El motor Wankel, el motor Stirling y varios tipos de unidades de turboalimentación nunca llegaron a la corriente principal del automóvil. Numerosas empresas reconocidas —desde Mazda hasta GM, desde Mercedes hasta Volvo— trabajaron en ellos durante décadas. También persistieron pequeñas empresas e inventores individuales. Sin embargo, resultó que cada diseño alternativo albergaba muchos más inconvenientes de los previstos inicialmente. Eso no significa que el desarrollo de unidades de propulsión no convencionales sea imposible. Los entusiastas siguen impulsando distintas ideas y, a continuación, exploramos algunos de los conceptos de motor más exóticos jamás construidos.
Motores de Ciclo Dividido: Dos Cilindros, Una Carrera de Potencia
Algunos diseñadores de motores concluyeron que la combinación clásica de cilindro, pistón, biela y cigüeñal ha demostrado su valía durante más de un siglo, y que mejorar los motores de combustión interna solo requiere ajustar ciertos aspectos en lugar de reinventarlos desde cero. El primer ejemplo de nuestra lista es el motor desarrollado por la empresa estadounidense Scuderi Group, que conserva las clásicas carreras de admisión, compresión, potencia y escape, pero las distribuye entre dos cilindros separados:
- Cilindro frío (compresor) — gestiona la admisión y la compresión
- Cilindro caliente (de trabajo) — gestiona la carrera de potencia y el escape
Mientras el gas se expande en el cilindro de trabajo, tiene lugar una carrera de admisión en el cilindro frío compresor. Cuando el cilindro de trabajo realiza el escape, el cilindro compresor comprime. Al final de la carrera de compresión, ambos pistones se aproximan a sus puntos muertos superiores, la mezcla viaja a través de un canal de derivación del cilindro frío al caliente y se enciende. Este ciclo dividido —esencialmente un ciclo Otto modificado— fue patentado en 2006, y en 2009 Scuderi Group construyó el prototipo piloto Scuderi Split Cycle Engine.
Los cilindros compresor y de trabajo pueden tener distintos diámetros y carreras de pistón, lo que permite ajustar los parámetros del motor de forma flexible, funcionando como un análogo del ciclo Miller con expansión de gas adicional. Si se añade una rama con válvulas y un depósito de alta presión al canal entre los cilindros, el motor puede recuperar energía durante el frenado y liberarla durante la aceleración. Sin embargo, durante varios años, las actividades de Scuderi Group se han limitado a prototipos y presentaciones en ferias. Las mejoras de eficiencia en condiciones reales aún no justifican la considerable complejidad del diseño.
La empresa croata Paut Motor también recurrió al ciclo de trabajo dividido. Su diseño espaciado atrajo la atención por varias razones:
- Significativamente menos piezas móviles que los motores convencionales
- Menores pérdidas por fricción
- Reducción del ruido de funcionamiento
- Dimensiones compactas: 500×440×440 mm con una cilindrada de 7 litros
- Peso de aproximadamente 135 kg — aproximadamente la mitad que un motor tradicional de igual cilindrada
La ausencia de aceite en el cárter sí requiere un depósito de lubricación externo, pero los inventores consideraron esto un compromiso aceptable. Se construyeron varios prototipos, aunque la potencia final nunca se determinó oficialmente. El último prototipo se ensambló en 2011 y el proyecto se ha estancado desde entonces.
El Motor de Dos Tiempos Bonner: Máxima Complejidad, Objetivos Ambiciosos
El motor de dos tiempos Bonner (llamado así por su patrocinador, Bonner Motor) fue inventado en 2006 en Estados Unidos por Walter Schmid y lleva la complejidad mecánica aún más lejos. Al igual que el Paut Motor, sus cilindros están dispuestos en configuración en X y el cigüeñal realiza un movimiento planetario mediante un sistema de engranajes. Sus características principales incluyen:
- Válvulas en la parte inferior de los cilindros y válvulas de carrete giratorias en el cuerpo del motor para la distribución de gases
- Pistones externos que pueden desplazarse ligeramente bajo presión de aceite para proporcionar una relación de compresión variable
- Alta relación potencia-peso como objetivo principal de diseño
En teoría, el motor Bonner resulta convincente. En la práctica, sin embargo, no han surgido noticias significativas del proyecto en años; al parecer, no ha cumplido las expectativas.
Motores Axiales: Cilindros Dispuestos como un Revólver
Otros inventores mantuvieron intactos los ciclos de trabajo del motor de combustión interna, pero reimaginaron la disposición física de sus componentes. Los motores axiales, que existen desde hace más de un siglo, son un ejemplo destacado. Varían en sus detalles, pero comparten un principio común: los cilindros están dispuestos como cartuchos en el tambor de un revólver, coaxiales con el eje de salida. Diversos mecanismos —como pasadores inclinados y arandelas cónicas— convierten el movimiento alternativo de los pistones en rotación del eje.
