Un motor de discos nutantes (también llamado a veces motor de disco ) es un motor de combustión interna que consta fundamentalmente de una parte móvil y un accionamiento directo sobre el cigüeñal . Patentado inicialmente en 1993, se diferencia de los motores de combustión interna anteriores en varios aspectos y utiliza un movimiento nutante oscilante o de balanceo circular , que se inspira en gran medida en motores de vapor similares desarrollados en el siglo XIX y es similar al movimiento de la parte no giratoria de un plato oscilante en un motor de plato oscilante .
En su configuración básica, el núcleo del motor es un disco nutante no giratorio, con el centro de su cubo montado en el medio de un eje en forma de Z. Los dos extremos del eje giran , mientras que el disco "nuta" (realiza un movimiento de tambaleo sin girar alrededor de su eje). El movimiento de la circunferencia del disco describe una porción de una esfera . Una parte del área del disco se utiliza para la admisión y la compresión , una parte se utiliza para sellar contra una carcasa central y la parte restante se utiliza para la expansión y el escape . El aire comprimido se admite en un acumulador externo y luego en una cámara de combustión externa antes de ser admitido en el lado de potencia del disco. La cámara de combustión externa permite que el motor use combustible diésel en tamaños de motor pequeños, lo que le otorga capacidades únicas para la propulsión de vehículos aéreos no tripulados y otras aplicaciones. Un beneficio significativo del motor nutante es la superposición de las carreras de potencia.
La potencia se transmite directamente al eje de salida (el cigüeñal ), lo que elimina por completo la necesidad de conexiones complicadas esenciales en un motor de pistón convencional (para convertir el movimiento lineal del pistón en un movimiento de salida giratorio). Dado que el disco no gira, las velocidades del sello son inferiores a las de un motor de pistón de combustión interna equivalente. Sin embargo, la longitud total del sello es bastante larga, lo que puede anular esta ventaja.
El disco se tambalea dentro de una carcasa y, en su versión más simple, la mitad del disco único (un lóbulo) realiza la función de admisión/compresión mientras que el otro lóbulo realiza la función de potencia/escape. Los lóbulos del disco se pueden configurar para tener volúmenes de compresión y expansión iguales, o para que el volumen de compresión sea mayor o menor que el volumen de expansión. Esto significa que el motor puede ser autosobrealimentado (ver sobrealimentador ) o funcionar como un ciclo Miller / ciclo Atkinson .
En 1993, Leonard Meyer, de Illinois, recibió la patente estadounidense número 5.251.594 por un "motor de combustión interna con disco nutante". [1] El motor nutante Meyer es un nuevo tipo de motor de combustión interna con una densidad de potencia mayor que los motores de pistón alternativos convencionales y que puede funcionar con una variedad de combustibles, incluidos la gasolina, los combustibles pesados y el hidrógeno. La patente hacía referencia a varios motores nutantes del siglo XX en los Estados Unidos, pero no hacía referencia alguna al motor Dakeyne original, descrito a continuación, en su estado de la técnica. La similitud con su predecesor hidráulico de 166 años es sorprendentemente evidente, siendo el principal cambio que el disco no es completamente plano sino ligeramente convexo.
