Un motor alternativo utiliza el movimiento lineal de uno o más pistones para convertir la presión de un fluido en trabajo mecánico, generalmente en forma de movimiento rotativo. Este proceso permite la obtención de energía mecánica, que es esencial para numerosas aplicaciones industriales y de transporte. En contraste, las máquinas rotativas, como las turbinas o el motor Wankel, generan energía directamente a través del movimiento rotativo de sus componentes.
El motor alternativo, también conocido como motor de pistón, es una categoría ampliamente reconocida y utilizada de motores. Entre estos, los motores de combustión interna son los más comunes ya que se emplean masivamente en la fabricación de vehículos de motor, desde automóviles hasta motocicletas y camiones, debido a su eficiencia y capacidad para producir una gran cantidad de potencia.
Aunque en este artículo nos centraremos en los motores alternativos térmicos, es importante destacar que existen otros tipos de motores alternativos. Estos incluyen motores eléctricos alternativos, que convierten la energía eléctrica en movimiento lineal o rotativo, y motores neumáticos o hidráulicos, que utilizan aire comprimido o fluidos presurizados para generar movimiento.
Tipos de motor alternativo
Los motores alternativos se pueden clasificar de muchas formas distintas. Las principales formas de clasificación són las siguientes:
- Según la disposición de los cilindros en el motor. Estos pueden ser: en línea si todos los cilindros están dispuestos en una sola fila, en V si los cilindros están dispuestos en dos filas que forman una "V", Bóxer (opuestos) si están dispuestos horizontalmente en dos filas opuestas y radial si los cilindros están dispuestos alrededor de un eje central, comúnmente utilizado en aviones.
- Según la cilindrada: La cilindrada se refiere al volumen total desplazado por todos los pistones en el motor durante una revolución completa del cigüeñal. Se mide en litros o centímetros cúbicos (cc).
- Según la relación de compresión: la relación de compresión es la relación entre el volumen total del cilindro cuando el pistón está en el punto más bajo y el volumen cuando el pistón está en el punto más alto.
- Según la relación de diámetro y carrera: el diámetro es el ancho del cilindro, y la carrera es la distancia que recorre el pistón dentro del cilindro. Los motores pueden ser de carrera corta, carrera larga, o carrera cuadrada (diámetro y carrera iguales).
- Según el número de movimientos en cada ciclo: aquí distinguimos los motores de dos tiempos, en que el motor completa un ciclo de potencia en dos movimientos del pistón (una vuelta del cigüeñal), y el motor de cuatro tiempos, que realiza un ciclo de potencia en cuatro movimientos del pistón (dos vueltas del cigüeñal).
Clasificación de los motores alternativos combustión
Los motores de combustión se dividen principalmente en dos categorías:
- Motor de gasolina (motor Otto): Utiliza una bujía para iniciar la combustión de la mezcla de aire y combustible. Comúnmente encontrados en automóviles y motocicletas. También se conocen como motor de encendido por chispa.
- Motor diésel: La combustión se inicia mediante la compresión del aire en el cilindro, lo que aumenta la temperatura lo suficiente para encender el combustible. Utilizado en vehículos pesados, maquinaria y generadores. También se conoce como motor de encendio por compresión.
Otros tipos de motores alternativos
Aparte de los motores endotérmicos, existen otros tipos de motores alternativos que también tienen aplicaciones importantes:
- Máquina de Vapor: Fundamental en la Revolución Industrial, utiliza vapor de agua para mover pistones y generar energía mecánica.
- Motor Stirling: Utiliza la compresión y expansión de un gas a diferentes temperaturas para producir energía. Es eficiente y silencioso, con aplicaciones en energías renovables y sistemas de refrigeración.
Tipos de motores de encendido por chispa
Los principales tipos de motores de encendido por chispa son los siguientes:
- Motor de gasolina: Es la versión más común ya que está instalada en una parte importante de los automóviles. Tiene dos opciones de suministro de combustible: un inyector y un carburador.
- Motor de carburador. Una característica es la producción de una mezcla de combustible y gas en un mezclador especial, carburador . Anteriormente, tales motores de gasolina prevalecían; Ahora, con el desarrollo de microprocesadores, su campo de aplicación está disminuyendo rápidamente.
- Motor de inyección. Una característica es la recepción de la mezcla de combustible en el múltiple o en los cilindros del motor alimentando el sistema de inyección de combustible.
- Motores de gas. Un motor que quema hidrocarburos gaseosos como combustible en condiciones normales: mezclas de gases licuados, gases naturales comprimidos, gas obtenido al convertir combustible sólido en gaseoso. Como combustible sólido se utilizan: carbón, turba, madera.
Estos motores son ampliamente utilizados, por ejemplo, en plantas de energía de pequeña y mediana potencia, utilizando gas natural como combustible (en el área de alta potencia, las unidades de potencia de turbina de gas reinan).
Tipos de motores de encendido por compresión
Los motores de encendido por compresión, conocidos como motores diésel, se caracterizan por la ignición del combustible a través de la compresión del aire en el cilindro. Dentro de esta categoría, existen varios tipos destacados.