El proyecto Duke Engines de Nueva Zelanda es una variante notable: un motor axial de cuatro tiempos, cinco cilindros y 3 litros de cilindrada. Comparado con un motor convencional de igual capacidad, la unidad Duke ofrecía:
- 19% menos de peso
- 36% de reducción en tamaño
- Potencial de aplicación versátil en los sectores automotriz, naval y de aviación
Se hicieron promesas ambiciosas sobre su adopción generalizada, pero los sueños de conquistar el mundo siguieron siendo sueños.
El motor RadMax de la empresa canadiense Reg Technologies lleva el concepto axial aún más lejos. En lugar de cilindros independientes, se forman una docena de compartimentos dentro de un tambor común mediante finas paletas. Unas placas montadas en ranuras del rotor se desplazan a lo largo de ellas mientras el rotor gira, y las superficies curvas en los extremos del tambor definen las trayectorias de las paletas y controlan el intercambio de gases. Características destacadas:
- Compatible con múltiples tipos de combustible, aunque el diésel fue el foco inicial
- Un prototipo de 2003 medía apenas 152 mm tanto en diámetro como en longitud y producía 42 caballos de vapor, mucho más que un motor convencional de tamaño equivalente
- Prototipos posteriores alcanzaron supuestamente 127 cv y 380 cv
A pesar de estas cifras prometedoras, toda la actividad de RadMax parece mantenerse en fase experimental.
Motores Toroidales: Cuando el Cilindro se Convierte en un Donut
El Motor VGT (Motor Toroidal de Geometría Variable) de la ya desaparecida empresa canadiense VGT Technologies es otro caso en el que la teoría supera a la práctica. Probado por primera vez en 2005, este motor sustituye el cilindro convencional por un toroide —una cámara en forma de donut— dentro de la cual gira un rotor con un par de pistones acoplados.
Un delgado disco de distribución con una ranura para los pistones gira a través del toroide mediante una transmisión por correa, restringiendo la mezcla aire-combustible durante la compresión y la carrera de potencia. En 2009, los empresarios estadounidenses Gary Kelley y Rick Ivas desarrollaron de forma independiente un motor toroidal que reproducía de cerca el diseño canadiense. Sus estimaciones sugerían que un toroide de medio metro de diámetro entregaría:
- 230 caballos de vapor
- Aproximadamente 1.000 N·m de par motor
- Todo ello a tan solo 1.050 rpm
Su empresa, Garric Engines, muestra actualmente en su sitio web únicamente un mensaje escueto: “Gracias por su interés. La página podrá actualizarse en el futuro.”
El Motor Nutante: Discos Giratorios en Lugar de Pistones
Un destino algo más prometedor podría aguardar al motor nutante inventado por el estadounidense Leonard Meyer en 2006 —al menos se han construido varios ejemplares funcionales—. El nombre deriva del latín nutatio (cabeceo u oscilación). El diseño de Meyer forma cuatro cámaras de trabajo de volumen variable entre el cuerpo del motor y un disco que nuta (oscila) de un lado al otro, funcionando como pistón. El disco está cortado por la mitad a lo largo de su diámetro y enroscado en un eje de salida en forma de Z, con canales y válvulas en el cuerpo que gestionan el intercambio de gases.
Los prototipos fueron construidos por Baker Engineering y su empresa hermana Kinetic BEI, con resultados notables:
- Disco único de 102 mm: 7 cv
- Doble disco de 203 mm: 120 cv
- Dimensiones del motor de dos discos: 500 mm de longitud, 300 mm de diámetro, 3,8 litros de cilindrada
- Relación potencia-peso: 2,5–3 cv/kg frente a 1–2 cv/kg de los motores aspirados de producción en masa
La potencia específica por litro es menos impresionante, pero la densidad de potencia es notable. Baker y Kinetic parecen estar refinando el diseño, aunque la actividad en sus sitios web sigue siendo limitada.
LiquidPiston: El Motor Wankel al Revés
Los conceptos de motor rotativo siguen cautivando a los innovadores, como si alejarse de la familiar disposición de pistón y cilindro prometiera intrínsecamente un mejor rendimiento. Nikolay Shkolnik, un antiguo ingeniero soviético que se trasladó a Estados Unidos, y su hijo Alexander desarrollaron un motor que se asemeja al motor Wankel dado la vuelta. Un rotor en forma de cacahuete gira dentro de una cámara triangular —la misma geometría básica que el Wankel— pero, crucialmente, los sellos están fijados a las paredes de la cámara en lugar de al rotor.
