martes, 22 de mayo de 2007

CUANDO LOS MOTORES PARECEN ESTRELLAS


Seguro que todos los chorlitos, unos más y otros menos, tenéis una idea de cómo funciona el motor de un coche. Se mete gasolina por un agujero para que aquello se mueva y haga ruido, y luego salen gases y porquerías por un tubo como resultado, ¿cierto? Algunos incluso podréis hablarme de émbolos, cilindros y válvulas, y estaréis pensando: “no hay nada nuevo que Juan nos pueda contar sobre el tema”. Bien, puede que no. Aunque también es posible que veáis alguna cosa poco convencional.


El Spitfire, uno de los aviones más famosos de la 2ª Guerra Mundial

No todos los aviones funcionan con motores de combustión continua. Al principio, antes del desarrollo de los aerorreactores, utilizaban motores de explosión; e incluso hoy en día, para las avionetas pequeñas, sigue siendo más rentable volar de esta manera. Aquí debo hacer un inciso para explicar sucintamente cómo funciona un motor de explosión normal y corriente, como el de los coches, y sí: hablaros un poco de émbolos, cilindros y válvulas. Lo haremos con la ayuda de la siguiente imagen.


Motor de cuatro tiempos de ciclo Otto

Éste es un motor de cuatro tiempos de gasolina (de ciclo Otto, si queréis quedar como expertos cuando habléis del tema): admisión (1), compresión (2), explosión (3) y escape (4). En la admisión entra el combustible (en azul en el dibujo) por la válvula correspondiente. El émbolo sube en el segundo tiempo, empujado por la biela, y hace que el combustible se comprima en el interior del cilindro. Cuando está comprimido, una chispa que produce la bujía provoca la reacción de combustión, en forma de explosión, que hace que el émbolo salga disparado hacia abajo impulsando la biela. La biela está unida al cigüeñal, que es el eje al que el émbolo transmite toda la energía y el que en última instancia se encargará de hacer el trabajo (ya sea mover las ruedas de un coche o la hélice de un avión). Los gases producidos en la combustión (en marrón) son expulsados por la válvula de escape en el cuarto tiempo, y luego todo el ciclo se repite.


En aviación, como ya hemos comentado, el motor de explosión viene utilizándose desde los inicios. El Wright Flyer llevaba un motor de cuatro cilindros de aluminio diseñado especialmente para la ocasión.


El motor de cuatro cilindros de los hermanos Wright

El número de cilindros de un motor tiene una relación directa con su potencia, de modo que, como seguro que ya habréis imaginado, a los humanos les entró de repente la fiebre por los motores con muchos cilindros. Y claro, el problema de tener muchos cilindros es cómo colocarlos para que funcionen y además quepan todos dentro del avión. Antes del primer vuelo de los hermanos Wright, alguien ya había tenido la idea de que si los cilindros se colocaban en forma de V se reducía el peso del motor y el espacio que ocupaba. Éste es un diseño bastante común tanto en aviones como en coches.


Motor de 8 cilindros en V (V8)

Pero claro, ahí no quedó la cosa (y seguro que eso tampoco os sorprende). Según iba aumentando el número de cilindros, los motores se hacían también más complejos de mantener y más propensos a los fallos. Y entonces apareció el motor radial o en estrella. Este motor presenta algunas ventajas frente al motor en línea que lo hacen especialmente útil en aviación. Tiene una mecánica más sencilla y menos componentes, por lo que es más ligero. Y además, como puede colocarse en el morro del avión de manera que llegue aire a todos los cilindros y los enfríe, no necesita un circuito de líquido refrigerante como los motores convencionales, lo que lo hace más ligero todavía. Y ya sabéis que el peso es un factor determinante en aeronáutica. A cambio aumenta el área frontal del avión y su resistencia aerodinámica, aunque eso puede resolverse con un carenado adecuado.


Motor en estrella del Peashooter P-26

Lo curioso de este motor es que sólo una de las bielas, la llamada biela maestra, está conectada directamente al eje. El resto está sujeto a la biela maestra, y los cilindros trabajan sincronizados en secuencia. El movimiento resultante es una especie de bailoteo muy gracioso:


Motor radial o en estrella de cinco cilindros

Pero 7 u 8 cilindros seguían siendo pocos. Los humanos querían aviones grandes y potentes, y aún no se les había ocurrido cómo hacer un aerorreactor. Por lo que la única manera que tenían de aumentar la potencia era poner aún más cilindros en los motores. Y así fue como llegaron a bichos como éste: el Wasp Major, de 28 cilindros (en 4 estrellas en paralelo). 4300 caballos.


