Durante más de 100 años, este mecanismo se conoce como motor de combustión interna.
Los motores de este tipo se utilizan en todas partes como la forma más común de convertir energía química en movimiento mecánico.
Sin embargo, hay otro tipo de motor absolutamente maravilloso, que se llama motor de combustión interna lineal. La simplicidad del dispositivo, la alta velocidad de funcionamiento y la eficiencia hacen que este motor sea muy prometedor para su uso en una variedad de tareas.
Todos los motores de combustión interna se pueden subdividir condicionalmente en tres tipos grandes:
1) dos tiempos :
en ellos, el proceso de realizar un trabajo útil y llenar el cilindro del motor con una nueva porción de la mezcla para la combustión se realiza en 2 movimientos de pistón. Cuando el pistón se mueve hacia abajo, se realiza un trabajo útil, cuando se mueve en sentido contrario, es decir, hacia arriba, la mezcla entrante se comprime para su posterior combustión;
2) cuatro tiempos :
en ellos el proceso de realizar un trabajo útil, purgar el cilindro de los productos de combustión y llenarlo con una nueva porción de la mezcla, se lleva a cabo en 4 movimientos de pistón:
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3) motores diesel :
cuya esencia es que la combustión de la mezcla se produce debido a un fuerte aumento de la presión y, por lo tanto, de la temperatura, que en realidad enciende la mezcla que ha entrado en el cilindro.
Además, existen varias combinaciones entre estos tres tipos enumerados anteriormente. Sin embargo, a pesar de los intentos de los ingenieros de combinar de alguna manera estos tres enfoques, en general, han echado raíces en su forma "pura".
A pesar del uso generalizado de motores de combustión interna, hay una subespecie especial de motores que, aunque no está muy extendida (con la que tiene derecho a contar), sin embargo, en algunas áreas, todavía se usa.
Estos son motores de combustión interna de tipo lineal : la esencia de tales motores es que son mucho más simples que los motores de combustión interna clásicos. Es más fácil porque su diseño excluye por completo un sistema de piezas tan masivo y complejo como el "mecanismo de manivela". Motor de pistón bóxer de compresión externa Motor de pistón opuesto de compresión interna Motor de un solo pistón de efecto simple con mecanismo de retorno Motor de pistón libre Motor de pistón libre de doble efecto
En los motores convencionales, este mecanismo sirve para realizar un trabajo útil, así como para devolver el pistón a su posición original, que ocupaba antes del inicio del movimiento.
El sistema resulta bastante estable, predecible y se puede personalizar fácilmente.
Sin embargo, tal complicación del sistema no es en vano: conduce al hecho de que el mecanismo en su conjunto se vuelve mucho más complicado, el motor se vuelve más pesado, surgen varios fenómenos parásitos que conducen a un mayor desgaste del grupo cilindro-pistón.
Entre tales fenómenos, se pueden nombrar cargas alternas en el pistón, que ejercen movimientos de balanceo hacia la izquierda / derecha sobre él. Estos movimientos provocan un mayor desgaste del pistón y el cilindro.
Además, la presencia de grandes masas giratorias provoca vibraciones parásitas que aflojan la estructura en su conjunto y aumentan el consumo de energía para el movimiento.
A diferencia de estos motores clásicos, los motores lineales de combustión interna carecen de todos estos inconvenientes: en esencia, son solo un pistón que se mueve en línea recta y no tiene ningún mecanismo de manivela.
Entonces, ¿cómo vuelve el pistón a su posición original? Hay muchos esquemas para esto.
Entre los enfoques más comunes se encuentran:
- uso de la cámara opuesta al cilindro de trabajo, como resorte de gas;
- equilibrando un pistón con otro, exactamente el mismo pistón moviéndose en la dirección opuesta;
- conectar dos pistones que se mueven en direcciones opuestas: un enlace rígido;
- la ausencia de equilibrio del pistón móvil, debido al hecho de que todo el sistema está instalado sobre una base maciza rígida. Esto le permite amortiguar las vibraciones resultantes;
- otros diseños, así como combinaciones de todos los anteriores.
