Un motor axial (a veces conocido como motor de barril o motor de cigüeñal en Z ) es un tipo de motor alternativo con pistones dispuestos alrededor de un eje de salida con sus ejes paralelos al eje. El barril se refiere a la forma cilíndrica del grupo de cilindros (resultado de que los pistones están espaciados uniformemente alrededor del cigüeñal central y alineados en paralelo al eje del cigüeñal), mientras que el cigüeñal en Z alude a la forma del cigüeñal.
Como motor de levas , un motor axial puede utilizar un plato oscilante o un plato oscilante para traducir el movimiento del pistón en rotación. Un plato oscilante es similar a un plato oscilante, en el sentido de que los pistones presionan el plato en secuencia, impartiendo un momento lateral que se traduce en movimiento rotatorio. Este movimiento se puede simular colocando un disco compacto sobre un cojinete de bolas en su centro y presionando hacia abajo en lugares progresivos alrededor de su circunferencia. La diferencia es que mientras que un plato oscilante nuta, un plato oscilante gira. [1] Un diseño alternativo, el motor de levas Rand, reemplaza el plato con una o más superficies de leva sinusoidales . Las paletas montadas paralelas a un eje montado dentro de un 'barril' cilíndrico que son libres de deslizarse hacia arriba y hacia abajo montan la leva sinuosa, los segmentos formados por el rotor, las paredes del estator y las paletas constituyen cámaras de combustión. En efecto, estos espacios cumplen la misma función que los cilindros de un motor axial, y la superficie de leva sinuosa actúa como la cara de los pistones. En otros aspectos, esta forma sigue los ciclos normales de combustión interna, pero el gas quemado imparte directamente una fuerza sobre la superficie de la leva, que se traduce en una fuerza rotacional al sincronizar una o más detonaciones. Este diseño elimina los múltiples pistones recíprocos, las rótulas y la placa oscilante de un motor de "barril" convencional, pero depende fundamentalmente del sellado efectivo proporcionado por superficies deslizantes y giratorias. [2]
La principal ventaja del diseño axial es que los cilindros están dispuestos en paralelo alrededor del eje de salida/cigüeñal, a diferencia de los motores radiales y en línea , en los que ambos tipos tienen cilindros en ángulo recto con el eje. Como resultado, es un motor muy compacto y cilíndrico, lo que permite la variación en la relación de compresión del motor durante el funcionamiento. En un motor de plato oscilante, las bielas se mantienen paralelas al eje y las fuerzas laterales del pistón que provocan un desgaste excesivo se pueden eliminar casi por completo. Se elimina el cojinete del extremo pequeño de una biela tradicional, uno de los cojinetes más problemáticos en un motor tradicional.
Si bien es difícil hacer que los motores axiales sean viables a las velocidades de operación típicas de los motores, se han probado algunos motores de levas que ofrecen un tamaño extremadamente compacto (aproximadamente un cubo de seis pulgadas [150 mm]) pero que producen aproximadamente cuarenta caballos de fuerza a aproximadamente 7000 rpm, lo que resulta útil para aplicaciones aéreas ligeras. El atractivo de los motores livianos y mecánicamente simples (muchas menos partes móviles importantes, en forma de un rotor más doce álabes axiales que forman veinticuatro cámaras de combustión), incluso con una vida útil finita, tiene una aplicación obvia para aeronaves pequeñas no tripuladas.
En 1911, la Macomber Rotary Engine Company de Los Ángeles comercializó uno de los primeros motores de combustión interna axial, fabricado por la Avis Engine Company de Allston, Massachusetts . Se trataba de una unidad de cuatro tiempos refrigerada por aire, con siete cilindros y una relación de compresión variable, que se modificaba modificando el ángulo de la placa oscilante y, por lo tanto, la longitud de la carrera del pistón. [3] Se le denominaba "motor rotatorio", porque todo el motor giraba aparte de las carcasas de los extremos.