Wasp Major

O como éste: el Napier Sabre, de 4000 caballos, 24 cilindros y dos cigüeñales.


Napier Sabre

Y menos mal que inventaron los motores a reacción. No puedo ni imaginar cómo habría evolucionado la cosa si no lo hubieran hecho.



Nota: La imagen del Napier Sabre está hecha por el genial Makoto Ouchi. La animación del motor V8 es propiedad de Fredrik Glöckner.

27 piopíos:

pipistrellum dijo...

El rendimiento es mayor o menos que el de una turbina de gas?

Segun la configuracion, creo que pueden tener tener un rendimiento mayor que un diesel,utilizando los gases de escape para calentar el aire antes de entrar en la camara de combustion.
Si embargo, hay que aumentar el peso en el avion y puede ser contraproducente.

No se si se puede hacer, pero se podria recircular parte de los gases de escape y volverlos a introducir otra vez?
Una turbina absorbe mucho mas aire del que necesita para quemar el combustible. He oido que unas 4 veces mas.
Si se reintroduce una parte de los gases calientes, haria falta menos combustible para llegar a la misma temperatura y seguiria habiendo suficiente oxigeno.
Ademas, reduciria los NOx del los gases de escape.

No se si habria algun impedimento para hacerlo. Obviamente, habria que comprimirlos otra vez para introducirlos en la camara de combustion. Pero no se si al ser gases calientes, haria falta mucha mas energia que en el caso de que esa parte de los gases fuesen frescos.


En realidad, la potencia no depende del numero de cilindros, aunque suele haber relacion :)
Los motores con mas cilindros suelen ser tener mas cubicaje.

Realmente, el factor que determina la potencia, (yo me puesto la cilidrada, pero no seria tampoco una respuesta completa) es la cantidad de combustible que puedes quemar en una cantidad de tiempo y la energia que tenga este.

Para quemar ese combustible, hace falta una cantidad(masa) de oxigeno minima.

El aire suele contener una cantidad de oxigeno fija( 21% en volumen y 23% en peso), pero puede disminuir si se sobrevuela un incendio forestal, por ejemplo.

Ademas unos combustibles requieren menos oxigeno que otros y pueden hacer mas potente el mismo motor.
Un motor funcionando con alcohol puede proporcionar un 40% mas de potencia que si funcionara con gasolina. A pesar de que el alcohol tiene menos energia.*


Segun la cilindrada, podra mover mas o menos volumen de aire y por tanto el consumo de combustible y la potencia seran proporcionales.

Si se aumentan las revoluciones tambien se consume mas aire y se puede subir mas la potencia.

Ademas se puede forzar la entrada de aire con compresores y turbocompresores, para que la densidad del aire sea mayor. Lo que les viene muy bien a los aviones, porque le disminuye mucho la perdida de potencia con la altura, porque como la densidad del aire varia con la altura tambien afecta a la potencia.



*alcohol requiere minimo unos 7 kg de aire por kg de alcohol, en vez de los 14Kg por kilo de gasolina habituales.
Sin embargo, el menos poder calofico del alcohol se nota en el consumo del motor, que necesita mas combustible para hacer el mismo trabajo.

PD:Te hubiese puesto algun que otro enlace para complementar, pero ya te he puesto muchos y a lo mejor ya te he saturado :P
Mas que nada, para los demas lectores, casi todos son de conceptos que ya sabes :)
PD:El medio-ladrillo era mas por complementar que por corregir ;)

El Otro dijo...

Desde hace tiempo hay otra opción en cuanto a motores, pero que yo sepa sólo se una en coches y actualmente sólo hacer coches así Mazda. Se trata del motor Wankel, un motor rotatorio mono o bi-cilindrico que consigue una potencia por litro realmente alta. Sé que alguien ha pensado en algún momento en hacer un wankel que en vez de 3 camaras tenga docenas o incluso cien o más pero no encuentro el enlace. Del motor Wankel lo teneis aqui

El Otro

pipistrellum dijo...

hay muchos tipos de motores :)
Pero hoy en dia solo se utilizan gasolina y diesel.

Las turbinas de gas convencionales, son muy lentas al acelerar, pero en el resto tienen bastantes ventajas.
Se ha echo algun intento. Hace unos 10 años se hizo un Prototipo, el Volvo ECC, que combinaba una turbina de gas muy eficiente, con un motor electrico y baterias. En conjunto funcionaban de forma similar al los trenes diesel electricos


Tambien ha habido intentos con motores Stirling
Hay una version de el con el ciclo abierto, llamado ciclo Ericsson pero no conozco ningun vehiculo que lo haya utilizado.

