Un motor axial (a veces conocido como motor de barril o motor de manivela 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 estén espaciados uniformemente alrededor del cigüeñal central y alineados paralelos al eje del cigüeñal), mientras que la manivela en Z alude a la forma del cigüeñal.
Como motor de levas , un motor axial puede usar un plato cíclico o una placa oscilante para traducir el movimiento del pistón en rotación. Una placa oscilante es similar a una placa cíclica, en que los pistones presionan la placa en secuencia, impartiendo un momento lateral que se traduce en movimiento giratorio. Este movimiento se puede simular colocando un disco compacto sobre un rodamiento de bolas en su centro y presionando hacia abajo en lugares progresivos alrededor de su circunferencia. La diferencia es que mientras un plato oscilante gira, un plato cíclico gira. [1] Un diseño alternativo, el motor de levas Rand, reemplaza la placa con una o más superficies de levas sinusoidales . Las paletas montadas paralelas a un eje montado dentro de un "barril" cilíndrico que pueden deslizarse libremente hacia arriba y hacia abajo montan la leva sinuosa, los segmentos formados por el rotor, las paredes del estator y las paletas constituyen las cámaras de combustión. En efecto, estos espacios tienen el mismo propósito que los cilindros de un motor axial, y la superficie sinuosa de la leva actúa como la cara de los pistones. En otros aspectos, esta forma sigue los ciclos normales de combustión interna, pero con el gas quemado impartiendo directamente una fuerza sobre la superficie de la leva, traducida en una fuerza de rotación al sincronizar una o más detonaciones. Este diseño elimina los múltiples pistones recíprocos, rótulas y plato oscilante de un motor de "barril" convencional, pero depende crucialmente del sellado efectivo proporcionado por las superficies deslizantes y giratorias. [2]
La ventaja clave 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 , ambos tipos tienen cilindros en ángulo recto con el eje. Como resultado, es un motor cilíndrico muy compacto, lo que permite variar la relación de compresión del motor mientras está en marcha. En un motor de plato cíclico, los vástagos del pistón permanecen paralelos al eje y las fuerzas laterales del pistón que causan un desgaste excesivo pueden eliminarse 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 viables los motores axiales a las velocidades de funcionamiento típicas del motor, 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 es útil para vehículos aéreos livianos. aplicaciones. El atractivo de los motores ligeros y mecánicamente simples (muchas menos piezas móviles importantes, en forma de rotor más doce paletas axiales que forman veinticuatro cámaras de combustión), incluso con una vida útil finita, tiene una aplicación obvia para los pequeños aviones no tripulados.
En 1911 la Macomber Rotary Engine Company de Los Ángeles comercializó uno de los primeros motores axiales de combustión interna, fabricado por la Avis Engine Company de Allston, Massachusetts . Una unidad de cuatro tiempos refrigerada por aire, tenía siete cilindros y una relación de compresión variable, alterada cambiando el ángulo de la placa oscilante y, por tanto, la longitud de la carrera del pistón. [3] Se le llamó "motor rotativo", porque todo el motor giraba aparte de las carcasas de los extremos.
El encendido se realizaba mediante un magneto Bosch accionado directamente desde los engranajes de leva. Luego, la corriente de alto voltaje se llevaba a un electrodo fijo en la caja del cojinete delantero, desde donde las chispas saltaban a las bujías en las culatas cuando pasaban a 1 ⁄ 16 de pulgada (1,6 mm) de él. Según la literatura de Macomber, estaba "garantizado que no se sobrecalentaría".
Se afirmó 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 (230 libras) y medía 710 mm (28 pulgadas) de largo por 480 mm (19 pulgadas) de diámetro.
