Un motor [ ˈmoːtoːr ] (también [ moˈtoːr ]; latín mōtor 'mover') es un motor principal que realiza un trabajo mecánico al producir una forma de energía , p. B. energía térmica , química , hidráulica , neumática o eléctrica en energía cinética .
Los motores suelen tener un eje que giran ya través del cual impulsan dispositivos mecánicos como engranajes . Las excepciones son los motores cohete y los motores lineales . Hoy en día, los motores de combustión y los motores eléctricos tienen una importancia destacada.
Los primeros motores pueden haber sido las turbinas de humo de Heron para abrir grandes puertas alrededor del año 100. También son plausibles las suposiciones sobre el manejo del sacerdocio egipcio con gases calientes para mover enormes puertas.
Alrededor de 1670, se dice que Ferdinand Verbiest construyó un modelo funcional de un vagón de vapor al servicio del emperador de China . Al igual que con las turbinas de humo anteriores, el principio de funcionamiento se basaba en la bola de Heron . El vehículo se describe en los escritos de Verbiest, compilados en latín en 1681 como Astronomia Europea , donde fue el primero en utilizar el término motor en el sentido moderno. Sin embargo, no existen imágenes auténticas de este vehículo. [1]
El desarrollo técnico de las máquinas actuales comenzó claramente con la máquina de vapor inventada por Thomas Savery y Thomas Newcomen y desarrollada por James Watt en 1778 .
La máquina de vapor cambió las estructuras económicas y sociales de Europa y desencadenó la revolución industrial . No solo había máquinas estacionarias, sino también, después de la invención de Richard Trevithick de la máquina de vapor de alta presión , la locomotora (una máquina de vapor con ruedas, parcialmente autopropulsada, que se usa para impulsar trilladoras o arados de vapor ), locomotoras de vapor , barcos de vapor , tractores de vapor y apisonadoras de vapor .
En 1816 , Robert Stirling inventó el motor de gas caliente , que más tarde recibió su nombre . Estaba buscando una máquina sin la caldera explosiva.
Uno de los primeros motores de combustión interna utilizables , un motor de gas basado en el principio de dos tiempos , fue inventado por Étienne Lenoir , mejorado en 1862 por Nikolaus August Otto con el desarrollo del principio de cuatro tiempos y más tarde nombrado en su honor. Inicialmente , el motor Otto era demasiado grande y pesado para incorporarlo a un automóvil . Gottlieb Daimler y Carl Friedrich Benz resolvieron este problema casi simultáneamente .
Incluso después de la invención del motor de combustión interna, la máquina de vapor seguía siendo un motor muy utilizado: se podía utilizar carbón o madera baratos como combustible. Sin embargo, debido a su mejor eficiencia y la alta densidad energética de los combustibles, desde entonces han pasado a primer plano los motores de combustión interna , que convierten la energía química de los combustibles en energía térmica y luego en energía mecánica.
Para el futuro, el objetivo es cambiar la fuente de energía de los motores móviles para contrarrestar la escasez y, por lo tanto, el aumento del precio de los combustibles fósiles . Esto a menudo también reduce los valores de emisión . Un requisito previo para esto son las opciones de almacenamiento viables para fuentes de energía no fósiles, especialmente para uso móvil (acumuladores, combustibles alternativos). Los motores eléctricos y los accionamientos híbridos son posibles alternativas para reemplazar o complementar el motor de pistón.
Se utilizan motores eléctricos de todos los tamaños, desde juguetes hasta plantas industriales , para corriente continua , corriente alterna y corriente trifásica ( máquinas eléctricas ). Muchos motores eléctricos, especialmente aquellos con imanes permanentes , también pueden funcionar como generadores si se accionan mecánicamente.
Los motores y otros motores primarios convierten la energía química, eléctrica o térmica en energía mecánica ( trabajo ). Deberían desde un punto de vista moderno
Al inicio de la construcción del motor -prácticamente con cada uno de los principios básicos- estaba el logro del desempeño necesario . Además de la potencia (consumo de electricidad o combustible y potencia mecánica), otros parámetros de los motores son la masa , la velocidad y la eficiencia .