Tambien hay un motor tipo turbina de gas que soluciona los problemas de la aceleracion.

El ciclo de la turbina de gas se puede hacer con pistones, de hecho el primer modelo fue asi.

Tambien hay bastante intentos de hacer motores giratorios.
El de la quasiturbina no lo termino de entender.

En esta pagina hay muchas animaciones.
Yo no conocia esta version de motor estrella. Segun comenta, debia tener unos efecto giroscopicos tremendos.

Lyd dijo...

Gracias por los comentarios! Habéis hecho grandes aportaciones los dos. No he querido escribir un tratado sobre motores alternativos; mi objetivo sólo era mostrar unas pocas cosas curiosas de las que se utilizan en aviación (y poner las imágenes, que son una chulada), pero vuestros comentarios lo complementan estupendamente ;)

Pipistrellum: Si no recuerdo mal, normalmente el rendimiento de las turbinas anda por el 80-90%, y el del ciclo Otto ideal es del 50%, así que en un motor real siempre será menor del 50%.

Lo de reutilizar los gases de escape ya lo hacen los postcombustores, que es un sistema mucho más práctico, ya que no necesitas recircular nada, sino simplemente seguir la dirección del flujo. El tema de comprimirlos otra vez puede ser delicado por cuestiones de temperatura, ya que el compresor la aumenta bastante, y los materiales imponen restricciones de como mucho 1900K.

Y, muy a grosso modo, la potencia sí que tiene que ver con el número de cilindros (si estamos hablando de cilindros iguales, claro). Ya sabes que a Juan de la Cuerva le gusta manipular las cosas para hacer quedar mal a los humanos ;) Pero gracias por la matización.

Y yo tampoco conocía ese motor en estrella... parece un poco rizar el rizo, no? No lo he leído con detalle (ahora tengo que pensar en materiales compuestos), así que no sé si aporta alguna ventaja con respecto a los normales (pero tiendo a pensar que no).

El Otro: Me planteé incluir un Wankel en el artículo, pero, aunque es muy curioso, decidí dejarlo fuera porque no se utiliza en aviación (que yo sepa). Pero sí que lo hemos estudiado en clase de motores, y me parece una buena idea; muy original (aunque creo recordar que tenía bastantes problemas de estanqueidad). Gracias por mencionarlo ;)

pipistrellum dijo...

En algun avion se usan un Wankel como APU

Segun pone las ventajas del motor en estrella son:
Mejor equilibrado, en el otro todos los cilindros a la vez iban hacia un lado y luego hacia otro.
En los motores Boxer (opuestos 180º) las parejas de cilindros opuestas se alejan y acercan, en vez de ir hacia un lado u otro las dos a al vez.
Me parecia extraño, hasta me imagine que asi se mitigaban las vibraciones.

Como dices el Wankel tiene problemas de estanquediad, por eso no los hay diesel (necesitan presiones mayores) y consumen bastante aceite.

Me extraña un poco que una turbina tenga un rendimiento de un 90%.
Los ciclos combinado de turbina de gas o vapor llegan a alrededor de un 60%.

Tal vez la turbina sola tenga
capacidad para convertir el flujo de aire, en movimiento mecanico con ese rendimiento.
En turbinas de vapor (solo la turbina, no todo el sistema) y la de centrales hidroelectricas he oido esos valores.

Si embargo, en un Avion a 10km de altura, puede que le beneficie la baja presion y el aire frio a -40ºC.
Pero no estoy del todo comvencido.

Pero lo he leido tambien :)

PD:Uff, que susto, casi se me borra todo el comentario.
Ha habido una caida de blogger.

Lyd dijo...

Bueno, estaba hablando de una turbina de aerorreactor... en los problemas de motores siempre nos salían rendimientos de alrededor de un 85% para esa parte del ciclo (el rendimiento del compresor era ligeramente menor). Claro, que estoy hablándote de problemas de clase, aunque supongo que los valores que nos daban como datos del ciclo serían los típicos.

Guillermo dijo...