El aviador pionero Charles Francis Walsh voló un avión propulsado por un motor Macomber en mayo de 1911, el "Walsh Silver Dart". [4]
En 1913, Statax-Motor de Zúrich , Suiza, introdujo un diseño de motor de plato cíclico. Sólo se produjo un prototipo, que actualmente se conserva en el Museo de Ciencias de Londres . En 1914, la empresa se trasladó a Londres para convertirse en Statax Engine Company y planeó introducir una serie de motores rotativos ; un 3 cilindros de 10 CV, un 5 cilindros de 40 CV, un 7 cilindros de 80 CV y un 10 cilindros de 100 CV. [5]
Parece que sólo se produjo el diseño de 40 hp, que se instaló en un Caudron G.II para el Derby Aéreo Británico de 1914 , pero fue retirado antes del vuelo. Hansen introdujo una versión totalmente de aluminio de este diseño en 1922, pero no está claro si lo produjeron en alguna cantidad. La división alemana de Statax introdujo versiones muy mejoradas en 1929, que producían 42 hp en una nueva versión de válvula de manga conocida como 29B . Greenwood y Raymond de San Francisco adquirieron los derechos de patente para Estados Unidos, Canadá y Japón, y planearon un motor de 5 cilindros de 100 CV y uno de 9 cilindros de 350 CV.
En 1917, Anthony Michell obtuvo patentes para el diseño de su motor de plato cíclico. Su característica única era el medio de transferir la carga de los pistones al plato cíclico, lo que se lograba mediante zapatas 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 Crankless Engines Company en Fitzroy (Australia) y produjo prototipos funcionales de bombas, compresores, motores de automóviles y motores aeronáuticos, todos ellos basados en el mismo diseño básico. [6]
El diseñador de motores Phil Irving trabajó para Crankless Engine Company antes de trabajar en HRD .
Varias empresas obtuvieron una licencia de fabricación para el diseño de Michell. La más exitosa de ellas fue la empresa británica Waller and Son, que producía 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] Consta de 18 pistones, tenía una potencia de 2000 caballos de fuerza 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 a mediados de la década de 1920 el Almen A-4 refrigerado por agua (18 cilindros, dos grupos de nueve cada uno horizontalmente). opuesto) había pasado las pruebas de aceptación del Cuerpo Aéreo del Ejército de los Estados Unidos . Sin embargo, nunca entró en producción, supuestamente 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 más pequeña que los motores refrigerados por agua de potencia comparable y, por lo tanto, ofrecía mejores posibilidades de racionalización. Tenía una potencia de 425 hp (317 kW) y pesaba sólo 749 libras (340 kg), lo que proporcionaba una relación potencia/peso superior a 1:2, un logro de diseño considerable en ese momento. [9]
Heraclio Alfaro Fournier fue un aviador español que fue nombrado caballero a la edad de 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 más tarde fue producido por la Indian Motocycle Manufacturing Company como Alfaro . Era un ejemplo perfecto del diseño "ponerlo todo", ya que incluía un sistema de válvula de manga basado en una culata giratoria, un diseño que nunca entró en producción en ningún motor. Posteriormente 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 de Bristol de mediados de la década de 1930 fue diseñado por Charles Benjamin Redrup para Bristol Tramways and Carriage Company ; Era un motor de 7 litros y 9 cilindros con plato oscilante. Inicialmente fue concebido como 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 de Bristol a finales de la década de 1930, pasando por varias versiones del motor, desde RR1 hasta RR4, que tenía una potencia de 145 CV a 2900 rpm. El desarrollo se detuvo en 1936 tras un cambio de dirección en la empresa de Bristol. [12]
Quizás el más refinado de los diseños fue el motor de placa oscilante británico Wooler de 1947. Este motor de 6 cilindros fue diseñado por John Wooler, más conocido como diseñador de motores de motocicletas, para uso en aviones. 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 plato cíclico. [13] Un solo ejemplo se conserva en la Galería de Aviones del Museo de Ciencias de Londres.
