¿Por qué un cigüeñal es un convertidor tan pobre de movimiento lineal a rotativo?

Answer 1

De sus diversos comentarios sobre esta pregunta y otras respuestas, creo que lo que está tratando de encontrar es de manera que se pueda lograr la fuerza máxima de los productos de combustión en expansión cuando el tiro del cigüeñal es perpendicular al eje del pistón, en lugar de cuando se pasa del punto muerto superior.

El verdadero problema es que lo que generalmente intentamos lograr es un movimiento giratorio continuo , y para llegar a la posición perpendicular, el pistón primero debe viajar más allá de ese punto. No hay muchas maneras de proporcionar este movimiento que no sacrifiquen más eficiencia que los arreglos actuales de cigüeñal-pistón. Podría retrasar el encendido hasta que el pistón haya pasado a la posición que prefiere, pero esto desperdiciará casi la mitad de la energía que gastó en comprimir la carga del cilindro. Podría intentar bloquear la parte superior de la cámara después de que se haya producido la compresión, pero esto complica enormemente el mecanismo y los desafíos de sellado.

Es posible que desee ver varios diseños de motores de pistón opuesto que se han desarrollado a lo largo de los años, para ver si satisfacen alguno de sus objetivos y por qué no tuvieron un éxito comercial más amplio. (Aparentemente, el motor diésel de dos tiempos Fairbanks Morse 38 8-1 / 8 de pistón opuesto, producido por primera vez en la década de 1930, todavía está equipado para potencia de respaldo en los submarinos nucleares de la clase Seawolf de EE. UU.)

De hecho, puedo concebir reemplazar el cigüeñal con una serie de palancas de trinquete de cada pistón empujando un eje dentado a lo largo en un movimiento giratorio continuo; tipo de martillo de viaje inverso. Sin embargo, una vez más, la complejidad de este mecanismo pesa mucho contra cualquier posible aumento de la eficiencia.

Answer 2

A2A: ¿Por qué un cigüeñal es un convertidor tan pobre de movimiento lineal a rotativo?

Me pregunto por qué crees que un cigüeñal es pobre para convertir el movimiento lineal en giratorio. Si fuera terrible, no los usaríamos en millones de automóviles. Un aspecto incómodo sobre un cigüeñal es el problema del punto muerto superior (o punto muerto inferior). En ese punto, la fuerza lineal sobre el pistón no produce ningún par para girar el cigüeñal. Otra forma de verlo es que la ventaja mecánica en el punto del ciclo es cero. Pero este no es un inconveniente tan serio. En los automóviles, utilizamos la inercia rotativa del cigüeñal con una inercia rotatoria adicional del volante para mantener el sistema en movimiento más allá del punto muerto para que no se cuelgue. En algunos sistemas, como en las máquinas de vapor, colocamos pistones para que uno empuje cuando el otro esté en el punto muerto. Los pistones están desfasados ​​90 °. Lo bueno del aspecto sobre centro es que cambia suavemente la dirección de movimiento del pistón. Se ralentiza gradualmente y luego se acelera gradualmente en la dirección opuesta. Lo hace mientras conserva principalmente energía. Por lo tanto, no es nada obvio para mí que un cigüeñal sea un mal convertidor de movimiento lineal a rotativo.

Answer 3

La eficiencia (o ineficiencia) es la capacidad de convertir energía sin perderla.

En este caso, la energía no se pierde en el mecanismo. (ignorando la fricción que se perderá de todos modos)

Es una transferencia de energía mecánica a mecánica y no hay cambio intermedio.

A lo que se refiere es que el par aplicado al cigüeñal (para una presión dada) difiere en diferentes posiciones del pistón (o ángulo del cigüeñal). Cual es verdad.

Cuando la manivela es perpendicular al eje del cilindro, generaría el par máximo para la misma presión. De acuerdo …

Pero

Just Torque no es energía. La energía es Fuerza X Distancia o Torque X Distancia angular.

Ahora mira la parte de distancia. Te estás perdiendo la diferencia en la distancia que mueve el cigüeñal para el mismo movimiento del pistón en diferentes ángulos.

Aquí hay ilustraciones creadas por mí para explicar eso.

En la primera ilustración, el pistón está cerca del TDC y el movimiento de aproximadamente 46 unidades de pistón produce una rotación de 20 grados del cigüeñal.

(imagen hecha por mí)

En el segundo, la posición está cerca de la posición del ángulo recto. En este caso, en lugar de 46, ahora se trata de 131 unidades. Entonces, aunque la misma presión produce más torque en este caso, la misma velocidad lineal del pistón produce menos velocidad angular del cigüeñal.

(imagen hecha por mí)

La conclusión es que la energía no se pierde. Por lo tanto, no es una forma ineficiente. Aunque hay otros problemas como la vibración, etc.

Hay fluctuaciones en el par y la velocidad, por eso utilizamos volante o cilindros múltiples, pero no tiene nada que ver con la eficiencia, ignorando la fricción.

He tratado de mantener alejadas las matemáticas complejas, pero puedes buscar en Google y encontrarlo. Aquí hay un enlace Velocidad y aceleración de un pistón

Answer 4

Para agregar a la asombrosa respuesta de @Kim Aaron, eche un vistazo al ciclo Atkinson que ahora usan algunos motores, aumenta la longitud del golpe de potencia para que más energía térmica se pueda convertir en energía mecánica.