Voy a comentar unas cosillas, me disculpais si me equivoco o si os repito, no he podido leer todos los comentarios :(

Pipistrellum:
Un aerorreactor absorbe mucho más aire del que necesita para la combustión, pero no a razón de 1/4, sino más bien 1/50 ó 1/60 (1/100 ó 1/200 en algunos casos)* De los cuales solo el 20% pasa por la cámara de combustión y reacciona el 12%, si entrase más aire la llama no sería estable y se apagaría. El resto del aire se cuela por el liner disminuyendo la temperatura del aire quemado para proteger los componentes que lo rodean.
Una curiosidad, si vais al Museo del Aire, en el Hangar 2 podeis ver que los reactores seccionados tienen el liner roto (quemado), es un fallo muy común en cámaras de combustión.
Allí mismo también hay un Wasp Major seccionado. Por cierto Lyd, ¿no querrías decir en tu artículo 4 estrellas de 7 cilindros en paralelo?

Respecto a lo de aumentar las revoluciones para conseguir más potencia: a más revoluciones disminuye el rendimiento volumétrico y mecánico, por lo que los motores llegan a un punto en que, a tantas revoluciones, todo el trabajo se invierte en vencer el rozamiento, por lo que no dan a más.
En aviación el dosado (ciclos Otto) suele ser superior al estequimétrico (1/14,6) de modo que el combustible no quemado refrigere el cilindro, alargando la vida del motor.

*Dosado = masa combustible/masa aire

Otros comentarios me los callo que tengo prisa :P

Saludos

Lyd dijo...

Gracias, Guillermo, eso era exactamente lo que quería decir ^^' Corrijo el gazapo ;)

Carlos dijo...

Otro:

Un motor Wankel no tiene cilindros, sino un rotor triangular que gira dentro de una cámara y la divide en tres volúmenes variables. Sin embargo termodinámicamente sigue el ciclo Otto igual que un motor de gasolina.

La ventaja es que no hay que transformar el movimiento alternativo de los pistones en rotativo, por lo que te ahorras el cigüeñal y las bielas. El inconveniente, como ha dicho pip, es que la estanqueidad es más difícil de conseguir.

Como tuvo que competir con una tecnología que llevaba decenas años implantada (los motores de cuatro tiempos convencionales)y las ventajas que aportaba no eran tan grandes como al principio se creía, pues al final no funcionó y solo lo usa Mazda, y creo que cada vez menos.

pipistrellum dijo...

Otro rotativo. Hay infinidad

Lo he encontrado en esta pagina de "inventos locos" o casi :P


Este creo que no viene en la pagina

Lyd dijo...

Me gusta sobre todo el que sale en el último enlace, el toroidal. Más incluso que el Wankel (a pesar de que el Wankel me parece mucho más bonito :D)... puede que presente más problemas (no lo sé); pero así, a simple vista, parece muy sencillo y muy eficiente, verdad?

Carlos dijo...

Acabo de recordar que hubo otro tipo de motores en estrella, en los que el bloque de los cilindros giraba y el cigüeñal permanecía estático.

La ventaja es que el propio giro de los cilindros sirve como refrigeración y además hace de volante de inercia, aunque mecánicamente es más complejo, sobre todo la admisión...

Se usaron en aviación durante los años 10 y 20.

http://en.wikipedia.org/wiki/Rotary_engine

muy curioso el motor toroidal...

pipistrellum dijo...

Carlos tienes una animacion arriba. El link se llama "version de motor de estrella" :)

No se si este toroidal es exactemente le mismo o tiene alguna modicificacion.

El motor taurozi sí es una modificacion del motor convencional.

Suerte con el examen ;)

pipistrellum dijo...


Respecto a lo de aumentar las revoluciones para conseguir más potencia: a más revoluciones disminuye el rendimiento volumétrico y mecánico,


En principio parece logico que a un motor le cueste mas llenar los cilindros con mas revoluciones.

Pero lo tengo un poco en duda. El motor Vtec de honda tenia un sistema de distribucio variable, permitia una configuracion adecuada para bajas revolucion y otra para alta.

En la grafica de par, se veian dos picos de par uno de cada programa, y el pico de par a altas revoluciones era un poco mas alto que el de bajas.

seria algo asi

No se que explicacion tendria.

Strg.Attractor dijo...

Anda, alguien de la escuela!!!

XD XD.

y ademas con ganas de seguir hablando de avioncitos en su tiempo libre.

No recuerdo como llegue aqui, pero ya tienes un visitante ocasional nuevo.

Lyd dijo...

xD
Yo misma estoy sorprendida de seguir con ganas de hablar de avioncitos en mi tiempo libre ^^ Pero es que Juan de la Cuerva engancha... No sabía que la aeronáutica me gustaba tanto hasta que me puse a escribir este blog... (eso me lleva a pensar que hay algo que hacen mal en la escuela xD)

Eso sí, estoy tan sumamente harta de ecuaciones, que pocas veces me verás usarlas ;P

Muchas gracias por tus visitas, pasadas, presentes y futuras, strg.attractor!

