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El motor Wankel es un tipo de motor de combustión interna que utiliza un diseño giratorio excéntrico para convertir la presión en movimiento giratorio.
En comparación con el motor de pistón alternativo, el motor Wankel tiene un par más uniforme y menos vibración y, para una potencia determinada, es más compacto y pesa menos.
El rotor, que crea el movimiento de giro, tiene una forma similar a un triángulo de Reuleaux , excepto que los lados tienen menos curvatura. Los motores Wankel entregan tres pulsos de potencia por revolución del rotor utilizando el ciclo Otto . Sin embargo, el eje de salida utiliza engranajes dentados para girar tres veces más rápido, lo que genera un pulso de potencia por revolución. Esto se puede ver en la siguiente animación. En una revolución, el rotor experimenta pulsos de potencia y descarga gas simultáneamente, mientras que las cuatro etapas del ciclo Otto ocurren en momentos separados. A modo de comparación, en un motor de pistón de dos tiempos hay un pulso de potencia por cada revolución del cigüeñal (como en el eje de salida de un motor Wankel) y, en un motor de pistón de cuatro tiempos, un pulso de potencia por cada dos revoluciones.
El ciclo Otto de cuatro etapas de admisión, compresión, encendido y escape ocurre en cada revolución del rotor en cada una de las tres caras del rotor que se mueven dentro de la carcasa epitrocoidal de forma ovalada , lo que permite los tres pulsos de potencia por revolución del rotor.
La definición de desplazamiento se aplica a solo una cara del rotor, ya que solo una cara está funcionando para cada revolución del eje de salida.
El motor se conoce comúnmente como motor rotativo , aunque este nombre también se aplica a otros diseños completamente diferentes, incluidos ambos con pistones y motores rotativos sin pistón .
Concepto [ editar ]
El diseño fue concebido por el ingeniero alemán Felix Wankel . Wankel recibió su primera patente para el motor en 1929. Comenzó a desarrollarlo a principios de la década de 1950 en NSU , completando un prototipo funcional en 1957. [1] Posteriormente, NSU autorizó el diseño a empresas de todo el mundo, que continuamente han realizado mejoras.
Diseño [ editar ]
- Consumo
- Cansada
- Carcasa del estator
- Cámaras
- Piñón
- Rotor
- Corona dentada
- Eje excéntrico
- Bujía.
El motor Wankel tiene las ventajas de un diseño compacto y bajo peso sobre el motor de combustión interna más común, que emplea pistones alternativos . Estas ventajas brindan aplicaciones de motores rotativos en una variedad de vehículos y dispositivos, incluidos automóviles , motocicletas , autos de carreras , aviones , karts , motos de agua , motos de nieve , motosierras y unidades de potencia auxiliares . Ciertos motores Wankel tienen una relación potencia / peso de más de un caballo de fuerza por libra. [2] La mayoría de los motores del diseño son de encendido por chispa., habiéndose construido motores de encendido por compresión únicamente en proyectos de investigación.
En el motor Wankel, los cuatro tiempos de un ciclo Otto ocurren en el espacio entre cada cara de un rotor simétrico de tres lados y el interior de una carcasa. La carcasa en forma de epitrocoide de forma ovalada rodea un rotor triangular con caras en forma de arco similar en apariencia a un triángulo de Reuleaux . [3] La forma teórica del rotor entre los vértices fijos es el resultado de una minimización del volumen de la cámara de combustión geométrica y una maximización de la relación de compresión , respectivamente. [4] [5] La curva simétrica que conecta dos ápices arbitrariosdel rotor se maximiza en la dirección de la forma de la carcasa interior con la restricción de que no toque la carcasa en ningún ángulo de rotación (un arco no es una solución de este problema de optimización ).
El eje de transmisión central, llamado "eje excéntrico" o "eje E", pasa por el centro del rotor apoyado por cojinetes fijos. [6] Los rotores se mueven sobre excéntricas (análogas a las muñequillas de los motores de pistón) integrales al eje excéntrico (análogas a un cigüeñal). Los rotores giran alrededor de las excéntricas y hacen revoluciones orbitales alrededor del eje excéntrico. Sellos en los ápices del rotor sellan contra la periferia de la carcasa, dividiéndola en tres cámaras de combustión móviles . [4] La rotación de cada rotor sobre su propio eje es causada y controlada por un par de engranajes sincronizados [6]Un engranaje fijo montado en un lado de la carcasa del rotor se acopla a una corona unida al rotor y asegura que el rotor se mueva exactamente un tercio de vuelta por cada vuelta del eje excéntrico. La potencia de salida del motor no se transmite a través de los engranajes de sincronización. [6] El rotor se mueve en su movimiento giratorio guiado por los engranajes y el eje excéntrico, no siendo guiado por la cámara externa; el rotor no debe rozar contra la carcasa externa del motor. La fuerza de la presión del gas expandido sobre el rotor ejerce presión en el centro de la parte excéntrica del eje de salida.
La forma más fácil de visualizar la acción del motor en la animación es mirar no al rotor en sí, sino a la cavidad creada entre él y la carcasa. El motor Wankel es en realidad un sistema de cavidad progresiva de volumen variable. Por lo tanto, las tres cavidades por carcasa repiten el mismo ciclo. Los puntos A y B en el rotor y el eje E giran a diferentes velocidades; el punto B gira tres veces más a menudo que el punto A, de modo que una órbita completa del rotor equivale a tres vueltas del eje E.
A medida que el rotor gira girando orbitalmente, cada lado del rotor se acerca y luego se aleja de la pared de la carcasa, comprimiendo y expandiendo la cámara de combustión como las carreras de un pistón en un motor de pistón alternativo . El vector de potencia de la etapa de combustión pasa por el centro del lóbulo descentrado.
Mientras que un motor de pistón de cuatro tiempos completa una carrera de combustión por cilindro por cada dos rotaciones del cigüeñal (es decir, media carrera de potencia por rotación del cigüeñal por cilindro), cada cámara de combustión en el Wankel genera una carrera de combustión por rotación del eje de transmisión, es decir, una carrera de potencia por revolución orbital del rotor y tres carreras de potencia por rotación de rotor. Por lo tanto, la potencia de salida de un motor Wankel es generalmente más alta que la de un motor de pistón de cuatro tiempos de semejante desplazamiento del motor en un estado similar de tono; y más alto que el de un motor de pistón de cuatro tiempos de dimensiones físicas y peso similares.
Los motores Wankel generalmente pueden alcanzar revoluciones de motor mucho más altas que los motores alternativos de potencia similar. Esto se debe en parte a la suavidad inherente al movimiento circular, y al hecho de que las rpm del "motor" son del eje de salida, que es tres veces más rápido que el de las partes oscilantes. Los ejes excéntricos no tienen los contornos relacionados con la tensión de los cigüeñales. Las revoluciones máximas de un motor rotativo están limitadas por la carga de los dientes en los engranajes sincronizadores. [7]Los engranajes de acero endurecido se utilizan para un funcionamiento prolongado por encima de 7000 u 8000 rpm. Los motores Mazda Wankel en las carreras de autos funcionan a más de 10,000 rpm. En los aviones, se usan de manera conservadora, hasta 6500 o 7500 rpm, pero como la presión del gas participa en la eficiencia del sellado, hacer correr un motor Wankel a altas revoluciones en condiciones sin carga puede destruir el motor.
Las agencias nacionales que gravan los automóviles de acuerdo con el desplazamiento y los organismos reguladores en las carreras de automóviles consideran que el motor Wankel es equivalente a un motor de pistón de cuatro tiempos de hasta dos veces el desplazamiento de una cámara por rotor, aunque existen tres lóbulos por rotor (porque el rotor está completando solo un tercio de rotación por una rotación del eje de salida, por lo que solo se produce una carrera de potencia por trabajo por revolución de salida, los otros dos lóbulos están expulsando simultáneamente una carga gastada y tomando una nueva, en lugar de contribuir a la potencia de salida de esa revolución). Algunas series de carreras han prohibido el Wankel por completo, junto con todas las demás alternativas al diseño tradicional de pistón alternativo y cuatro tiempos. [8]
Historia [ editar ]
Desarrollos tempranos [ editar ]
En 1951, NSU Motorenwerke AG en Alemania comenzó el desarrollo del motor y se construyeron dos modelos. El primero, el motor DKM, fue desarrollado por Felix Wankel. El segundo, el motor KKM, desarrollado por Hanns Dieter Paschke, fue adoptado como base del moderno motor Wankel. [9]
La base del tipo de motor DKM era que tanto el rotor como la carcasa giraban sobre ejes separados. El motor DKM alcanzó mayores revoluciones por minuto (hasta 17.000 rpm) y estaba más equilibrado de forma natural. Sin embargo, era necesario desmontar el motor para cambiar las bujías y contenía más piezas. El motor KKM era más sencillo y tenía una carcasa fija.
El primer prototipo funcional, DKM 54, produjo 21 hp (16 kW) y funcionó el 1 de febrero de 1957 en el departamento de investigación y desarrollo de NSU Versuchsabteilung TX . [1] [10]
El KKM 57 (el motor rotativo Wankel, Kreiskolbenmotor ) fue construido por el ingeniero de NSU Hanns Dieter Paschke en 1957 sin el conocimiento de Felix Wankel, quien luego comentó, "has convertido mi caballo de carreras en una yegua aradora". [11]
Licencias emitidas [ editar ]
En 1960, NSU, la firma que empleó a los dos inventores, y la firma estadounidense Curtiss-Wright , firmaron un acuerdo conjunto. NSU debía concentrarse en el desarrollo de motores Wankel de potencia baja y media, y Curtiss-Wright desarrollaría motores de alta potencia, incluidos motores de avión, en los que Curtiss-Wright tenía décadas de experiencia diseñando y produciendo. [12] Curtiss-Wright reclutó a Max Bentele para dirigir su equipo de diseño.
Muchos fabricantes firmaron acuerdos de licencia para el desarrollo, atraídos por la suavidad, el funcionamiento silencioso y la confiabilidad que emana del diseño sencillo. Entre ellos se encontraban Alfa Romeo , American Motors , Citroën , Ford , General Motors , Mazda , Mercedes-Benz , Nissan , Porsche , Rolls-Royce , Suzuki y Toyota . [1]En los Estados Unidos en 1959, bajo licencia de NSU, Curtiss-Wright fue pionera en mejoras en el diseño básico del motor. En Gran Bretaña, en la década de 1960, la División de Automóviles de Rolls Royce fue pionera en una versión diésel de dos etapas del motor Wankel. [13]
Citroën hizo mucha investigación, la producción de la M35 , GS Birotor , y RE-2 helicóptero , el uso de motores producidos por Comotor , una empresa conjunta de Citroën y NSU. General Motors parecía haber concluido que el motor Wankel era un poco más caro de fabricar que un motor alternativo equivalente. General Motors afirmó haber resuelto el problema de la economía de combustible, pero no logró obtener de manera concomitante unas emisiones de escape aceptables. Mercedes-Benz instaló un motor Wankel en su concept car C111 .
Deere & Company diseñó una versión que era capaz de utilizar una variedad de combustibles. El diseño se propuso como fuente de energía para los vehículos de combate y otros equipos de la Infantería de Marina de los Estados Unidos a fines de la década de 1980. [14]
En 1961, la organización de investigación soviética NATI, NAMI y VNIImotoprom comenzó el desarrollo creando motores experimentales con diferentes tecnologías. [15] El fabricante de automóviles soviético AvtoVAZ también experimentó en el diseño de motores Wankel sin licencia , introduciendo un número limitado de motores en algunos automóviles. [dieciséis]
A mediados de septiembre de 1967 , incluso los motores modelo Wankel estuvieron disponibles a través de la empresa alemana de productos de aeromodelado Graupner , fabricados para ellos por OS Engines of Japan.
A pesar de mucha investigación y desarrollo en todo el mundo, solo Mazda ha producido motores Wankel en grandes cantidades.
Desarrollos para motocicletas [ editar ]
En Gran Bretaña, Norton Motorcycles desarrolló un motor rotativo Wankel para motocicletas , basado en el rotor Wankel refrigerado por aire de Sachs que impulsaba la motocicleta DKW / Hercules W-2000. Este motor de dos rotores se incluyó en el Commander y F1 . Norton mejoró la refrigeración por aire de Sachs, introduciendo una cámara impelente. Suzuki también fabricó una motocicleta de producción impulsada por un motor Wankel, la RE-5 , utilizando sellos de ápice de aleación de ferro TiC y un rotor NSU en un intento exitoso de prolongar la vida útil del motor.