La máquina de vapor es el “motor original” de la industrialización de los últimos siglos. Fue inventado por Thomas Newcomen . Funciona con vapor caliente a presión. Su fuerza de presión es absorbida por el pistón de vapor . Al igual que con el motor de combustión, un movimiento lineal se convierte en un movimiento giratorio a través de un mecanismo de manivela. Ya alrededor de 1850 había varios tipos de esta máquina de pistón .
Usando una caldera de fuego en la que se usa un fuego de carbón para calentar el agua a la temperatura de ebullición o más, el agua calentada crea vapor en expansión. Este vapor se alimenta a la máquina de vapor a través de una unidad de control mecánico desde el mecanismo de manivela. La unidad de control se encarga de que el cilindro de vapor (en el que se mueve el pistón) del mecanismo de manivela solo reciba vapor nuevamente cuando el vapor expandido del ciclo de carrera anterior haya escapado en gran medida.
El movimiento lineal del pistón en la cámara del cilindro en expansión, en la que previamente se ha admitido el vapor de agua, se convierte en un movimiento giratorio mediante una biela en el muñón. Este proceso se repite continuamente. Lo que el medio de transporte libera por la chimenea o tubo de escape es el vapor que emiten los cilindros de pistón, mezclado con los gases de combustión del horno.
Es la versión moderna de la máquina térmica y utiliza la energía del vapor con mayor eficiencia. La presión del vapor impulsa una turbina , que en principio gira más suavemente que el vaivén de un pistón de vapor. Por lo tanto, la curva de par es más plana, lo que significa que funciona de manera más uniforme.
En los ciclos termodinámicos , los motores de combustión interna conviertenel calor liberado durante la combustión en trabajo mecánico a través del trabajo de cambio de volumen. La presión de los gases de combustión actúa sobre la superficie de un componente móvil (pistón), que convierte el trabajo de cambio de volumen de las fuerzas del gas en trabajo mecánico a través de un mecanismo de manivela ( biela + cigüeñal).
La eficiencia de los motores de combustión interna depende en gran medida del punto de funcionamiento debido a la conversión de la energía químicamente unida del combustible en trabajo mecánico a través de la liberación de calor . En el estado de funcionamiento óptimo, la eficiencia efectiva de los motores de los barcos que utilizan el calor de escape puede ser de hasta el 55 % ( clase Emma-Mærsk ). Si también se tiene en cuenta el uso del calor del agua de refrigeración ( planta combinada de calor y electricidad ) e incluso el CO 2-Emisiones, como B. para invernaderos, el beneficio en relación al esfuerzo puede ser superior al 90%. La eficiencia de los motores de los automóviles cuando están fríos o incluso en ralentí puede ser inferior al 10%. No es posible una declaración general y está estrechamente relacionada con la aplicación (eficiencia = beneficio/esfuerzo o consumo de combustible).
Para controlar el aire fresco, los gases entrantes y salientes son controlados en los motores estándar por válvulas o correderas rotativas sincronizadas con los ciclos de trabajo .
Un turbocompresor u otro compresor de aire puede suministrar aire fresco con mayor densidad, lo que aumenta la eficiencia de los motores. En los motores de gasolina, el suministro de combustible se mejora mediante boquillas de inyección . Están controlados eléctricamente y, por lo tanto, pueden integrarse en el control electrónico moderno de los motores. De manera similar, el sistema bomba-tobera o inyección common-rail se utiliza en los motores diésel para mejorar el rendimiento.
El consumo de combustible se puede optimizar mediante el corte de combustible y un sistema start-stop .