Guillermo dijo...

Pipistrellum:
En automoción la tecnología es mucha y en constante evolución, no me atrevería a decir qué parafernalia usan para conseguir eso, pero seguro que se explica en cualquier página especializada. En aeronáutica solo se usan nuevas tecnologías una vez comprobada su fiabilidad tras años de pruebas. Y mucho peor es en la estación espacial, allí aún escriben en tablillas de piedra xD

Saludos

Lyd dijo...

Corroboro lo que dice Guillermo, aunque con alguna reserva. ;)

La tecnología que se utiliza en astronáutica lleva como unos diez años de retraso por la alta fiabilidad exigida a todos los componentes. Tened en cuenta que deben trabajar en un medio muy hostil (la cantidad de problemas térmicos y de todo tipo derivados de la ausencia de atmósfera es tremenda), durante un montón de años y sin que nadie pueda ir a repararlos. Pero en aeronáutica convencional no pasa tanto: por ejemplo, la tecnología de materiales compuestos es relativamente nueva (aún está en desarrollo, aunque está empezando a alcanzar cierta madurez) y ya se está usando ampliamente en los aviones modernos; y muchas de las "nuevas" tecnologías con las que flipamos tanto ahora (como el GPS, el Head-Up Display que van a llevar los coches caros y modernos, etc) llevan muchos años usándose en aeronáutica, que es un campo muy fértil para las innovaciones.

pipistrellum dijo...

Los discos de frenos y el "ABS" se usaron antes en aviacion que en la F1.

Tambien se han aplicado tecnicas de la aerodinamica de los aviones en la F1, y he oido que ahora, se llevan tecnicas de la F1 a la aviacion.

Lyd dijo...

Hombre, teniendo en cuenta que los que trabajan en F-1 son aeronáuticos... xD

Guillermo dijo...

Bueno bueno... definamos "nuevo" :D
Los materiales compuestos empezaron a integrarse en aviones militares en la década de los 60, primero en estructuras secundarias (no importa si el material no aguanta) y luego en las primarias. En los 70 se pasó a los aviones comerciales del mismo modo. No me imagino a los ingenieros comprometiendo un avión por ensamblar con fibra de boro (por ejemplo) por muchos ensayos que hayan hecho en laboratorio.
No pretendo saber más que tú de aeronaves, solo quiero decir que todo eso es muy relativo.
En otros aspectos por supuesto que usan últimas tecnologias, todo lo militar siempre va ligado al desarrollo tecnológico. Pero tampoco te vas a estrellar si en tu Dornier se te estropea el GPS; sintonizas la radio universitaria en el VOR y llegas a la facultad a tiempo para hacer el examen :P

PD: ¿Van a poner HUD en los coches? :O Yo quiero uno!

Lyd dijo...

Guillermo: Por supuesto que no se utilizan tecnologías experimentales a la ligera en ningún avión. Pero eso no quiere decir que sean necesarios 10 años de rodaje, como en el caso de los vehículos espaciales, para que un componente sea considerado lo suficientemente fiable. Normalmente el retraso tecnológico de un nuevo avión es de un par de años, y no por cuestiones de fiabilidad, sino por lo rápido que avanza la tecnología y lo que se tarda en lanzar un avión al mercado.

Por otro lado, es posible que sepas más que yo de aviones (yo no sé tanto; sólo lo que me han enseñado en la escuela -que no es demasiado- y lo poco que he investigado por mi cuenta). La verdad es que estoy aprendiendo bastante gracias a vosotros y a Juan de la Cuerva ;P

P.D.: Yo también quiero un coche con HUD, pero me temo que de momento está bastante lejos de mis posibilidades :(

Heimy dijo...

¡Joas! ¡Un V8 hecho con piezas de LEGO! ¡Impagable! XD

Lyd dijo...

Mola, verdad? xD

Álvaro dijo...

Creo que te has olvidado de comentar los motores Wankel o rotativos que tambien se usan en aviones segun tengo entendido. Tambien es el que lleva el Mazda RX-8

El Otro dijo...

Pues yo he visto otras cosas interesantes que hacer con motores de avión:



El Otro

Anónimo dijo...

Por favor, Juan de la Cuerva, ¿me podia usted responder a unas preguntas?
La primera ¿Porque algunos motores de explosión en avionetas no tienen volante de inercia? y ¿Cómo funcionan para que no se atasquen en el punto inferior y en el punto superior? Muchas gracias. Mi correo electronico es:
Ntly_9@hotmail.com



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