Desarrollos para automóviles [ editar ]
Mazda y NSU firmaron un contrato de estudio para desarrollar el motor Wankel en 1961 y compitieron para llevar al mercado el primer automóvil con motor Wankel. Aunque Mazda produjo un Wankel experimental ese año, NSU fue el primero en vender un automóvil Wankel, el deportivo NSU Spider en 1964; Mazda respondió con una exhibición de motores Wankel de dos y cuatro rotores en el Salón del Automóvil de Tokio de ese año . [1] En 1967, NSU comenzó la producción de un automóvil de lujo con motor Wankel, el Ro 80 . [17] Sin embargo, NSU no había producido sellos de ápice confiables en el rotor, a diferencia de Mazda y Curtiss-Wright. NSU tuvo problemas con el desgaste de los sellos de ápice, la lubricación deficiente del eje y el bajo consumo de combustible, lo que provocó frecuentes fallas en el motor, que no se resolvieron hasta 1972, lo que provocó grandes costos de garantía que redujeron el desarrollo adicional del motor NSU Wankel. Este lanzamiento prematuro del nuevo motor Wankel dio una mala reputación a todas las marcas, e incluso cuando estos problemas se resolvieron en los últimos motores producidos por NSU en la segunda mitad de los años 70, las ventas no se recuperaron. [1] Audi , después de la adquisición de NSU, construyó, en 1979, un nuevo motor KKM 871 con puertos de admisión laterales, una cámara de 750 cc, 170 hp (130 kW) a 6.500 rpm y 220 Nm a 3.500 rpm. El motor se instaló en un casco de Audi 100 llamado "Audi 200", pero no se fabricó en serie.
Mazda, sin embargo, afirmó haber resuelto el problema del sello del ápice, operando motores de prueba a alta velocidad durante 300 horas sin fallas. [1] Después de años de desarrollo, el primer automóvil de Mazda con motor Wankel fue el Cosmo 110S de 1967 . La empresa siguió con varios vehículos Wankel ("rotativos" en la terminología de la empresa), incluidos un autobús y una camioneta . Los clientes a menudo mencionaron la fluidez de funcionamiento de los automóviles. Sin embargo, Mazda eligió un método para cumplir con los estándares de emisión de hidrocarburos .que, aunque menos costoso de producir, aumentó el consumo de combustible. Desafortunadamente para Mazda, esto se introdujo inmediatamente antes de un fuerte aumento en los precios del combustible. Curtiss-Wright produjo el motor RC2-60, que era comparable a un motor V8 en rendimiento y consumo de combustible. A diferencia de NSU, Curtiss-Wright había resuelto el problema del sellado del rotor con sellos que duraban 100,000 millas (160,000 km) en 1966. [18]
Posteriormente Mazda abandonó el Wankel en la mayoría de sus diseños automotrices, y continuó usando el motor en su gama de autos deportivos solamente, produciendo el RX-7 hasta agosto de 2002. La compañía normalmente usaba diseños de dos rotores. En el deportivo Eunos Cosmo de 1991 se instaló un motor de tres rotores biturbo más avanzado . En 2003, Mazda introdujo el motor Renesis instalado en el RX-8.. El motor Renesis reubicó los puertos de escape desde la periferia de la carcasa giratoria hacia los lados, lo que permite puertos generales más grandes, mejor flujo de aire y mayores ganancias de potencia. Algunos de los primeros motores Wankel también tenían puertos de escape laterales, y el concepto se abandonó debido a la acumulación de carbono en los puertos y los lados del rotor. El motor Renesis resolvió el problema utilizando un sello lateral de raspador trapezoidal y abordó las dificultades de distorsión térmica agregando algunas piezas de cerámica. [19] El Renesis es capaz de producir 238 caballos de fuerza (177 kW) con una economía de combustible mejorada, confiabilidad y emisiones más bajas que los motores rotativos Mazda anteriores, [20]todo desde un desplazamiento nominal de 1.3 L, pero esto no fue suficiente para cumplir con los estándares de emisiones más estrictos. Mazda terminó la producción de su motor Wankel en 2012 después de que el motor no cumpliera con los estándares de emisiones Euro 5 más estrictos , por lo que ninguna compañía automotriz vendió un vehículo con motor Wankel. [21] La empresa continúa desarrollando la próxima generación de motores Wankel, el SkyActiv-R. Mazda afirma que el SkyActiv-R resuelve los tres problemas clave con los motores rotativos anteriores: economía de combustible, emisiones y confiabilidad. [22] Mazda y Toyota anunciaron que se combinaron para producir un motor rotativo de extensión de rango para vehículos. [23] [24]
American Motors Corporation (AMC), el fabricante de automóviles más pequeño de EE. UU., Estaba tan convencido "... de que el motor rotativo jugará un papel importante como motor de los automóviles y camiones del futuro ...", que el presidente, Roy D. Chapin Jr. , firmó un acuerdo en febrero de 1973 después de un año de negociaciones, para construir motores Wankel tanto para autos de pasajeros como para Jeeps , así como el derecho a vender cualquier motor rotativo que produjera a otras compañías. [25] [26] El presidente de AMC, William Luneburg, no esperaba un desarrollo dramático hasta 1980, pero Gerald C. Meyers, Vicepresidente de AMC del grupo de productos de ingeniería, sugirió que AMC debería comprar los motores de Curtiss-Wright antes de desarrollar sus propios motores Wankel, y predijo una transición total a la potencia rotativa para 1984. [27] Los planes requerían que se utilizara el motor. en el AMC Pacer , pero el desarrollo se retrasó. [28] [29] American Motors diseñó el exclusivo Pacer alrededor del motor. En 1974, AMC había decidido comprar el Wankel de General Motors (GM) en lugar de construir un motor en la empresa. [30] Tanto GM como AMC confirmaron que la relación sería beneficiosa para comercializar el nuevo motor, y AMC afirmó que GM Wankel logró una buena economía de combustible. [31] Sin embargo, los motores de GM no habían llegado a producción cuando se lanzó al mercado el Pacer. La crisis del petróleo de 1973 contribuyó a frustrar el uso del motor Wankel. El aumento de los precios de los combustibles y las conversaciones sobre la legislación estadounidense sobre normas de emisiones también aumentaron las preocupaciones.
En 1974, GM R&D no había logrado producir un motor Wankel que cumpliera con los requisitos de emisiones y una buena economía de combustible, lo que llevó a la compañía a tomar la decisión de cancelar el proyecto. Debido a esa decisión, el equipo de I + D solo publicó parcialmente los resultados de su investigación más reciente, que afirmaba haber resuelto el problema de ahorro de combustible, además de haber construido motores confiables con una vida útil superior a 530,000 millas (850,000 km). Estos hallazgos no se tuvieron en cuenta cuando se emitió la orden de cancelación. El final del proyecto Wankel de GM requirió que AMC reconfigurara el Pacer para albergar su venerable motor AMC de seis cilindros en línea que impulsa las ruedas traseras. [32]
En 1974, la Unión Soviética creó una oficina especial de diseño de motores, que en 1978 diseñó un motor designado como VAZ-311 instalado en un automóvil VAZ-2101 . [33] En 1980, la empresa inició la entrega del motor Wankel de doble rotor VAZ-411 en los coches VAZ-2106 y Lada , y se fabricaron unos 200. La mayor parte de la producción se destinó a los servicios de seguridad. [34] [35] Los siguientes modelos fueron el VAZ-4132 y VAZ-415. Una versión rotativa del Samara se vendió al público ruso desde 1997. Aviadvigatel, la oficina soviética de diseño de motores de aviones, se sabe que ha producido motores Wankel con inyección electrónica para aviones y helicópteros, aunque ha surgido poca información específica.
Ford realizó una investigación en motores Wankel, que dio como resultado patentes otorgadas: GB 1460229 , 1974, método para fabricar carcasas; US 3833321 1974, revestimiento de placas laterales; US 3890069 , 1975, revestimiento de carcasa; CA 1030743 , 1978: alineación de carcasas ; CA 1045553 , 1979, conjunto de válvula de láminas. En 1972, Henry Ford II declaró que el rotativo probablemente no reemplazaría al pistón en "mi vida". [36]
Ingeniería [ editar ]
- Izquierda : Mazda L10A enfriamiento axial de inclinación
- Medio : Audi NSU EA871 refrigeración por agua axial solo el arco caliente
- Derecha : Diamond Engines Wankel enfriando radialmente solo el arco caliente
Felix Wankel logró superar la mayoría de los problemas que hacían fallar los motores rotativos anteriores al desarrollar una configuración con sellos de paletas que tenían un radio de punta igual a la cantidad de "sobredimensionamiento" de la forma de la carcasa del rotor, en comparación con el epitrocoide teórico, para minimizar el radial. el movimiento del sello del ápice más la introducción de un pasador del ápice cilíndrico cargado con gas que colindaba con todos los elementos de sellado para sellar alrededor de los tres planos en cada ápice del rotor. [37]
En los primeros días, se tuvieron que construir máquinas de producción especiales y dedicadas para diferentes disposiciones dimensionales de la carcasa. Sin embargo, el diseño patentado, como la patente estadounidense 3.824.746 , G. J. Watt, 1974, para una "máquina generadora de cilindros de motor Wankel", la patente estadounidense 3.916.738 , "Aparato para mecanizar y / o tratamiento de superficies trocoidales" y la patente estadounidense 3.964.367 , "Dispositivo para mecanizar paredes internas trocoidales ", y otros, resolvieron el problema.
Los motores rotativos tienen un problema que no se encuentra en los motores de cuatro tiempos de pistón alternativo en el sentido de que la carcasa del bloque tiene admisión, compresión, combustión y escape que se producen en ubicaciones fijas alrededor de la carcasa. Por el contrario, los motores alternativos realizan estas cuatro carreras en una cámara, de modo que los extremos de admisión "congelada" y escape "llameante" se promedian y están protegidos por una capa límite del sobrecalentamiento de las piezas de trabajo. La Universidad de Florida propuso el uso de tubos de calor en un Wankel refrigerado por aire para superar este calentamiento desigual de la carcasa del bloque. [38] El precalentamiento de determinadas secciones de la carcasa con gases de escape mejoró el rendimiento y la economía de combustible, reduciendo también el desgaste y las emisiones. [39]
Los escudos de la capa límite y la película de aceite actúan como aislamiento térmico, lo que conduce a una baja temperatura de la película lubricante (aproximadamente 200 ° C o 392 ° F máximo en un motor Wankel refrigerado por agua. Esto da una temperatura de superficie más constante. La temperatura alrededor de la bujía es aproximadamente la misma que la temperatura en la cámara de combustión de un motor alternativo. Con enfriamiento de flujo axial o circunferencial, la diferencia de temperatura sigue siendo tolerable. [40] [41] [42] [43]
Los problemas surgieron durante la investigación en los años cincuenta y sesenta. Durante un tiempo, los ingenieros se enfrentaron a lo que llamaron "marcas de parloteo" y "arañazos del diablo" en la superficie epitrocoide interna. Descubrieron que la causa era que los sellos del ápice alcanzaban una vibración resonante, y el problema se resolvió reduciendo el grosor y el peso de los sellos del ápice. Los rayones desaparecieron después de la introducción de materiales más compatibles para sellos y revestimientos de carcasas. Otro problema temprano fue la acumulación de grietas en la superficie del estator cerca del orificio de la bujía, que se eliminó instalando las bujías en un inserto de metal / manguito de cobre separado en la carcasa, en lugar de atornillar la bujía directamente en la carcasa del bloque. [44]Toyota descubrió que la sustitución de una bujía incandescente por la bujía líder en el sitio mejoró las bajas rpm, la carga parcial, el consumo específico de combustible en un 7% y también las emisiones y el ralentí. [45] Una solución alternativa posterior al enfriamiento del jefe de la bujía se proporcionó con un esquema de velocidad de refrigerante variable para rotativos enfriados por agua, que ha tenido un uso generalizado, siendo patentado por Curtiss-Wright, [46] con el último listado para mejor aire -Enfriamiento del jefe de bujía del motor enfriado. Estos enfoques no requerían un inserto de cobre de alta conductividad, pero no impedían su uso. Ford probó un motor rotativo con los tapones colocados en las placas laterales, en lugar de la ubicación habitual en la superficie de trabajo de la carcasa ( CA 1036073 , 1978).