Motor de dos tiempos
El motor diésel de dos tiempos realiza un ciclo completo en dos movimientos del pistón y se utiliza en aplicaciones donde se requiere alta potencia y densidad, como en barcos y maquinaria pesada. Este tipo de motor es más simple en diseño pero puede ser menos eficiente y más contaminante que los motores de cuatro tiempos.
Motor de cuatro tiempos
Por otro lado, el motor diésel de cuatro tiempos completa un ciclo en cuatro movimientos del pistón: admisión, compresión, combustión y escape. Este es el tipo más comúnmente utilizado en vehículos de pasajeros, camiones y generadores debido a su mayor eficiencia y limpieza en comparación con los motores de dos tiempos.
Motor de inyección directa
El motor diésel de inyección directa inyecta el combustible directamente en la cámara de combustión, lo que ofrece una mejor eficiencia de combustible y mayor potencia, siendo este el tipo utilizado en la mayoría de los vehículos diésel modernos. En contraste, el motor diésel de inyección indirecta inyecta el combustible en una cámara de pre-combustión antes de entrar en el cilindro principal, proporcionando una combustión más suave aunque con menor eficiencia, y es utilizado en aplicaciones más antiguas y algunos motores pequeños.
Motores diésel de alta velocidad
Los motores diésel de alta velocidad están diseñados para operar a altas revoluciones por minuto (RPM) y se utilizan en vehículos comerciales ligeros y equipos de construcción. En cambio, los motores diésel de baja velocidad operan a bajas RPM y son comunes en aplicaciones marinas y generadores de gran escala debido a su alta durabilidad y eficiencia en el consumo de combustible. Estos diversos tipos de motores diésel se adaptan a una amplia gama de necesidades y aplicaciones, cada uno con sus ventajas específicas en términos de eficiencia, potencia y durabilidad.
Historia del motor alternativo
La historia del motor alternativo tiene sus raíces en el mecanismo de manivela, un primer ejemplo de conversión de movimiento giratorio a alternativo. Las manivelas manuales más antiguas aparecieron en China durante la dinastía Han (202 a.C.-220 d.C.). Varios aserraderos en Asia romana y Siria bizantina durante los siglos III-VI d.C. empleaban mecanismos de biela que convertían el movimiento rotatorio de una rueda de agua en el movimiento lineal de las hojas de sierra. En 1206, el ingeniero árabe Al-Jazari inventó el cigüeñal, un componente crucial en la evolución de los motores alternativos.
El desarrollo significativo de los motores alternativos ocurrió en Europa durante el siglo XVIII. Primero surgieron los motores atmosféricos, seguidos por las máquinas de vapor, que revolucionaron la industria. En el siglo XIX, se desarrollaron el motor Stirling y el motor de combustión interna, marcando el comienzo de una nueva era en la tecnología de motores.
Hoy en día, el tipo más común de motor alternativo es el motor de combustión interna, que funciona con gasolina, diésel, gas licuado de petróleo (GLP) o gas natural comprimido (GNC). Estos motores son fundamentales para la propulsión de vehículos de motor y la operación de plantas de energía, destacándose por su eficiencia y versatilidad en múltiples aplicaciones industriales y de transporte.
Terminología de los motores alternativos
No todos los motores alternativos corresponden al esquema descrito, pero las partes esenciales y su funcionamiento, son similares.
A continuación adjuntamos una terminología usada universalmente en el campo de los motores de combustión interna o motores endotérmicos. Esta terminología se usa para indicar algunas dimensiones y valores fundamentales de este tipo de motor.
- Punto muerto superior (P.M.S.). Posición del pistón más próxima a la culata. Punto Muerto Inferior (P.M.I.). Posición del pistón más alejada de la culata.
- Punto Muerto Inferior (P.M.I.). Posición del pistón más alejada de la culata.
- Diámetro (en inglés: Bore). Diámetro interior del cilindro. Expresado generalmente en milímetros (mm).
- Carrera (en inglés: Stroke). Comprende la distancia entre el P.M.S. y P.M.I., es igual, salvo raras excepciones, al doble del radio de la manivela del eje de cigüeñales. Se expresa generalmente en mm.
- Volumen total del cilindro (V1). Es el espacio comprendido entre la culata y el pistón cuando éste se halla en el P.M.I. Viene expresado, por lo general, en cm3
- Volumen de la cámara de combustión (V2). Está comprendido entre la culata y el pistón cuando éste se halla en el P.M.S. Suele expresarse en cm3
- Volumen desalojado por el pistón o cilindrada (V1 - V2). Es el generador por el pistón en su movimiento alternativo desde el P.M.S. hasta el P.M.I: Se expresa, por lo común, en cm3.
- Relación volumétrica de compresión (
). Se entiende por tal la que hay entre el volumen total del cilindro V1 y el volumen de la cámara de combustión V2. En general, para abreviar, es llamado simplemente relación de compresión:
). Se entiende por tal la que hay entre el volumen total del cilindro V1 y el volumen de la cámara de combustión V2. En general, para abreviar, es llamado simplemente relación de compresión: