MOTORES VOLUMETRICOS

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA CENTROAMERICANA Maquinas Térmicas

Ing. Michael Spilsbury

Motores Volumétricos

Cantalicio Cantalicio Paz Paz

21541294

San Pedro Sula, 22 de Mayo del 2017

INTRODUCCION .............................................................................................. 3 OBJETIVOS .................................................................................................... 4 El Motor Rotativo Volumetrico o Wankel................................................................ 5  Ventajas e inconvenientes de los motores Wankel o rotativos .................................... 6 El papel del aceite en el motor rotativo ................................................................. 8

Dificultades técnicas ......... ......... .......... ................. ......... .......... ......... .......... ...... 9 CONCLUSIONES ......... .......... ......... ................. .......... ......... .......... ......... .......... 13

INTRODUCCION En el siguiente informe se detallara el funcionamiento de los motores rotativos volumétrico también conocidos popularmente como motores Yankel en honor a su inventor. El motor rotativo fue uno de los primeros tipos de motores de combustión interna en el cual el cigüeñal permanece fijo y el motor entero gira a su alrededor. El diseño fue muy usado en los años anteriores a la Primera Guerra Mundial y durante esta para propulsar aviones, y también en algunos de los primeros autos y motocicletas.  A principios de los años 20 del siglo XX el motor rotativo comenzó a volverse obsoleto, principalmente debido a su bajo par motor, consecuencia de la forma en que trabaja el motor. También estaba limitado por su restricción inherente dada por la forma de aspirar la mezcla de aire/combustible a través del cigüeñal y cárter hueco, que afectan directamente a su rendimiento volumétrico. Sin embargo, en su tiempo fue una solución muy eficiente para los problemas de potencia, peso y fiabilidad. Estos motores han sido declarados obsoletos he ineficientes por su diseño y su funcionamiento, aunque aún así han sido utilizados por distintas agencias automotrices.

OBJETIVOS    

Conocer lo que es un motor rotativo. Determinar su funcionamiento. Conocer sus características. Detallar sus ventajas y desventajas.

El Motor Rotativo Volumetrico o Wankel

Un motor Wankel, más conocido como “motor rotativo” es un tipo especial de motor de combustión interna que se caracteriza porque está constituido por una cámara de combustión en la que un rotor hace posible que se produzcan los cuatro tiempos de la combustión de gasolina, pero contando con un movimiento constante y sin “tiempos muertos”. Es decir, el rotor gira constantemente mientras se efectúa la admisión, compresión y combustión de combustible, seguido por el escape de los gases resultantes. En cierto modo podemos decir que es un motor de cuatro tiempos que se comporta como un dos tiempos, y que consume aceite en el proceso.

El rotor, que podemos observar en la imagen de cabecera, está diseñado de manera que mantiene sus vértices en contacto con el estator (la cavidad, para entendernos), de manera que en cada momento existen tres compartimentos estancos que se encuentran en fases diferentes del proceso, de manera que cuando un compartimento está expulsando gases, el otro está en la fase de admisión y el tercero se encuentra ya en la de combustión. De esta forma se asegura el continuo movimiento del rotor, que transmite la fuerza a un cigüeñal que tiene un centro único alrededor del que gira. ¿Mareados? Pues es una idea brillante que ha  permitido la producción de algunos de los motores más excitantes, como los de los Mazda más míticos, entre los que se encuentra todo un ganador de las 24 Horas de Le Mans.

 Ventajas e inconvenientes de los motores Wankel o rotativos

Estas son las ventajas principales de los motores Wankel, o rotativos: 

El motor Wankel tiene menos piezas móviles que un motor convencional, tan solo 4  piezas; bloque, el rotor, árbol motor y sistema de refrigeración y engrase, por eso en  principio son más fiables.

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Todos los componentes están equilibrados internamente con contrapesos giratorios  para suprimir cualquier vibración y contribuir a la suavidad de la marcha. También favorecen una entrega de potencia más suave. En general las vibraciones son mínimas porque las inercias dentro del motor son muy pequeñas, y como dijimos, hasta el cigüeñal tiene un solo centro.

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Otra ventaja es que, dado que hay menos piezas dentro del motor, el peso total es mejor en comparación con los motores convencionales.

En cuanto a las desventajas, no son pocas, tampoco, y de hecho son las principales razones  por las que fabricantes como Mazda pongan en duda que el motor rotativo tenga cabida en sus planes futuros: 

Las normas cada vez más exigentes en cuanto a emisiones contaminantes hacen que este tipo de motor tenga pocas probabilidades de supervivencia, pues para ajustarse a

dichas normas es necesario “complicarse” más la vida. Se puede decir que los motores rotativos tienen dificultades equivalentes a las de los motores de dos tiempos en cuanto a emisiones. Además, consume aire, combustible y aceite, todo un “combo”. 

Menos cantidad de motores rotativos en el mundo significa que los mantenimientos son más caros. Si nos fijamos en los motores más extendidos, los mantenimientos son más baratos,  precisamente por esa “universalidad”: para los rotativos existe menos  personal cualificado en comparación.

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En general, son motores que consumen más.

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Son motores complejos y se nota en las necesidades de estanqueidad entre las diferentes secciones del rotor. Aparte de eso, la complejidad también se nota en el encendido, pues todas las piezas y componentes deben estar perfectamente sincronizados para que no se produzca una combustión precoz, que podría estropear el motor.

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El freno motor, como tal, no existe, o al menos podemos decir que es más parecido a un 2T que a un 4T, motivo por el cual es necesario compensarlo con sistemas de frenos más potentes de lo que parecería necesario.

Por esto mismo se puede decir que son motores obsoletos y sin continuidad a corto, medio o largo plazo: son motores más caros, más peculiares en su mantenimiento, en cierto sentido son frágiles, y sus ventajas no terminan de compensar lo que se necesita para mantenerlos en  perfectas condiciones. Por si fuera poco, consumen aceite, algo que normalmente asociamos a un mal funcionamiento, pero que en motores de cierta potencia no solo es normal, sino que nos obligará a volver a pensar “como si fuese” un motor 2T.

El papel del aceite en el motor rotativo

Los motores rotativos deben ser alimentados con un buen aceite motor para que todo vaya sobre ruedas. Al tener los vértices del rotor en permanente contacto con el estator es necesario lubricar perfectamente, y como además, la combustión implica quema de aceite (del que existe en la cámara en ese momento), el depósito va a ir consumiéndose progresivamente. A la hora de elegir el aceite más adecuado para este tipo de motores hay que tener en cuenta varias cosas: en un motor rotativo el aceite es necesario para el funcionamiento, pero es que además el aceite debe consumirse (algo que sabemos que no es cierto en motores convencionales), y debe consumirse de la manera más limpia posible. Es tradicional recomendar aceites minerales para este tipo de motores. No se solían recomendar sintéticospor su combustión: no todos van a entrar en combustión igual, ni igual de limpiamente, y por eso hay que tener mucho cuidado (de todos modos, de forma recurrente nos encontramos con la recomendación del aceite sintético Idemitsu Rotary Engine Oil, que lleva desde la década de los 70 haciendo aceites específicos para motor rotativo). Sin entrar en “honduras”, el aceite que Mazda recomendaba, por ejemplo, era un aceite “mineral”, pero realmente es  un Grupo III, que es sintético. ¿Cómo? Quizás por un error de traducción, y de confusión entre estándares, se dijo que los aceites sintéticos ensuciarían el motor rotativo, cuando en realidad depende mucho del aceite sintético que se utilice. Sea como sea, la “palabra oficial” de Mazda es que no recomiendan el uso de aceites sintéticos

en sus motores rotativos, pero sin embargo es común encontrar consejos sobre el uso de aceites 5w20 y 5w30 en foros especializados. Eso sí, tal como dijimos, este tipo de motores está en franco desuso.

Dificultades técnicas Curtiss-Wright demostró que el factor que controla las emisiones de hidrocarburos no quemados (HC) era la temperatura de la superficie del rotor, a mayor temperatura, menos concentración de HC sin quemar en los gases de escape, y demostraron también que se podía ensanchar el rotor manteniendo el resto de la geometría del motor y aumentando así el desplazamiento y la potencia. Otros fabricantes proponen que la causa fundamental de la emisión de contaminantes a altas rpm es la extinción de la llama (Quenching) en los bordes de la cámara de combustión, y a bajas rpm, las fugas en la estanqueidad, y la menor PME (Presión Media Efectiva) en la cámara de trabajo, más notables bajo carga parcial, el régimen más frecuente en automoción. El motor Wankel por sus propias características produce poca contaminación por NO; uno de los procedimientos clásicos de reducción de emisiones de NO ha sido la recirculación de los gases de escape, que en el motor Wankel era un rasgo intrínseco. (En general, en los motores se producen más NOx si la temperatura en la cámara de combustión es más alta; según Harry Ricardo -1920, por cada 1% de incremento de la  proporción de gases de escape en la mezcla que entra en el tiempo de admisión, se produce un descenso de 45º F en la temperatura de la llama).

