Cilindros de simple y doble efecto

En ingeniería mecánica , los cilindros de los motores alternativos a menudo se clasifican según sean de acción simple o doble, dependiendo de cómo actúa el fluido de trabajo sobre el pistón .

Un cilindro de simple efecto en un motor alternativo es un cilindro en el que el fluido de trabajo actúa solo en un lado del pistón . Un cilindro de simple efecto depende de la carga, resortes, otros cilindros o el impulso de un volante para empujar el pistón hacia atrás en la otra dirección. Los cilindros de simple efecto se encuentran en la mayoría de los tipos de motores alternativos. Son casi universales en los motores de combustión interna (por ejemplo, motores de gasolina y diésel ) y también se utilizan en muchos motores de combustión externa, como los motores Stirling y algunos motores de vapor . También se encuentran en bombas y arietes hidráulicos .

Un cilindro de doble efecto es un cilindro en el que el fluido de trabajo actúa alternativamente en ambos lados del pistón. Para conectar el pistón en un cilindro de doble efecto a un mecanismo externo, como un cigüeñal , se debe proporcionar un orificio en un extremo del cilindro para el vástago del pistón, y este está equipado con un casquillo o " caja de empaquetadura " para evitar que se escape el fluido de trabajo. Los cilindros de doble efecto son comunes en los motores de vapor, pero poco comunes en otros tipos de motores. Muchos cilindros hidráulicos y neumáticos los utilizan cuando es necesario producir una fuerza en ambas direcciones. Un cilindro hidráulico de doble efecto tiene un puerto en cada extremo, provisto de fluido hidráulico tanto para la retracción como para la extensión del pistón. Un cilindro de doble efecto se utiliza cuando no se dispone de una fuerza externa para retraer el pistón o se puede utilizar cuando se requiere una gran fuerza en ambas direcciones de desplazamiento.

Las máquinas de vapor normalmente utilizan cilindros de doble efecto. Sin embargo, las primeras máquinas de vapor, como las atmosféricas y algunas de viga , eran de efecto simple. Estas solían transmitir su fuerza a través de la viga mediante cadenas y un "cabezal de arco", ya que solo se necesitaba tensión en una dirección.

En aquellos casos en los que se utilizaban para bombear pozos de minas y solo tenían que actuar contra una carga en una dirección, los diseños de simple efecto se siguieron utilizando durante muchos años. El impulso principal hacia los cilindros de doble efecto se produjo cuando James Watt intentaba desarrollar un motor de viga rotativa , que pudiera utilizarse para impulsar maquinaria a través de un eje de salida. ^[1] En comparación con un motor de un solo cilindro, un cilindro de doble efecto proporcionaba una salida de potencia más suave. El motor de alta presión, ^[i] desarrollado por Richard Trevithick , utilizaba pistones de doble efecto y se convirtió en el modelo para la mayoría de los motores de vapor posteriores.

Algunas de las máquinas de vapor posteriores, las máquinas de vapor de alta velocidad , utilizaban pistones de simple efecto de un nuevo diseño. La cruceta pasó a formar parte del pistón, ^[ii] y ya no había vástago. Esto se debió a razones similares a las del motor de combustión interna, ya que evitar el vástago y sus sellos permitió un sistema de lubricación del cárter más eficaz .

Los modelos pequeños y los juguetes a menudo utilizan cilindros de simple efecto por el motivo mencionado anteriormente, pero también para reducir los costos de fabricación.

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A diferencia de las máquinas de vapor, casi todos los motores de combustión interna utilizan cilindros de simple efecto.

Sus pistones suelen ser de tronco , donde la unión del bulón de la biela se encuentra dentro del propio pistón. Esto evita la cruceta, el vástago del pistón y su casquillo de estanqueidad, pero también hace que un pistón de simple efecto sea casi imprescindible. Esto, a su vez, tiene la ventaja de permitir un fácil acceso a la parte inferior del pistón para el aceite lubricante, que también tiene una importante función de refrigeración. Esto evita el sobrecalentamiento local del pistón y los aros.

