Un volante de inercia no es más que un dispositivo mecánico pesado unido al eje para almacenar el exceso de energía de rotación. Actúa como un depósito giratorio que almacena energía; cuando está disponible en abundancia y la libera cuando más se necesita de forma muy parecida a una batería. Tiene un peso significativo con respecto al conjunto del cigüeñal; y por lo tanto ayuda a mantener la velocidad de rotación resistente al par. Generalmente se instalan en sistemas con carga variable y par fluctuante; como en el motor de combustión interna.
Debido a su gran peso, un volante de inercia tiene una inercia muy alta que hace que se mantenga a la misma velocidad independientemente de las fuerzas opuestas. La energía almacenada en estos volantes es proporcional al cuadrado de la velocidad de rotación. Se aplica un par de torsión al volante de inercia para almacenar la energía de rotación y, cuando se necesita, la energía se libera del volante de inercia en forma de par de torsión aplicado a la carga mecánica. Así, aumenta su velocidad de rotación mientras almacena energía y la pierde mientras la libera.
Puedes entender su aplicación en la vida diaria con un simple ejemplo. Recuerda el juguete de tu infancia con el que jugabas a frotar por el suelo para correr. Estos pequeños coches son ejemplos sencillos de volantes de inercia en acción; la energía mecánica se almacena en su volante cuando se frota por el suelo y luego se libera una vez que se libera. Otros ejemplos de volantes de inercia en la vida cotidiana son los motores de los automóviles, las máquinas de coser y los extractores manuales de jugo de caña.
Qué son los volantes de inercia & Sus tipos
Un volante de inercia existe desde los albores de la revolución industrial. En aquel entonces era puramente mecánico con una rueda unida al eje; no cambia mucho ¿verdad? Hoy en día, los volantes de inercia son más bien una disposición compleja que se asienta en un lado del eje; para transferir energía hacia y desde el motor / la fuente. Ya no se limitan a las máquinas simples y a los motores, sino que se utilizan en muchas otras aplicaciones. Por ejemplo, en la red eléctrica para la regulación de la frecuencia, en los ferrocarriles para la recuperación de energía en tránsito y en la minería; para almacenar la energía residual reduciendo el consumo total de combustible.
Su funcionamiento se puede resumir y entender con la siguiente ecuación física: par en el eje de rotación = I.α . Cuando un cuerpo gira libremente en un eje fijo; entonces se requiere un par ‘t’ para cambiar su movimiento con una aceleración angular ‘a’. El par requerido es entonces proporcional a su aceleración angular; y está dado por el producto de su momento de inercia y la aceleración angular. Discutiremos en detalle su principio de funcionamiento más adelante en este post.
En función de su masa puede ser un volante de inercia de una masa o de doble masa. Los de una sola masa son más baratos, amortiguan moderadamente las vibraciones del motor y soportan una mayor capacidad térmica. Están hechos de acero fundido y no tienen nada entre ellos y el conjunto del embrague. Un diseño de una sola masa se construye para volantes de inercia con una aplicación multipropósito; como el almacenamiento de energía, la amortiguación de las vibraciones y la recuperación de energía.
Por otro lado, una construcción de doble masa se hace especialmente para amortiguar la vibración y el ruido. Tienen un muelle entre los dos volantes como amortiguador. Ambos volantes de inercia pueden moverse independientemente el uno del otro dentro de un límite fijo. Estos diseños son caros y son propensos a dañarse bajo alta temperatura o uso rudo.
Por qué se usan los volantes en el motor de C.I.
Creo que todos entendemos lo básico de cómo funciona el motor de C.I.. Para aquellos que no lo saben, un motor de combustión interna es un tipo de motor térmico donde el combustible se quema dentro de un espacio confinado llamado cámara de combustión. Por lo general, son motores rotativos o alternativos con un conjunto de pistones. La expansión repentina de los gases de combustión después de la combustión mueve el pistón hacia abajo; que a su vez gira el cigüeñal y, finalmente, el vehículo / eje de salida.
La combustión tuvo lugar sólo una vez cada cuatro ciclos en el motor de cuatro tiempos; mientras que cada dos ciclos en el motor de dos tiempos. Así que la potencia está disponible para un solo ciclo; esto no significa que el motor debe trabajar para que un ciclo en dos & motor de cuatro tiempos. Aquí es cuando un volante de inercia es útil, ya que proporciona sin problemas la potencia al cigüeñal en todo momento, manteniendo el motor en movimiento. Un volante de inercia está conectado directamente al extremo del cigüeñal; manteniendo la potencia y la orientación consistente del motor.
Así, los volantes de inercia ayudan a asegurar la entrega de potencia consistente en el motor de un solo cilindro. Pero los motores multicilíndricos pueden ser programados para tener una entrega de potencia consistente; sin embargo, todavía tenemos volantes en esos motores. Pero, ¿por qué? En los motores multicilíndricos se utilizan para controlar las vibraciones del motor, equilibrar el cigüeñal, asegurar el sentido de marcha adecuado y arrancar el motor cuando es necesario. Los motores de varios cilindros tienen un par de salida uniforme y por lo tanto requieren volantes más pequeños y ligeros; que se suman a la aceleración del motor.
Principio de funcionamiento
El momento de giro de un motor de cuatro tiempos para diferentes posiciones del cigüeñal sólo es positivo para la carrera de potencia. Como hemos discutido anteriormente; un motor de corriente alterna produce potencia sólo durante la carrera de potencia. Desde el diagrama de momento de giro podemos ver que; durante la succión hay un momento de giro negativo debido a la presión del cilindro inferior a 1 atmósfera.
