Un motor de disco nutante (también llamado a veces motor de disco ) es un motor de combustión interna que consta fundamentalmente de una parte móvil y una transmisión directa al cigüeñal . Inicialmente patentado en 1993, se diferencia de los motores de combustión interna anteriores en varias formas y utiliza un movimiento circular oscilante o oscilante, que se basa en gran medida en motores de vapor similares desarrollados en el siglo XIX, y similar al movimiento de los motores sin motor. parte giratoria de un plato oscilante en un motor de plato oscilante .
Operación
En su configuración básica, el núcleo del motor es un disco nutante no giratorio, con el centro de su cubo montado en el medio de un eje en forma de Z. Los dos extremos del eje giran , mientras que el disco " nuta " (realiza un movimiento de bamboleo sin girar alrededor de su eje). El movimiento de la circunferencia del disco prescribe una porción de esfera . Una parte del área del disco se usa para admisión y compresión , una parte se usa para sellar contra una carcasa central y la parte restante se usa para expansión y escape . El aire comprimido es admitido en un acumulador externo y luego en una cámara de combustión externa antes de ser admitido en el lado de potencia del disco. La cámara de combustión externa permite que el motor utilice combustible diesel en tamaños de motor pequeños, lo que le otorga capacidades únicas para la propulsión de vehículos aéreos no tripulados y otras aplicaciones. Un beneficio significativo del motor nutante es la superposición de las carreras de potencia.
La potencia se transmite directamente al eje de salida (el cigüeñal ), lo que elimina por completo la necesidad de uniones complicadas esenciales en un motor de pistón convencional (para convertir el movimiento lineal del pistón en movimiento de salida giratorio). Dado que el disco no gira, las velocidades del sello son más bajas que en un motor de pistón IC equivalente. Sin embargo, la longitud total del sello es bastante larga, lo que puede anular esta ventaja.
El disco se tambalea dentro de una carcasa y, en su versión más simple, la mitad del disco único (un lóbulo) realiza la función de admisión / compresión mientras que el otro lóbulo realiza la función de potencia / escape. Los lóbulos del disco se pueden configurar para que tengan el mismo volumen de compresión y expansión, o para que el volumen de compresión sea mayor o menor que el volumen de expansión. Esto significa que el motor puede ser auto sobrealimentado (ver sobrealimentador ) o funcionar como un ciclo Miller / ciclo Atkinson .
Patentes e historial de producción
La patente estadounidense número 5.251.594 fue concedida a Leonard Meyer de Illinois en 1993 para un "motor de disco de combustión interna nutante". [1] El motor Nutating de Meyer es un nuevo tipo de motor de combustión interna con mayor densidad de potencia que los motores de pistón alternativo convencionales y que puede funcionar con una variedad de combustibles, incluidos gasolina, combustibles pesados e hidrógeno. La patente hace referencia a varios motores nutating del siglo XX en los Estados Unidos, pero no hace referencia alguna al motor Dakeyne original, descrito a continuación, en su técnica anterior. La similitud con su predecesor hidráulico de 166 años es sorprendentemente evidente, el principal cambio es que el disco no es completamente plano sino ligeramente convexo.
Los detalles de la operación, así como el potencial del motor de disco nutante Meyer se han publicado en [2] [3] [4] [5]
Un solo prototipo se ha ejecutado brevemente con su propia potencia, con una relación potencia-peso igual a la de los motores de cuatro tiempos típicos actuales. Los autores del informe de evaluación técnica del desarrollador / Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. / NASA afirman que una versión de producción del nuevo motor (para aplicaciones de UAV) podría proporcionar una relación potencia-peso de 1.6 hp / lb o 2.7 kW / kg. [6] Esto es ligeramente mejor que los motores de producción automotrices actuales [7] pero no se acerca al Graupner G58 [8] o al Desert Air DA 150. [9]
Una compañía llamada McMasters, anteriormente dirigida por el exitoso empresario estadounidense Harold McMaster , también está desarrollando un motor nutante que quema una mezcla de hidrógeno puro y oxígeno puro que, según afirma, dará 200 hp pero pesará solo una décima parte de la producción de gasolina / aire. Motores de automoción con la misma potencia. Hasta ahora, la compañía McMasters afirma haber gastado $ 10 millones en su desarrollo. También se están haciendo planes para desarrollar una versión "del tamaño de una lata de café" que se pueda construir directamente en los cubos de las ruedas, eliminando por completo el tren de transmisión tradicional. Este concepto se intentó por primera vez en el British Leyland Mini Moke [ cita requerida ] pero, en ese momento, se vio gravemente obstaculizado por la falta de sincronización confiable, que ahora es más común debido a los omnipresentes chips de computadora integrados miniaturizados modernos . Una gasolina versión potenciada por También está previsto por McMasters, que se reivindica para dar sustancialmente funcionamiento más limpio que los motores tradicionales. [10]
Historia
Motor de disco hidráulico Dakeyne
En la década de 1820, los propietarios del molino Edward & James Dakeyne de Darley Dale , Derbyshire diseñaron y construyeron un motor hidráulico (un motor de agua ) conocido como "The Romping Lion" para hacer uso del agua a alta presión disponible cerca de su molino.
