Motores extraños atascados en los márgenes del progreso
Octubre 07, 2021

Motores extraños atascados en los márgenes del progreso

El motor Wankel, el motor Stirling y varios tipos de unidades turbo-alimentadas nunca entraron en la corriente principal de la automoción. Varias empresas conocidas (como Mazda, GM, Mercedes o Volvo) trabajaron en ellos durante décadas, también persistieron pequeñas empresas e inventores individuales. Por desgracia, resultó que había muchas más dificultades en un diseño en particular de lo que parecía al principio. Pero esto no significa que el desarrollo de unidades de energía alternativas sea imposible. Los entusiastas tienen diferentes ideas y nos gustaría compartir con ustedes una serie de esquemas exóticos.

Algunos creadores de motores prometedores decidieron que la combinación de cilindro, pistón, biela y cigüeñal ha demostrado su eficacia durante más de un siglo y no es necesario reinventarla para mejorar los parámetros del motor de combustión interna; basta con solo corregir algunos aspectos. Por lo tanto, el primero de nuestra lista es el motor de la empresa estadounidense Scuderi Group, que tiene carreras clásicas de admisión, compresión, potencia y escape, pero no ocurren en el mismo cilindro, sino en diferentes. El llamado cilindro frío es responsable de la admisión y compresión, y el segundo, caliente, de la carrera de potencia y el escape.

Mientras hay una expansión de gas en el cilindro de trabajo, se produce una carrera de admisión en el compresor frío. Un escape en el de trabajo, una compresión en el frío. Al final de la carrera de compresión, los pistones se acercan a sus puntos muertos superiores, una mezcla se mueve a través del canal de derivación del cilindro frío al caliente y se enciende. Este ciclo dividido (en principio, el ciclo Otto, aunque modificado) fue inventado por los estadounidenses en 2006, y en 2009 construyeron el motor piloto de ciclo dividido Scuderi. El compresor y los cilindros de trabajo pueden tener diferentes diámetros y carreras de los pistones, lo que permite ajustar de manera flexible los parámetros; es un análogo del ciclo de Miller con expansión de gas adicional.

Si agrega una rama con válvulas y una botella de alta presión al canal entre los cilindros, puede hacer que dicho motor acumule energía durante el frenado y la use durante la aceleración. Sin embargo, durante varios años, las actividades de Scuderi Group se han limitado solo a prototipos y participación en exposiciones. Parece que la eficiencia real todavía no puede superar la alta complejidad del diseño.

Los desarrolladores de la empresa croata Paut Motor también recurrieron al ciclo de trabajo dividido. Su diseño “espaciado” atrajo la atención con menos piezas, baja fricción y ruido reducido. Y la necesidad de un tanque externo para el sistema de lubricación, provocada por el hecho de que no hay aceite en el cárter, no asustó. Los inventores construyeron varios prototipos. Con una capacidad de siete litros, sus dimensiones (500 × 440 × 440 mm) y peso (135 kg) son casi la mitad que los de los motores de combustión interna tradicionales. Pero la salida nunca se determinó. El último prototipo se ensambló en 2011 y luego el proyecto se estancó.

El motor de dos tiempos Bonner (llamado así por el patrocinador, Bonner Motor), inventado en 2006 en los Estados Unidos por Walter Schmid, es aún más complicado. Como en el proyecto Paut Motor, los cilindros están dispuestos aquí con la forma de la letra X, y el cigüeñal también realiza un movimiento planetario debido al sistema de engranajes.

Las válvulas en el fondo de los cilindros y las válvulas de carrete giratorias en el cuerpo del motor son responsables de la distribución de gas en Bonner. Al mismo tiempo, los pistones externos pueden moverse ligeramente bajo la presión del aceite, lo que proporciona una relación de compresión variable. ¡Qué esquema tan complicado! Y todo esto en aras de la alta potencia por unidad de peso. En teoría, Bonner parece interesante, pero en la práctica, no ha habido noticias al respecto durante mucho tiempo; aparentemente, no ha cumplido con las expectativas.

