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tipos, usos, diseño y como se construyen los motores diesel, rotativo, otto
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Proyecto final de carrera Ingeniería Técnica Naval Facultad Náutica de Barcelona (UPC)
Autor: Roger Canals Noguera Director: Manuel Rodríguez Castillo Co‐Director: Jordi Torralbo Gavilán
El motor rotativo ideado por Felix Wankel supuso en su época una revolución de la ingeniería mecánica, no obstante su implementación en la industria no se extendió de forma considerable. Pese a todo sigue siendo una alternativa palpable a los motores alternativos de combustión interna e incluso mejor si lo que se busca son altas prestaciones, por ello estudiar las particularidades de dicho motor sirve como base del proyecto presente, teniéndose en cuenta su geometría, funcionamiento y propiedades.
Analizar en una primera aproximación la geometría y funcionamiento de la máquina rotativa introduce al lector al principio de operación de éste tipo de tecnología. Enmarcar históricamente al motor permite entender el porqué y como del desarrollo.
Una vez se analizan las bases del motor rotativo, se procede al estudio de diseño, proporcionando las claves para gestarlo. Como existen varias soluciones para los sistemas de admisión, escape, refrigeración, lubricación e ignición se escogen en función de la sencillez que ofrecen a la construcción del motor, alcanzando un compromiso entre prestaciones y facilidad de fabricación.
El diseño de la máquina permite su construcción real. Para ello se deben estudiar y aplicar los procedimientos de mecanizado, seleccionar materiales adecuados para la construcción y finalmente construir, montar y valorar el producto realizado.
III. Volviendo a I, V2 se encuentra en el Punto Muerto Superior (PMS) de la fase de expansión, es decir el inicio de la misma, la cámara expandirá su volumen como se muestra en II y III, alcanzando el PMI en IV, justo al inicio de la fase de escape. De nuevo en I, V3 completa la fase de escape a lo largo de II y III, donde la fase alcanza el PMS y finaliza cuando el vértice que une los lados C y B barre el puerto de salida y el vértice de A y C, que cierra la admisión para V1, la abre para V3, como se aprecia en IV.
Una rotación planetaria completa del rotor, genera tres rotaciones del cigüeñal excéntrico, es decir 360º del rotor equivalen a 1080º del cigüeñal. Cada uno de los 4 ciclos de una cámara se da en 1080º/4 = 270º de rotación del cigüeñal a diferencia de los 720º/4 = 180º correspondientes a un motor recíproco de combustión alternativo. Sin embargo, en el motor rotativo, las 3 cámaras actúan simultáneamente y por cada vuelta del cigüeñal se produce una fase de expansión.
Ilustración 1.2 Sección del KKM 250, el primer diseño del motor Wankel desarrollado en NSU.
En la ilustración 1.2 se muestra el primer diseño de motor Wankel tal y como se conoce hoy en día, desarrollado por la empresa automovilística NSU. Este esquema permite familiarizarse con los elementos reales que completan la máquina.
En primer lugar se distingue el cigüeñal ( 1 ), dotado de una zona intermedia excéntrica la cual permite transformar el movimiento planetario del rotor en movimiento puramente rotativo. Seguidamente el rotor ( 2 ) y el estator ( 3 ), cuya geometría conjunta transforma la energía generada por la explosión en energía mecánica, explosión contenida por las culatas ( 4 ) de ambos lados.
El cojinete de apoyo principal ( 5 ) sostiene el cigüeñal y disminuye la fricción al rotar, análogamente el cojinete de apoyo del rotor ( 6 ) permite que la parte excéntrica del cigüeñal se deslice en el centro del rotor sosteniendo al rotor.
Los engranajes fijo ( 7 ) y rotativo ( 8 ) suavizan el movimiento planetario del rotor y al estar engranados fuerzan que el movimiento del mismo se mantenga en fase con los ciclos termodinámicos del motor.
Como en toda máquina térmica hay un sistema de refrigeración ( 9 ), en este esquema se trata la refrigeración por agua, pero existen otras soluciones al respecto.
La bujía ( 10 ) inicia el ciclo de expansión aportando energía térmica a la mezcla aire-combustible comprimida, el puerto de escape ( 11 ) extrae los gases resultado de la combustión de la mezcla y el de admisión ( 12 ) permite la entrada de la misma. Los sellos periféricos ( 13 ), uno en cada vértice, mantienen separadas las 3 cámaras de trabajo evitando la transferencia de masa y energía entre las mismas. Finalmente en las caras laterales del rotor se labra una cavidad ( 14 ) que incrementa la cilindrada y mejora la mezcla de los fluidos de trabajo, aire y combustible.
pasaron inadvertidos para el partido nazi, con lo que le pidieron que los probara en motores de aviación. Las válvulas probaron su eficacia y entraron en producción, se montaron en aviones de la Luftwaffe y torpedos de la Kriegsmarine.