Los hermanos Dakeyne también habían inventado anteriormente "The Equalinium", una máquina para la preparación de lino para hilar, y su padre Daniel Dakeyne (1733-1819) [11] obtuvo una patente para este dispositivo en 1794. A menudo se dice que Edward y James no sacaron la patente ellos mismos porque eran menores en ese momento, pero en realidad tenían 23 y 21 años.
Poco se sabe de su motor, aparte de la descripción algo poco clara que acompaña a la patente, que fue concedida en 1830. Sus piezas de fundición principales se hicieron en la fundición de Morley Park cerca de Heage , pesaba 7 toneladas y generaba 35 caballos de fuerza a una cabeza de 96 pies de agua.
Stephen Glover, en su nomenclátor de Derbyshire, se mostró entusiasmado con las perspectivas del motor de disco, previendo su uso en todo tipo de aplicaciones, tanto domésticas como industriales, no solo como motor principal sino también como bomba. Afirmó que John Dakeyne también había encargado un motor de disco para accionar los fuelles de un órgano en la residencia de la familia, Knabb House. [12]
Frank Nixon en su libro "The Industrial Archaeology of Derbyshire" (1969) comentó que "La característica más llamativa de esta ingeniosa máquina es quizás la dificultad experimentada por quienes intentan describirla; los titulares de la patente y Stephen Glover sólo lograron producir descripciones de monumentales incomprensibilidad". [13]
Se construyó un modelo más grande para drenar las minas de plomo en Alport cerca de Youlgreave y muchas versiones de vapor fueron posteriormente construidas por otras personas.
Davies y Taylor
Las primeras personas en desarrollar motores de disco a vapor basados en el diseño de Dakeynes fueron George Davies y Henry Taylor, quienes patentaron su motor en 1836. Estaba equipado con válvulas para controlar la admisión de vapor y también se diferenciaba de la versión de Dakeynes en que el eje del motor era horizontal y la carcasa del motor giraba alrededor del disco, lo opuesto al original. Siguieron más patentes durante los siguientes ocho años, principalmente introduciendo un trabajo expansivo y mejorando el sellado del motor.
En 1836, Davies y Taylor concedieron los derechos de fabricación del motor a Fardon y Gossage, propietarios de una fábrica de sal. Al mismo tiempo, Davies estaba trabajando en un remolcador de canal con un motor de disco que impulsaba una rueda de paletas en la popa. En 1838, un motor de 5 hp estaba en uso en la fábrica de sal bombeando salmuera.
En 1839, Davies, Taylor, Fardon y Gossage traspasaron los derechos de fabricación del motor a la empresa Birmingham Patent Disc Engine. Como superintendente de la empresa, Henry Davies era responsable de todo el diseño y la fabricación, mientras que Gossage era director. En febrero de 1841, la Junta informó que se habían completado 26 motores, que estaban en marcha otros motores por un total de 260 caballos de fuerza y se había pedido un total de 500 caballos de fuerza. Podían fabricar motores de entre 5 y 30 caballos de fuerza y actualmente fabricaban motores para vagones de ferrocarril. Un artículo en una revista francesa de 1841 informó que un motor de 12 hp había estado en uso durante seis meses como motor de cuerda en Corbyn's Hall Mine, Dudley , que podía levantar una carga de 1 tonelada 180 pies en 1 minuto. Los motores de disco cuestan desde £ 96 para una máquina de 8 hp hasta £ 300 para un modelo de 30 hp.
Ransomes of Ipswich (que más tarde se convertirían en los ingenieros agrícolas más conocidos, Ransomes y Sims ) exhibió una máquina de vapor portátil en el Royal Liverpool Show en 1841, impulsada por un motor de disco BPDE de 5 hp.
Para 1840, un barco de canal, The Experiment , propulsado por un motor Davies, se estaba utilizando para probar la hélice, y en 1842 Davies instaló un motor de disco y una bomba de disco en una barcaza de canal, lo que demostró al drenar 1 ⁄ 2 milla del canal de Stourbridge. . El mismo año, se instaló un motor de 5 CV en una de las pinazas del HMS Geyser . Sin embargo, los juicios en el Támesis y para los directores del canal Grand Junction no lograron convencer ni al Almirantazgo ni a los propietarios del canal.