Desarrollos recientes [ editar ]
Aumentar el desplazamiento y la potencia de un motor rotativo agregando más rotores a un diseño básico es simple, pero puede existir un límite en el número de rotores, porque la potencia de salida se canaliza a través del último eje del rotor, con todas las tensiones de todo el motor. presente en ese punto. Para motores con más de dos rotores, se ha probado con éxito el acoplamiento de dos conjuntos de dos rotores mediante un acoplamiento dentado (como una junta Hirth ) entre los dos conjuntos de rotores.
Una investigación en el Reino Unido en el marco del proyecto SPARCS (Self-Pressurizing-Air Rotor Cooling System), encontró que la estabilidad y la economía en ralentí se obtuvieron al suministrar una mezcla inflamable a un solo rotor en un motor de múltiples rotores en un rotor enfriado por aire forzado. , similar a los diseños refrigerados por aire de Norton.
Los inconvenientes del motor Wankel de lubricación y enfriamiento inadecuados a temperatura ambiente, corta vida útil del motor, altas emisiones y bajas eficiencias de combustible fueron abordados por el especialista en motores rotativos de Norton, David Garside , quien desarrolló tres sistemas patentados en 2016. [47] [48]
- SPARCS
- Compactos-SPARCS
- CREEV (motor rotativo compuesto para vehículos eléctricos)
SPARCS y Compact-SPARCS proporcionan un rechazo de calor superior y un equilibrio térmico eficiente para optimizar la lubricación. Un problema con los motores rotativos es que la carcasa del motor tiene superficies permanentemente frías y calientes cuando está funcionando. También genera un calor excesivo dentro del motor que descompone el aceite lubricante rápidamente. El sistema SPARCS reduce este amplio diferencial de temperaturas de calor en el metal de la carcasa del motor y también enfría el rotor desde el interior del cuerpo del motor. Esto da como resultado un menor desgaste del motor, lo que prolonga la vida útil del motor. Como se describe en la revista de tecnología de sistemas no tripulados, "SPARCS utiliza un circuito de enfriamiento de rotor sellado que consta de un ventilador centrífugo de circulación y un intercambiador de calor para rechazar el calor. Este se autopresuriza capturando el escape más allá de los sellos de gas del lado del rotor del cámaras de trabajo ".[49] [50] CREEV es un 'reactor de escape', que contiene un eje y un rotor en el interior, de una forma diferente a la de un rotor Wankel. El reactor, ubicado en la corriente de escape fuera de la cámara de combustión del motor, consume los productos de escape no quemados sin utilizar un segundo sistema de encendido antes de dirigir los gases quemados al tubo de escape. Los caballos de fuerza se dan al eje de los reactores. Se logran emisiones más bajas y una mayor eficiencia de combustible. Actualmente, las tres patentes están autorizadas a ingenieros del Reino Unido, AIE (UK) Ltd. [51] [52] [53] [54] [55]
Materiales [ editar ]
A diferencia de un motor de pistón, en el que el cilindro se calienta mediante el proceso de combustión y luego se enfría con la carga entrante, las carcasas del rotor Wankel se calientan constantemente en un lado y se enfrían en el otro, lo que genera altas temperaturas locales y una expansión térmica desigual . Si bien esto impone grandes exigencias a los materiales utilizados, la simplicidad de Wankel facilita el uso de materiales alternativos, como aleaciones exóticas y cerámicas.. Con enfriamiento por agua en una dirección de flujo radial o axial, y el agua caliente del arco caliente calentando el arco frío, la expansión térmica sigue siendo tolerable. La temperatura superior del motor se ha reducido a 129 ° C (264 ° F), con una diferencia de temperatura máxima entre las partes del motor de 18 ° C (32 ° F) mediante el uso de tubos de calor alrededor de la carcasa y en las placas laterales como medio de enfriamiento. . [38]
Entre las aleaciones citadas para el uso de viviendas de Wankel se encuentran A-132, Inconel 625 y 356 tratadas con dureza T6. Se han utilizado varios materiales para recubrir la superficie de trabajo de la carcasa, entre ellos Nikasil . Citroen, Mercedes-Benz, Ford, AP Grazen y otros solicitaron patentes en este campo. Para los sellos de ápice, la elección de materiales ha evolucionado junto con la experiencia adquirida, desde aleaciones de carbono hasta acero, ferrótico y otros materiales. La combinación entre el revestimiento de la carcasa y los materiales de los sellos de ápice y laterales se determinó experimentalmente, para obtener la mejor duración de los sellos y la cubierta de la carcasa. Para el eje se prefieren las aleaciones de acero con poca deformación bajo carga, para ello se ha propuesto el uso de acero Maraging.
El combustible de gasolina con plomo fue el tipo predominante disponible en los primeros años del desarrollo del motor Wankel. El plomo es un lubricante sólido y la gasolina con plomo está diseñada para reducir el desgaste de los sellos y las carcasas. Los primeros motores tenían el suministro de aceite calculado teniendo en cuenta las cualidades lubricantes de la gasolina. A medida que se eliminaba gradualmente la gasolina con plomo, los motores Wankel necesitaban una mayor mezcla de aceite en la gasolina para proporcionar lubricación a las partes críticas del motor. Los usuarios experimentados aconsejan, incluso en motores con inyección electrónica de combustible, agregar al menos un 1% de aceite directamente a la gasolina como medida de seguridad en caso de que la bomba que suministra aceite a las partes relacionadas con la cámara de combustión falle o aspire aire. Un artículo de SAE de David Garside describió ampliamente las opciones de Norton de materiales y aletas de enfriamiento.
Se probaron varios enfoques que involucran lubricantes sólidos, e incluso se recomienda la adición de LiquiMoly (que contiene MoS 2 ), a razón de 1 cc (1 ml) por litro de combustible. Muchos ingenieros están de acuerdo en que la adición de aceite a la gasolina, como en los motores antiguos de dos tiempos, es un enfoque más seguro para la confiabilidad del motor que una bomba de aceite que se inyecta en el sistema de admisión o directamente en las partes que requieren lubricación. Siempre es posible una bomba dosificadora combinada de aceite en combustible más aceite. [56]
Sellado [ editar ]
Los primeros diseños de motores tenían una alta incidencia de pérdida de sellado, tanto entre el rotor y la carcasa como entre las distintas piezas que la componían. Además, en los motores Wankel de modelos anteriores, las partículas de carbono podrían quedar atrapadas entre el sello y la carcasa, atascando el motor y requiriendo una reconstrucción parcial. Era común que los primeros motores Mazda requirieran reconstrucción después de 50,000 millas (80,000 km). Otros problemas de sellado surgieron debido a la distribución térmica desigual dentro de las carcasas, lo que provocó distorsión y pérdida de sellado y compresión. Esta distorsión térmica también provocó un desgaste desigual entre el sello del ápice y la carcasa del rotor, evidente en los motores de mayor kilometraje. [ cita requerida ] El problema se agravó cuando el motor se estresó antes de llegartemperatura de funcionamiento . Sin embargo, los motores rotativos Mazda resolvieron estos problemas iniciales. Los motores actuales tienen casi 100 piezas relacionadas con los sellos. [1]
El problema de la holgura para los ápices calientes del rotor que pasan entre las carcasas laterales axialmente más cercanas en las áreas de los lóbulos de admisión más fríos se resolvió utilizando un piloto de rotor axial radialmente hacia el interior de los sellos de aceite, además de un enfriamiento de aceite de inercia mejorado del interior del rotor (CW US 3261542 , C. Jones, 5/8/63, US 3176915 , M. Bentele, C. Jones. AH Raye. 7/2/62), y sellos de ápice ligeramente "coronados" (diferente altura en el centro y en los extremos de sello).
Economía de combustible y emisiones [ editar ]
El motor Wankel tiene problemas de eficiencia de combustible y emisiones al quemar gasolina. Las mezclas de gasolina se inflaman lentamente, tienen una velocidad de propagación de llama lenta y una distancia de extinción más alta en el ciclo de compresión de 2 mm en comparación con los 0,6 mm del hidrógeno . Combinados, estos factores desperdician combustible que habría generado energía, reduciendo la eficiencia. El espacio entre el rotor y la carcasa del motor es demasiado estrecho para la gasolina en el ciclo de compresión, pero lo suficientemente ancho para el hidrógeno. Se necesita un espacio estrecho para crear compresión. Cuando el motor usa gasolina, la gasolina sobrante se expulsa a la atmósfera a través del escape. Esto no es un problema cuando se usa combustible de hidrógeno, ya que toda la mezcla de combustible en la cámara de combustión se quema, lo que casi no genera emisiones y aumenta la eficiencia del combustible en un 23%. [57][58]
La forma de la cámara de combustión de Wankel es más resistente a la preignición al operar con gasolina de menor octanaje que un motor de pistón comparable. [59] La forma de la cámara de combustión también puede conducir a una combustión incompleta de la carga de aire-combustible utilizando combustible de gasolina. Esto resultaría en una mayor cantidad de hidrocarburos no quemados liberados en el escape. Sin embargo, el escape es relativamente bajo en emisiones de NOx , porque las temperaturas de combustión son más bajas que en otros motores, y también debido a la recirculación de gases de escape (EGR) en los primeros motores. Sir Harry Ricardo demostró en la década de 1920 que por cada aumento del 1% en la proporción de gases de escape en la mezcla de admisión, hay un 7 Reducción ° C de la temperatura de la llama. Esto permitió a Mazda cumplir con la Ley de Aire Limpio de los Estados Unidos de 1970 en 1973, con un "reactor térmico" simple y económico, que era una cámara agrandada en el colector de escape . Al disminuir la relación aire-combustible , los hidrocarburos no quemados (HC) en el escape apoyarían la combustión en el reactor térmico. Los automóviles con motor de pistón requerían convertidores catalíticos costosos para hacer frente tanto a los hidrocarburos no quemados como a las emisiones de NOx.