El encendido lo suministraba un magneto Bosch accionado directamente desde los engranajes de levas. La corriente de alto voltaje se llevaba luego a un electrodo fijo en la caja de cojinetes delantera, desde donde saltaban las chispas hacia las bujías en las culatas cuando pasaban a 1 ⁄ 16 pulgadas (1,6 mm) de él. Según la literatura de Macomber, estaba "garantizado que no se sobrecalentaría".
Se decía que el motor podía funcionar entre 150 y 1.500 rpm. A la velocidad normal de 1.000 rpm, desarrollaba 50 CV. Pesaba 100 kg y tenía 710 mm de largo por 480 mm de diámetro.
El aviador pionero Charles Francis Walsh voló en mayo de 1911 en un avión propulsado por un motor Macomber, el "Walsh Silver Dart". [4]
En 1913, la empresa Statax-Motor de Zúrich (Suiza) introdujo un motor de plato cíclico. Solo se fabricó un único prototipo, que actualmente se conserva en el Museo de Ciencias de Londres . En 1914, la empresa se trasladó a Londres para convertirse en la empresa Statax Engine Company y planeó introducir una serie de motores rotativos : uno de 3 cilindros de 10 CV, uno de 5 cilindros de 40 CV, uno de 7 cilindros de 80 CV y uno de 10 cilindros de 100 CV. [5]
Parece que solo se fabricó el diseño de 40 hp, que se instaló en un Caudron G.II para el Derby aéreo británico de 1914 , pero se retiró antes del vuelo. Hansen presentó una versión totalmente de aluminio de este diseño en 1922, pero no está claro si la produjeron en alguna cantidad. La división alemana de Statax presentó versiones muy mejoradas en 1929, que producían 42 hp en una nueva versión con válvula de manguito conocida como 29B . Greenwood y Raymond de San Francisco adquirieron los derechos de patente para los EE. UU., Canadá y Japón, y planearon un motor de 5 cilindros de 100 hp y un motor de 9 cilindros de 350 hp.
En 1917, Anthony Michell obtuvo patentes para el diseño de su motor de plato cíclico. Su característica única era la forma de transferir la carga de los pistones al plato cíclico, lograda mediante patines basculantes que se deslizaban sobre una película de aceite. Otra innovación de Michell fue su análisis matemático del diseño mecánico, incluida la masa y el movimiento de los componentes, de modo que sus motores estuvieran en perfecto equilibrio dinámico a todas las velocidades.
En 1920 Michell fundó la Crankless Engines Company en Fitzroy (Australia) y produjo prototipos funcionales de bombas, compresores, motores de automóviles y motores de aviación, todos basados en el mismo diseño básico. [6]
El diseñador de motores Phil Irving trabajó para Crankless Engine Company antes de su tiempo en HRD .
Varias empresas obtuvieron una licencia de fabricación para el diseño de Michell. La más exitosa de ellas fue la británica Waller and Son, que produjo propulsores de gas. [7]
El motor sin cigüeñal Michell más grande fue el XB-4070, un motor de avión diésel construido para la Armada de los Estados Unidos. [8] Constaba de 18 pistones, tenía una potencia nominal de 2000 caballos y pesaba 2150 libras.
