Un motor de pistón oscilante es un tipo de motor de combustión interna en el que los pistones se mueven en un movimiento circular dentro de un "cilindro" en forma de anillo, acercándose y alejándose entre sí para proporcionar compresión y expansión. Generalmente se utilizan dos juegos de pistones, engranados para moverse en una relación fija mientras giran alrededor del cilindro. En algunas versiones, los pistones oscilan alrededor de un centro fijo, en lugar de girar alrededor de todo el motor. El diseño también se ha denominado motor de pistón oscilante , motor vibratorio cuando los pistones oscilan en lugar de girar, o motor toroidal según la forma del "cilindro".
Se han propuesto muchos motores de pistón oscilante, pero ninguno ha tenido éxito. Dos intentos en 2010 fueron el prototipo de motor MYT de fabricación estadounidense [1] y el prototipo ruso ORE para su uso en el automóvil híbrido Yo-Mobile . Ambos afirmaban tener una alta eficiencia de combustible y una alta relación potencia-peso, pero no se ha demostrado con éxito la eficiencia declarada ni que los motores sean lo suficientemente duraderos para su uso práctico.
Los motores de pistón oscilante se introdujeron inicialmente durante la década de 1820 como diseños alternativos de motores de vapor , antes de la introducción generalizada de la turbina de vapor . En estos ejemplos, el "pistón" no suele ser cilíndrico como en un diseño de combustión interna moderno, y generalmente tiene una sección transversal rectangular vista desde arriba, girando en un "cilindro" de disco plano. Desde el costado, tienen forma de placas planas o de cuña de pastel. El término "pistón oscilante" no es del todo preciso en estos casos, pero el ciclo operativo es idéntico y se considera adecuadamente aquí.
El primer ejemplo conocido fue introducido por Elijah Galloway en 1829 para la propulsión de barcos. Contaba con un único álabe que giraba 270 grados. Parece que esta versión nunca se construyó, aunque todavía existe un modelo en el Museo de Ciencias . Galloway también diseñó una amplia variedad de motores rotativos puros que también utilizaban álabes. [2]
Un intento más serio fue el "Sistema Cámbrico" de John Jones en 1841. Este diseño utilizaba dos o tres placas planas que estaban engranadas para acercarse o alejarse a medida que continuaba el ciclo. Cuando las placas estaban en su punto más cercano, se admitía vapor entre ellas mediante una válvula, separándolas a medida que continuaba el ciclo. Cuando las placas alcanzaban su distancia máxima, se descubría un pasaje interno que permitía que el vapor parcialmente expandido fluyera a través del centro del dispositivo hacia el área del otro lado de las paletas, que ahora estaban a su distancia mínima. De esta manera, el diseño era efectivamente un motor compuesto . [2]
Siguieron muchas variaciones, y varias de ellas tuvieron un uso limitado en el campo. Entre ellas, destaca el diseño de John Ericsson de 1843, que impulsó al USS Princeton , el primer barco de vapor de Estados Unidos con propulsión a hélice. Charles Parsons examinó el concepto y parece haber producido dos diseños de motor de pistón oscilante antes de pasar a la turbina de vapor. Los hermanos Roots diseñaron un motor de pistón oscilante de un tipo único, aunque son más conocidos por su diseño de sobrealimentador . [2]
No está claro si algún motor de combustión interna de pistón oscilante llegó a producirse, pero el intento más cercano parece ser el diseño alemán de la Segunda Guerra Mundial de Otto Lutz . Su diseño tenía seis pistones en total, tres de cada uno unidos a dos discos. Los discos estaban engranados entre sí para formar seis cámaras entre los pistones, de modo que en cualquier momento un conjunto de tres cámaras estaba "junto" mientras que el otro conjunto de tres estaba "muy separado", variando entre esos dos extremos a medida que los discos giraban. La sincronización se dispuso de tal manera que las cámaras alcanzaran su punto "junto" sobre la bujía y su punto "muy separado" sobre los puertos de admisión y escape. Esta acción es similar al motor Wankel , la principal diferencia es que el Wankel crea compresión y expansión a través de la forma del motor y el rotor, en lugar del movimiento relativo de los pistones.
El motor de Lutz se estaba diseñando como un generador de gas experimental para un nuevo tipo de motor de avión , uno que reemplazara un compresor centrífugo o axial tradicional con su diseño de pistón oscilante. En última instancia, el escape se utilizaría para impulsar una turbina, y esa energía se usaría para impulsar una hélice para producir un turbohélice . Para esta función, el gas de escape estaba demasiado caliente para usarse directamente en una turbina, dados los materiales disponibles en ese momento, por lo que el motor tenía un segundo "puerto de escape" que ventilaba aire frío presurizado, que luego se mezclaba con el escape caliente. Para el uso directo de energía, en lugar de impulsar una turbina, esta "tercera área" del motor simplemente podría dejarse abierta al aire para evitar perder potencia por compresión innecesaria.