Esta solución económica aumentó el consumo de combustible. Las ventas de automóviles con motor rotativo sufrieron debido a la crisis del petróleo de 1973, lo que elevó el precio de la gasolina, lo que provocó una reducción de las ventas. Toyota descubrió que la inyección de aire en la zona del puerto de escape mejoraba la economía de combustible y reducía las emisiones. Los mejores resultados se obtuvieron con agujeros en las placas laterales; hacerlo en el conducto de escape no tuvo una influencia notable. [45] El uso de catalizadores de tres etapas, con suministro de aire en el medio, como para los motores de pistón de dos tiempos, también resultó beneficioso para cumplir con las regulaciones de emisiones. [60]
Mazda había mejorado la eficiencia de combustible del sistema del reactor térmico en un 40% con la introducción del RX-7 en 1978. Sin embargo, Mazda finalmente cambió al sistema de convertidor catalítico. [6] Según la investigación de Curtiss-Wright, el factor que controla la cantidad de hidrocarburos no quemados en el escape es la temperatura de la superficie del rotor, con temperaturas más altas que producen menos hidrocarburos. [61] Curtiss-Wright mostró también que el rotor se puede ensanchar, manteniendo el resto de la arquitectura del motor sin cambios, reduciendo así las pérdidas por fricción y aumentando el desplazamiento y la potencia de salida. El factor limitante para este ensanchamiento fue mecánico, especialmente la desviación del eje a altas velocidades de rotación. [62]El enfriamiento rápido es la fuente dominante de hidrocarburos a altas velocidades y las fugas a bajas velocidades. [63]
Los motores rotativos de automóvil Wankel son capaces de funcionar a alta velocidad. Sin embargo, se demostró que una apertura temprana del puerto de admisión, conductos de admisión más largos y una mayor excentricidad del rotor pueden aumentar el par a rpm más bajas. La forma y la posición del hueco en el rotor, que forma la mayor parte de la cámara de combustión, influye en las emisiones y el ahorro de combustible. Los resultados en términos de economía de combustible y emisiones de escape varían según la forma del hueco de combustión, que está determinada por la ubicación de las bujías por cámara de un motor individual. [64]
El automóvil RX-8 de Mazda con motor Renesis cumplió con los requisitos de ahorro de combustible del estado de California , incluidos los estándares de vehículos de bajas emisiones (LEV) de California. Esto se logró mediante una serie de innovaciones. Los puertos de escape, que en los rotores Mazda anteriores estaban ubicados en las carcasas del rotor, se movieron a los lados de la cámara de combustión. Esto resolvió el problema de la acumulación anterior de cenizas en el motor y los problemas de distorsión térmica de los puertos de admisión y escape laterales. Se agregó un sello raspador en los lados del rotor y un poco de cerámica.Se utilizaron piezas en el motor. Este enfoque permitió a Mazda eliminar la superposición entre las aberturas de los puertos de admisión y escape, al mismo tiempo que aumentaba el área del puerto de escape. El puerto lateral atrapó el combustible no quemado en la cámara, disminuyó el consumo de aceite y mejoró la estabilidad de la combustión en el rango de baja velocidad y carga ligera. Las emisiones de HC del motor Wankel del puerto de escape lateral son entre un 35% y un 50% menores que las del motor Wankel del puerto de escape periférico, debido a la superposición casi nula de la abertura del puerto de admisión y escape. Los motores rotativos con puertos periféricos tienen una mejor presión efectiva media , especialmente a altas rpm y con un puerto de admisión de forma rectangular. [65] [66] [67] Sin embargo, el RX-8 no se mejoró para cumplirNormativa sobre emisiones Euro 5 y se suspendió en 2012. [68]
Mazda continúa desarrollando la próxima generación de motores Wankel. La compañía está investigando el encendido por láser de motores , que elimina las bujías convencionales, la inyección directa de combustible , el encendido HCCI sin chispas y el encendido SPCCI . Estos conducen a una mayor excentricidad del rotor (equivalente a una carrera más larga en un motor alternativo), con una elasticidad mejorada y un par de revoluciones por minuto bajo. La investigación de T. Kohno demostró que la instalación de una bujía incandescente en la cámara de combustión mejoró la carga parcial y las bajas revoluciones por minuto en un 7% el ahorro de combustible. [69] Estas innovaciones prometen mejorar el consumo de combustible y las emisiones. [70]
Para mejorar aún más la eficiencia de combustible, Mazda está considerando usar el Wankel como un extensor de rango en autos híbridos de serie , anunciando un prototipo, el Mazda2 EV, para evaluación de prensa en noviembre de 2013. Esta configuración mejora la eficiencia de combustible y las emisiones. Como ventaja adicional, hacer funcionar un motor Wankel a una velocidad constante aumenta la vida útil del motor. Mantener una banda estrecha o casi constante de revoluciones elimina, o reduce enormemente, muchas de las desventajas del motor Wankel. [71]
En 2015, los ingenieros AIE (UK) Ltd, con sede en el Reino Unido, desarrollaron un nuevo sistema para reducir las emisiones y aumentar la eficiencia del combustible con Wankel Engines , tras un acuerdo de licencia para utilizar las patentes del creador de motores rotativos de Norton, David Garside . El sistema CREEV (motor rotativo compuesto para vehículos eléctricos) utiliza un rotor secundario para extraer energía del escape, consumiendo productos de escape no quemados mientras se produce la expansión en la etapa del rotor secundario, lo que reduce las emisiones generales y los costos de combustible al recuperar la energía de escape que de otro modo sería perdió. [49]Al expandir el gas de escape a una presión cercana a la atmosférica, Garside también se aseguró de que el escape del motor se mantuviera más frío y silencioso. AIE (UK) Ltd utiliza ahora esta patente para desarrollar unidades de energía híbridas para automóviles [51] y vehículos aéreos no tripulados. [72]
Encendido láser [ editar ]
Las bujías tradicionales deben tener una sangría en las paredes de la cámara de combustión para permitir que el vértice del rotor pase. A medida que los sellos del ápice del rotor pasan sobre el orificio de la bujía, se puede perder una pequeña cantidad de carga comprimida de la cámara de carga a la cámara de escape, lo que implica combustible en el escape, lo que reduce la eficiencia y genera mayores emisiones. Estos puntos se han superado mediante el uso de encendido por láser, eliminando las bujías tradicionales y eliminando la ranura estrecha en la carcasa del motor para que los sellos del ápice del rotor puedan barrer completamente sin pérdida de compresión de las cámaras adyacentes. Este concepto tiene un precedente en la bujía incandescente.utilizado por Toyota (documento SAE 790435), y el documento SAE 930680, por D. Hixon et al., sobre 'Bujías incandescentes catalíticas en el motor rotativo de carga estratificada JDTI'. El enchufe láser puede disparar a través de la ranura estrecha. Los enchufes láser también pueden disparar profundamente en la cámara de combustión utilizando múltiples láseres. Por lo tanto, se permite una relación de compresión más alta. Se ha demostrado que la inyección directa de combustible , para la que es adecuado el motor Wankel, combinada con el encendido por láser en uno o varios enchufes láser, mejora aún más el motor y reduce aún más las desventajas. [70] [73] [74]
Encendido por compresión de carga homogénea (HCCI) [ editar ]
El encendido por compresión de carga homogénea (HCCI) implica el uso de una mezcla pobre de aire y combustible premezclada que se comprime hasta el punto de autoencendido, de modo que se elimina el encendido por chispa electrónica. Los motores de gasolina combinan carga homogénea (HC) con encendido por chispa (SI), abreviado como HCSI. Los motores diesel combinan carga estratificada (SC) con encendido por compresión (CI), abreviado como SCCI. Los motores HCCI logran emisiones similares a las de un motor de gasolina con una eficiencia similar a la de un motor de encendido por compresión y bajos niveles de emisiones de óxido de nitrógeno (NO x ) sin un convertidor catalítico. Sin embargo, las emisiones de hidrocarburos y monóxido de carbono no quemados aún requieren un tratamiento para cumplir con las regulaciones de emisiones automotrices.
Mazda ha realizado una investigación sobre el encendido HCCI para su proyecto de motor rotativo SkyActiv-R, utilizando la investigación de su programa SkyActiv Generation 2. Una limitación de los motores rotativos es la necesidad de ubicar la bujía fuera de la cámara de combustión para permitir que el rotor pase. Mazda confirmó que el problema se había resuelto en el proyecto SkyActiv-R. Los rotativos generalmente tienen altas relaciones de compresión, lo que los hace particularmente adecuados para el uso de HCCI. [75] [76] [77]
Encendido por compresión controlado por chispa (SPCCI) [ editar ]
Mazda ha llevado a cabo una investigación exitosa sobre el encendido de encendido por compresión controlada por bujía ( SPCCI ) en motores rotativos, indicando que los motores rotativos recientemente introducidos incorporarán SPCCI. SPCCI incorpora encendido por chispa y compresión que combina las ventajas de los motores de gasolina y diésel para lograr los objetivos ambientales, de potencia, aceleración y consumo de combustible. Siempre se utiliza una chispa en el proceso de combustión. Dependiendo de la carga, puede ser solo encendido por chispa, otras veces SPCCI. Siempre se utiliza una chispa para controlar exactamente cuándo se produce la combustión.
El aspecto de encendido por compresión de SPCCI hace posible una combustión súper pobre que mejora la eficiencia del motor hasta en un 20-30%. SPCCI ofrece una alta eficiencia en una amplia gama de revoluciones por minuto y cargas del motor. SPCCI le da a un rotativo la capacidad de cambiar de la mezcla ideal, estequiométrica, 14.7: 1 de aire a combustible de un motor convencional de combustión de gasolina a la mezcla pobre de más de 29.4: 1.
El motor está en modo de mezcla pobre aproximadamente el 80% del tiempo de funcionamiento. Las bujías encienden un pequeño pulso de mezcla pobre inyectada en la cámara de combustión. Cuando se dispara, se crea una bola de fuego que actúa como un pistón de aire, aumentando la presión y la temperatura en la cámara de combustión. La ignición por compresión de la mezcla muy pobre se produce con una combustión rápida, uniforme y completa que conduce a un ciclo más potente. El tiempo de combustión está controlado por la llama de la bujía. Esto permite a SPCCI combinar las ventajas de los motores de gasolina y diésel.
Combinado con un sobrealimentador, el encendido por compresión ofrece un aumento del par de torsión del 20 al 30%. [78] [79]
Rotativo de encendido por compresión [ editar ]
Se han realizado investigaciones sobre motores rotativos de encendido por compresión y la quema de combustible pesado diesel mediante encendido por chispa. Los parámetros básicos de diseño del motor Wankel impiden obtener una relación de compresión superior a 15: 1 o 17: 1 en un motor práctico, pero se están haciendo continuamente intentos para producir un Wankel de encendido por compresión. El enfoque de Rolls-Royce [80] y Yanmar de encendido por compresión [81] consistía en utilizar una unidad de dos etapas, con un rotor actuando como compresor, mientras que la combustión tiene lugar en el otro. [82] La conversión de una unidad estándar de encendido por chispa de cámara de 294 cc para utilizar combustible pesado se describió en el documento SAE 930682, de L. Louthan. El documento SAE 930683, de D. Eiermann, dio como resultado la línea Wankel SuperTec de motores rotativos de encendido por compresión.
Pratt & Whitney Rocketdyne está llevando a cabo una investigación sobre motores de encendido por compresión , a quien DARPA encargó el desarrollo de un motor Wankel de encendido por compresión para su uso en un prototipo de automóvil volador VTOL llamado "Transformer". [83] [84] [85] [86] El motor, basado en un concepto anterior que involucraba un vehículo aéreo no tripulado llamado "Endurocore", propulsado por un diesel Wankel. [87] planea utilizar rotores Wankel de diferentes tamaños en un eje excéntrico compartido para aumentar la eficiencia. [88]Se afirma que el motor es un "motor de ciclo de encendido por compresión, expansión completa y compresión completa". Una patente del 28 de octubre de 2010 de Pratt & Whitney Rocketdyne, describe un motor Wankel superficialmente similar al prototipo anterior de Rolls-Royce, que requería un compresor de aire externo para lograr una compresión lo suficientemente alta para la combustión del ciclo de encendido por compresión. [89] [90] El diseño difiere del rotativo de encendido por compresión de Rolls-Royce, principalmente al proponer un inyector en el paso de escape entre el rotor de la cámara de combustión y las etapas del rotor de expansión, y un inyector en la cámara de expansión del rotor de expansión, para 'postcombustión '.
La empresa británica Rotron, que se especializa en aplicaciones de motores Wankel en vehículos aéreos no tripulados (UAV), ha diseñado y construido una unidad para operar con combustible pesado para la OTANpropósitos. Los motores utilizan encendido por chispa. La principal innovación es la propagación de la llama, lo que garantiza que la llama arda suavemente en toda la cámara de combustión. El combustible se precalienta a 98 grados Celsius antes de inyectarse en la cámara de combustión. Se utilizan cuatro bujías, alineadas en dos pares. Dos bujías encienden la carga de combustible en la parte delantera del rotor a medida que se mueve hacia la sección de combustión de la carcasa. A medida que el rotor mueve la carga de combustible, los dos segundos disparan una fracción de segundo detrás del primer par de bujías y se encienden cerca de la parte trasera del rotor en la parte trasera de la carga de combustible. El eje de transmisión está refrigerado por agua, lo que también tiene un efecto de enfriamiento en las partes internas del rotor. El agua de refrigeración también fluye alrededor del exterior del motor a través de un espacio en la carcasa,reduciendo así el calor del motor desde el exterior y el interior eliminando los puntos calientes.[91]
Combustible de hidrógeno [ editar ]
El uso de combustible de hidrógeno en los motores Wankel mejoró la eficiencia en un 23% sobre el combustible de gasolina con emisiones cercanas a cero. [57] Los motores de ciclo Otto de pistón alternativo de cuatro tiempos no son adecuados para la conversión a combustible de hidrógeno . La mezcla de combustible de hidrógeno / aire puede fallar en partes calientes del motor como la válvula de escape y las bujías, ya que las operaciones de cuatro tiempos ocurren en la misma cámara.
Como una mezcla de combustible de hidrógeno / aire se enciende más rápido con una velocidad de combustión más rápida que la gasolina, un problema importante de los motores de combustión interna de hidrógeno es evitar la pre-ignición y el incendio. En un motor rotativo, cada pulso del ciclo Otto ocurre en diferentes cámaras. El rotativo no tiene válvulas de escape que puedan permanecer calientes y producir el retroceso que ocurre en los motores de pistón alternativo. Es importante destacar que la cámara de admisión está separada de la cámara de combustión, lo que mantiene la mezcla de aire / combustible alejada de los puntos calientes localizados. Estas características estructurales del motor rotatorio permiten el uso de hidrógeno sin preencendido ni efecto contraproducente.
