| Es
sabido por todos los automovilistas que hay dos tipos básicos
de motores de combustión interna (mal llamados de explosión),
que utilizamos a diario. En ellos el nombre coloquial proviene del
tipo de combustible utilizado, sea diesel o "gasolero" y
el de ciclo Otto "naftero", esto es si utilizamos como combustible
gasoil (diesel), o nafta (gasolina) como combustible. No obstante
existe otra forma de lograr el mismo propósito pero que es
muy poco conocida, esta es el motor de "pistones" (émbolos)
rotativos o de ciclo Wankel, que fue inventado por el Dr. Ing. Félix
Heinrich Wankel (1902-1988) (ver foto), aproximadamente en 1950. Los
precursores de estos motores datan de alrededor de los años
1915 / 1920 y fueron hechos con el objeto de crear un motor que tuviera
características constructivas y funcionales superiores al motor
alternativo convencional. |
El
estudio del motor Wankel está justificado por el hecho
de que con ellos se intenta obtener las siguientes ventajas:
1) Ausencia o
reducción de fuerzas no equilibradas, (no existen piezas
con movimiento alternativo), con esto se obtiene un equilibrado
más fácil o natural.
2) Reducción del número de partes móviles
y con ello una construcción más simple.
3) El volumen
total es más pequeño, y por ende el motor es más
liviano.
4) En este motor
el movimiento del pistón no es ascendente y descendente,
sino que es rotativo (los pistones dan vuelta girando sobre
un eje), y el mecanismo de cigüeñal se substituye
por un rodete excéntrico que se mueve en un espacio que
constituye la cámara de trabajo.
El pistón tiene la forma de un triángulo cuyos
lados son convexos (curvos hacia afuera). Estas caras del pistón
al girar copian continuamente la forma de la cámara de
trabajo de forma epitrocoidal (forma ovalada ligeramente estrechada
en su parte media), esto hace que se formen simultáneamente
tres cámaras desplazadas a 120º grados, que al igual
que en un motor común varían periódicamente
su volumen, a estas cámaras las denominaremos A, B y
C a los efectos de señalarlas en la figuras.
En cada vuelta tienen lugar los cuatro ciclos de un motor Otto
(admisión, compresión, expansión, y escape);
las aristas van provistas de elementos de estanqueidad que aseguran
como |
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| los
aros tradicionales, que no haya fugas de compresión entre
pistón y paredes de la cámara. El pistón
tiene concéntricamente un dentado interior, este gira
de forma excéntrica, sobre otra rueda dentada ubicada
sobre el eje de trabajo del motor, el dentado no se utiliza
para la transmisión de fuerza sino para que los pistones
se mantengan en fase entre sí, con el eje; y copien exactamente
la forma de la cámara de trabajo. La relación
entre el número de dientes entre la rueda grande y la
chica es de 3:2. |
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El
intercambio de aire - combustible para la admisión, y
de gases quemados para el escape se realiza por medio de simples
lumbreras o canales de admisión y escape, y es autorregulado
por el pistón del mismo modo que en un motor de dos tiempos
convencional, por lo que no es necesario el uso de cadena de
distribución con árbol de levas y válvulas.
Como no existen masas oscilando a alta frecuencia (válvulas),
se obtienen mayores velocidades en los gases de admisión
y escape que están circulando en la alimentación
del motor, y mayores revoluciones del mismo.
No es muy conocido el hecho de que en un motor de combustión
interna el par motor no es constante sino que se produce un
salto con cada encendido de la mezcla, esto se elimina colocando
un volante de inercia que acumula energía, no obstante
esto, en este motor la suavidad de marcha es mucho mayor que
en un motor clásico, y se mejora colocando contrapesos
para compensar el desequilibrio debido a la excentricidad del
perno y el rotor, solo si se disponen cuatro rotores, se pueden
eliminar los contrapesos.
Una de las principales ventajas de este tipo de motores es la
reducción del número de partes móviles;
tomemos como ejemplo uno con tres pistones, esto equivale a
un motor convencional de ocho cilindros, pero con solo cuatro
piezas móviles, 3 pistones y un eje central, contra 35
piezas de uno común (tomando como ejemplo un |
V8
DOHC), a saber 8 bielas, 8 pistones, 16 válvulas, dos
árboles de levas y un cigüeñal.