Yanmar Diesel ha publicado información referente a las características propias de diversas formas y posiciones del hueco de combustión en la superficie del rotor en relación con el número y posición de la/s bujía/s, (Puede verse también en el libro de Kenichi Yamamoto "Rotary engine"); en sus motores de pequeño desplazamiento y refrigeración del rotor por mezcla aire/combustible, Yanmar Diesel y Toyota (SAE paper 790435) comprobaron que la colocación de una válvula de láminas (Reed-Valve) en el colector de admisión, o cerca de la lumbrera de admisión, mejoraba las actuaciones bajo carga parcial y a bajas rpm., que es donde el rendimiento volumétrico del Wankel es menor.

En motores de mayor tamaño, Mazda, que en algún momento tuvo en venta motores con el hueco de combustión en forma de gota con la cola hacia atrás de la cámara de combustión, lo que Yanmar Diesel llamó LDR, y dobles segmentos en las caras laterales del rotor, con el tiempo pasó a fabricar motores con el receso en posición central y segmentos únicos en los laterales, buscando un compromiso entre consumo y emisión de gases contaminantes; también abandonaron los segmentos de vértice de tres piezas (Pat. española 0418430 de

Citroën) en favor de los de dos piezas al estilo de los del motor de OMC. Se ha propuesto (Video: 'Rotary Engine breakthrough' en YouTube) que cambiar la forma del hueco para la  bujía en la superficie del estátor, de redondo a una hendidura de no más de 1'5 mm, disminuiría en un 60% la temperatura de los gases de escape, y de los primeros tiempos del motor de combustión interna se sabe que a menor relación de compresión, mayor temperatura de los gases de escape. Kawasaki (patente US 3.848.574 de 1974) propuso modificar el agujero de la bujía en la superficie de trabajo, a uno en forma de cola triangular dirigida hacia la zona posterior de la cámara de combustión, con lo que obtuvieron mejoras en economía de combustible y reducción de las emisiones contaminantes en el escape.

Inicialmente, algunos motores Wankel tenían las lumbreras de admisión y escape en las caras laterales del rotor, lo que produjo problemas de distorsiones térmicas y de depósitos de carbonilla y de gomas, que sólo llegaron a resolverse en el motor Renesis de Mazda mediante la colocación de segmentos especiales rascadores en la caras laterales del rotor, y mejoras en los materiales, como inclusión de piezas de materiales cerámicos. Las lumbreras laterales evitan el solapamiento de los tiempos de admisión y escape que podría producir entrada de gases quemados en la fase de admisión, y salida de mezcla aire/combustible sin quemar al sistema de escape, ambas cosas pueden ser perjudiciales para la emisión de gases contaminantes. La entrada de gases de escape al tiempo de admisión producía lo que se llamaba en inglés: "misfirings", o ciclos sin encendido de la mezcla, también desfavorables  para la estabilidad del ralentí y el consumo.

De las dos disposiciones posibles para las lumbreras de admisión, la periférica y la lateral, se sabe que la periférica obtiene la máxima presión media efectiva (PME) en el motor, especialmente con una lumbrera de forma rectangular y más a altas rpm (SAE paper 288A),  pero en uso automovilista fuera de la competición se han preferido (Mazda) las lumbreras de admisión laterales, una o varias por rotor, que proporcionan un mejor régimen de ralentí y actuaciones bajo carga parcial. El motor Renesis del RX8 de Mazda, emplea lumbreras laterales tanto de admisión como de escape, con lo que elimina totalmente el cruce o solapamiento entre las fases de admisión y escape, suprime la recirculación de gases de escape y la salida de mezcla aire/combustible sin quemar por el escape, este motor Renesis obtuvo unos consumos razonables y buenas actuaciones a bajo régimen, cumpliendo al mismo tiempo las normas anticontaminación más severas.