Un motor Wankel tiene flujos más fuertes de mezcla de aire y combustible y un ciclo de operación más largo que un motor de pistón alternativo, logrando una mezcla completa de hidrógeno y aire. El resultado es una mezcla homogénea sin puntos calientes en el motor, lo que es crucial para la combustión de hidrógeno. [92] Las mezclas de combustible de hidrógeno / aire se encienden más rápidamente que las mezclas de gasolina con una alta velocidad de combustión, lo que hace que todo el combustible se queme sin que se expulse combustible no quemado a la corriente de escape como es el caso del combustible de gasolina en motores rotativos. Las emisiones son cercanas a cero, incluso con lubricación con aceite de los sellos del ápice.
Otro problema se refiere al ataque de hidrogenados sobre la película lubricante en motores alternativos. En un motor Wankel, el problema de un ataque de hidrogenados se evita mediante el uso de sellos de ápice de cerámica. [93] [94]
Todos estos puntos hacen que el motor Wankel sea ideal para la quema de combustible de hidrógeno. Mazda construyó y vendió un vehículo que aprovechó la idoneidad de la rotativa para combustible de hidrógeno, un Mazda RX-8 Hydrogen RE de doble combustible que podía cambiar sobre la marcha de gasolina a hidrógeno y viceversa. [95] [58]
Ventajas [ editar ]
Las principales ventajas del motor Wankel son: [18]
- Una relación potencia / peso mucho mayor que la de un motor de pistón
- Aproximadamente un tercio del tamaño de un motor de pistón de potencia equivalente
- Más fácil de empaquetar en espacios de motor pequeños que un motor de pistón equivalente
- Sin partes recíprocas
- Capaz de alcanzar revoluciones por minuto más altas que un motor de pistón
- Funcionamiento casi sin vibraciones
- No es propenso a golpear el motor
- Más barato de producir en masa, porque el motor contiene menos piezas
- Respiración superior, llenando la carga de combustión en 270 grados de rotación del eje principal en lugar de 180 grados en un motor de pistón
- Suministro de par durante aproximadamente dos tercios del ciclo de combustión en lugar de un cuarto para un motor de pistón
- Rango de velocidad más amplio que brinda una mayor adaptabilidad
- Puede utilizar combustibles de mayor octanaje
- No sufre de "efecto de escala" para limitar su tamaño.
- Fácilmente adaptado y muy adecuado para utilizar combustible de hidrógeno.
- En algunos motores Wankel, el aceite del cárter permanece incontaminado por el proceso de combustión, por lo que no se requieren cambios de aceite. El aceite en el eje principal está totalmente sellado del proceso de combustión. El aceite para los sellos Apex y la lubricación del cárter es separado. En los motores de pistón, el aceite del cárter está contaminado por la combustión que pasa a través de los segmentos del pistón. [96]
Los motores Wankel son considerablemente más ligeros y sencillos, y contienen muchas menos partes móviles que los motores de pistón de potencia equivalente. Las válvulas o los trenes de válvulas complejos se eliminan mediante el uso de puertos simples cortados en las paredes de la carcasa del rotor. Dado que el rotor se monta directamente sobre un cojinete grande en el eje de salida, no hay bielas ni cigüeñal . La eliminación de la masa recíproca y la eliminación de las partes más sometidas a estrés y propensas a fallas de los motores de pistón le dan al motor Wankel una alta confiabilidad, un flujo de potencia más suave y una alta relación potencia-peso .
La relación superficie-volumen en la cámara de combustión en movimiento es tan compleja que no se puede hacer una comparación directa entre un motor de pistón alternativo y un motor Wankel. La velocidad del flujo y las pérdidas de calor son bastante diferentes. Las características de temperatura de la superficie son completamente diferentes; la película de aceite en el motor Wankel actúa como aislante. Los motores con una relación de compresión más alta tienen una relación superficie-volumen peor. La relación superficie-volumen de un motor diesel de pistón alternativo es mucho más pobre que la de un motor de gasolina de pistón alternativo, pero los motores diesel tienen un factor de eficiencia más alto. Por lo tanto, comparar las salidas de potencia es una métrica realista. Un motor de pistón alternativo con la misma potencia que un Wankel tendrá aproximadamente el doble de cilindrada. Al comparar la relación potencia / peso,tamaño físico o peso físico a un motor de pistón de salida de potencia similar, el Wankel es superior.
Un cilindro de cuatro tiempos produce una carrera de potencia solo cada dos rotaciones del cigüeñal, siendo tres carreras pérdidas de bombeo. Esto duplica la relación superficie-volumen real para el motor de pistón alternativo de cuatro tiempos y aumenta el desplazamiento. [97] [98] El Wankel, por lo tanto, tiene una mayor eficiencia volumétrica y menores pérdidas de bombeo debido a la ausencia de válvulas de estrangulamiento. [99]Debido a la casi superposición de los golpes de potencia, que provocan la suavidad del motor y la evitación del ciclo de cuatro tiempos en un motor alternativo, el motor Wankel reacciona muy rápido a los aumentos de potencia, lo que proporciona una entrega rápida de potencia. cuando surge la demanda, especialmente a rpm más altas. Esta diferencia es más pronunciada en comparación con los motores alternativos de cuatro cilindros y menos pronunciada en comparación con los recuentos de cilindros más altos.
Además de la eliminación de las tensiones recíprocas internas mediante la eliminación completa de las piezas internas recíprocas que se encuentran típicamente en un motor de pistón, el motor Wankel está construido con un rotor de hierro dentro de una carcasa de aluminio , que tiene un mayor coeficiente de expansión térmica . Esto asegura que incluso un motor Wankel severamente recalentado no pueda atascarse, como es probable que ocurra en un motor de pistón recalentado. Este es un beneficio de seguridad sustancial cuando se usa en aviones. Además, la ausencia de válvulas y trenes de válvulas aumenta la seguridad. GM probó un rotor de hierro y una carcasa de hierro en sus prototipos de motores Wankel, que funcionaban a temperaturas más altas con un menor consumo específico de combustible.
Una ventaja adicional del motor Wankel para uso en aviones es que generalmente tiene un área frontal más pequeña que un motor de pistón de potencia equivalente, lo que permite diseñar un morro más aerodinámico alrededor del motor. Una ventaja en cascada es que el tamaño más pequeño y el menor peso del motor Wankel permiten ahorros en los costos de construcción de la estructura del avión, en comparación con los motores de pistón de potencia comparable.
Los motores Wankel que operan dentro de sus parámetros de diseño originales son casi inmunes a fallas catastróficas. Un motor Wankel que pierde compresión, enfriamiento o presión de aceite, perderá una gran cantidad de potencia y fallará en un corto período de tiempo. Sin embargo, generalmente continuará produciendo algo de energía durante ese tiempo, lo que permite un aterrizaje más seguro cuando se usa en aviones. Los motores de pistón en las mismas circunstancias son propensos a agarrotarse o romperse piezas, lo que casi con certeza dará como resultado una falla catastrófica del motor y la pérdida instantánea de toda la potencia. Por esta razón, los motores Wankel son muy adecuados para motos de nieve, que a menudo llevan a los usuarios a lugares remotos donde una falla podría resultar en congelación o muerte, y en aeronaves, donde una falla abrupta probablemente conduzca a un accidente o aterrizaje forzoso en un lugar remoto.
Por la forma y las características de la cámara de combustión, los requisitos de octanaje de combustible de los motores Wankel son menores que los de los motores de pistón alternativo. Los requisitos de número máximo de octanaje en carretera eran 82 para un motor wankel de puerto de admisión periférico y menos de 70 para un motor de puerto de admisión lateral. [100] Desde el punto de vista de las refinerías de petróleo, esto puede ser una ventaja en los costos de producción de combustible. [101] [102]
Debido a una carrera un 50% más larga que la de un motor alternativo de cuatro tiempos, hay más tiempo para completar la combustión. Esto conduce a una mayor idoneidad para la inyección directa de combustible y la operación de carga estratificada .
Desventajas [ editar ]
Aunque muchas de las desventajas son objeto de investigación en curso, las desventajas actuales del motor Wankel en producción son las siguientes: [103]
- Sellado de rotor
- Esto sigue siendo un problema menor ya que la carcasa del motor tiene temperaturas muy diferentes en cada sección de la cámara separada. Los diferentes coeficientes de expansión de los materiales conducen a un sellado imperfecto. Además, ambos lados de los sellos están expuestos al combustible y el diseño no permite controlar la lubricación de los rotores con precisión y precisión. Los motores rotativos tienden a estar sobrelubricados a todas las velocidades y cargas del motor, y tienen un consumo de aceite relativamente alto y otros problemas resultantes del exceso de aceite en las áreas de combustión del motor, como la formación de carbono y las emisiones excesivas de la quema de aceite. En comparación, un motor de pistón tiene todas las funciones de un ciclo en la misma cámara, lo que proporciona una temperatura más estable para que actúen los anillos de pistón. Además, solo un lado del pistón en unmotor de pistón (cuatro tiempos)está expuesto al combustible, lo que permite que el aceite lubrique los cilindros desde el otro lado. Los componentes del motor de pistón también se pueden diseñar para aumentar el sellado del anillo y el control del aceite a medida que aumentan las presiones de los cilindros y los niveles de potencia. Para superar los problemas en un motor Wankel de diferencias de temperatura entre las diferentes regiones de la carcasa y las placas laterales e intermedias, y las desigualdades de dilatación térmica asociadas, se ha utilizado un tubo de calor para transportar el calor de las partes calientes a las frías del motor. Los "tubos de calor" dirigen eficazmente los gases de escape calientes a las partes más frías del motor, con la consiguiente disminución de la eficiencia y el rendimiento. En motores Wankel de pequeño desplazamiento, refrigerado por carga y carcasa refrigerada por aire, que se ha demostrado que reduce la temperatura máxima del motor de 231 ° C a 129 ° C,y la diferencia máxima entre las regiones más calientes y más frías del motor de 159 ° C a 18 ° C.[104]
- Levantamiento de sellos Apex
- La fuerza centrífuga empuja el sello del ápice hacia la superficie de la carcasa formando un sello firme. Pueden desarrollarse espacios entre el sello del ápice y la carcasa del troicoide en la operación de carga ligera cuando se producen desequilibrios en la fuerza centrífuga y la presión del gas. En rangos de rpm del motor bajos, o en condiciones de carga baja, la presión del gas en la cámara de combustión puede hacer que el sello se despegue de la superficie, lo que da como resultado una fuga de gas de combustión hacia la siguiente cámara. Mazda desarrolló una solución, cambiando la forma de la carcasa del troicoide, lo que significaba que los sellos permanecían alineados con la carcasa. El uso del motor Wankel a revoluciones más altas y sostenidas ayuda a eliminar el despegue del sello del ápice y lo hace muy viable en aplicaciones como la generación de electricidad. En los vehículos de motor, el motor será adecuado para aplicaciones híbridas en serie. [105]
- Combustión lenta
- La combustión de combustible es lenta con gasolina, porque la cámara de combustión es larga, delgada y en movimiento. El recorrido de la llama se produce casi exclusivamente en la dirección del movimiento del rotor, lo que se suma al mal enfriamiento de una mezcla de gasolina / aire de 2 mm, que es la principal fuente de hidrocarburos no quemados a altas rpm. El lado posterior de la cámara de combustión produce naturalmente una "corriente de compresión" que evita que la llama alcance el borde posterior de la cámara combinado con el apagado deficiente de una mezcla de gasolina / aire. Este problema no ocurre con el combustible de hidrógeno, ya que el enfriamiento es de 0,6 mm. La inyección de combustible, en la que el combustible se inyecta hacia el borde de ataque de la cámara de combustión, puede minimizar la cantidad de combustible no quemado en el escape.Donde los motores de pistón tienen una cámara de combustión en expansión para el combustible ardiendo a medida que se oxida y la presión decreciente a medida que el pistón viaja hacia la parte inferior del cilindro durante la carrera de potencia se compensa con el apalancamiento adicional del pistón en el cigüeñal durante la primera mitad de esa carrera. , no hay un "apalancamiento" adicional de un rotor en el eje principal durante la combustión y el eje principal no tiene un mayor apalancamiento para impulsar el rotor a través de las fases de admisión, compresión y escape de su ciclo.de un rotor en el eje principal durante la combustión y el eje principal no tiene mayor apalancamiento para impulsar el rotor a través de las fases de admisión, compresión y escape de su ciclo.de un rotor en el eje principal durante la combustión y el eje principal no tiene mayor apalancamiento para impulsar el rotor a través de las fases de admisión, compresión y escape de su ciclo.