Los motores de barril experimentales para uso aeronáutico fueron construidos y probados por el estadounidense John O. Almen de Seattle, Washington a principios de la década de 1920, y para mediados de esa década el Almen A-4 refrigerado por agua (18 cilindros, dos grupos de nueve cada uno opuestos horizontalmente) había pasado las pruebas de aceptación del Cuerpo Aéreo del Ejército de los Estados Unidos . Sin embargo, nunca entró en producción, al parecer debido a los fondos limitados y al creciente énfasis del Cuerpo Aéreo en los motores radiales refrigerados por aire . El A-4 tenía un área frontal mucho menor que los motores refrigerados por agua de potencia de salida comparable, y por lo tanto ofrecía mejores posibilidades de aerodinámica. Tenía una potencia nominal de 425 hp (317 kW) y pesaba solo 749 libras (340 kg), lo que le daba una relación potencia/peso mejor que 1:2, un logro de diseño considerable en ese momento. [9]
Heraclio Alfaro Fournier fue un aviador español que fue nombrado caballero a los 18 años por el rey Alfonso XIII de España por diseñar, construir y volar el primer avión de España. [10] Desarrolló un motor de barril para uso aeronáutico que luego fue producido por la Indian Motocycle Manufacturing Company como Alfaro . Fue un ejemplo perfecto del diseño "puesto en todo", ya que incluía un sistema de válvula de manguito basado en una culata giratoria, un diseño que nunca entró en producción en ningún motor. Más tarde fue desarrollado para su uso en el helicóptero Doman por Stephen duPont, hijo del presidente de la Indian Motorcycle Company, que había sido uno de los estudiantes de Alfaro en el Instituto Tecnológico de Massachusetts . [11]
El motor axial Bristol de mediados de la década de 1930 fue diseñado por Charles Benjamin Redrup para la Bristol Tramways and Carriage Company ; era un motor de 7 litros, 9 cilindros y placas oscilantes. Originalmente fue concebido como una unidad de potencia para autobuses, posiblemente porque su formato compacto permitiría instalarlo debajo del piso del vehículo. El motor tenía una sola válvula rotativa para controlar la inducción y el escape. Se utilizaron varias variantes en los autobuses Bristol a fines de la década de 1930, y el motor pasó por varias versiones desde la RR1 hasta la RR4, que tenía una potencia de salida de 145 hp a 2900 rpm. El desarrollo se detuvo en 1936 después de un cambio de administración en la empresa Bristol. [12]
Quizás el diseño más refinado fue el motor de placas oscilantes Wooler británico de 1947. Este motor de 6 cilindros fue diseñado por John Wooler, más conocido como diseñador de motores de motocicletas, para uso aeronáutico. Era similar al motor axial Bristol, pero tenía dos placas oscilantes, impulsadas por 12 pistones opuestos en 6 cilindros. A menudo se hace referencia incorrectamente al motor como motor de placas oscilantes. [13] Se conserva un solo ejemplo en la Galería de Aeroplanos del Museo de Ciencias de Londres.
La empresa HLF Trebert Engine Works [14] de Rochester, Nueva York, fabricó algunos motores de barril pequeños para uso marino.
El motor Dyna-Cam surgió originalmente de un diseño de los hermanos Blazer, dos ingenieros estadounidenses de la industria automotriz de la era del bronce que trabajaron para Studebaker en 1916. Vendieron los derechos a Karl Herrmann, el jefe de ingeniería de Studebaker, quien desarrolló el concepto durante muchos años, y finalmente obtuvo la patente estadounidense 2237989 en 1941. [15] Tiene 6 pistones de doble extremo que trabajan en 6 cilindros, y sus 12 cámaras de combustión se encienden en cada revolución del eje de transmisión. Los pistones impulsan una leva en forma de seno, a diferencia de un plato cíclico o de placa oscilante, de ahí su nombre.
En 1961, a la edad de 80 años, Herrmann vendió los derechos a uno de sus empleados, Edward Palmer, quien creó la Dyna-Cam Engine Corp. junto con su hijo Dennis. El hijo de Edward, Dennis, y su hija Pat ayudaron a instalar el motor en un avión Piper Arrow . El motor voló durante aproximadamente 700 horas entre 1987 y 1991. Su motor de mayor vida útil funcionó durante casi 4000 horas antes de la revisión. Dyna-Cam abrió un centro de investigación y desarrollo alrededor de 1993 y ganó muchos premios diversos de la NASA, la Marina de los Estados Unidos, el Cuerpo de Marines de los Estados Unidos, la Comisión de Energía de California, el Distrito de Gestión de la Calidad del Aire, [ aclaración necesaria ] y la Alianza Tecnológica Regional de Los Ángeles por diferentes variaciones del mismo motor Dyna-Cam. El Grupo Herrmann construyó alrededor de 40 prototipos de motores y otros 25 construidos por el Grupo Dyna-Cam desde que adquirieron el motor y abrieron su taller. En 1985 se concedió una nueva patente a Dennis Palmer y Edward Palmer, y luego varias más alrededor del año 2000 a Dennis Palmer. En 2003, los activos de Dyna-Cam Engine Corporation fueron adquiridos por Aero-Marine Corporation, que cambió su nombre a Axial Vector Engine Corporation. [16] Axial Vector luego rediseñó totalmente el motor de levas. El nuevo motor de Axial Vector, como muchos de los otros de esta lista, sufre del problema de "poner todo en su lugar", incluidas las válvulas piezoeléctricas y el encendido, los revestimientos cerámicos de los cilindros sin aros de pistón y una variedad de otras características avanzadas. Tiene poca similitud con los motores originales Herrmann y Dyna-Cam, ya que el motor Dyna-Cam usaba válvulas, aros de pistón y accesorios convencionales, no tenía materiales cerámicos no probados y, de hecho, voló en un avión y también impulsó un barco de esquí "Eliminator" de 20 pies (6,1 m) durante más de cuatro años.