Sin embargo, había un interés creciente en utilizar la energía del vapor en los canales, y la pequeña viga de los barcos del canal favorecía mucho a los motores de disco. Davies vio su oportunidad y construyó un remolcador de canal con casco de hierro con un motor BPDE de 16 hp en 1843. Para minimizar el lavado, instaló cuatro hélices espaciadas a lo largo de un eje a lo largo del barco y encerradas en un tubo debajo de la línea de flotación. Había dos de estas unidades de propulsión una al lado de la otra para un total de 8 hélices. Funcionó lo suficientemente bien como para convencer a los directores del canal de cruce de Birmingham y Liverpool para que ordenaran seis remolcadores que pudieran remolcar hasta dieciséis barcazas al día a una velocidad razonable. En uso, un tren de seis a ocho barcazas salía de Ellesmere Port y Wolverhampton cada día, transportando un promedio de 100 toneladas. Desafortunadamente, nadie había considerado cómo iba a transitar el tren de barcazas por las esclusas y los bajíos del canal. Cada una de esas obstrucciones significaba que el tren tenía que ser desacoplado y las barcazas manejadas individualmente o remolcadas por caballos a través de la obstrucción antes de que el tren fuera reensamblado en el otro lado. Esto anuló los beneficios del remolcador y el tren y en 1845 los directores del canal retiraron los remolcadores del servicio.
En 1844, el BPDE colapsó. [14] Se ofrecieron a la venta el equipo del taller, varios motores terminados y cantidades de trabajo en curso. Durante un proceso judicial en 1851 tras la quiebra de dos de los principales inversores de BPDE, se dijo que el motor de disco no había obtenido beneficios y que haber confiado en él como un activo realizable "era absurdo".
Bishopp
Un competidor de Davies y Taylor fue el ex ingeniero de locomotoras George Daniell Bishopp , quien hizo que Donkin & Co construyera su primer motor en 1840, y se otorgó una patente en 1845. Los socios Barnard William Farey y Bryan Donkin Jr. patentaron mejoras al diseño básico ; Donkin había trabajado con Bishopp en su motor original, mientras que Farey era un empleado de Donkins.
El motor de Bishopp se encontró con cierto escepticismo por parte de la prensa especializada cuando se lanzó al mercado. Pero Bishopp había optado por volver al diseño original de los Dakeynes, que tenía un yugo que absorbía la mayoría de las fuerzas dinámicas y reducía en gran medida la carga sobre los cojinetes y los sellos. En el caso de que hubiera alguna fuga, los sellos eran ajustables. Además, Bishopp tenía sus motores producidos por empresas con reconocidas capacidades de ingeniería en lugar de realizar su propia fabricación; además de la de Donkin, algunas de sus primeras locomotoras fueron construidas por Joseph Whitworth & Co de Manchester. Otra empresa de ingeniería con muy buena reputación fue G. Rennie and Son of London, que estaban tan convencidos del potencial del motor que en 1849 contrataron a Bishopp como capataz de obras con responsabilidad específica en el motor de disco.
En 1849 se habían vendido varios motores Bishopp, y uno se utilizó con gran éxito para hacer funcionar las imprentas del periódico Times , mientras que otro producido por G. Rennie and Son se utilizó para impulsar la cañonera de hierro HMS Minx . El motor del Times había sido construido por Whitworth y se mostró en la Gran Exposición de 1851, donde funcionó sin problemas y en silencio e impresionó a todos los que lo vieron.
En 1853 se compró a Rennie un motor de disco de 13 pulgadas de diámetro para propulsar una cañonera rusa de 55 pies, lo que hizo a una velocidad de 7 nudos (13 km / h; 8,1 mph). [15]
En ese momento, las ventajas del motor de disco fueron enumeradas en 1855 por The Mechanics 'Magazine como: [15]
- Pesaba tanto como la mitad del peso de una máquina de vapor convencional de potencia equivalente.
- Tenía las ventajas de las máquinas de vapor rotativas sin sus inconvenientes.
- Era más económico en términos de combustible: hasta un 18%
- Era capaz de alcanzar mayores RPM sin necesidad de engranajes.
- Era adecuado para uso de alta presión.
Los motores de disco finalmente cayeron en desuso debido a la competencia que ofrecían las modernas máquinas de vapor de alta velocidad, que eran pequeñas y ligeras y podían ofrecer características como la composición. Además, los motores convencionales no requerían la misma precisión de fabricación que los motores de disco y las fugas de vapor no eran un problema.
