Motor de pistón oscilante - Swing-piston engine

Un motor de pistón oscilante es un tipo de motor de combustión interna en el que los pistones se mueven en un movimiento circular dentro de un "cilindro" en forma de anillo, acercándose más y más entre sí para proporcionar compresión y expansión. Generalmente se utilizan dos juegos de pistones, diseñados para moverse en una relación fija mientras giran alrededor del cilindro. En algunas versiones, los pistones oscilan alrededor de un centro fijo, en lugar de girar alrededor de todo el motor. El diseño también se ha denominado motor de pistón oscilante , motor vibratorio cuando los pistones oscilan en lugar de girar, o motor toroidal según la forma del "cilindro".

Se han propuesto muchos motores de pistón oscilante, pero ninguno ha tenido éxito. Dos intentos en aproximadamente 2010 son el prototipo de motor MYT de fabricación estadounidense y el prototipo de ORE ruso para su uso en el automóvil híbrido Yo-Mobile . Ambos afirmaron una alta eficiencia de combustible y una alta relación potencia / peso, pero no ha habido demostraciones exitosas de la eficiencia declarada o que los motores sean lo suficientemente duraderos para un uso práctico.

Máquinas de vapor

Los motores de pistón oscilante se introdujeron inicialmente durante la década de 1820 como diseños alternativos de motores de vapor , antes de la introducción generalizada de la turbina de vapor . En estos ejemplos, el "pistón" no es típicamente cilíndrico como en un diseño moderno de combustión interna, y generalmente tiene una sección transversal rectangular como se ve desde la parte superior, girando en un "cilindro" de disco plano. Desde el lado, son platos planos o en forma de tarta. El término "pistón oscilante" no es del todo exacto en estos casos, pero el ciclo de funcionamiento es idéntico y se considera correctamente aquí.

El primer ejemplo conocido fue introducido por Elijah Galloway en 1829 para la propulsión de barcos. Presentaba una sola paleta que giraba 270 grados. Parece que esta versión nunca se construyó, aunque todavía existe un modelo en el Museo de Ciencias . Galloway también diseñó una amplia variedad de motores rotativos puros que también utilizan paletas.

Un intento más serio fue el "Sistema Cámbrico" de John Jones en 1841. Este diseño utilizó dos o tres placas planas que estaban diseñadas para acercarse o alejarse mientras el ciclo continuaba. Cuando las placas estaban en su punto más cercano, se admitía vapor entre ellas mediante una válvula, que las separaba a medida que continuaba el ciclo. Cuando las placas alcanzaron su distancia máxima, se descubrió un pasaje interno que permitió que el vapor parcialmente expandido fluyera a través del centro del dispositivo hacia el área del otro lado de las paletas, que ahora estaban a su distancia mínima. De esta manera, el diseño era efectivamente un motor compuesto .

Siguieron muchas variaciones, y algunas de ellas tuvieron un uso limitado en el campo. Entre ellos se destacó el diseño de John Ericsson de 1843, que impulsó el USS Princeton , el primer barco de vapor de Estados Unidos. Charles Parsons examinó el concepto y parece haber producido dos diseños de motor de pistón oscilante antes de pasar a la turbina de vapor. Los hermanos Roots diseñaron un motor de pistón oscilante de un tipo único, aunque son más conocidos por su diseño de sobrealimentador .

Combustión interna

Figura 1 de la patente estadounidense 2301667 que muestra un eje, pistones helicoidales y levas del motor de Otto Lutz

No está claro si algún motor de pistón oscilante de combustión interna ha llegado alguna vez a producción, pero el intento más cercano parece ser el diseño alemán de la Segunda Guerra Mundial de Otto Lutz  [ de ] . Su diseño tenía seis pistones en total, tres cada uno unido a dos discos. Los discos estaban acoplados entre sí para formar seis cámaras entre los pistones, de modo que en cualquier momento un conjunto de tres cámaras estaba "muy cerca" mientras que el otro conjunto de tres estaba "muy separado", variando entre esos dos extremos como el discos rotados. La sincronización se dispuso de manera que las cámaras alcanzaran su punto de "proximidad" sobre la bujía y su punto de "separación" sobre los puertos de admisión y escape. Esta acción es similar a la del motor Wankel , la principal diferencia es que el Wankel crea compresión y expansión a través de la forma del motor y el rotor, en lugar del movimiento relativo de los pistones.