Hasta aquí hemos hablado de las ventajas de
este sistema que son muchas, ahora diremos algo sobre sus
desventajas:
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1)
Cámara de combustión de forma desfavorable, casi
de forma irracional, se obtiene un buen funcionamiento en altas
revoluciones, pero hay severas dificultades para obtener una
correcta marcha en régimen mínimo; como por cada
vuelta de un rotor se produce un encendido de la mezcla, las
condiciones de funcionamiento de la bujía son muy duras,
comparables a las de un motor de dos tiempos.
2) La posición
de la toma de fuerza queda más elevada que en un motor
alternativo, al estado actual de la tecnología es imposible
hacer funcionar uno de ellos por el principio de encendido por
compresión de un diesel y también presentan |
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| algunas
dificultades la lubricación y la refrigeración.
3) Al promoverse
la fabricación de este tipo de motores seria necesario
cambiar todo el sistema de máquinas herramientas que
actualmente esta disponible, sin pensar en el cambio de mentalidad
que debería hacerse en el personal técnico y
público consumidor, para terminar agregaremos que el
primer vehículo en montar un motor de este tipo fue
el NSU-Ro 80, hubo algunos modelos de Citroën, y motocicletas
de Susuki y Norton que montaron un motor rotativo, actualmente
el Mazda RX-7 es el único vehículo en producción
con un motor de estas características.
En general
los motores se relacionan con bombas y compresores, siempre
fue una aspiración de los técnicos y diseñadores
lograr un motor que funcionara sin este tipo de piezas, hasta
que se inventó el motor rotativo. Este tiene la particularidad
de tener un eje giratorio que logra la fuerza para mover un
vehículo, pesa un tercio de lo que pesan los motores
a pistón y ocupa un tercio del espacio. |
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Historia
del Motor Rotatorio
Desde 1588 ya se propusieron diseños
de motores rotatorios (Ramelli), pero hubo que esperar trescientos
años más para que se pudiera llevar a cabo la
construcción del primer ejemplar, primero fue el desarrollo
del motor del ciclo Otto en 1876 y la invención del
automóvil en el año 1896. En estos trescientos
años de espera, se fueron concibiendo ideas de este
tipo de motores, por ejemplo en 1759 Vatio de James fabricó
un motor de vapor de pistón rotatorio, en 1903 Juan
Cooley hizo un motor tipo Wankel, y en 1908 Umpleby lo aplicó
a la combustión interna, pero nunca se llevó
a cabo. En 1936 Félix Wankel obtuvo una patente para
su motor rotatorio, pero no fue hasta 1959 en que la fabrica
Alemana NSU (productora de motocicletas y pequeños
automóviles) anunció que el motor ideado por
el Doctor Ingeniero Félix Wankel había llegado
a un estado experimental y que prometía una aplicación
práctica inmediata. Desde entonces han trabajado en
este motor importantes empresas que adquirieron licencias
de aplicación; Curtiss-Wright, en Estados Unidos (en
aplicaciones para motores de aviación); en Alemania
Mercedes Benz (para automóviles y aplicaciones Diesel);
Fitchels-Sans (para motores de motos) y en Japón Toyo-Kogyo
(fabricante de Mazda). Además empresas como Perkins,
Rolls-Royce, Fiat, Renault, Citroën
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| y
Volkswagen, se interesaron en una u otra forma. Ha habido mucha
publicidad para este motor ya que en la realidad no ha tenido
muchas dificultades que vencer, pero tiene algunos problemas
como el de estanquidad, que veremos luego con detalle. Pese
a esto la idea de un motor rotatorio es atractiva por su sencillez,
los motores pesan y ocupan la tercera parte de sus equivalentes
con pistones y el número de piezas es mucho menor. |
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Funcionamiento,
utilización y desarrollo.
Los motores Wankel utilizan un engranaje cicloidal, una antigua
e inusual forma de engranaje usada en relojes, Sopladores de
las Raíces, compresores del tornillo y bombas. Estos
se pueden ver en las siguientes fotografías.
El motor Wankel se diferencia enormemente de los motores convencionales.
Conserva el producto, la compresión, la potencia, y el
ciclo familiar del extractor pero utiliza, en vez de un pistón,
de un cilindro, y de válvulas mecánicas, un rotor
triangular que gira alrededor del excéntrico. Sigue habiendo
los tres extremidades, de este rotor en contacto constante,
ajustado con las paredes de la cámara de |
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| combustión.