Algunos motores de barril pequeño fueron producidos por HLF Trebert Engine Works [14] de Rochester, Nueva York, 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 latón que trabajaron para Studebaker en 1916. Vendieron los derechos a Karl Herrmann, jefe de ingeniería de Studebaker, quien desarrolló el concepto durante muchos años. años, y finalmente obtuvo la patente estadounidense 2237989 en 1941. [15] Tiene 6 pistones de doble extremo que funcionan en 6 cilindros y sus 12 cámaras de combustión se activan en cada revolución del eje de transmisión. Los pistones accionan una leva en forma de seno, a diferencia de un plato cíclico o un plato 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 fundó 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 estuvo en funcionamiento durante aproximadamente 700 horas desde 1987 hasta 1991. Su motor de mayor duración funcionó durante casi 4000 horas antes de su revisión. Dyna-Cam abrió una instalación de investigación y desarrollo alrededor de 1993 y ganó varios premios 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, [ se necesita aclaración ] y la Alianza Tecnológica Regional de Los Ángeles para diferentes variaciones del mismo motor Dyna-Cam. El Grupo Herrmann construyó alrededor de 40 prototipos de motores y el Grupo Dyna-Cam construyó otros 25 desde que adquirieron el motor y abrieron su taller. Se concedió una nueva patente a Dennis Palmer y Edward Palmer, primero en 1985 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 en esta lista, sufre el problema de "poner todo", incluidas válvulas y encendido piezoeléctricos , camisas de cilindros de cerámica sin anillos de pistón y una variedad de otras características avanzadas. Tiene poca similitud con los motores Herrmann y Dyna-Cam originales, ya que el motor Dyna-Cam usaba válvulas, anillos de pistón y accesorios convencionales, no tenía materiales cerámicos no probados y, de hecho, volaba en un avión y también propulsaba un avión de 20 pies (6,1 m). ) Barco de esquí "Eliminator" desde hace más de cuatro años.
La empresa británica Covaxe Limited (conocida como FairDiesel Limited hasta 2017) está diseñando motores diésel de dos tiempos con pistones opuestos y cilindros opuestos que utilizan levas no sinusoidales, para aplicaciones industriales y de aviación. Los diseños de sus motores van desde 2 cilindros y 80 mm de diámetro hasta 32 cilindros y 160 mm de diámetro. [17]
La empresa neozelandesa Duke Engines, fundada en 1993, creó varios motores diferentes e instaló uno en un automóvil en 1999. El motor funciona con una plataforma de motor de combustión interna de 5 cilindros, 3 litros y 4 tiempos con su disposición axial única, que se encuentra en su tercera generación. Debido a un diseño sin válvulas, el motor Duke pierde menos energía entre las carreras de potencia. [18] Los prototipos actuales de los motores de Duke afirman igualar 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, la Duke ha sido probada en MAHLE Powertrain en el Reino Unido y Estados Unidos; Los resultados de las pruebas muestran que tiene capacidades de múltiples combustibles. [19] Los beneficios de ligereza y compacidad del motor Duke deberían hacer que este diseño sea ideal para motores de motocicletas; Y estos beneficios podrían hacer que el motor también 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 construcción española, pistones paralelos trabajando en oposición, plato cíclico sinusoidal, en 2023 con dos versiones, un coche de tamaño, con refrigeración líquida, como prototipo, y un cuatro cilindros refrigerado por aire, 125 cc, 22 CV, 4,5 kg. unidad, dirigida a drones y grandes aeromodelos, en etapa de preproducción. [21]
El módulo de energía cilíndrico (CEM) es un motor de plato cíclico de onda sinusoidal que también se puede utilizar como bomba independiente, alimentada por una fuente externa. El conjunto del rotor del plato cíclico giratorio se mueve hacia adelante y hacia atrás con la ayuda de pasadores de accionamiento del pistón, que siguen una pista de leva sinusoidal estacionaria que rodea el conjunto del rotor. [ cita necesaria ]
Actualmente, la empresa estadounidense Devize Motors está desarrollando un nuevo motor que utiliza pistones opuestos. [22]
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