Si un combustible se puede quemar sin ningún tipo de ayuda, solo a través de la alta compresión de la mezcla de aire y combustible, entonces es un autoencendido. Se enciende por presión llenando la cámara de combustión . Se han producido mejoras en la modificación de las cámaras de combustión, pistones, toberas de inyección y bombas de alimentación, así como en el aumento de las presiones de inyección, la mejor mezcla asociada del combustible con el aire y la variación sistemática de la dosificación del combustible. En el curso de estos desarrollos, la cámara de corrientes de Foucault ha sido reemplazada por inyección directa.
Las bujías incandescentes del motor diesel o del motor multicombustible son solo ayudas para el arranque en frío ; alternativamente, se pueden inyectar combustibles de arranque altamente inflamables en el arranque. Aquí no hubo innovaciones significativas, solo modificaciones en las bujías incandescentes.
Si la compresión del motor no es tan alta como con el motor de encendido por compresión, entonces necesita, p. B. Bujías para encender la mezcla de reacción.
En la construcción de vehículos, este grupo de motores es el más utilizado, especialmente como motor de gasolina y diésel . Constituye la mayoría de los accionamientos de vehículos para automóviles y camiones , locomotoras diésel , tanques, etc., aviones pequeños y planeadores de motor, barcos voladores y de motor , yates , cortadoras de césped y muchas otras aplicaciones.
El motor de combustión interna es mecánicamente un desarrollo posterior de la máquina de vapor y, desde la perspectiva actual, tiene los mejores requisitos previos para una mayor optimización en términos de consumo, eficiencia y uso de materiales en las próximas décadas. La optimización se logra en parte mediante el uso de otros combustibles o fluidos de trabajo como el hidrógeno , que produce vapor de agua casi puro, y mediante el uso combinatorio de energía en conceptos de propulsión híbrida .
Al igual que la turbina de vapor , las turbinas con gases de combustión pertenecen a las “ máquinas de energía fluidotérmica ”, pero en el grupo de los motores de combustión interna . Ambos se consideran máquinas de flujo .
Cada turbina de gas tiene un turbocompresor , una cámara de combustión y una turbina, que está acoplada mecánicamente al compresor, en su mayoría a través del mismo eje. El aire comprimido por el compresor se quema en la cámara de combustión a temperaturas de hasta 1500 °C con el combustible inyectado. Los gases de combustión que se escapan a gran velocidad impulsan la turbina (no en los cohetes ). La turbina extrae al menos la energía de flujo que se requiere para accionar el compresor. El resto está disponible como energía utilizable , ya sea energía mecánica para impulsar un eje (central eléctrica, helicóptero) o como retroceso.
Cuanto más calientes son los gases, mayor es la eficiencia de las turbinas de gas. Aquí y en la forma ideal de los álabes de la turbina hay grandes oportunidades de desarrollo en la construcción de motores. El factor esencial aquí es la capacidad de carga térmica de las palas y la carcasa.
Las aplicaciones en la aviación están dadas por la muy buena relación potencia-masa de las turbinas de gas, por ejemplo, como motores para helicópteros o aviones turbohélice . Sin embargo, la energía cinética de los gases combustibles también se puede utilizar para la propulsión de retroceso de las aeronaves. Los llamados motores a reacción se utilizan en chorros , cuyo principio se corresponde en gran medida con el de la turbina de gas: los tres componentes de la turbina de gas puro van seguidos de una tobera a través de la cual emerge el chorro de gases de escape . La turbina solo recibe tanta energía (velocidad de rotación) como necesita para accionar el compresor .
Aplicaciones en el transporte marítimo : aquí se trata menos de una relación potencia-masa favorable que de un bajo consumo de combustible . Por eso, en el sector civil lo ha sustituido el motor diésel más eficiente que, a diferencia de la turbina de gas, también puede funcionar con gasóleo pesado barato. Ocasionalmente se utiliza para aplicaciones militares debido a su buen funcionamiento. La turbina de gas también se elige a menudo para aerodeslizadores .
Aplicación en centrales eléctricas (se distinguen dos tipos de turbinas de gas):
En algunas turbinas, se puede cambiar el ángulo de ataque de las palas de la turbina; véase también Supercargador de geometría de turbina variable .