- Mala economía de combustible usando gasolina
- Esto se debe a la forma de la cámara de combustión en movimiento, que da como resultado un comportamiento de combustión deficiente y una presión efectiva media a carga parcial y bajas rpm. Esto da como resultado que el combustible no quemado ingrese a la corriente de escape; el combustible que se desperdicia no se utiliza para generar energía. El cumplimiento de los requisitos de las reglamentaciones sobre emisiones a veces exige una relación aire-combustible utilizando gasolina que no favorece una buena economía de combustible. La aceleración y desaceleración en condiciones de conducción promedio también afecta el ahorro de combustible. Sin embargo, operar el motor a una velocidad y carga constantes elimina el consumo excesivo de combustible. [71] [106]
- Altas emisiones
- Como el combustible no quemado cuando se usa gasolina se encuentra en el flujo de escape, los requisitos de emisiones son difíciles de cumplir. Este problema puede superarse implementando la inyección directa de combustible en la cámara de combustión. El motor Freedom Motors Rotapower Wankel, que aún no está en producción, cumplió con los estándares de emisiones ultrabajas de California. [107] El motor Mazda Renesis, con puertos laterales de admisión y escape, suprimió la pérdida de mezcla no quemada en el escape inducida anteriormente por la superposición de puertos. [108]
Aunque en dos dimensiones el sistema de sellado de un Wankel parece ser incluso más simple que el de un motor de pistón multicilíndrico correspondiente, en tres dimensiones ocurre lo contrario. Además de los sellos del ápice del rotor evidentes en el diagrama conceptual, el rotor también debe sellar contra los extremos de la cámara.
Los anillos de pistón en motores alternativos no son sellos perfectos; cada uno tiene un espacio para permitir la expansión. El sellado en los vértices del rotor Wankel es menos crítico, porque la fuga se produce entre cámaras adyacentes en carreras adyacentes del ciclo, en lugar de en la caja del eje principal. Aunque el sellado ha mejorado a lo largo de los años, el sellado menos efectivo del Wankel, que se debe principalmente a la falta de lubricación, sigue siendo un factor que reduce su eficiencia. [109]
En un motor Wankel, la mezcla de aire y combustible no se puede almacenar previamente porque hay ciclos de admisión consecutivos. El motor tiene una carrera un 50% más larga que un motor de pistón alternativo. Los cuatro ciclos Otto duran 1080 ° para un motor Wankel (tres revoluciones del eje de salida) versus 720 ° para un motor alternativo de cuatro tiempos, pero los cuatro tiempos siguen siendo la misma proporción del total.
Existen varios métodos para calcular el desplazamiento del motor de un Wankel. Las regulaciones japonesas para calcular los desplazamientos para las clasificaciones de los motores usan el desplazamiento volumétrico de una cara del rotor solamente, y la industria automotriz comúnmente acepta este método como estándar para calcular el desplazamiento de un rotor. Sin embargo, cuando se compara por producción específica, la convención resultó en grandes desequilibrios a favor del motor Wankel. Un enfoque revisado temprano fue calificar el desplazamiento de cada rotor como dos veces la cámara.
El motor rotativo Wankel y el desplazamiento del motor de pistón, y la potencia correspondiente, la salida se pueden comparar con mayor precisión mediante el desplazamiento por revolución del eje excéntrico. Un cálculo de esta forma dicta que un Wankel de dos rotores que desplaza 654 cc por cara tendrá un desplazamiento de 1,3 litros por cada rotación del eje excéntrico (solo dos caras en total, una cara por rotor que atraviesa una carrera de máxima potencia) y 2,6 litros después de dos revoluciones (cuatro caras en total, dos caras por rotor que pasan por una carrera de máxima potencia). Los resultados son directamente comparables a un motor de pistón de 2.6 litros con un número par de cilindros en un orden de encendido convencional, que también desplazará 1.3 litros a través de su carrera de potencia después de una revolución del eje principal, y 2.6 litros a través de sus carreras de potencia después de dos. revoluciones del eje principal.Un motor rotativo Wankel sigue siendo un motor de cuatro tiempos, y las pérdidas de bombeo de carreras sin potencia todavía se aplican, pero la ausencia de válvulas de estrangulamiento y una duración de carrera un 50% más larga dan como resultado una pérdida de bombeo significativamente menor en comparación con un motor alternativo de cuatro tiempos. motor de pistones. Medir un motor rotativo Wankel de esta manera explica con mayor precisión su salida específica, porque el volumen de su mezcla de aire y combustible sometido a una carrera de potencia completa por revolución es directamente responsable del par y, por lo tanto, de la potencia producida.Medir un motor rotativo Wankel de esta manera explica con mayor precisión su salida específica, porque el volumen de su mezcla de aire y combustible sometido a una carrera de potencia completa por revolución es directamente responsable del par y, por lo tanto, de la potencia producida.Medir un motor rotativo Wankel de esta manera explica con mayor precisión su salida específica, porque el volumen de su mezcla de aire y combustible sometido a una carrera de potencia completa por revolución es directamente responsable del par y, por lo tanto, de la potencia producida.
El lado posterior de la cámara de combustión del motor rotativo desarrolla una corriente de compresión que empuja hacia atrás el frente de la llama. Con el sistema convencional de una o dos bujías y una mezcla homogénea, esta corriente de compresión evita que la llama se propague hacia el lado posterior de la cámara de combustión en los rangos de velocidad media y alta del motor. [110] Kawasaki se ocupó de ese problema en su patente estadounidense US 3848574 , y Toyota obtuvo una mejora económica del 7% colocando una bujía incandescente en el sitio principal y usando válvulas Reed-Valves en los conductos de admisión. [69] Esta mala combustión en el lado posterior de la cámara es una de las razones por las que hay más monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados en la corriente de escape de un Wankel. Un escape de puerto lateral, como se usa en el Mazda Renesis, evita una de las causas de esto porque la mezcla no quemada no puede escapar. El Mazda 26B evitó este problema mediante el uso de un sistema de encendido de tres bujías. (En la carrera de resistencia de las 24 Horas de Le Mans en 1991, el 26B tuvo un consumo de combustible significativamente menor que los motores de pistón alternativo de la competencia. Todos los competidores tenían la misma cantidad de combustible disponible debido a la regla de cantidad limitada de combustible de Le Mans). [111]
Un puerto de entrada periférico proporciona la presión efectiva media más alta ; sin embargo, la entrada lateral produce un ralentí más constante, [112] porque ayuda a prevenir el retroceso de los gases quemados en los conductos de admisión que causan "fallas de encendido", causadas por ciclos alternos donde la mezcla se enciende y no se enciende. La conexión periférica (PP) proporciona la mejor presión media efectiva en todo el rango de rpm, pero el PP también se vinculó a una peor estabilidad en vacío y rendimiento de carga parcial. Los primeros trabajos de Toyota [69] llevaron a la adición de un suministro de aire fresco al puerto de escape y también demostraron que una válvula Reed en el puerto o los conductos de admisión [113]mejoró las bajas rpm y el rendimiento de carga parcial de los motores Wankel, al evitar el retroceso de los gases de escape en el puerto de admisión y los conductos, y reducir la alta EGR que induce fallas de encendido, a costa de una pequeña pérdida de potencia en las rpm máximas. David W. Garside, el desarrollador del motor rotativo Norton, quien propuso que la apertura más temprana del puerto de admisión antes del punto muerto superior (TDC), y conductos de admisión más largos, mejoraron el torque a bajas revoluciones y la elasticidad de los motores Wankel. Eso también se describe en Kenichi Yamamotolibros de. La elasticidad también se mejora con una mayor excentricidad del rotor, análoga a una carrera más larga en un motor alternativo. Los motores Wankel funcionan mejor con un sistema de escape de baja presión. La contrapresión de escape más alta reduce la presión efectiva media, más severamente en motores de puertos de admisión periféricos. El motor Mazda RX-8 Renesis mejoró el rendimiento al duplicar el área del puerto de escape en comparación con los diseños anteriores, y se ha realizado un estudio específico del efecto de la configuración de las tuberías de admisión y escape en el rendimiento de los motores Wankel. [114]
Todos los rotores Wankel hechos por Mazda, incluido el Renesis que se encuentra en el RX-8, quema una pequeña cantidad de aceite por diseño, dosificado en la cámara de combustión para preservar los sellos del ápice. Los propietarios deben agregar periódicamente pequeñas cantidades de aceite, lo que aumenta los costos de funcionamiento. Algunas fuentes, como rotaryeng.net, afirman que se obtienen mejores resultados con el uso de una mezcla de aceite en combustible en lugar de una bomba dosificadora de aceite. Los motores refrigerados por líquido requieren un aceite mineral multigrado para arranques en frío, y los motores Wankel necesitan un tiempo de calentamiento antes de funcionar a plena carga, como lo hacen los motores alternativos. Todos los motores presentan pérdida de aceite, pero el motor rotativo está diseñado con un motor sellado, a diferencia de un motor de pistón que tiene una película de aceite que salpica las paredes del cilindro para lubricarlas, por lo tanto, un anillo de "control" de aceite. Se han desarrollado motores sin pérdida de aceite, eliminando gran parte del problema de lubricación con aceite. [cita requerida ]
Aplicaciones [ editar ]
Carreras de automóviles [ editar ]
En el mundo de las carreras, Mazda ha tenido un éxito sustancial con autos de dos, tres y cuatro rotores. Los corredores privados también han tenido un éxito considerable con los automóviles Mazda Wankel originales y modificados. [115]
El MC74 Sigma impulsado por un motor Mazda 12A fue el primer motor y el único equipo de fuera de Europa Occidental o Estados Unidos para terminar la totalidad de las 24 horas de las 24 horas de Le Mans carrera , en 1974. Yojiro Terada fue el conductor del MC74 . Mazda fue el primer equipo de fuera de Europa Occidental o Estados Unidos en ganar Le Mans por completo. También fue el único automóvil sin motor de pistón que ganó Le Mans, lo que la compañía logró en 1991 con su 787B de cuatro rotores (2.622 L o 160 pulgadas cúbicas, desplazamiento real, clasificado por la fórmula de la FIA en 4.708 L o 287 pulgadas cúbicas). . Sin embargo, según los informes, tuvo la peor economía de combustible de cualquier competidor en el evento.
Formula Mazda Racing cuenta con autos de carrera de ruedas abiertas con motores Mazda Wankel , adaptables tanto a pistas ovaladas como a circuitos, en varios niveles de competencia. Desde 1991, la serie Star Mazda, organizada profesionalmente, ha sido el formato más popular para patrocinadores, espectadores y conductores ascendentes. Todos los motores están fabricados por un fabricante de motores, certificados para producir la potencia prescrita y sellados para evitar la manipulación. Están en un estado relativamente suave de carreras, por lo que son extremadamente confiables y pueden pasar años entre reconstrucciones de motores. [116]
La cadena Malibu Grand Prix , similar en concepto a las pistas de carreras de karts recreativos comerciales , opera en varios lugares en los Estados Unidos donde un cliente puede comprar varias vueltas alrededor de una pista en un vehículo muy similar a los vehículos de carreras de ruedas abiertas , pero impulsado por un pequeño Curtiss. -Motor rotativo derecho .
En motores que tienen más de dos rotores, o motores de carrera de dos rotores diseñados para uso a altas rpm, se puede usar un eje excéntrico de varias piezas, lo que permite cojinetes adicionales entre los rotores. Si bien este enfoque aumenta la complejidad del diseño del eje excéntrico, se ha utilizado con éxito en el motor de producción de tres rotores 20B-REW de Mazda , así como en muchos motores de carrera de producción de bajo volumen. El eje excéntrico C-111-2 4 Rotores Mercedes-Benz para KE Serie 70, Tipo DB M950 KE409 está fabricado en una sola pieza. Mercedes-Benz utilizó rodamientos partidos.
Motores de motocicleta [ editar ]
El pequeño tamaño y la atractiva relación peso-potencia del motor Wankel atrajeron a los fabricantes de motocicletas. La primera motocicleta con motor Wankel fue la 'IFA / MZ KKM 175W' de 1960 construida por el fabricante alemán de motocicletas MZ , con licencia de NSU . [117]
En 1972, Yamaha presentó el RZ201 en el Salón del Automóvil de Tokio , un prototipo con un motor Wankel, que pesaba 220 kg y producía 60 hp (45 kW) a partir de un motor de 660 cc de doble rotor (patente estadounidense N3964448). En 1972, Kawasaki presentó su prototipo de motor rotativo Kawasaki X99 de dos rotores (patentes estadounidenses N 3848574 y 3991722). Tanto Yamaha como Kawasaki afirmaron haber resuelto los problemas de bajo consumo de combustible, altas emisiones de escape y poca longevidad del motor, en los primeros Wankels, pero ninguno de los prototipos llegó a producción.