Los motores de gasolina de dos tiempos pequeños , como los de las motocicletas, utilizan la compresión del cárter en lugar de un sobrealimentador o un soplador de barrido independiente . Esto utiliza ambos lados del pistón como superficies de trabajo, y el lado inferior del pistón actúa como un compresor de pistón para comprimir la carga de entrada y prepararla para la siguiente carrera. El pistón todavía se considera de simple efecto, ya que solo una de estas caras produce potencia.

Algunos de los primeros motores de gas , como los motores originales de Lenoir , de alrededor de 1860, eran de doble acción y seguían en su diseño a los motores de vapor .

Los motores de combustión interna pronto cambiaron a cilindros de simple efecto. Esto se debió a dos razones: en cuanto a la máquina de vapor de alta velocidad, la gran fuerza en cada pistón y su biela era tan grande que imponía grandes exigencias a los cojinetes. Un pistón de simple efecto, donde la dirección de las fuerzas era consistentemente compresiva a lo largo de la biela, permitía holguras de cojinetes más ajustadas. ^[2] En segundo lugar, la necesidad de grandes áreas de válvula para proporcionar un buen flujo de gas, al tiempo que se requería un pequeño volumen para la cámara de combustión para proporcionar una buena compresión , monopolizó el espacio disponible en la culata . El cilindro derivado de la máquina de vapor de Lenoir era inadecuado para el motor de gasolina , por lo que apareció en su lugar un nuevo diseño, basado en válvulas de asiento y un pistón de tronco de simple efecto .

También se construyeron motores de gas de gran tamaño como motores de soplado para altos hornos , con uno o dos cilindros extremadamente grandes y alimentados por la combustión de gas de horno . Estos, particularmente los construidos por Körting , usaban cilindros de doble efecto. Los motores de gas requieren poca o ninguna compresión de su carga, en comparación con los motores de gasolina o de encendido por compresión , y por lo tanto los diseños de cilindros de doble efecto todavía eran adecuados, a pesar de sus estrechos y enrevesados ​​pasajes.

Los cilindros de doble efecto se han utilizado con poca frecuencia para motores de combustión interna desde entonces, aunque Burmeister & Wain fabricó motores diésel de doble efecto de ciclo de dos tiempos (2-SCDA) para propulsión marina antes de 1930. El primero, de 7000 hp, se instaló en el MV Amerika británico (United Baltic Co.) en 1929. ^{[3] [4]} Los dos motores B&W SCDA instalados en el MV  Stirling Castle en 1937 produjeron 24 000 hp cada uno.

En 1935 se ordenó el submarino estadounidense USS Pompano como parte de la clase Perch ^[iii] Se construyeron seis barcos, con tres diseños diferentes de motor diésel de diferentes fabricantes. Pompano estaba equipado con motores HOR ( Hooven-Owens-Rentschler ) de 8 cilindros de doble acción que eran una versión construida bajo licencia de los motores auxiliares MAN del crucero Leipzig . ^[5] Debido al espacio limitado disponible dentro de los submarinos, se favorecieron los motores de pistón opuesto o, en este caso, de doble acción por ser más compactos. Los motores de Pompano fueron un completo fracaso y se destrozaron durante las pruebas antes incluso de salir del Astillero Naval de Mare Island . Pompano estuvo en reposo durante ocho meses hasta 1938 mientras se reemplazaban los motores. ^[5] Incluso entonces, los motores se consideraron insatisfactorios y fueron reemplazados por motores Fairbanks-Morse en 1942. ^[5] Mientras Pompano todavía se estaba construyendo, se ordenaron los submarinos de la clase Salmon . Tres de estos fueron construidos por Electric Boat , con un desarrollo de 9 cilindros del motor HOR. ^[6] Aunque no fue un fracaso tan grande como los motores de Pompano , esta versión todavía era problemática y los barcos fueron posteriormente re-motorizados con los mismos motores General Motors 16-248 V16 de simple acción que sus barcos hermanos. ^[6] Otros submarinos construidos por Electric Boat de las clases Sargo y Seadragon , así como los primeros de la clase Gato , también fueron construidos con estos motores HOR de 9 cilindros, pero posteriormente re-motorizados. ^[7]

Un cilindro hidráulico es un actuador mecánico que funciona con un líquido presurizado, generalmente aceite. Tiene muchas aplicaciones, especialmente en equipos de construcción ( vehículos de ingeniería ), maquinaria de fabricación e ingeniería civil.