Algún motor Wankel de los primeros tiempos producía un ruido que los mecánicos comparaban al que hace un motor convencional poco antes de fundir una biela; el ruido se debía a las tolerancias entre el engranaje del eje y el del rotor que era necesario establecer  para no comprometer la duración del motor. Ya se ha solucionado (Libro de K Yamamoto, 1ª edición, 1969). El motor Wankel funciona mejor con sistemas de escape con baja presión, la configuración y longitud de los conductos de admisión y escape también influye en las características y rendimiento del motor, y en los primeros tiempos, la mayor temperatura de los gases de escape facilitó el uso de sistemas de reactor térmico o de post-combustión de la mezcla incompletamente quemada en la cámara de combustión, instalados después de las lumbreras de escape, con mezclas combustible/aire más adecuadas y en algunos casos con un dispositivo específico que inyectaba aire en esa zona, más barato que los catalizadores de los primeros tiempos, hechos con metales semipreciosos. La temperatura de los gases de escape está en relación inversa con la relación de compresión efectiva de los motores, a menor relación de compresión, geométrica o efectiva (PME), mayor temperatura de los gases de escape.

Otro problema inicial fue la aparición de arrancamientos de material y fisuras en la superficie de la epitrocoide, a las que los ingenieros llamaron: 'Arañazos del diablo', unas se debían a incompatibilidades entre el material de recubrimiento de la epitrocoide y el de los segmentos de vértice, y otras -'chattered marks', marcas de repiqueteo- a vibraciones por resonancia en esos segmentos de arista, tema que abordaron reduciendo el peso de los segmentos y su tamaño; la aparición de grietas en la zona donde se colocaba la bujía se resolvió colocando la bujía en un casquillo incrustado en el bloque, en vez de ir la bujía atornillada directamente sobre el bloque mismo, y también a través de la mejora de materiales. Para ajustar los segmentos de vértice a las dilataciones térmicas que se producen con el motor en funcionamiento, Mazda modificó los segmentos de vértice, a los que daba una altura distinta en la zona central del segmento respecto a las zonas laterales (En inglés "crowning" coronamiento-) y Citroën patentó unos segmentos formados por varias piezas, dos triangulares en los extremos y una pieza central; Mazda había instalado durante un tiempo unos segmentos de vértice en los que la sección central estaba dividida en dos partes por una línea horizontal paralela al eje mayor del segmento, y, también de forma temporal, doble segmentación en las caras laterales del rotor; otros fabricantes colocaban segmentos de vértice de dos o de una única pieza.

Los últimos motores Wankel de producción en serie son del tipo de motores rápidos, que entregan su potencia a altas rpm, y con peor rendimiento en todos los sentidos en la zona de carga parcial y bajas rpm, aunque el motor de 40 litros de desplazamiento que fabricó Ingersoll-Rand daba la máxima potencia a unas 1.500 r.p.m. David W. Garside de Norton declaró que habían conseguido solucionar el problema de la elasticidad, y construir un motor que daba toda su potencia a pocas rpm. Parece que una apertura más temprana en el ciclo de la lumbrera de admisión, y la existencia de unos conductos de admisión más largos, que favorecen la resonancia, con ondas de presión que mejoran el llenado, y también una mayor excentricidad en el rotor, equivalente a la carrera de los motores alternativos, permiten conseguir motores con más par y potencia a bajo régimen de giro; algunos de estos conceptos se aplicaron en el motor con el que Mazda ganó en las 24 horas de le Mans, con conductos de admisión de longitud variable, a modo de un trombón de varas, según las rpm. Hay más estudios sobre la influencia del diseño de los colectores de admisión y escape en las actuaciones -"performances" en inglés- de los motores Wankel. (SAE paper 2012-32-0064). Toyota obtuvo una mejora del 7% en el consumo, especialmente a pocas rpm y bajo carga  parcial, con la inyección de aire en la zona de las lumbreras de escape, y poniendo una bujía de incandescencia continua en lugar de la de chispa en la posición avanzada de la cámara de combustión (SAE paper 790435).

CONCLUSIONES 

Se detalló el funcionamiento de los motores rotativos.

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Se determinaron sus ventajas y desventajas.

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Se mostraron sus características.