Los detalles de funcionamiento y el potencial del motor de disco nutante Meyer han sido descritos por el Profesor T. Alexander (publicado como T. Korakianitis) y colaboradores. [2] [3] [4] [5]
Un único prototipo se ha utilizado brevemente con su propia potencia, con una relación potencia-peso igual a la de los motores de cuatro tiempos actuales típicos. Los autores del informe de evaluación técnica del desarrollador/Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU./NASA afirman que una versión de producción del nuevo motor (para aplicaciones UAV) podría proporcionar una relación potencia-peso de 1,6 hp/lb o 2,7 kW/kg. [6] Esto es ligeramente mejor que los motores de producción automovilística actuales [7], pero ni de lejos se acerca al Graupner G58 [8] o al Desert Air DA 150. [9]
Una empresa llamada McMasters, anteriormente dirigida por el exitoso empresario estadounidense Harold McMaster , también está desarrollando un motor nutante que quema una mezcla de hidrógeno puro y oxígeno puro que, según afirma, dará 200 caballos de fuerza pero pesará solo una décima parte de los motores automotrices de producción de gasolina/aire con la misma potencia. Hasta ahora, la empresa McMasters afirma haber gastado $ 10 millones en su desarrollo. También se están haciendo planes para desarrollar una versión "del tamaño de una lata de café" que se puede construir directamente en los cubos de las ruedas, eliminando por completo el tren de transmisión tradicional. Este concepto se intentó por primera vez en el British Leyland Mini Moke [ cita requerida ] pero, en ese momento, se vio gravemente obstaculizado por la falta de sincronización confiable, que ahora es más común debido a los omnipresentes chips de computadora modernos miniaturizados integrados . McMasters también está planeando una versión impulsada por gasolina , que se afirma que brinda un funcionamiento sustancialmente más limpio que los motores tradicionales. [10]
En la década de 1820, los propietarios del molino Edward y James Dakeyne de Darley Dale , Derbyshire , diseñaron y construyeron un motor hidráulico (un motor de agua ) conocido como "The Romping Lion", basado en los mismos principios, para aprovechar el agua a alta presión disponible cerca de su molino. Poco se sabe de su motor, aparte de la descripción algo confusa que acompaña a la patente, que se concedió en 1830. Sus piezas principales se fabricaron en la fundición Morley Park cerca de Heage , y pesaba 7 toneladas y generaba 35 caballos de fuerza a una altura de 96 pies de agua. Frank Nixon en su libro "The Industrial Archaeology of Derbyshire" (1969) comentó que "La característica más sorprendente de esta ingeniosa máquina es quizás la dificultad que experimentaron quienes intentaban describirla; los titulares de la patente y Stephen Glover solo lograron producir descripciones de una incomprensibilidad monumental". [11]
Se construyó un modelo más grande para drenar las minas de plomo en Alport, cerca de Youlgreave , y posteriormente otras personas construyeron muchas versiones a vapor.
Los primeros en desarrollar motores de disco a vapor basados en el diseño de Dakeynes fueron George Davies y Henry Taylor, quienes patentaron su motor en 1836. Estaba equipado con válvulas para controlar la admisión de vapor y también se diferenciaba de la versión de Dakeynes en que el eje del motor era horizontal y la carcasa del motor giraba alrededor del disco, al contrario del original. Durante los siguientes ocho años se produjeron más patentes, principalmente introduciendo el funcionamiento expansivo y mejorando el sellado del motor.
En 1836, Davies y Taylor otorgaron los derechos de fabricación del motor a Fardon y Gossage, propietarios de una salina. Al mismo tiempo, Davies trabajaba en un remolcador de canal con un motor de disco que impulsaba una rueda de paletas en la popa. En 1838, se utilizaba un motor de 5 hp en la salina para bombear salmuera.
En 1839, Davies, Taylor, Fardon y Gossage cedieron los derechos de fabricación del motor a la empresa Birmingham Patent Disc Engine. Como superintendente de la empresa, Henry Davies era responsable de todo el diseño y la fabricación, mientras que Gossage era director. En febrero de 1841, la Junta informó que se habían completado 26 motores, que se estaban construyendo otros motores con una potencia total de 260 caballos de fuerza y que se había encargado un total de 500 caballos de fuerza. Podían fabricar motores de entre 5 y 30 caballos de fuerza y, en ese momento, estaban fabricando motores para un vagón de ferrocarril. Un artículo en una revista francesa de 1841 informó que un motor de 12 caballos de fuerza había estado en uso durante seis meses como motor de bobinado en la mina Corbyn's Hall, Dudley , que podía levantar una carga de 1 tonelada a 180 pies en 1 minuto. Los motores de disco costaban desde 96 libras esterlinas para una máquina de 8 caballos de fuerza hasta 300 libras esterlinas para un modelo de 30 caballos de fuerza.
Ransomes de Ipswich (quienes más tarde se convertirían en los conocidos ingenieros agrícolas Ransomes y Sims) exhibieron una máquina de vapor portátil en el Royal Liverpool Show de 1841, impulsada por un motor de disco BPDE de 5 hp.
En 1840 , se estaba utilizando un barco fluvial, The Experiment , impulsado por un motor Davies, para realizar pruebas de hélices y, en 1842, Davies instaló un motor de disco y una bomba de disco en una barcaza fluvial, lo que demostró mediante el vaciado de media milla del canal de Stourbridge. Ese mismo año, se instaló un motor de 5 hp en una de las pinazas del HMS Geyser . Sin embargo, las pruebas en el Támesis y para los directores del canal Grand Junction no convencieron ni al Almirantazgo ni a los propietarios del canal.