Similarmente la energía es tomada desde el cigüeñal y el volante para hacer trabajo en los gases; lo que resulta en un momento de giro negativo mucho mayor. Luego, durante la carrera de potencia, vemos un aumento en el momento de giro positivo, debido a la presión de los gases de combustión. Mientras que durante la carrera de escape los gases de combustión son liberados trabajando sobre el gas; resultando en un momento de giro negativo.
Desde el diagrama de momento de giro dado; uno puede ver claramente que el par / momento de giro generado es mucho más que el par medio. Así que hay este par extra generado durante la carrera de potencia; que necesita ser almacenado y luego liberado usando los volantes de inercia. La energía almacenada por un volante de inercia con una llanta muy fina y una masa «m» puede ser dada por:-
E = 1 / 2 X I ω2
Donde ‘ E ‘ es la energía cinética media del volante de inercia. » I » es su momento de inercia y » ω » es su velocidad angular. Ahora bien, como durante las carreras de aspiración, compresión y escape, la energía se toma del volante y se añade durante la carrera de potencia.
Así que la energía cinética del volante para la velocidad angular fluctuante será:-
E = Energía Cinética Máxima – Energía Cinética Mínima = Trabajo realizado por el par en el volante ( Prueba en Brilliant.com )*
E = 12x I x ( ω )2 – 12x I x ( ω )2
O,
E = 1/2 x I x ( ω1 + ω2 )( ω1 – ω2 )
Ahora bien, como ( ω1 + ω2 ) / 2 = ω
Por tanto,
E =I ω2 ( ω1-ω2 )ω
Ahora bien, puesto que, ω = 2πN / 60
Por tanto,
E=Ix2πN60x2πN60x2πN160-2πN260x602πN=4π23600xIxNN1-N2=π2900x m.k2 x NN1-N2
Donde, K es el radio de giro del volante.
Ahora, la energía almacenada en el volante puede venir dada por:-
E=π2900x m.k2 xN2xCs
Donde; Cs es el coeficiente de viscosidad del volante i.e (N1-N2)/N
¿Cómo podemos utilizar los volantes de inercia para determinar el sentido de marcha?
Un volante de inercia puede ser poco útil para determinar el sentido de marcha de un motor. Simplemente se puede saber en qué sentido está girando el motor, echando un vistazo a los volantes de inercia del motor. Esto es así porque un volante no tiene su propio sentido de giro, sino que sigue el sentido del motor en el que está montado. Si el volante gira en el sentido de las agujas del reloj, el motor es del tipo derecho. Del mismo modo, si el volante gira en sentido contrario a las agujas del reloj en un motor, es un tipo de mano izquierda.
En los motores pesados de varios cilindros, como en las industrias y los barcos, estos volantes también se pueden utilizar para determinar la posición del pistón en el cilindro. Usando las marcas de los cilindros en el volante se puede saber en qué cilindro está el pistón en T.D.C. Esto puede ser usado para determinar el orden de encendido de un motor. Si el motor está parado durante mucho tiempo y hay que purgarlo, estos volantes son muy útiles. Para purgar un motor es necesario girar el volante manualmente o a través de un motor con el grifo indicador abierto.
Aunque un motor puede girar en ambas direcciones, en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario, pero generalmente la mayoría de los motores giran en sentido contrario a las agujas del reloj. Pero no es una regla establecida, ya que es sólo una cuestión de elección del diseñador para preferir uno sobre el otro. Por lo tanto, siempre debe saber el sentido correcto de funcionamiento de un motor; ya sea a través del manual del motor o inspeccionando visualmente su volante.
Dudas comunes sobre volantes de inercia & Sus respuestas
Q.1. ¿Por qué los volantes de inercia sólo están hechos de hierro fundido?
Ans: Es posible que haya leído en muchos manuales o en la web que este volante está hecho de hierro fundido o hierro fundido gris. Puede surgir la duda de si todos los volantes de inercia son de hierro fundido o al menos la mayoría de ellos. De hecho, un volante de inercia puede estar hecho de diferentes materiales, dependiendo de la aplicación. Los volantes de inercia muy pequeños, como los de los juguetes, se fabrican principalmente con plomo. Los volantes medianos o pequeños pueden ser de hierro fundido, aluminio o acero. Pero los volantes grandes están hechos de hierro fundido o de acero de alta resistencia, dependiendo de las necesidades del diseño.
Q.2. ¿Por qué los volantes de inercia tienen dientes?
Ans: No todos los volantes de inercia tienen dientes, pero la mayoría de los volantes de inercia de coches, motos, generadores pesados y barcos tienen dientes; pero ¿por qué? Porque sabes que los volantes de inercia ayudan a mantener una potencia constante; pero cómo conseguimos esa potencia si no arrancamos el motor. Si usted ha tenido o tiene una motocicleta debe saber cómo tenemos que patear o auto-arranque para hacer funcionar el motor. Lo que realmente hace es que gira el volante a través de un pequeño engranaje unido a los dientes del volante. En los motores diesel grandes, como en los barcos, donde se utiliza aire comprimido para arrancar el motor, estos dientes del volante se utilizan para el combustible de alta presión y la bomba de aceite servo.
Q.3. ¿Son similares el volante de inercia y el regulador?
Ans: Tanto el volante de inercia como el regulador se utilizan para regular la velocidad del motor; pero de manera diferente. Por un lado, el volante de inercia regula la velocidad de un motor en diferentes carreras, para mantener su velocidad media constante. En cambio, el regulador se utiliza para regular la velocidad media del motor en caso de carga variable. Esto se consigue ajustando la inyección de combustible para satisfacer el aumento de la demanda de potencia. Ahora, para mantener la velocidad del motor constante, el regulador aumenta el combustible inyectado en el cilindro para generar más par motor y así aumentar su velocidad. Así que, aunque el volante y el regulador parecen hacer un trabajo similar, en realidad son diferentes.
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