En 1974, Hercules produjo motocicletas W-2000 Wankel, pero las bajas cifras de producción significaron que el proyecto no era rentable y la producción cesó en 1977. [118]
De 1975 a 1976, Suzuki produjo su motocicleta Wankel de un solo rotor RE5 . Era un diseño complejo, con refrigeración líquida y de aceite , y múltiples sistemas de lubricación y carburador . Funcionó bien y fue suave, pero al ser bastante pesado y con una modesta potencia de 62 hp (46 kW), no se vendió bien. [119]
El importador y fabricante holandés de motocicletas Van Veen produjo pequeñas cantidades de una motocicleta OCR-1000 con motor Wankel de doble rotor entre 1978 y 1980, utilizando motores Comotor excedentes . El motor del OCR 1000, utilizó un motor rediseñado originalmente destinado al automóvil Citroën GS. [120]
A principios de la década de 1980, utilizando trabajos anteriores en BSA , Norton produjo el Classic de doble rotor refrigerado por aire , seguido del Commander refrigerado por líquido y el Interpol2 (una versión policial). [121] Las motos Norton Wankel posteriores incluyeron Norton F1 , F1 Sports, RC588, Norton RCW588 y NRS588. Norton propuso un nuevo modelo de doble rotor de 588 cc llamado "NRV588" y una versión de 700 cc llamada "NRV700". [122] Un ex mecánico de Norton, Brian Crighton, comenzó a desarrollar su propia línea de motocicletas con motor rotativo llamada "Roton", que ganó varias carreras australianas.
A pesar de los éxitos en las carreras, [123] no se han producido motocicletas con motores Wankel para la venta al público en general para uso en carretera desde 1992.
Los dos enfoques de diseño diferentes, adoptados por Suzuki y BSA, pueden compararse de manera útil. Incluso antes de que Suzuki produjera el RE5, en Birmingham , el ingeniero de investigación de BSA , David Garside , estaba desarrollando una motocicleta Wankel de doble rotor. El colapso de BSA detuvo el desarrollo, pero la máquina de Garside finalmente alcanzó la producción como Norton Classic .
Los motores Wankel funcionan muy calientes en el lado de encendido y escape de la cámara trocoide del motor , mientras que las partes de admisión y compresión están más frías. Suzuki optó por un complicado sistema de refrigeración por agua y aceite, con el razonamiento de Garside de que siempre que la potencia no supere los 80 CV (60 kW), la refrigeración por aire sería suficiente. Garside enfrió el interior de los rotores con aire comprimido filtrado . Este aire muy caliente se enfrió en un pleno contenido dentro del semi- monocascobastidor y luego, una vez mezclado con combustible, alimentado al motor. Este aire era bastante aceitoso después de pasar por el interior de los rotores y, por lo tanto, se utilizó para lubricar las puntas de los rotores. Los tubos de escape se calientan mucho, y Suzuki opta por un colector de escape con aletas, tubos de escape de revestimiento doble con rejillas de refrigeración, envoltorios de tubos resistentes al calor y silenciadores con protectores térmicos. Garside simplemente colocó los tubos fuera de peligro debajo del motor, donde el calor se disiparía con la brisa del movimiento hacia adelante del vehículo. Suzuki optó por una complicada carburación de varias etapas, mientras que Garside eligió carburadores simples. Suzuki tenía tres sistemas de lubricación, mientras que Garside tenía un único sistema de inyección de aceite de pérdida total que se alimentaba tanto a los cojinetes principales como a los colectores de admisión. Suzuki eligió un solo rotor que era bastante suave,pero con parches ásperos a 4.000 rpm; Garside optó por un motor de doble rotor de turbina suave. Suzuki montó el rotor masivo en lo alto del cuadro, pero Garside puso sus rotores lo más bajo posible para bajar el centro de gravedad de la motocicleta.[124]
Aunque se decía que se manejaba bien, el resultado era que el Suzuki era pesado, demasiado complicado, costoso de fabricar y (con 62 CV) un poco corto de potencia. El diseño de Garside era más simple, más suave, más liviano y, con 80 hp (60 kW), significativamente más poderoso. [125]
Motores de aviones [ editar ]
En principio, los motores Wankel son ideales para aviones ligeros, ya que son ligeros, compactos, casi sin vibraciones y con una alta relación potencia / peso. Otros beneficios para la aviación de un motor Wankel incluyen:
- Los rotores no pueden agarrotarse, ya que las carcasas de los rotores se expanden más que los rotores;
- El motor es menos propenso a la condición grave conocida como "golpe del motor", que puede destruir los motores de pistón de un avión en pleno vuelo.
- El motor no es susceptible de "enfriamiento por choque" durante el descenso;
- El motor no requiere una mezcla enriquecida para enfriar a alta potencia;
- Al no tener partes recíprocas, hay menos vulnerabilidad al daño cuando el motor gira a una velocidad mayor que la máxima diseñada. El límite de las revoluciones es la fuerza de los cojinetes principales.
A diferencia de los automóviles y las motocicletas, un motor aeronáutico Wankel estará lo suficientemente caliente antes de que se le solicite toda la potencia debido al tiempo necesario para las comprobaciones previas al vuelo. Además, el viaje a la pista tiene un enfriamiento mínimo, lo que permite que el motor alcance la temperatura de funcionamiento para obtener la máxima potencia en el despegue. [126] Un motor aeronáutico Wankel pasa la mayor parte de su tiempo operativo a altas potencias, con poco ralentí. Esto hace ideal el uso de puertos periféricos. Una ventaja es que los motores modulares con más de dos rotores son factibles, sin aumentar el área frontal. En caso de que la formación de hielo en los conductos de admisión sea un problema, hay suficiente calor residual disponible en el motor para evitar la formación de hielo.
El primer avión de motor rotativo Wankel fue a fines de la década de 1960 y fue la versión civil experimental Lockheed Q-Star del QT-2 de reconocimiento del ejército de los Estados Unidos , esencialmente un planeador Schweizer propulsado . El avión estaba propulsado por un motor rotativo Curtiss-Wright RC2-60 Wankel de 185 hp (138 kW) . El mismo modelo de motor también se utilizó en un Cessna Cardinal y un helicóptero, así como en otros aviones. [18] [127] [128] En Alemania, a mediados de la década de 1970, se desarrolló un avión de ventilador con conductos de empuje impulsado por un motor Wankel multirrotor NSU modificado en versiones civiles y militares, Fanliner y Fantrainer.
Aproximadamente al mismo tiempo que los primeros experimentos con aviones a gran escala propulsados con motores Wankel, las versiones en miniatura del tamaño de los aviones fueron iniciadas por una combinación de la conocida empresa japonesa OS Engines y la empresa alemana de productos de aeromodelado Graupner , en ese momento existente. licencia de NSU / Auto-Union. En 1968, el primer prototipo de motor Wankel modelo OS / Graupner de 4,9 cm 3 de cilindrada , refrigerado por aire, de encendido por bujía incandescente de un solo rotor, refrigerado por aire, estaba en funcionamiento y se produjo en al menos dos versiones diferentes desde 1970 hasta la actualidad. [129] únicamente por la empresa OS después de la desaparición de Graupner en 2012. [130]
Los motores Wankel de aviones se encuentran cada vez más en roles donde el tamaño compacto, la alta relación potencia / peso y el funcionamiento silencioso son importantes, especialmente en drones y vehículos aéreos no tripulados . Muchas empresas y aficionados adaptan los motores rotativos Mazda, tomados de automóviles, al uso de aviones. Otros, incluida la propia Wankel GmbH, fabrican motores rotativos Wankel dedicados a tal fin. [131] [132] Uno de esos usos son los motores "Rotapower" en el Moller Skycar M400 . Otro ejemplo de los rotativos de aviones especialmente diseñados son Austro Engine 's de 55 CV (41 kW) AE50R (certificado) y 75 CV (56 kW) AE75R (en desarrollo) tanto aprox. 2 CV / kg. [133]
Los motores Wankel se han instalado en aviones experimentales de fabricación casera , como el ARV Super2 , algunos de los cuales estaban propulsados por el motor aeronáutico británico MidWest . La mayoría son motores de automóvil Mazda 12A y 13B, convertidos para uso en aviación. Esta es una alternativa muy rentable a los motores de aeronaves certificados, que ofrece motores que van desde 100 a 300 caballos de fuerza (220 kW) a una fracción del costo de los motores de pistón tradicionales. Estas conversiones se produjeron inicialmente a principios de la década de 1970. Con varios de estos motores montados en aeronaves, al 10 de diciembre de 2006, la Junta Nacional de Seguridad en el Transporte solo tiene siete informes de incidentes relacionados con aeronaves con motores Mazda, y ninguno de ellos fue una falla debido a fallas de diseño o fabricación. [cita requerida ]
Peter Garrison, editor colaborador de la revista Flying , ha dicho que "en mi opinión ... el motor más prometedor para el uso de la aviación es el rotativo Mazda". [134] Los rotores Mazda han funcionado bien cuando se han convertido para su uso en aviones de fabricación propia. Sin embargo, el verdadero desafío en la aviación es producir alternativas certificadas por la FAA a los motores alternativos estándar que impulsan la mayoría de las aeronaves pequeñas de aviación general. Mistral Engines, con sede en Suiza, desarrolló rotativos especialmente diseñados para instalaciones de fábrica y de reacondicionamiento en aeronaves de producción certificadas. Los motores rotativos G-190 y G-230-TS ya estaban volando en el mercado experimental, y Mistral Engines esperaba obtener la certificación FAA y JAA para 2011. A junio de 2010[actualizar], El desarrollo del motor rotativo G-300 cesó y la empresa mencionó problemas de flujo de caja. [135]
Mistral afirma haber superado los desafíos del consumo de combustible inherentes al rotativo, al menos en la medida en que los motores están demostrando un consumo de combustible específico en unos pocos puntos de motores alternativos de cilindrada similar. Si bien el consumo de combustible sigue siendo ligeramente superior al de los motores tradicionales, otros factores beneficiosos lo superan. [136] [137]
Al precio de una mayor complicación para un sistema de inyección de tipo diesel de alta presión, el consumo de combustible en el mismo rango que pre-cámara pequeña motores diesel de automoción e industriales se ha demostrado con los motores de carga estratificada multi-combustible de Curtiss-Wright, preservando al mismo tiempo Wankel ventajas rotativos [ 138] A diferencia de un motor de pistón y válvulas en culata, no hay válvulas que puedan flotar a rpm más altas y causar una pérdida de rendimiento. El Wankel es un diseño más eficaz a altas revoluciones sin piezas recíprocas, muchas menos piezas móviles y sin culata. [139]
La empresa francesa Citroën había desarrollado el helicóptero RE-2 motor Wankel en la década de 1970. [140]
Dado que los motores Wankel operan a una velocidad de rotación relativamente alta , a 6.000 rpm del eje de salida, el rotor hace solo 2.000 vueltas. Con un par relativamente bajo, los aviones propulsados por hélice deben usar una unidad de reducción de velocidad de la hélice para mantener las hélices dentro del rango de velocidad diseñado. Los aviones experimentales con motores Wankel utilizan unidades de reducción de velocidad de hélice, por ejemplo, el motor de doble rotor MidWest tiene una caja de cambios de reducción de 2,95: 1. La velocidad del eje de rotación de un motor Wankel es alta en comparación con los diseños de pistón alternativo. Solo el eje excéntrico gira rápido, mientras que los rotores giran exactamente a un tercio de la velocidad del eje. Si el eje gira a 7500 rpm, los rotores giran a una velocidad mucho más lenta de 2500 rpm. rpm.
Pratt & Whitney Rocketdyne recibió el encargo de DARPA de desarrollar un motor Wankel diésel para su uso en un prototipo de automóvil volador VTOL llamado "Transformer". [83] [84] [85] [86] El motor, basado en un anterior concepto de vehículo aéreo no tripulado Wankel diesel llamado "Endurocore". [87]
El fabricante de planeadores Schleicher utiliza un Austro Engines AE50R Wankel [141] [142] en sus modelos de lanzamiento automático ASK-21 Mi , ASH-26E , [143] ASH-25 M / Mi , ASH-30 Mi , ASH-31 Mi , ASW-22 BLE , y ASG-32 Mi .
