Motor de pistón oscilante

Un motor de pistones oscilantes es un tipo de motor de combustión interna en el que los pistones se mueven en un movimiento circular dentro de un cilindro anular, acercándose y alejándose entre sí para generar compresión y expansión. Generalmente se utilizan dos conjuntos de pistones, conectados mediante engranajes 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. Este diseño también se conoce como motor de pistones oscilantes , motor vibratorio cuando los pistones oscilan en lugar de girar, o motor toroidal, según la forma del cilindro.

Se han propuesto numerosos motores de pistón oscilante, pero ninguno ha tenido éxito. Dos intentos realizados alrededor de 2010 fueron el prototipo del motor estadounidense MYT ^{[ 1 ]} y el prototipo ruso ORE para su uso en el automóvil híbrido Yo-Mobile . Ambos prometían una alta eficiencia de combustible y una elevada relación potencia-peso, pero no se han realizado demostraciones exitosas de la eficiencia declarada ni de la durabilidad necesaria para su uso práctico.

Los motores de pistón oscilante se introdujeron inicialmente durante la década de 1820 como diseños alternativos de máquinas de vapor , antes de la popularización de la turbina de vapor . En estos ejemplos, el pistón no suele ser cilíndrico como en un diseño moderno de combustión interna, sino que generalmente tiene una sección transversal rectangular vista desde arriba, girando en un cilindro plano. Vistos de lado, tienen forma de placas planas o de cuña. El término «pistón oscilante» no es del todo preciso en estos casos, pero el ciclo de funcionamiento es idéntico y se considera aquí.

El primer ejemplo conocido fue presentado por Elijah Galloway en 1829 para la propulsión de barcos. Contaba con una sola paleta que giraba 270 grados. Al parecer, 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 utilizaban paletas. ^{[ 2 ]}

Un intento más serio fue el "Sistema Cámbrico" de John Jones en 1841. Este diseño utilizaba dos o tres placas planas que, mediante engranajes, se movían acercándose o alejándose a medida que avanzaba el ciclo. Cuando las placas estaban en su punto más cercano, se introducía vapor entre ellas mediante una válvula, separándolas a medida que continuaba el ciclo. Al alcanzar las placas su máxima distancia, se descubría un conducto interno que permitía que el vapor parcialmente expandido fluyera a través del centro del dispositivo hacia la zona del otro lado de las paletas, que ahora se encontraban en su mínima distancia. De esta forma, el diseño era, en efecto, una máquina compuesta . ^{[ 2 ]}

Surgieron muchas variantes, y varias de ellas tuvieron un uso limitado en la práctica. Entre ellas destaca el diseño de John Ericsson de 1843, que impulsó al USS Princeton , el primer buque de vapor de hélice de Estados Unidos. Charles Parsons examinó el concepto y parece haber desarrollado dos diseños de motores 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 . ^{[ 2 ]}

No está claro si algún motor de combustión interna de pistón oscilante ha llegado a producirse en serie, pero el intento más cercano parece ser el diseño alemán de Otto Lutz de la Segunda Guerra Mundial . Su diseño tenía seis pistones en total, tres unidos a cada uno de dos discos. Los discos estaban engranados entre sí para formar seis cámaras entre los pistones, de modo que en cualquier momento un conjunto de tres cámaras estaba "cerca" mientras que el otro conjunto de tres estaba "separado", variando entre esos dos extremos a medida que los discos giraban. La sincronización estaba dispuesta de tal manera que las cámaras alcanzaban su punto "cercano" sobre la bujía y su punto "separado" sobre los puertos de admisión y escape. Este funcionamiento es similar al del motor Wankel , con la principal diferencia de que el Wankel crea compresión y expansión mediante la forma del motor y el rotor, en lugar del movimiento relativo de los pistones.

El motor de Lutz se diseñó como un generador de gas experimental para un nuevo tipo de motor de aeronave , que reemplazaba un compresor centrífugo o axial tradicional con su diseño de pistón oscilante. En última instancia, los gases de escape se usarían para accionar una turbina, cuya potencia se emplearía para impulsar una hélice y producir un turbopropulsor . Para esta función, los gases de escape eran demasiado calientes para usarse directamente en una turbina, dados los materiales disponibles en ese momento, por lo que el motor contaba con una segunda salida de escape que liberaba aire frío presurizado, el cual se mezclaba con los gases de escape calientes. Para el uso directo de la energía, en lugar de accionar una turbina, esta tercera zona del motor podía simplemente dejarse abierta al aire para evitar la pérdida de potencia por compresión innecesaria.

