Relación Carrera / Diámetro: Una clave para la Eficiencia del motor

Aunque hay muchos factores que contribuyen a la eficiencia de un motor, el factor principal que debe considerarse es la geometría del motor en sí. No solo importa el tamaño total del motor, sino también la relación de aspecto de los cilindros del motor, definida por la relación carrera—diámetro. Para explicar por qué, uno debe considerar tres factores: transferencia de calor en el cilindro, barrido de cilindros y fricción.Las relaciones geométricas simples muestran que un cilindro de motor con una relación carrera-agujero más larga tendrá una superficie más pequeña expuesta a los gases de la cámara de combustión en comparación con un cilindro con una relación carrera-agujero más corta. El área más pequeña conduce directamente a una menor transferencia de calor en el cilindro, una mayor transferencia de energía al cigüeñal y, por lo tanto, una mayor eficiencia.El barrido de cilindros, un fenómeno de dos tiempos en el que los productos de escape del cilindro se sustituyen por aire fresco, también se ve fuertemente afectado por la relación carrera—diámetro en un motor de dos tiempos de pistón opuesto de un solo flujo. A medida que aumenta la relación carrera-diámetro, también aumenta la distancia que debe recorrer el aire fresco entre los puertos de admisión en un extremo del cilindro y los puertos de escape en el otro extremo. Esta mayor distancia da como resultado una mayor eficiencia de eliminación de residuos y, como resultado, un menor trabajo de bombeo porque se pierde menos aire fresco a través de los cortocircuitos de carga.La fricción del motor se ve afectada por la relación carrera-diámetro debido a dos efectos competidores: fricción del cojinete del cigüeñal y fricción del cilindro de potencia. A medida que la relación carrera-diámetro disminuye, la fricción del rodamiento aumenta porque el área de pistón más grande transfiere fuerzas más grandes a los cojinetes del cigüeñal. Sin embargo, la carrera más corta correspondiente resulta en una menor fricción entre el cilindro y la potencia que se origina en la interfaz anillo/cilindro.
En Achates Power, hemos llevado a cabo análisis exhaustivos en las tres áreas para identificar correctamente la geometría óptima del motor que proporciona la mejor oportunidad de tener un motor de combustión interna altamente eficiente. Las simulaciones en el cilindro han demostrado que la transferencia de calor aumenta rápidamente por debajo de una relación carrera / diámetro de aproximadamente 2, las simulaciones de sistemas de motor han demostrado que el trabajo de bombeo aumenta rápidamente por debajo de una relación carrera / diámetro de aproximadamente 2.2 (debido a la disminución asociada en la eficiencia de eliminación de residuos), y los modelos de fricción del motor han demostrado que los valores de fricción del cojinete del cigüeñal y del cilindro de potencia, en su mayor parte, se anulan entre sí para nuestro motor de dos tiempos de pistón opuesto.Cabe señalar aquí que en un motor de pistón opuesto, donde hay dos pistones por cilindro que trabajan en movimiento alternativo opuesto, la «carrera» resulta de los movimientos combinados de los dos pistones y es aproximadamente el doble de la distancia que recorre uno de los pistones en media revolución. Este hecho permite que un motor de pistón opuesto tenga relaciones de carrera a diámetro mucho mayores que un motor con un pistón por cilindro sin tener velocidades medias de pistón excesivamente altas que son perjudiciales para la carga inercial y la fricción.
Para contextualizar, a continuación se muestra una gráfica de la densidad de potencia frente a la relación carrera-diámetro de algunos motores actuales de cuatro tiempos diseñados para una amplia gama de aplicaciones. Tenga en cuenta que todos los motores en el gráfico tienen culatas, por lo que la carrera describe la carrera real del pistón. Los datos de la gráfica muestran una tendencia en la que los motores que requieren una alta densidad de potencia, como los de los autos de carreras, tienen una pequeña relación carrera—diámetro, y los motores que requieren una alta eficiencia de combustible, como los de los camiones pesados y los buques de carga marina, tienen una gran relación carrera—diámetro.

El factor limitante en esta relación son las fuerzas de inercia originadas por el movimiento del pistón. Para lograr una alta densidad de potencia, el motor debe funcionar a una velocidad alta (hasta 18,000 rpm para el motor de Fórmula 1), lo que conduce a altas fuerzas de inercia que deben limitarse mediante el uso de una pequeña relación carrera-diámetro. Para aplicaciones que requieren una alta eficiencia, es necesaria una relación carrera-diámetro larga y, de nuevo debido a las fuerzas de inercia del pistón, requiere una velocidad del motor más lenta y una densidad de potencia más baja. Para la aplicación marina que tiene una carrera de 2,5 m, la velocidad del motor está limitada a 102 rpm.
En comparación, el motor de dos tiempos de pistón opuesto de potencia Achates está diseñado con una relación carrera-diámetro en el rango de 2,2 a 2,6. Esta gama de valores de relación carrera-diámetro nos permite crear un motor de combustión interna altamente eficiente al mismo tiempo que mantiene velocidades medias de pistón comparables a los motores disponibles actualmente en aplicaciones de servicio mediano y pesado. Cualquier motor de dos tiempos de pistón opuesto con una relación carrera-diámetro inferior a 2 sufrirá una alta transferencia de calor en el cilindro y una mala eliminación de residuos, lo que reduce la eficiencia general del motor.