Otros inventores no cambiaron los ciclos de trabajo del motor de combustión interna, sino que se centraron en la ubicación de sus partes. Se trata, por ejemplo, de motores axiales que tienen más de cien años. Todos difieren en detalles, pero están unidos por un principio común: los cilindros están dispuestos como cartuchos en un cilindro de revólver, con un eje de salida coaxial. Diferentes sistemas, tales como pasadores inclinados al eje longitudinal del motor, arandelas cónicas y similares, son responsables de convertir los movimientos alternativos de los pistones en la rotación del eje.

Un proyecto de Nueva Zelanda de la empresa Duke Engines, un motor de cinco cilindros y cuatro tiempos con una capacidad de tres litros, es una variedad de unidades axiales. Comparado con el clásico motor de combustión interna de la misma capacidad, este era, según los cálculos de los autores, un 19% más ligero y un 36% más compacto. Se prometió que se usaría en una variedad de campos, pero los sueños de conquistar el mundo entero seguían siendo sueños.

El motor RadMax de la empresa canadiense Reg Technologies es un ejemplo axial aún más complejo. Aquí, en lugar de cilindros, se organizan una docena de compartimentos en un tambor común con la ayuda de láminas delgadas. En las ranuras del rotor, se instalan placas que se mueven a lo largo de ellas a medida que gira. Los volúmenes variables resultantes limitan las superficies curvas en los extremos: marcan la trayectoria de las palas y controlan el intercambio de gases.

El esquema RadMax permite crear motores para diferentes tipos de combustible, aunque inicialmente los inventores eligieron el diesel. En 2003, se construyó un prototipo con un diámetro y una longitud de solo 152 mm. Desarrolló 42 caballos de fuerza, muchas veces más que un motor de combustión interna de tamaño similar. Posteriormente, la empresa informó sobre la creación de prototipos más grandes con 127 y 380 caballos de fuerza. Pero, a juzgar por los lanzamientos, todas sus actividades aún no van más allá de los experimentos.

Toroidal Round Engine (o VGT Engine) de la empresa canadiense ya desaparecida VGT Technologies es otro ejemplo de la superioridad de la teoría sobre la práctica. Los primeros prototipos del motor con un toroide de geometría variable (de ahí las letras VGT – Motor Toroidal de Geometría Variable) fueron probados por ingenieros en 2005.

El toroide aquí desempeña el papel de un cilindro, dentro del cual gira un rotor con un par de pistones unidos a él. Los volúmenes variables necesarios para garantizar las carreras de potencia se forman entre los pistones por medio de un disco de distribución delgado con un corte para los pistones que gira a través del toroide con una transmisión por correa u otro. Este disco restringe una mezcla de aire y combustible durante la compresión y la carrera de potencia.

En 2009, los estadounidenses empresarios, Gary Kelley y Rick Ivas, desarrollaron su motor toroidal, esencialmente recreando el canadiense. Según sus estimaciones, un toroide de medio metro de diámetro proporcionaría 230 caballos de fuerza y alrededor de 1000 N⋅m a solo 1050 rpm. Pero… ahora hay un fragmento en el sitio web de su empresa Garric Engines: “Gracias por su interés. Es posible que la página se actualice en el futuro”. Quizás un destino ligeramente mejor aguarda al llamado motor nutante inventado por el estadounidense Leonard Meyer en 2006, al menos se construyó en varias copias.

El nombre del motor proviene del latín nutatio. Meyer formó cuatro cámaras de trabajo de volumen variable entre el cuerpo del motor y el disco nutante a los lados que desempeña el papel de un pistón. El disco se corta por la mitad a lo largo de su diámetro y se ensarta en un eje en forma de Z que produce energía. Los canales y válvulas del cuerpo son responsables del intercambio de gases.