Los motores de prueba iniciales tuvieron algunos problemas menores, en particular con el sellado, pero se solucionaron y los motores se pusieron a prueba durante 1944. Una característica particularmente buena de los motores de pistón oscilante es que se pueden atornillar uno detrás del otro a lo largo de un cigüeñal común para formar un motor más grande, y con cada etapa adicional el funcionamiento se vuelve más suave y la única parte que necesita hacerse más grande es el cigüeñal. Una disposición similar con un motor radial es generalmente más difícil de organizar, especialmente la refrigeración, y los que tienen disposiciones de motor en línea pronto se vuelven tan largos que evitar que el cigüeñal vibre se convierte en un problema grave (véase Chrysler IV-2220, por ejemplo).
Cada "cilindro" del diseño de Lutz tenía 0,70 m de diámetro y sólo unos 30 cm de profundidad, y proporcionaba 445 CV con 140 kg, una excelente relación potencia-peso incluso en comparación con los motores a reacción de la época. Se propuso una versión de cinco bloques para su concepto de turbohélice, que proporcionaba 3.450 CV con un motor de unos 2 m de largo. Si bien la relación potencia-peso era buena, la densidad del motor era simplemente excelente.
El turbohélice en general se parecía mucho más a un motor a reacción que a uno de pistón. El generador de gas de pistón oscilante estaba ubicado en el medio de una góndola larga, con un compresor axial de cinco etapas en la parte delantera y una turbina de tres etapas detrás. El compresor se utilizaba tanto para actuar como sobrealimentador para el motor de pistón como para proporcionar aire frío para enfriar la turbina. La potencia real de la hélice, combinando tanto los pistones como las turbinas, era de 4.930 CV a 10.000 m de altitud, mucho mayor que cualquier proyecto alemán en tiempos de guerra.
¿Por qué toda esta complejidad para producir una nueva versión de un motor, el turbohélice, cuya principal ventaja era la simplicidad? El principal problema de los motores a reacción convencionales es que la combustión se produce en una cámara abierta, que es considerablemente menos eficiente que la cámara cerrada de un motor de pistón, donde tiene un volumen constante (o cercano a él). El ciclo Otto o ciclo Diesel utilizado en los motores de pistón tiene un consumo específico de combustible mucho menor que el ciclo Brayton de los motores de turbina de gas tradicionales a baja velocidad. El diseño de Lutz estaba destinado a propulsar bombarderos y aviones de patrulla de muy largo alcance , donde el ahorro de combustible era más importante que la simplicidad y el rendimiento.
Posteriormente, Lutz patentó el diseño bajo el título "Compresor rotativo y otros motores", patente de Estados Unidos 2.301.667. [3] [4]
El diseño de Lutz no es la única forma de producir un motor de este tipo: BMW experimentó con un motor tradicional con válvulas de asiento en las cámaras de combustión, que ya se habían utilizado en varias ocasiones en experimentos anteriores. Otro enfoque totalmente distinto es recuperar parte del calor de los gases de escape en un intercambiador de calor y utilizarlo en lugar de combustible para calentar el aire comprimido, un concepto utilizado por General Motors en una serie de turbinas para automóviles. Sin embargo, en general, las mejoras en el motor de pistón básico en funciones de "baja potencia" han mantenido a cualquiera de estos diseños avanzados fuera del mercado.
En la década de 1990, varios inventores reintrodujeron el concepto como si fuera nuevo. Algunos ejemplos incluyen el motor "Massive Yet Tiny" de Angel Labs [5] , el Rotoblock, [6] el Roundengine, [7] el Trochilic Engine y los diseños de Tschudi y Hoose. [8] [9] En 2009, el industrial multimillonario ruso Mikhail Prokhorov anunció sus planes de ingresar al negocio automotriz con una serie de vehículos híbridos livianos que utilizan este diseño como su motor principal . [10] Otra introducción reciente dirigida al mercado híbrido es el "Hüttlin Kugelmotor", que combina el concepto de pistón oscilante con un plato cíclico modificado para producir un diseño esférico que alimenta directamente un generador eléctrico interno . [11]
El motor Tschudi también se conoce como "motor del gato y el ratón" o "motor de tijera". [12]