Los motores de prueba iniciales presentaron algunos problemas menores, sobre todo con el sellado, pero estos se solucionaron y los motores se sometieron a pruebas durante 1944. Una característica particularmente ventajosa de los motores de pistón oscilante es que se pueden atornillar uno tras otro a lo largo de un cigüeñal común para formar un motor más grande, y con cada etapa adicional, el funcionamiento se vuelve más suave y la única pieza que necesita ser agrandada es el cigüeñal. Una disposición similar con un motor radial suele ser más difícil de implementar, especialmente en lo que respecta a la refrigeración, y aquellos con motores en línea pronto se vuelven tan largos que evitar que el cigüeñal vibre se convierte en un problema grave (véase, por ejemplo, el Chrysler IV-2220 ).

Cada "cilindro" del diseño de Lutz tenía 0,70 m de diámetro y apenas 30  cm de profundidad, lo que proporcionaba 445  hp a partir de 140  kg, una excelente relación potencia-peso incluso comparada con los motores a reacción de la época. Se propuso una versión de cinco bloques para su concepto de turbohélice, que proporcionaba 3450  hp a partir de un motor de unos 2  m de longitud. Si bien la relación potencia-peso era buena, la densidad del motor era sencillamente excepcional.

El turbohélice en su conjunto se parecía mucho más a un motor a reacción que a uno de pistón. El generador de gas de pistón oscilante estaba ubicado en el centro de una larga góndola, con un compresor axial de cinco etapas delante y una turbina de tres etapas detrás. El compresor se utilizaba tanto para sobrealimentar el motor de pistón como para proporcionar aire frío para refrigerar la turbina. La potencia real que llegaba a la hélice, combinando los pistones y las turbinas, era de 4930  hp a 10 000 m de altitud, muy superior a la de cualquier proyecto alemán de la Segunda Guerra Mundial.

¿Por qué tanta 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 se produce en una cámara abierta, lo que resulta considerablemente menos eficiente que la cámara cerrada de un motor de pistón, donde el volumen es constante (o casi constante). El ciclo Otto o ciclo Diesel , utilizado en los motores de pistón, tiene un consumo específico de combustible mucho menor que el ciclo Brayton de las turbinas de gas tradicionales a baja velocidad. El diseño de Lutz estaba pensado para propulsar bombarderos y aviones de patrulla de muy largo alcance , donde el ahorro de combustible era más importante que la simplicidad y el rendimiento.

Lutz patentó posteriormente el diseño bajo el título "Compresor rotativo y otros motores", patente estadounidense 2.301.667. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

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 ya se había utilizado en varias ocasiones en experimentos. Otra alternativa consiste en recuperar parte del calor de los gases de escape en un intercambiador de calor y utilizarlo en lugar de combustible para calentar el aire comprimido, un concepto empleado por General Motors en una serie de turbinas para automóviles. Sin embargo, en general, las mejoras en el motor de pistón básico para aplicaciones de baja potencia han impedido que cualquiera de estos diseños avanzados llegue al mercado.

En la década de 1990, varios inventores reintrodujeron el concepto como si fuera nuevo. Ejemplos incluyen el motor "Massive Yet Tiny" de Angel Labs ^{[ 5 ] , el Rotoblock, [ 6 ]} el Roundengine, ^{[ 7 ]} el Trochilic Engine y diseños de Tschudi y Hoose. ^{[ 8 ] [ 9 ]} En 2009, el multimillonario industrial ruso Mikhail Prokhorov anunció sus planes de entrar en un negocio automotriz con una serie de vehículos híbridos ligeros que utilizan este diseño como su motor principal . ^{[ 10 ]} Otra introducción reciente dirigida al mercado híbrido es el "Hüttlin Kugelmotor", que combina el concepto de pistón oscilante con una placa cíclica modificada para producir un diseño esférico que alimenta directamente un generador eléctrico interno . ^{[ 11 ]} El motor de péndulo Taurozzi ( patente estadounidense 6,382,143 ) tiene cilindros que siguen la forma de un toroide, pero por lo demás es similar a un motor alternativo convencional. ^{[ 12 ]}

El motor Tschudi también se conoce como "motor del gato y el ratón" o "motor de tijera". ^{[ 13 ]}

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