En 2013, los aviones e-Go , con sede en Cambridge , Reino Unido, anunció que su nuevo avión monoplaza canard, ganador de un concurso de diseño para cumplir con la nueva categoría desregulada de un solo asiento del Reino Unido, estará propulsado por un motor Wankel de Rotron Power, un fabricante especializado de motores rotativos avanzados para aplicaciones de vehículos aeronáuticos no tripulados (UAV). La primera venta fue en 2016. Se espera que la aeronave alcance una velocidad de crucero de 100 nudos (190 km / h; 120 mph) con un motor Wankel de 30 hp (22 kW), con una economía de combustible de 75 mpg -imp (3.8 L / 100 km; 62 mpg -US ) usando gasolina de motor estándar (MOGAS), el desarrollo de 22 kW (30 CV). [144]
El DA36 E-Star, un avión diseñado por Siemens , Diamond Aircraft y EADS , emplea una serie híbridatren motriz con la hélice girada por un motor eléctrico Siemens de 70 kW (94 hp). El objetivo es reducir el consumo de combustible y las emisiones hasta en un 25%. Un motor rotativo y un generador Wankel de Austro Engines Wankel de 40 hp (30 kW) a bordo proporciona la electricidad. Se elimina una unidad de reducción de velocidad de la hélice. El motor eléctrico utiliza electricidad almacenada en baterías, con el motor del generador apagado, para despegar y ascender reduciendo las emisiones sonoras. El tren de potencia híbrido de serie que utiliza el motor Wankel reduce el peso del avión en 100 kg en comparación con su predecesor. El DA36 E-Star voló por primera vez en junio de 2013, lo que lo convierte en el primer vuelo de un sistema de propulsión híbrido en serie. Diamond Aircraft afirma que la tecnología que utiliza motores Wankel es escalable a un avión de 100 asientos. [145] [146]
Extensor de alcance del vehículo [ editar ]
Debido al tamaño compacto y la alta relación potencia / peso de un motor Wankel, se ha propuesto que los vehículos eléctricos proporcionen potencia adicional como extensores de rango cuando los niveles de batería eléctrica son bajos. Ha habido varios prototipos que incorporan una disposición de tren motriz híbrida en serie . Un motor Wankel utilizado solo como generador tiene ventajas de empaquetado, ruido, vibración y distribución de peso cuando se usa en un vehículo, maximizando el espacio interior para pasajeros y equipaje. El motor / generador puede estar en un extremo del vehículo con los motores eléctricos en el otro, conectados solo por cables delgados. Mitsueo Hitomi, el director global del sistema de propulsión de Mazda, declaró que "un motor rotativo es ideal como extensor de rango porque es compacto y potente, al tiempo que genera bajas vibraciones".[147]
En 2010, Audi presentó un prototipo de automóvil eléctrico híbrido en serie, el A1 e-tron , que incorporaba un pequeño motor Wankel de 250 cc, que funcionaba a 5.000 rpm, que recargaba las baterías del automóvil según fuera necesario y proporcionaba electricidad directamente a la conducción eléctrica. motor. [148] [149] En 2010, FEV Inc dijo que en su prototipo de versión eléctrica del Fiat 500 , se utilizaría un motor Wankel como extensor de alcance. [150] En 2013, Valmet Automotive de Finlandia reveló un automóvil prototipo llamado EVA, que incorpora un automóvil de tren motriz híbrido en serie con motor Wankel, que utiliza un motor fabricado por la empresa alemana Wankel SuperTec. [151]La empresa del Reino Unido, Motores Aixro radiales, ofrece un extensor de rango basado en la cámara de 294cc- kart motor. [152]
Mazda de Japón cesó la producción de motores Wankel de transmisión directa dentro de su gama de modelos en 2012, dejando a la industria del motor en todo el mundo sin automóviles de producción que utilicen el motor. La compañía continúa desarrollando la próxima generación de sus motores Wankel, el SkyActiv-R. Mazda afirma que el SkyActiv-R resuelve los tres problemas clave con los motores rotativos anteriores: economía de combustible, emisiones y confiabilidad. [22] [153] [154] Takashi Yamanouchi , el CEO global de Mazda dijo: "El motor rotativo tiene un desempeño dinámico muy bueno, pero no es tan bueno en economía cuando se acelera y desacelera. Sin embargo, con un extensor de rango se puede utilice un motor rotativo a 2.000 rpm constantes, en su máxima eficiencia. También es compacto ". [71]Todavía no se ha utilizado ningún motor Wankel en esta disposición en vehículos o aviones de producción. Sin embargo, en noviembre de 2013 Mazda anunció a la prensa automovilística un prototipo de automóvil híbrido en serie, el Mazda2 EV , que utiliza un motor Wankel como extensor de rango. El motor generador, ubicado debajo del piso del maletero trasero, es una pequeña unidad de 330 cc de un solo rotor, casi inaudible, que genera 30 hp (22 kW) a 4.500 rpm y mantiene una potencia eléctrica continua de 20 kW. [155] [156] [157] En octubre de 2017, Mazda anunció que el motor rotativo se utilizaría en un automóvil híbrido con 2019/20 como fechas de introducción previstas. [158] [147] [159]
Mazda ha llevado a cabo una investigación sobre el encendido por compresión controlada por chispa ( SPCCI ) en motores rotativos, indicando que cualquier motor rotativo nuevo incorporará SPCCI. SPCCi incorpora encendido por chispa y compresión que combina las ventajas de los motores de gasolina y diésel para lograr los objetivos ambientales, de energía y de consumo de combustible. [79]
Mazda confirmó que un automóvil de rango extendido equipado con rotativo se lanzaría un año a fines de 2020. La arquitectura del motor / motor eléctrico será similar a un Toyota Prius Synergy Drive con tracción total del motor o tracción total del motor eléctrico, o cualquier porcentaje de los dos combinados entre. Puede haber una opción de un banco de baterías más grande para que el vehículo eléctrico funcione completamente con la batería cargándose desde la red, con el motor realizando las funciones duales de un extensor de rango y cargador de batería cuando la carga de la batería es demasiado baja. Cuando funciona con el motor, el motor eléctrico se utiliza para ayudar en la aceleración y despegar desde parado. [160] [24]
Otros usos [ editar ]
Los pequeños motores Wankel se encuentran cada vez más en otras aplicaciones, como karts , [161] [162] embarcaciones de agua personal y unidades de energía auxiliares para aviones. [163] [164] Motor rotativo de refrigeración por mezcla patentado por Kawasaki (patente de EE.UU. 3991722). El fabricante japonés de motores diesel Yanmar y Dolmar-Sachs de Alemania tenían una motosierra con motor rotativo (papel SAE 760642) y motores fuera de borda, y el francés Outils Wolf, fabricado con una cortadora de césped (Rotondor) propulsada por un motor rotativo Wankel. Para ahorrar en costos de producción, el rotor estaba en posición horizontal y no había sellos en la parte inferior. El Graupner /OS 49-PI es un motor Wankel de 1.27 hp (950 W) 5 cc para uso en modelo de avión , que ha estado en producción prácticamente sin cambios desde 1970. Incluso con un silenciador grande, todo el paquete pesa solo 380 gramos (13 oz). [165] [166]
La simplicidad del motor Wankel lo hace muy adecuado para diseños de motores mini, micro y micro-mini. El laboratorio de motores rotativos de sistemas microelectromecánicos (MEMS) de la Universidad de California, Berkeley , ha llevado a cabo investigaciones para el desarrollo de motores Wankel de hasta 1 mm de diámetro, con desplazamientos inferiores a 0,1 cc. Los materiales incluyen silicio y la fuerza motriz incluye aire comprimido. El objetivo de dicha investigación era finalmente desarrollar un motor de combustión interna con la capacidad de entregar 100 milivatios de energía eléctrica; con el propio motor sirviendo como rotor del generador , con imanes integrados en el propio rotor del motor. [167] [168]El desarrollo del motor Wankel en miniatura se detuvo en UC Berkeley al final del contrato de DARPA. Los motores Wankel en miniatura lucharon por mantener la compresión debido a problemas de sellado, similares a los problemas observados en las versiones a gran escala. Además, los motores en miniatura adolecen de una relación superficie / volumen adversa que provoca pérdidas de calor excesivas; el área superficial relativamente grande de las paredes de la cámara de combustión transfiere el poco calor que se genera en el pequeño volumen de combustión, lo que da como resultado un enfriamiento rápido y una baja eficiencia.
Ingersoll-Rand construyó el motor Wankel más grande de la historia, con dos rotores, que estuvo disponible entre 1975 y 1985, produciendo 1.100 hp (820 kW). Una versión de un rotor estaba disponible que producía 550 hp (410 kW). El desplazamiento por rotor fue de 41 litros, con cada rotor de aproximadamente un metro de diámetro. El motor se derivó de un diseño anterior, fallido de Curtiss-Wright , que falló debido a un problema bien conocido con todos los motores de combustión interna : la velocidad fija a la que viaja el frente de la llama limita la distancia que la combustión puede viajar desde el punto de ignición en un tiempo dado, limitando así el tamaño máximo del cilindro o cámara del rotor que se puede utilizar. Este problema se resolvió limitando la velocidad del motor a solo 1200 rpm y el uso degas natural como combustible. Eso fue particularmente bien elegido, ya que uno de los principales usos del motor era impulsar compresores en tuberías de gas natural . [169]
Yanmar de Japón produjo algunos motores rotativos pequeños refrigerados por carga para motosierras y motores fuera de borda. [170] Uno de sus productos es el motor LDR (hueco del rotor en el borde de ataque de la cámara de combustión), que tiene mejores perfiles de emisiones de escape y puertos de admisión controlados por válvulas de láminas, que mejoran el rendimiento de carga parcial y bajas rpm. [171]
En 1971 y 1972, Arctic Cat produjo motos de nieve con motores Sachs KM 914 de 303 cc y KC-24 Wankel de 294 cc fabricados en Alemania.
A principios de la década de 1970, Outboard Marine Corporation vendía motos de nieve bajo las marcas Johnson y otras, que funcionaban con motores OMC de 35 o 45 hp (26 o 34 kW).
Aixro de Alemania produce y vende un motor de karts, con un rotor de cámara de 294 cc refrigerado por carga y carcasas refrigeradas por líquido. Otros fabricantes son: Wankel AG, Cubewano, Rotron y Precision Technology USA.
El tanque estadounidense M1A3 Abrams utilizará una APU diesel rotativa, [172] desarrollada por el laboratorio de la TARDEC US Army. Tiene un motor rotativo de 330 cc de alta densidad de potencia, modificado para funcionar con varios combustibles, como el combustible para aviones militar estándar JP-8 . [173]
No combustión interna [ editar ]
Además de su uso como motor de combustión interna, el diseño básico de Wankel también se ha utilizado para compresores de gas y sobrealimentadores para motores de combustión interna, pero en estos casos, aunque el diseño aún ofrece ventajas en confiabilidad, las ventajas básicas del Wankel en el tamaño y el peso sobre el motor de combustión interna de cuatro tiempos son irrelevantes. En un diseño que utiliza un sobrealimentador Wankel en un motor Wankel, el sobrealimentador tiene el doble del tamaño del motor.
El diseño de Wankel se utiliza en el sistema de pretensado del cinturón de seguridad [174] en algunos automóviles Mercedes-Benz [175] y Volkswagen [176] . Cuando los sensores de desaceleración detectan un posible choque, pequeños cartuchos explosivos se activan eléctricamente y el gas presurizado resultante se alimenta a los diminutos motores Wankel que giran para eliminar la holgura en los sistemas de cinturones de seguridad, anclando firmemente al conductor y a los pasajeros en el asiento antes de que se produzca un accidente. colisión. [177]
Ver también [ editar ]
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- Máquina Gunderson Do-All
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- Motor Mazda Wankel
- Mercedes-Benz M950F
- Mercedes-Benz C111
- OS Engines , el único fabricante autorizado de motores modelo Wankel
- Motor rotativo sin pistón
- Cuasiturbina
- Motor RKM
- Categoría: Aviones con motor Wankel
- Categoría: Coches propulsados por motores Wankel
- Categoría: Motocicletas propulsadas por motores Wankel
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Referencias [ editar ]
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Enlaces externos [ editar ]
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el motor Wankel . |
- Patente de EE. UU. 2,988,008
- Cómo funcionan los motores Wankel , cómo funcionan las cosas , consultado el 14 de agosto de 2012
- Wankel Engine , Motores animados, Keveney
- Cómo y por qué un motor debe revolucionar sin problemas , Reino Unido: Citroën Net , consultado el 14 de agosto de 2012
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