El motor de combustión interna lineal hace que sea muy fácil realizar un generador de corriente eléctrica eficiente.
De hecho, para crear un generador de este tipo, solo necesita mover rápidamente un imán fuerte unido al eje conectado al pistón, a través del devanado anular del estator, por ejemplo, como en esta "linterna vibratoria":
debido a su simplicidad, estos los motores pueden desarrollar velocidades bastante altas. En particular, hay información sobre el logro de dichos motores a una frecuencia de 390 Hertz (390 movimientos de pistón por segundo y, en consecuencia, 23,400 por minuto).
Además, los motores de este tipo se pueden utilizar como fuentes de energía compactas y potentes con un diseño bastante simple. Esto es lo que atrae la mayor atención de la industria de defensa de todo el mundo hacia estos motores.
Algunos investigadores están realizando experimentos bastante interesantes que permiten una evaluación detallada de la eficiencia de dichos motores.
En concreto, un grupo de científicos llevó a cabo una serie de trabajos encaminados a investigar la aplicabilidad de los motores lineales en necesidades militares.
Los investigadores se centraron en la capacidad de crear sistemas en miniatura y la capacidad de proporcionar una alta densidad de energía almacenada, a pesar de su pequeño tamaño.
Para esto, se desarrolló un motor de tipo lineal de dos tiempos, que, para devolver el pistón a su posición original, se utilizó en un resorte con una sección de alambre rectangular en él.
(Fuente de la imagen: "# 4" - en la lista de fuentes utilizadas, debajo de este artículo)
Las pruebas han demostrado que los generadores de este tipo tienen un potencial muy grande. Es decir, pueden funcionar a una frecuencia muy alta durante mucho tiempo.
Generador de 300 vatios y 5 vatios - en comparación con una batería estándar, formato AA (Fuente de la imagen: "No. 4" - en la lista de fuentes utilizadas, en este artículo)
En el curso del experimento, el generador de 5-10 W que se muestra en la figura funcionó durante 100 horas, operando a una frecuencia de 390 Hertz. En este caso, la eficiencia del generador fue del 90%.
Durante las pruebas, se identificaron los siguientes puntos importantes:
- Debido a la falta de una conexión rígida con el sistema de manivela que falta, el generador tiene una relación de compresión variable, lo que le permite trabajar fácilmente con diferentes tipos de combustible, en el modo de ciclo Diesel. En otras palabras, el motor puede encender fácilmente cualquier combustible usando la alta temperatura de la compresión como efecto de encendido;
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La densidad de la energía almacenada, en comparación con las baterías recargables
(Fuente de la imagen: "No. 4" - en la lista de fuentes utilizadas, en este artículo)
Por qué, con ventajas tan obvias de este tipo de motor, no se generalizaron y ¿No reemplazó los motores tan conocidos por nosotros con un mecanismo de manivela?
Probablemente, la respuesta aquí es que el mundo se ha convertido, en cierta medida, en rehén de la infraestructura existente, las instalaciones de producción a gran escala y una red de empresas de servicios enfocadas en trabajar con motores de combustión interna clásicos.
Este es un lado del problema, el segundo es que el motor de combustión interna lineal está constantemente en riesgo. Esto se manifiesta en el hecho de que los motores están constantemente en equilibrio al borde de la destrucción.
Este riesgo es una consecuencia del hecho de que un pistón de movimiento rápido no tiene, por regla general, ningún limitador físico (diseños de motor que requieren un acoplamiento rígido entre los pistones; omitiremos deliberadamente ahora, ya que cualquier ingeniero intenta utilizar todos los ventajas de este tipo de motor).
Y esto requiere abandonar los acoplamientos rígidos y hacer que el motor funcione exclusivamente controlando su movimiento mediante una variedad de factores: compresión de los resortes de gas; moviéndose sincrónicamente en diferentes direcciones y también sincrónicamente convergiendo en el centro - pistones equilibrados, etc.
