». ^{[ 1 ] [ 2 ]}    

A diferencia del motor ideal de ciclo Otto , el motor de vacío depende de una fuente de calor constante proporcionada por la combustión del combustible. Como se mencionó anteriormente, una válvula permite la entrada de calor a la cámara del pistón. Estimando que el calor de entrada o Qin es constante en el espacio de volumen controlado, la ecuación de los gases ideales PV = nRT implica un aumento en la presión de la cámara del pistón. Después de que la válvula se cierra, el pistón experimenta un proceso adiabático durante la carrera descendente. Una vez que el pistón llega al final de su carrera, la cámara se enfría con el aire o el agua circundantes, y el Qout resultante fuerza una disminución de la presión en el pistón. El sistema experimenta entonces otra compresión adiabática del gas en la cámara, que posteriormente se libera mediante la válvula en la parte superior de la carrera del cilindro, permitiendo simultáneamente la entrada de nuevo gas caliente a la cámara.

Uno de los principales problemas que presentó este motor durante su desarrollo fue su pésima eficiencia en aplicaciones reales. Debido a que la fuente de calor no está confinada a un área específica, solo una pequeña porción del combustible potencial se consume para alimentar el motor. Dado que la eficiencia del motor se define por la relación entre el trabajo realizado y la energía potencial del combustible consumido, se observa que en el motor de vacío solo se utiliza una pequeña cantidad del combustible en combustión para su funcionamiento. El resto de la energía del combustible se pierde en la atmósfera circundante.

• Motor de aire caliente
• Motor Stirling

• Ilustración conceptual