Los prototipos del motor de Meyer fueron construidos por Baker Engineering y su empresa hermana Kinetic BEI. La unidad desarrolla siete caballos de fuerza con un solo disco con un diámetro de 102 mm, ¡y ya, 120 con un par de discos de 203 mm! La longitud del motor de dos discos es de 500 mm, el diámetro es de 300 mm y la capacidad es de 3,8 litros. 2.5-3 caballos de fuerza por kilogramo contra uno o dos para los motores de combustión interna atmosférica producidos en serie (entre los motores sin masa, algunos motores Ferrari producen más de tres caballos de fuerza por kilogramo, pero a altas 9000 rpm). Sin embargo, la capacidad en litros no es impresionante. Ahora Baker y Kinetic parecen dar forma a los proyectos, aunque no hay mucha actividad en sus sitios web.

La idea de unidades rotativas de varios tipos atrae con tanta frecuencia a los innovadores, como si solo una desviación del esquema familiar brindara un aumento significativo en el rendimiento. Entonces, Nikolay Shkolnik, un nativo de la URSS que se mudó a los Estados Unidos hace mucho tiempo, con su hijo Alexander desarrolló un motor que se parece al motor Wankel al revés. El rotor en forma de maní gira en una cámara triangular de la misma manera, pero a diferencia de la unidad Wankel, los sellos no están fijados al pistón, sino a las paredes de la cámara.

Para desarrollar el diseño, los Shkolniks fundaron la empresa LiquidPiston, que atrajo a la DARPA, ahora cofinancia experimentos con miras a la operación de unidades “maní” en aviones ligeros, incluidos drones, y en generadores portátiles. Un motor prototipo con una capacidad de 23 cm3 tiene una buena eficiencia del 20% para tales dimensiones. Ahora, los autores apuntan a un prototipo diésel que pese unos 13 kg y produzca 40 caballos de vapor para su instalación en un coche híbrido. Supuestamente, su eficiencia aumentará al 45%.

El último motor que revisaremos demuestra que la idea de una unidad plana (porque el rotor se puede hacer muy estrecho) es tentadora. Al mismo tiempo, los rotores en sí no son tan necesarios para su implementación: basta con cuadrar el pistón tradicional y, en consecuencia, hacer que el cilindro sea rectangular en la vista superior.

Este extraño desarrollo de la empresa Pivotal Engineering existe desde hace varios años, durante los cuales se crearon una serie de prototipos que adaptaban motocicletas y aviones. Los autores se refieren al llamado pistón oscilante principalmente a la aviación. Además de las características de alto rendimiento en relación con el peso y las dimensiones, una unidad de dos tiempos de este tipo es perfectamente capaz de forzar debido al paso de un canal de enfriamiento de líquido a través del eje fijo del pistón. Tal truco es difícil con un esquema diferente.

Hay muchos desarrollos exóticos fuera de nuestra revisión, como el motor Wankel de 12 rotores, el motor Knight o unidades con pistones opuestos, motores de combustión interna con una relación de compresión variable o con cinco tiempos (¡también los hay!), Y también unidades de palas rotativas en las que los componentes del rotor realizan movimientos como cuchillas de tijeras convergentes y divergentes.

Incluso una excursión superficial más allá de los límites de los motores de combustión interna clásicos ha demostrado cuántas ideas no se implementan en la producción en masa. Los rotores a menudo se arruinan por el problema del desgaste de los sellos. Las opciones de palas rotativas también sufren de altas cargas alternas que destruyen el mecanismo de conexión entre las palas y el eje. Esta es solo una de las razones por las que no vemos tales “milagros” en los autos de producción.

La segunda razón es que la producción de motores de combustión interna tradicionales no se detiene. En las últimas muestras de gasolina con ciclo Miller, la eficiencia térmica alcanza el 40% incluso sin turbocompresor. Eso es mucho. La mayoría de las unidades de gasolina tienen un 20-30%. Motores diésel: 30-40% (en barcos grandes, hasta 50). Y lo más importante: ya se ha encontrado una alternativa global al motor de combustión interna. Estos son motores eléctricos y unidades de energía de celda de combustible. Por lo tanto, si los inventores de las curiosidades no resuelven todos los problemas técnicos en un futuro muy cercano, simplemente no podrán salirse de los márgenes del progreso frente a los autos eléctricos.

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