Un motor de pistón oscilante es un tipo de motor de combustión interna en el que los pistones se mueven con 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, orientados 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 ha sido denominado motor de pistones oscilantes , 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 realizados aproximadamente en 2010 son el prototipo de motor MYT de fabricación estadounidense [1] y el prototipo ruso ORE para su uso en el automóvil híbrido Yo-Mobile . Ambos afirmaron una alta eficiencia de combustible y una alta relación potencia-peso, pero no ha habido demostraciones exitosas de la eficiencia declarada o de que los motores sean lo suficientemente duraderos para un uso práctico.
Los motores de pistón oscilante se introdujeron inicialmente durante la década de 1820 como diseños alternativos de máquinas de vapor , antes de la introducción generalizada de la turbina de vapor . En estos ejemplos, el "pistón" normalmente no es cilíndrico como en un diseño moderno de combustión interna, y generalmente tiene una sección transversal rectangular vista desde arriba, y gira en un "cilindro" de disco plano. Desde el lateral son platos planos o en forma de cuña. El término "pistón oscilante" no es del todo exacto en estos casos, pero el ciclo de funcionamiento es idéntico y se considera adecuadamente aquí.
El primer ejemplo conocido fue introducido por Elijah Galloway en 1829 para la propulsión de barcos. Presentaba una sola paleta 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 utilizan paletas. [2]
Un intento más serio fue el "Sistema Cámbrico" de John Jones en 1841. Este diseño utilizaba dos o tres placas planas que estaban orientadas 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 alcanzaron su distancia máxima, se descubrió un pasaje interno que permitió que el vapor parcialmente expandido fluyera a través del centro del dispositivo hacia el área al 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 algunas de ellas tuvieron un uso limitado en el campo. Entre ellos destaca el diseño de John Ericsson de 1843, que propulsaba el USS Princeton , el primer barco de vapor de propulsión helicoidal de los Estados Unidos. Charles Parsons examinó el concepto y parece haber producido dos diseños de motores 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 pistón oscilante de combustión interna ha llegado alguna vez a producción, pero el intento más cercano parece ser el diseño alemán de la época de la Segunda Guerra Mundial de Otto Lutz . Su diseño tenía seis pistones en total, tres 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 estaban "muy juntas" mientras que el otro conjunto de tres estaba "muy separadas", variando entre esos dos extremos a medida que discos girados. La sincronización se dispuso de manera que las cámaras alcanzaran su punto "muy juntas" sobre la bujía y su punto "muy separadas" 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 estaba siendo diseñado como un generador de gas experimental para un nuevo tipo de motor de avión , uno que reemplazaba 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 utilizaría para impulsar una hélice para producir un turbohélice . Para esta función, los gases de escape estaban demasiado calientes 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, a diferencia de impulsar una turbina, esta "tercera área" del motor podría simplemente 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 resolvieron y los motores estuvieron bajo prueba durante 1944. Una característica particularmente buena de los motores de pistón oscilante es que se pueden atornillar espalda con espalda a lo largo de un cigüeñal común. para hacer un motor más grande, y con cada etapa adicional el funcionamiento se vuelve más suave y la única parte que necesita ser más grande es el cigüeñal. Una disposición similar con un motor radial es generalmente más difícil de lograr, 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 (ver Chrysler IV-2220, por ejemplo).
Cada "cilindro" del diseño de Lutz tenía 0,70 m de diámetro y sólo unos 30 cm de profundidad, proporcionando 445 CV con 140 kg, una excelente relación potencia-peso en comparación incluso con los motores a reacción de la época. Se propuso una versión de cinco bloques para su concepto 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 sencillamente magnífica.
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 delante y una turbina de tres etapas detrás. El compresor se utilizó tanto para actuar como sobrealimentador del motor de pistón como para proporcionar aire frío para enfriar la turbina. La potencia real de la hélice, combinando los pistones y las turbinas, era de 4.930 hp a 10.000 m de altitud, mucho mayor que cualquier proyecto alemán en tiempos de guerra.
¿A qué se debe 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 tradicionales de turbina de gas a bajo régimen. El diseño de Lutz estaba destinado a impulsar bombarderos y aviones de patrulla de muy largo alcance , donde la economía de combustible era más importante que la simplicidad y el rendimiento.
Posteriormente, Lutz patentó el diseño bajo "Compresor rotativo y otros motores", patente estadounidense 2.301.667. [3] [4]
El diseño de Lutz no es la única manera 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 había utilizado varias veces en experimentos. Otro enfoque completamente diferente es recuperar parte del calor del escape en un intercambiador de calor y usarlo en lugar de combustible para calentar el aire comprimido, un concepto utilizado por General Motors en una serie de turbinas de automóviles. Sin embargo, en general, las mejoras en el motor de pistón básico en funciones de "baja potencia" han mantenido cualquiera de estos diseños avanzados fuera del mercado.
En la década de 1990, varios inventores reintrodujeron el concepto como si fuera nuevo. Los ejemplos incluyen el motor "Massive Yet Tiny" de Angel Labs [5] , el Rotoblock, [6] el Roundengine, [7] el motor Trochilic 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 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]