Inventor del motor de rotor delta
En este artículo aprenderemos cómo funciona un motor rotativo. Hablemos primero de su principio de funcionamiento básico.
Al igual que los motores de pistón, los motores rotativos utilizan la presión creada por la combustión de una mezcla de aire y combustible. En un motor de pistón, la presión se almacena en el cilindro, impulsando el pistón. Las bielas y el cigüeñal convierten el movimiento alternativo de los pistones en movimiento de rotación para impulsar el automóvil.
En un motor rotativo, la presión generada por la combustión se almacena en una cámara sellada que consta de una carcasa y un rotor triangular (que se utiliza en lugar de un pistón en este motor).
El rotor y la carcasa del motor rotativo del Mazda RX-7: Estas piezas sustituyen a los pistones, cilindros, válvulas, bielas y árboles de levas en el motor de pistones.
La trayectoria de recorrido del rotor es similar a la trayectoria producida por un instrumento de medición de la respiración. El vértice del rotor hace contacto con la carcasa, formando tres cámaras de aire independientes. El rotor se mueve continuamente alrededor de la cámara de combustión y los tres volúmenes de gas se expanden y contraen alternativamente. Es esta expansión y contracción la que atrae aire y combustible hacia el motor, luego comprime la mezcla, crea energía útil a medida que el gas se expande y finalmente expulsa los gases de escape.
A continuación, profundizaremos en el motor rotativo y comprenderemos sus distintas partes. Primero, veamos un nuevo modelo con un nuevo motor rotativo.
Mazda RX-8
Mazda ha sido pionera en el desarrollo de vehículos producidos en serie utilizando motores rotativos. El RX-7, lanzado al mercado en 1978, es probablemente el automóvil con motor rotativo de mayor éxito. Pero antes, hubo una serie de coches, camiones e incluso autobuses que utilizaban motores rotativos. El Cosmo Sport de 1967 fue el primero. El RX-7 salió del mercado estadounidense en 1995, pero el motor rotativo seguramente regresará en un futuro próximo.
El Mazda RX-8 es un nuevo coche lanzado por Mazda que está equipado con el nuevo motor rotativo de RENESIS. Este motor ganó el premio internacional al mejor motor de 2003. Es un motor de doble rotor de aspiración natural que puede producir unos 250 caballos de fuerza.
Componentes
Cuerpo giratorio
El rotor tiene tres superficies convexas, cada una de las cuales equivale a un pistón. Cada superficie convexa del rotor tiene un hueco para aumentar el desplazamiento del motor y retener más mezcla de aire y combustible.
El vértice de cada superficie convexa es una paleta metálica, que forma el sello exterior de la cámara de combustión. Hay anillos de metal a cada lado del rotor para sellar los lados de la cámara de combustión.
El rotor tiene un dentado interno centrado en un lado. Engranan con engranajes fijados a la carcasa. Esta malla determina la trayectoria y la dirección del movimiento del rotor en la carcasa.
Shell
El shell es aproximadamente elíptico (en realidad es un epitrocoide; consulte esta demostración de Java para ver cómo se obtiene esta forma). El propósito de este diseño es mantener cada vértice del rotor en contacto con la pared de la cavidad, formando así tres cámaras de aire selladas independientes.
Cada parte del recinto sirve para una parte del proceso de combustión. Las cuatro partes del proceso de combustión incluyen:
La entrada y salida de los gases de escape de combustión comprimidos de admisión se encuentran en la carcasa. No tienen válvulas. El puerto de escape está conectado directamente al dispositivo de escape y el puerto de entrada de aire está conectado directamente a la válvula de mariposa.
Eje de salida
El eje de salida tiene unos ejes excéntricos circulares convexos, es decir, están desplazados de la línea central del eje. El rotor engrana con el árbol de levas. Estos árboles de levas actúan como el cigüeñal de un motor de pistón. A medida que el rotor gira a lo largo de su trayectoria en la carcasa, empuja estas levas. Debido a que el árbol de levas está montado centrífugamente en el eje de salida, la fuerza ejercida sobre el árbol de levas por el rotor crea un par en el eje de salida, lo que hace girar el eje de salida.
A continuación, veamos cómo se ensamblan estas piezas para generar electricidad.
Los motores rotativos se ensamblan por capas. El motor de doble rotor consta principalmente de cinco capas, unidas por un anillo de pernos largos. El refrigerante fluye a través de tubos que rodean los componentes estratificados.
Los componentes en capas en ambos extremos incluyen sellos y cojinetes del eje de salida. También sellan las dos partes de la carcasa que contienen el rotor. Las superficies internas de estos componentes en capas son muy lisas, por lo que el sello del rotor hace un buen trabajo. Las entradas de aire se encuentran en ambos extremos de los componentes estratificados.
La segunda capa, desde el exterior hacia el interior, es una carcasa de rotor ovalada con un puerto de escape en el interior. Esta es la parte de la carcasa que contiene el rotor.
El conjunto de capa intermedia contiene dos entradas de aire, una para cada rotor. También se utiliza para separar los dos rotores, por lo que su superficie exterior es muy lisa.
En el centro del rotor hay un gran engranaje interno que engrana con un pequeño engranaje fijado a la carcasa del motor. Esto determina la trayectoria del rotor. El rotor también engrana con un gran eje redondo convexo en el eje de salida.
A continuación, veamos cómo este motor genera electricidad.
Los motores rotativos utilizan un ciclo de combustión de cuatro tiempos, al igual que los motores de pistón. Pero en un motor rotativo esto se hace de una manera completamente diferente.