La única otra pieza móvil es el cigüeñal
y las dimensiones de volumen y la posición de estos compartimentos
son alteradas constantemente por la rotación a la derecha
del rotor y la rotación más rápida del
excéntrico. El ciclo de cuatro tiempos generalmente ocurre
con la frecuencia simple de la válvula y del movimiento
del motor de dos-tiempos. El rotor abre el acceso de la mezcla
de combustible y aire, que entran como en el motor convencional
(1-4). El rotor continúa, cerrando el acceso de la mezcla
pasando más allá de él; entonces la compresión
comienza (5-9), seguido por la ignición (9), es allí
que se da la combustión y la extensión para el
movimiento de potencia, luego hasta la extremidad del triángulo
abre el acceso del escape (10-12). El ciclo de escape entonces
ocurre, otra vez sin un mecanismo que sincronice la apertura
de la válvula (13-18) y todo vuelve a comenzar. |
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En
todo el ciclo completo de cuatro tiempos el rotor sólo
a girado una vuelta, mientras que el eje a dado tres, ya que
los engranajes están a una razón uno a tres. En
cada una de las caras del rotor sucede lo mismo, mientras en
una cara ocurre la admisión (1-2-3-4) a un tercio de
vuelta del rotor (una vuelta completa del eje), en la otra cara
se hace la correspondiente compresión (5-6-7-8), salta
la chispa ( 9 ) y se inicia la explosión (10-11-12),
seguida por el escape (13-14-15-16), en tanto ocurre esto en
las otras caras esta ocurriendo la admisión, compresión
y explosión, así con todo esto el motor Wankel
es como un motor de tres cilindros que ejecutan el ciclo de
cuatro tiempos en una sola vuelta de rotor, que son tres del
eje de salida.
El motor Wankel tuvo que esperar más que los motores
a pistones para que su funcionamiento se adecuara con la tecnología
existente, por esto el motor en los años 70 tuvo sus
primeros prototipos. Actualmente Mazda ofrece el RX-7, que utiliza
dos rotores que trabajan sincrónicamente para la mayor
potencia y a los que se han adosado dos turbos gemelos, agregado
un factor extra de potencia. Con sus turbos el motor puede generar
255 caballos de fuerza con 1,3 litros de capacidad (comparada
con el cubicaje de un Chevrolet Camaro de 3,8 litros para 200
caballos de fuerza con 6 cilindros, o 285 caballos de fuerza
para el 5,7 litros V8). Mazda no es la única compañía
que maximiza el diseño de Wankel.
El motor rotatorio de Leva & Trade; es un prototipo que
nos muestra una ramificación del diseño rotatorio
que elimina el engranaje complejo de Wankel. Este motor representa
nueve años de trabajo y ofrece la última tecnología
en materiales como el hierro y la cerámica de altas temperaturas
de fundido. El objetivo del proyecto de la Leva & Trade
era diseñar un motor rotatorio diesel de destacada simplicidad,
potencia y eficacia. Las tecnologías del registro han
logrado esto manejando una relación de transformación
de |
| peso-a-caballos
de fuerza de cerca de 3/4 libra a un caballo de fuerza (comparados
a seis libras por caballo de fuerza en un motor de pistón),
y teniendo un total de siete piezas móviles para reducir
al mínimo la fricción (seis paletas y un rotor).
El motor también maneja el esfuerzo de torsión
máximo en solamente 1.700 revoluciones por minuto. |
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La
versión diesel del motor está siendo diseñada
por Alliant Tech Systems y la universidad de Virginia Occidental,
y será el primer motor rotatorio diesel en el mundo.
Estos éxitos no significan que el Wankel está
sin problemas. Los motores RX-7 generalmente se consideran confiables
por los primeros seis años, pero luego los sellos comienzan
a fallar y las piezas necesitan ser substituidas, para mantener
los compartimentos aislados el uno del otro.
En
Uruguay hay contadísimos ejemplos de motores rotativos,
no mucho más de un trío de Mazdas RX-7 de al menos
tres generaciones distintas, de todas formas nos ha parecido
interesante tratar el funcionamiento de este tipo de motor que
es tan diferente y tan poco difundido. |
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