El motor de Lutz estaba siendo diseñado como un generador de gas experimental para un nuevo tipo de motor de avión , uno que reemplazó un compresor centrífugo o axial tradicional con su diseño de pistón oscilante. En última instancia, el escape se usaría para impulsar una turbina, y esa potencia se usaría para impulsar una hélice para producir un turbohélice . Para esta función, el gas de escape estaba demasiado caliente para usarse directamente en una turbina, dados los materiales disponibles en ese momento, por lo que el motor tenía un segundo "puerto de escape" que ventilaba aire frío presurizado, que luego se mezclaba con el escape caliente. Para el uso directo de energía, en lugar de accionar una turbina, esta "tercera área" del motor podría simplemente dejarse abierta al aire para evitar perder energía por una compresión innecesaria.

Los motores de prueba iniciales tenían algunos problemas menores, en particular con el sellado, pero estos se resolvieron y los motores se probaron durante 1944. Una característica particularmente buena de los motores de pistón oscilante es que se pueden atornillar espalda con espalda a lo largo de un cigüeñal común. para hacer un motor más grande, y con cada etapa adicional, el funcionamiento se vuelve más suave y la única parte que debe agrandarse es el cigüeñal. Un arreglo similar con un motor radial es generalmente más difícil de arreglar, especialmente el enfriamiento, y los que tienen arreglos de motor en línea pronto se vuelven tan largos que evitar que el cigüeñal vibre se convierte en un problema serio (ver Chrysler IV-2220 por ejemplo).

Cada "cilindro" del diseño de Lutz tenía 0,70 m de diámetro y solo unos 30 cm de profundidad, proporcionando 445 CV de 140 kg, una excelente relación potencia-peso en comparación incluso con los motores a reacción de la época. Se propuso una versión de cinco bloques para su concepto de turbohélice, que proporciona 3.450 CV de un motor de unos 2 m de largo. Si bien la relación peso-potencia fue buena, la densidad del motor fue simplemente excelente.

El turbohélice en general se parecía más a un motor a reacción que a uno de pistón. El generador de gas de pistón oscilante estaba ubicado en el medio de una góndola larga, con un compresor axial de cinco etapas al frente y una turbina de tres etapas detrás. El compresor se utilizó tanto para actuar como un sobrealimentador para el motor de pistón como para proporcionar aire frío para enfriar la turbina. La potencia real de la hélice, combinando los pistones y las turbinas, era de 4.930 CV a 10.000 m de altitud, mucho mayor que cualquier proyecto de guerra alemán.

¿Por qué toda esta complejidad para producir una nueva versión de un motor, el turbohélice, cuya principal ventaja era la simplicidad? El principal problema de los motores a reacción convencionales es que la combustión tiene lugar en una cámara abierta, que es considerablemente menos eficiente que la cámara cerrada de un motor de pistón, donde tiene un volumen constante (o cerca de él). El ciclo Otto o ciclo Diesel utilizado en motores de pistón tiene un consumo específico de combustible mucho menor que el ciclo Brayton de los motores de turbina de gas tradicionales a baja velocidad. El diseño de Lutz estaba destinado a propulsar bombarderos de muy largo alcance y aviones de patrulla , donde el ahorro de combustible era más importante que la simplicidad y el rendimiento.

Más tarde, Lutz patentó el diseño bajo "Compresor rotatorio y otros motores", patente de Estados Unidos 2,301,667.

Otros ejemplos

El diseño de Lutz no es la única forma de producir un motor de este tipo: BMW experimentó con un motor tradicional con válvulas de asiento en las cámaras de combustión, que se había utilizado varias veces anteriormente en experimentos. Otro enfoque es recuperar parte del calor del escape en un intercambiador de calor y usarlo en lugar de combustible para calentar el aire comprimido, un concepto utilizado por General Motors en una serie de turbinas de automóviles. Sin embargo, en general, las mejoras en el motor de pistón básico en funciones de "baja potencia" han mantenido a cualquiera de estos diseños avanzados fuera del mercado.

En la década de 1990, varios inventores reintrodujeron el concepto como si fuera nuevo. Los ejemplos incluyen el motor "Massive Yet Tiny" de Angel Labs, el Rotoblock, el Roundengine, el Trochilic Engine y diseños de Tschudi y Hoose. En 2009, el industrial multimillonario ruso Mikhail Prokhorov anunció sus planes de entrar en un negocio automotriz con una serie de vehículos híbridos ligeros que utilizan este diseño como motor principal . Otra introducción reciente dirigida al mercado híbrido es el "Hüttlin Kugelmotor", que combina el concepto de pistón oscilante con un plato cíclico modificado para producir un diseño esférico que alimenta directamente un generador eléctrico interno .

Otros nombres

El motor Tschudi también se conoce como "motor de gato y ratón" o "motor de tijera".

Ver también

Referencias

Notas

Bibliografía

enlaces externos