El motor Stirling convierte la energía térmica en energía mecánica sin necesidad de que se produzca una combustión. Debe existir y mantenerse una diferencia de temperatura en el motor para que funcione.
Los motores de cohetes generalmente generan energía mecánica a partir de energía química a través de energía térmica. Véase también misil , cohetes .
Las excepciones que funcionan puramente físicamente son:
Los motores más utilizados son los motores eléctricos . Los accionamientos de varios tamaños y salidas se pueden encontrar en prácticamente todas las máquinas , dispositivos, autómatas y medios de producción, desde servomotores miniaturizados y motores paso a paso hasta dispositivos para el hogar, la oficina , el aire acondicionado y los automóviles hasta las plantas industriales.
El desarrollo adicional aquí está menos en la construcción del motor en sí que en la optimización de su aplicación, p. B. por control electrónico de potencia en su lugar .
Los motores eléctricos son convertidores de energía que convierten la corriente eléctrica en movimiento rotatorio o lineal ( motor lineal ). Los motores asíncronos más grandes a menudo están estandarizados ( DIN , Alemania), lo que estandariza la producción y el uso de motores. Los productos de motores eléctricos europeos suelen estar sujetos a la norma CEE .
Existen motores eléctricos para corriente continua , corriente alterna y corriente trifásica . Se utilizan principalmente en plantas industriales y para máquinas eléctricas . También en juguetes o z. Se utilizan, por ejemplo, en PC (ventiladores, unidades, discos duros) y en electrodomésticos .
Las tendencias de desarrollo son la miniaturización y la combinación con tecnología de control (sensores, electrónica de potencia).
Los desarrollos más recientes se refieren a la aplicación a gran escala de superconductores , en la que se está trabajando intensamente. Además del aumento del rendimiento en la construcción de motores, también afectará la construcción de transformadores .
Casi todos los motores eléctricos también pueden funcionar "a la inversa" como generadores , es decir. h generar energía eléctrica con accionamiento mecánico . Esto puede, p. B. la energía se puede recuperar al frenar o en ascensores.
Una forma especial de accionamientos eléctricos son los motores piezoeléctricos .
Es posible que los motores ineficientes (IE1 e inferiores) ya no se vendan desde el 16 de junio de 2011. A partir de 2015, los motores IE2 promedio con una potencia de salida nominal de 7,5 a 375 kW solo se permiten con control de velocidad . Alternativamente, los motores IE3 eficientes se pueden vender con o sin control de velocidad [2] . [3]
Los motores hidráulicos a menudo funcionan según el principio inverso al de una bomba de engranajes . Generan un movimiento rotatorio a partir de la presión y caudal de un fluido hidráulico. Son comparativamente pequeños y pueden generar pares altos incluso cuando están parados. Por ejemplo, utilizado en excavadoras, máquinas perforadoras de túneles y en la agricultura.
Una variante derivada se puede encontrar en transmisiones fluidas , pero allí no se llama así.
El aire comprimido se utiliza para operar turbinas (por ejemplo, turbinas dentales (taladro), centrífugas) o máquinas de pistón.
La energía hidroeléctrica y la energía eólica juegan un papel en la historia del motor. Una rueda de agua es también un motor , un convertidor de energía: el suministro de energía del agua con un nivel más alto ( energía potencial ) de un estanque o un río se convirtió en un movimiento giratorio por medio de una rueda de agua para impulsar ruedas de molino ( agua molino ) o un aserradero .
Del mismo modo, una turbina eólica es un motor: la fuerza del aire que pasa se utiliza para, p. B. para impulsar una piedra de molino (molino de viento ), una bomba de agua o un generador.
Otros impulsos históricos trabajaron con la fuerza muscular de animales o humanos (ver Göpel ). Incluso hoy en día, en los países secos, las personas o los animales impulsan las estaciones de bombeo para bombear agua.