Los Shkolnik fundaron LiquidPiston para desarrollar el concepto, atrayendo cofinanciamiento de DARPA para su posible uso en:
- Aeronaves ligeras y drones
- Generadores de energía portátiles
- Trenes de potencia de vehículos híbridos
Un prototipo de 23 cm³ ya alcanza una eficiencia térmica del 20%, cifra impresionante para esa clase de cilindrada. El equipo tiene como objetivo ahora un prototipo diésel de unos 13 kg de peso y 40 cv, con una eficiencia térmica proyectada que ascendería al 45%.
¡Le dimos al viejo motor rotativo la reinvención que tanto necesitaba!
Alta relación de compresión y sobreexpansión; Baja superficie; sellos de vértice estacionarios
El motor resuelve los problemas de:
– refrigeración
– emisiones
– sellado
– eficiencia
– lubricación
El Motor de Pistón Oscilante: Cuadrando el Círculo
El último motor de nuestro repaso demuestra que el atractivo de una unidad plana y compacta es real, y que los rotores no son el único camino para lograrlo. El motor de pistón oscilante de Pivotal Engineering simplemente hace cuadrado el pistón tradicional, convirtiendo el cilindro en rectangular visto desde arriba. Este diseño de dos tiempos existe desde hace varios años, durante los cuales varios prototipos han impulsado tanto motocicletas como aeronaves.
La empresa apunta principalmente a aplicaciones de aviación, y el diseño ofrece algunas ventajas reales:
- Altas relaciones potencia-peso y potencia-tamaño
- Excelente potencial de sobrealimentación forzada, posibilitado por un canal de refrigeración líquida que atraviesa el eje fijo del pistón, algo difícil de lograr en arquitecturas de motor convencionales
- Perfil plano, ya que el rotor cuadrado puede hacerse muy delgado
Otros Conceptos de Motores Exóticos que Vale la Pena Conocer
Existen muchos diseños de motores exóticos notables más allá de los aquí presentados. Algunas menciones de honor:
- Motor Wankel de 12 rotores — llevando el concepto rotativo de Mazda al extremo
- Motor de válvulas de manguito Knight — un diseño centenario que brevemente rivalizó con la válvula de tulipa
- Motores de pistones opuestos — dos pistones que comparten un único cilindro, sin culata
- Motores de relación de compresión variable — que permiten ajustar la compresión en tiempo real para optimizar la eficiencia según las condiciones de carga
- Motores de cinco tiempos — que añaden un cilindro de expansión dedicado para extraer más trabajo de los gases de combustión
- Motores de paletas rotativas — donde los componentes del rotor se mueven como hojas de tijera que convergen y divergen
¿Por Qué los Motores Alternativos No Llegan a la Producción en Serie?
Incluso un breve repaso de los diseños no convencionales de motores de combustión interna revela un patrón llamativo: docenas de ideas ingeniosas, muy pocos vehículos de producción. Los obstáculos recurrentes son consistentes:
- Desgaste de los sellos — los diseños rotativos fallan con frecuencia debido a la degradación de los sellos de vértice con el tiempo
- Cargas mecánicas alternantes — los conceptos de paletas rotativas sufren fatiga en la unión paleta-eje
- Complejidad de fabricación — las geometrías exóticas son costosas y difíciles de producir a escala
- Fiabilidad y durabilidad — los motores no convencionales raramente igualan el historial de durabilidad de los motores de pistón tradicionales, perfeccionados a lo largo de más de 100 años
La segunda razón por la que los motores alternativos tienen dificultades es que la tecnología convencional del motor de combustión interna no se ha quedado quieta. Los últimos motores de gasolina que utilizan el ciclo Miller alcanzan una eficiencia térmica de hasta el 40% incluso sin turboalimentación, una cifra notable teniendo en cuenta que la mayoría de los motores de gasolina logran solo entre el 20 y el 30%, y los motores diésel entre el 30 y el 40% (con los grandes diésel marinos llegando hasta el 50%).
Y lo más importante: la alternativa global al motor de combustión interna ya ha llegado: los motores eléctricos y las unidades de pila de combustible. Si los inventores detrás de estas curiosidades exóticas no resuelven sus desafíos técnicos muy pronto, puede que descubran que ya no hay mercado esperándoles: los vehículos eléctricos ya habrán tomado la carretera.
Esta es una traducción. Puede leer el original aquí: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html
Publicado Octubre 07, 2021 • 11m para leer