Es fácil ver a partir de esta descripción que la implementación de una sincronización precisa y un flujo controlado de este proceso es una tarea muy sencilla y se resuelve con éxito variable.
Si este proceso se sale de control, inmediatamente conducirá a la destrucción de uno o más pistones, así como los cilindros (debido al impacto de los pistones - en los correspondientes "fondos" de los cilindros).
Sin embargo, si abandona por completo la idea de eliminar las vibraciones de dicho motor, utilizando un esquema de un solo cilindro, esto conducirá a la aparición de fuertes vibraciones, que deben ser extinguidas por una base masiva.
Hay un problema más no obvio, que se refiere a la complejidad de arrancar motores de este tipo (no olvidamos que estamos tratando de "exprimir" todo el motor, por lo tanto, no utilizamos acoplamientos rígidos).
Normalmente, este tipo de motor se arranca con un pulso de aire comprimido.
Todas estas razones, en conjunto, están frenando la adopción generalizada de estos motores en el mercado comercial.
Sin embargo, recientemente, debido al uso generalizado de varios microcontroladores, se está intentando controlar electrónicamente por computadora los procesos que tienen lugar en un motor del tipo considerado.
En particular, se observan los siguientes enfoques:
- Control PWM, cuando se utiliza un generador eléctrico conectado a un pistón o pistones en movimiento para controlar el movimiento de los pistones, que actualmente se utiliza como "propulsor";
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Así, como puede verse, el uso de motores lineales de combustión interna como generadores de corriente eléctrica resulta muy interesante y prometedor.
Sin embargo, no se debe asumir que los motores lineales son prerrogativa exclusiva de equipos científicos y no van más allá de los "laboratorios secretos".
Muchos aficionados construyen con éxito y con facilidad sus modelos operativos de este tipo de motor, utilizando tubos de vidrio como cilindros y orejetas de grafito como pistones.
Por ejemplo, el siguiente autor, cuyos videos se dan a continuación, construye motores de este tipo, para su propio placer.
Como fuente de chispa, se usa una placa electrónica de un encendedor para una estufa de gas:
Debe hacerse una nota aquí: no todos los encendedores de estufas de gas utilizan una fuente eléctrica piezoeléctrica o de red para generar una chispa eléctrica. Algunos encendedores usan una placa de circuito de baja potencia alimentada por una sola batería AA que contiene un circuito de aumento de voltaje.
Además, desde hace mucho tiempo, algunas empresas fabrican apisonadores para carreteras basados en motores de combustión interna de dos tiempos. En esencia, estos dispositivos no son más que un motor lineal, solo se utilizan con fines puramente utilitarios, "lejos de las altas tecnologías":
En general, se puede resumir que el desarrollo de tales motores lineales de combustión interna es un negocio muy prometedor. En caso de que los aficionados se dediquen a esto, esta lección puede ser muy emocionante y puede desarrollar su propio motor en miniatura, literalmente en un formato de bolsillo (¡esto es especialmente fácil si tiene su propio torno de metal)!
Un motor de este tipo puede ser de gran ayuda para obtener electricidad en lugares alejados de la civilización.
Solo recuerde que si este motor se utilizará para generar electricidad, y contendrá un generador de imanes permanentes, este dispositivo debe enfriarse muy bien, ya que los imanes tienen una característica llamada "punto Curie", es decir, esta es la temperatura a la el imán está desmagnetizado ...
Dado que es poco probable que el desarrollador de un generador eléctrico se proponga como objetivo “desmagnetizar sistemáticamente los imanes”, debe tener en cuenta este punto esencial.
Fuentes utilizadas:
1. www.wikipedia.org
2. www.freikolben.ch/lineargeneratoren.shtml
3. www.freikolben.ch/basics-de.shtml
4. "Motor-generador de combustión interna en miniatura para energía portátil de alta densidad de energía"
Kurt D. Annen *, David B. Stickler y Jim Woodroffe
Aerodyne Research, Inc
Billerica, MA 01821
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