Sin embargo, había un creciente interés en el uso de la energía de vapor en los canales, y la pequeña manga de los barcos de canal favorecía mucho a los motores de disco. Davies vio su oportunidad y construyó un remolcador de canal con casco de hierro con un motor BPDE de 16 hp en 1843. Para minimizar el lavado, instaló cuatro hélices espaciadas a lo largo de un eje a lo largo del barco y encerradas en un tubo debajo de la línea de flotación. Había dos de estas unidades de propulsión una al lado de la otra para un total de 8 hélices. Funcionó lo suficientemente bien como para convencer a los directores del canal de unión de Birmingham y Liverpool para que ordenaran seis remolcadores que pudieran remolcar hasta dieciséis barcazas al día a una velocidad razonable. En uso, un tren de seis a ocho barcazas salía de Ellesmere Port y Wolverhampton cada día, transportando un promedio de 100 toneladas. Lamentablemente, nadie había considerado cómo el tren de barcazas transitaría por las esclusas y los bajíos del canal. Cada uno de estos obstáculos implicaba que el tren debía desengancharse y las barcazas debían ser arrastradas a mano o a caballo a través del obstáculo antes de que el tren pudiera ser reensamblado en el otro lado. Esto anuló los beneficios del remolcador y el tren y en 1845 los directores del canal retiraron los remolcadores del servicio.
En 1844, la BPDE se hundió. [12] El equipo del taller, varios motores terminados y cantidades de trabajo en curso se pusieron a la venta. Durante los procedimientos legales de 1851 tras la quiebra de dos de los principales inversores de la BPDE, se dijo que el motor de discos no había dado beneficios y que haber confiado en él como un activo realizable "era absurdo".
Un competidor de Davies y Taylor fue el ex ingeniero de locomotoras George Daniell Bishopp, quien hizo que Donkin & Co construyera su primer motor en 1840, y se le concedió una patente en 1845. Los socios Barnard William Farey y Bryan Donkin Jr. patentaron mejoras al diseño básico; Donkin había trabajado con Bishopp en su motor original, mientras que Farey era empleado de Donkins.
El motor de Bishopp fue objeto de cierto escepticismo por parte de la prensa especializada cuando se lanzó al mercado, pero Bishopp había optado por volver al diseño original de Dakeyne, que tenía un yugo que absorbía la mayor parte de las fuerzas dinámicas y reducía en gran medida la carga sobre los cojinetes y las juntas. En caso de que hubiera alguna fuga, las juntas eran ajustables. Además, Bishopp encargó la fabricación de sus motores a empresas con reconocidas capacidades de ingeniería en lugar de encargarse de su propia fabricación; además de Donkin's, algunos de sus primeros motores fueron construidos por Joseph Whitworth & Co de Manchester. Otra empresa de ingeniería con muy buena reputación fue G. Rennie and Son de Londres, que estaba tan convencida del potencial del motor que en 1849 contrató a Bishopp como capataz de su fábrica con la responsabilidad específica del motor de discos.
En 1849 se habían vendido varios motores Bishopp y uno se utilizó con gran éxito para hacer funcionar las imprentas del periódico Times , mientras que otro, fabricado por G. Rennie and Son, se utilizó para propulsar el cañonero de hierro HMS Minx . El motor Times había sido construido por Whitworth y se había exhibido en la Gran Exposición de 1851, donde funcionó de manera suave y silenciosa e impresionó a todos los que lo vieron.
En 1853 se compró a Rennie un motor de disco de 13 pulgadas de diámetro para propulsar un cañonero ruso de 55 pies, lo que hacía a una velocidad de 7 nudos (13 km/h; 8,1 mph). [13]
En ese momento, las ventajas del motor de disco fueron enumeradas en 1855 por The Mechanics' Magazine como: [13]
Los motores de disco finalmente cayeron en desuso debido a la competencia de los modernos motores de vapor de alta velocidad, que eran pequeños y ligeros y podían ofrecer características como la combinación de ambos. Además, los motores convencionales no requerían la misma precisión de fabricación que los motores de disco y las fugas de vapor no eran un problema.
El medidor de disco nutante, que utiliza la misma geometría y concepto que el motor original de Dakeyne, [14] [15] es probablemente el medidor de caudal más utilizado en el mundo, y se afirma que más de la mitad de los medidores de agua instalados en instalaciones domésticas en los EE. UU. y Europa son de este tipo. Utilizado durante 150 años, es esencialmente un motor de disco Dakeyne y probablemente fue desarrollado por Farey y Donkin, quienes mencionaron un "medidor de medición de fluido" en su patente de motor de disco de 1850 otorgada en 1850. En 1859, los fabricaba la Buffalo Meter Company de Buffalo, Nueva York .