Medidores de agua
El medidor de disco nutante que utiliza la misma geometría y concepto que el motor original de Dakeynes [16] [17] es probablemente el medidor de flujo más utilizado en el mundo, y se afirma que más de la mitad de los medidores de agua instalados en locales domésticos en Estados Unidos y Europa son de este tipo. Usado durante 150 años, es esencialmente un motor de disco Dakeyne y probablemente fue desarrollado por Farey y Donkin, quienes mencionaron un "medidor de medición de fluidos" en su patente de motor de disco de 1850 otorgada en 1850. En 1859 estaban siendo fabricados por Buffalo Meter Company. de Buffalo, Nueva York .
Ver también
- Motor de disco hidráulico Dakeyne
Referencias
- ^ Patente de Estados Unidos 5.251.594 , Meyer, Leonard, "Motor de combustión interna nutante", emitida el 12 de octubre de 1993
- ↑ Korakianitis, T .; Meyer, L .; Boruta, M .; McCormick, HE (abril de 2004). "Introducción y predicción del rendimiento de un motor de disco nutante". Revista de Ingeniería para Turbinas de Gas y Energía . 126 (2): 294–99. doi : 10.1115 / 1.1635394 .
- ^ Korakianitis, T .; Meyer, L .; Boruta, M .; McCormick, HE (julio de 2004). "Rendimiento del motor nutante de un disco para vehículos aéreos no tripulados". Revista de Ingeniería para Turbinas de Gas y Energía . 126 (3): 475–81. doi : 10.1115 / 1.1496770 .
- ^ Korakianitis, T .; Meyer, L .; Boruta, M .; McCormick, HE (julio de 2004). "Configuraciones alternativas de motor de disco de nutación múltiple para diversas aplicaciones". Revista de Ingeniería para Turbinas de Gas y Energía . 126 (3): 482–88. doi : 10.1115 / 1.1688770 .
- ^ Korakianitis, T .; Meyer, L .; Boruta, M .; Jerovsek, J .; Meitner, PL (octubre de 2009). "Rendimiento de un motor de disco nutante único en el rango de potencia de 2 a 500 kW". Energía aplicada . 86 (10): 2213-21. doi : 10.1016 / j.apenergy.2009.01.006 .
- ^ El motor nutante: informe de progreso del motor prototipo y resultados de la prueba , (Peter L. Meitner, Laboratorio de investigación del ejército de EE. UU., Centro de investigación de Glenn, Cleveland, Ohio), (Mike Boruta y Jack Jerovsek, KINETIC / BEI LLC, South Elgin, Illinois) NASA / TM — 2006-214342 ARL – MR – 0641 LABORATORIO DE INVESTIGACIÓN DEL EJÉRCITO DE EE. UU., Fig. 6.
- ^ http://www.sportscardesigner.com/hp_per_lb.jpg
- ^ "Motores de dos tiempos para UAV: información recopilada por BML" . Archivado desde el original el 1 de marzo de 2009 . Consultado el 31 de diciembre de 2007 .
- ^ "Aviones del desierto" . Archivado desde el original el 17 de septiembre de 2007 . Consultado el 31 de diciembre de 2007 .
- ^ Motor McMaster
- ^ Glover, Stephen (1829). La historia del condado de Derby . Henry Mozley e hijo. pag. 363.
- ^ Glover, Stephen (1833). "Historia y nomenclátor de Derbyshire": 354. Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Nixon, Frank (1969). "La arqueología industrial de Derbyshire". David y Charles: 102. Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Quemar, Robert Scott (1857). La máquina de vapor . Londres: Ward y Lock. págs. 108-109.
- ^ a b Revista de la mecánica . Londres:. Robertson, Brooman, and Co. 1855. pp 267 -268.
- ^ Medidores de Niagara: dibujo de disco nutante
- ^ Medidores Hersey - Contador de agua de disco de desplazamiento positivo serie 400
enlaces externos
- Documento de patente de la USPTO
- The Romping Lion: la historia del motor de disco Dakeyne
- Descripción del motor: Universidad de Cornell (se requiere suscripción) y enlaces a tres ilustraciones, una de The Mechanics Magazine, 1833.
- artículo sobre: contrato de Len Meyer / Baker engineering Inc. para desarrollar el motor
- Artículo de Engineering TV
- Animación 1 de McMaster Engine
- Animación 2. de McMaster Engine
- Historia
- Wigfull, Phil. "The Romping Lion: la historia del motor de disco Dakeyne" . Archivado desde el original el 9 de febrero de 2012.
- Inventores: The Romping Lion, sitio del patrimonio de Peakland
- El motor hidráulico Dakeyne de Phil Wigfull en Wayback Machine (archivado el 1 de julio de 2007)
- Los hermanos Dakeyne. Thurston, "Historia del crecimiento de la máquina de vapor"
- Informes tecnicos
- Informe completo y resultados de las pruebas del Ejército de EE. UU. (PDF)
- ID del informe técnico de la NASA: 20060056193
- Premio a la innovación Kinetic-BEI 2008 (PDF)