La empresa británica Covaxe Limited (conocida hasta 2017 como FairDiesel Limited) diseña motores diésel de dos tiempos con pistones opuestos que utilizan levas no sinusoidales para aplicaciones industriales y de aviación. Sus diseños de motores varían desde los de 2 cilindros con un diámetro de 80 mm hasta los de 32 cilindros con un diámetro de 160 mm. [17]
La empresa neozelandesa Duke Engines, fundada en 1993, ha creado varios motores diferentes e instalado uno en un coche en 1999. El motor utiliza una plataforma de motor de combustión interna de 5 cilindros, 3 litros y 4 tiempos con su disposición axial única, que está en su tercera generación. Debido a un diseño sin válvulas, el motor Duke pierde menos energía entre los tiempos de potencia. [18] Los prototipos actuales de los motores Duke afirman que coinciden con las características de los motores de combustión interna convencionales, pero con menos piezas y un 30% más ligeros. Esto va en la dirección de desarrollar un motor más eficiente. Durante el desarrollo, el Duke se ha probado en MAHLE Powertrain en el Reino Unido y en los Estados Unidos; los resultados de las pruebas muestran que tiene capacidades multicombustible. [19] Los beneficios del motor Duke de ligereza y compacidad deberían hacer que este diseño sea ideal para motores de motocicletas; y estos beneficios también podrían hacer que el motor sea adecuado para aviones ligeros. [20] (Hay pocos datos sobre si el motor Duke es suave; el eje principal tiene un gran contrapeso adjunto).
Un diseño clásico de fabricación española, de pistones paralelos trabajando en oposición, plato cíclico senoidal, en 2023 con dos versiones, una de tamaño turismo, con refrigeración líquida, como prototipo, y una unidad de cuatro cilindros, 125 cc, 22 CV, 4,5 kg, refrigerada por aire, destinada a drones y grandes aeromodelos, en fase de preproducción. [21]
El módulo de energía cilíndrica (CEM) es un motor de plato oscilante de onda sinusoidal que también se puede utilizar como una bomba independiente, alimentada por una fuente externa. El conjunto de rotor de plato oscilante giratorio se mueve hacia adelante y hacia atrás con la ayuda de pasadores de accionamiento de pistón, que siguen una pista de leva sinusoidal estacionaria que rodea el conjunto de rotor. [ cita requerida ]
El CEM fue diseñado por el inventor estadounidense Eddie Paul , originalmente para su uso en bombas contra incendios . Más tarde se adaptó para su uso en automóviles y se planeó su uso en el proyecto Duesenberg Torpedo Coupe, que no se realizó, en 2005. Como motor del Coupe, el CEM rotaría sobre un eje, succionando combustible y proporcionando autolubricación y era capaz de funcionar con gasolina o diésel . También supuestamente generaría solo 1/6 del calor de un motor convencional, lo que significa que la refrigeración por aire sería suficiente. [22] [23]
Una empresa estadounidense, Devize Motors, está desarrollando actualmente un nuevo motor que utiliza pistones opuestos. [24]
[29]