El núcleo del motor rotativo es el rotor. Equivalente al pistón en un motor de pistón. El rotor está montado en el gran eje circular convexo del eje de salida. Este árbol de levas está desplazado de la línea central del eje y actúa como un cigüeñal en un cabrestante, proporcionando al rotor el apalancamiento que necesita para impulsar el eje de salida. Cuando el rotor gira en la carcasa, empujará el eje convexo para que gire; por cada revolución del rotor, el eje convexo girará tres veces.
Mire con atención, por cada revolución del rotor, el eje convexo desplazado en el eje de salida girará tres veces. A medida que el rotor se mueve dentro de la carcasa, cambian los volúmenes de las tres cámaras cilíndricas formadas por el rotor. Este cambio creará un efecto de bombeo. Veamos los cuatro golpes del motor experimentados por una cara del rotor.
Admisión
Cuando el ápice del rotor pasa por el puerto de admisión, comienza la fase de admisión del ciclo. Cuando la entrada de aire está conectada a la cámara del cilindro, el volumen de la cámara del cilindro se acerca a su valor mínimo. A medida que el rotor gira alrededor del puerto de admisión, el volumen de la cámara del cilindro aumenta, aspirando una mezcla de aire y combustible hacia la cámara del cilindro.
Cuando el vértice de la cámara del cilindro pasa a través de la entrada de aire, la cámara del cilindro se sella y comienza la compresión.
Compresión
A medida que el rotor continúa moviéndose dentro de la carcasa, el volumen de la cámara del cilindro disminuye, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando la superficie del rotor se gira hacia la bujía, el volumen de la cámara del cilindro vuelve a acercarse a su mínimo. Este es el punto de partida de la quema.
Quemaduras
La mayoría de motores rotativos tienen dos bujías y una cámara de combustión relativamente larga y estrecha. Si sólo hay una bujía, la llama se propagará lentamente. Cuando la bujía enciende la mezcla de aire y combustible, rápidamente genera presión e impulsa el movimiento del rotor.
La presión de la combustión impulsará al rotor a moverse en la dirección de aumentar el volumen de la cámara del cilindro. Los gases de combustión continúan expandiéndose, empujando el rotor y generando electricidad, hasta que el vértice del rotor pasa nuevamente por el puerto de escape.
Ventilación
Cuando el vértice del rotor pasa por el puerto de escape, se liberarán gases de combustión a alta presión en el dispositivo de escape. A medida que el rotor continúa moviéndose, la cámara del cilindro comienza a comprimirse, expulsando los gases de escape restantes. Cuando el volumen de la cámara del cilindro se acerca a su valor mínimo, el vértice del rotor pasará por el puerto de admisión y todo el ciclo comenzará de nuevo.
Uno de los aspectos más destacados de un motor rotativo es que los tres lados del rotor siempre actúan en alguna parte del ciclo: hay tres tiempos de combustión para una revolución completa del rotor. Sin embargo, tenga en cuenta que el eje de salida girará tres veces por cada revolución del rotor, lo que significa que hay una carrera de combustión por cada revolución del eje de salida.
En comparación con los motores de pistón tradicionales, los motores rotativos tienen las siguientes ventajas destacadas.
Menos piezas móviles
Los motores rotativos tienen muchas menos piezas móviles que los motores de pistón de cuatro tiempos. Un motor de dos rotores tiene tres partes móviles principales: dos rotores y un eje de salida. Incluso el motor de pistón de cuatro cilindros más simple tiene al menos 40 piezas móviles, incluidos pistones, bielas, árboles de levas, válvulas, resortes de válvula, balancines, correas de distribución, engranajes de distribución y cigüeñales.
Menos piezas móviles significa que un motor rotativo es más fiable. Por eso algunos fabricantes de aviones, incluido Airbus, prefieren utilizar motores rotativos en lugar de motores de pistón.
Suave
Cada componente de un motor rotativo gira continuamente en una dirección, sin necesidad de cambios drásticos de dirección como un pistón en un motor convencional. El motor rotativo logra el equilibrio interno utilizando contrapesos giratorios direccionales para eliminar las vibraciones.
La entrega de potencia en el motor rotativo también es muy suave. Debido a que cada combustión puede girar el rotor 90 grados, y cada vez que el rotor gira, el eje de salida girará tres veces, por lo que cada combustión puede girar el eje de salida 270 grados. Esto significa que una sola combustión en un motor de un solo carrete puede proporcionar tres cuartas partes de la potencia por cada rotación del eje de salida. Un motor de pistón de un solo cilindro requiere que el cigüeñal (el eje de salida del motor de pistón) gire dos semanas para completar una combustión. La combustión hace que el cigüeñal gire 180 grados, en otras palabras, solo una cuarta parte del cigüeñal puede obtener potencia cada vez. tiempo que gira el cigüeñal.
Más lento
Debido a que la velocidad de rotación del rotor es un tercio de la del eje de salida, las principales partes móviles del motor se mueven mucho más lentamente que las del motor de pistón. Esto también ayuda a mejorar la confiabilidad.
Desafíos
El diseño de motores rotativos enfrenta los siguientes desafíos:
En general, es difícil (pero no imposible) que los motores rotativos cumplan con las normas de emisiones de EE. UU. estándares. El costo de fabricación es mayor, principalmente porque su cantidad de producción no es tan grande como la de los motores de pistón. Generalmente, consume más combustible que un motor de pistón porque la estrecha cámara de combustión y la baja relación de compresión reducen la eficiencia termodinámica.