En 1951 accedió a un puesto como investigador en la NSU, una de las cuatro empresas que luego formarían la sociedad empresarial Audi. Su trabajo seguía consistiendo en desarrollar válvulas de disco, sin embargo, esta vez, Wankel presionó para llevar a cabo su idea de motor rotativo lo cual se materializo primero en un compresor basado en su diseño y luego en el DKM54, el primer motor rotativo con un funcionamiento similar al actual.
El DKM54 consistía en un rotor interno y otro externo que giraban en el mismo sentido pero a velocidades distintas. Eran varios sus problemas de practicidad ya que el reemplazo de elementos simples y normalmente accesibles, como las bujías, requería el desmontaje y montaje prácticamente completo del motor. Más tarde construirían el DKM125 manteniendo el mismo funcionamiento y estructura iniciales, ambos motores no pasaron del banco de pruebas, sirvieron para estudiar los materiales de sellado y las propiedades de la cámara de combustión, de hecho el DKM 125 llegó a probarse a 25000 rpm en el laboratorio y no registró fallo alguno. La gran velocidad de giro que podía alcanzar era a la vez su gran ventaja y desventaja, primero por las deformaciones que comprometían el sellado de las cámaras y segundo por la inercia que generaban dos masas tan grandes a esas velocidades, lo cual dificultaba su frenado, una característica problemática en un automóvil.
Walter Froede, ingeniero en jefe de NSU, se percató de la inviabilidad del diseño, moviéndolo a simplificarlo. Empezó fijando el rotor exterior, estableciendo lo que hoy se conoce como el estator del motor rotativo Wankel, después dotó de movimiento excéntrico al rotor interior, lo que resultó en que se dieran 3 ciclos termodinámicos por cada vuelta del rotor y 1 por cada vuelta del eje, materializo estos cambios construyendo el KKM125, el primer motor Wankel con el diseño actual. Los cambios enfurecieron a
Ilustración 1.4 Felix Wankel posando con el prototipo DKM54.
Ilustración 1.5 Walter Froede, ingeniero jefe de NSU.
Felix Wankel, consideraba al DKM como la verdadera hibridación entre motores de combustión y turbinas y al KKM como una versión desprovista de las ventajas que ofrece un movimiento totalmente rotativo, acabaría por aceptar el nuevo diseño.
Construyeron el KKM250 y KKM400 para montarlos en automóviles y mostrarlos a la prensa especializada, los elogios no tardaron en llegar, todos apreciaron la suavidad de funcionamiento y la facilidad que tenia para revolucionarse. En 1958, Curtiss-Wright, empresa contratista militar americana especializada en el sector de la aviación, fue la primera corporación en comprar la licencia para fabricar motores rotativos Wankel. Introdujeron algunos cambios al diseño de NSU, como refrigeración axial en vez de periférica, puertos de admisión y escape laterales en lugar de periféricos y un sistema de ignición distinto, además desarrollaron los materiales de capa de protección para el estator y de los sellos del rotor incrementando en mucho la vida útil y fiabilidad del motor, diseñaron y fabricaron el primer multirotor Wankel, experimentaron con las dimensiones llegando a fabricar motores de hasta 31500cc y gestaron un motor Wankel multicombustible. En definitiva desarrollaron todo el potencial que el motor ofrecía con la esperanza de obtener un contrato militar para montar sus motores, pero fueron demasiado conservadores en su estrategia de marketing y el contrato jamás llegó, en 1984 vendieron la licencia y documentación de toda su investigación y desarrollo a Deere & Co, empresa especializada en vehículos de agricultura y construcción, por 14000000 $, perdiendo
así mucho del tiempo y dinero invertidos.
Toyo Kogyo, conocida en occidente como Mazda, llego en 1960 para hacerse con una licencia asignando a Kenichi Yamamoto como el encargado de desarrollo de la máquina. Construyo prototipos de aleaciones ligeras, culatas de acero y estatores de aluminio, aplicó revestimientos electrolíticos de cromo a la superficie interna del estator y fabricó sellos de una aleación de carbono y
Ilustración 1.6 Laboratorio de ensayos de la división Wankel de Curtiss‐Wright.
de posición óptima de la chispa, dado que esta variaba según la velocidad del rotor.
No es difícil observar que Mazda puso un gran empeño en potenciar el diseño del motor Wankel. Era una empresa pequeña en busca de un filón tecnológico que le permitiera no solo alcanzar a las grandes compañías japonesas, sino evitar ser absorbida por estas, pero el motor rotativo no funcionó como todos esperaban y puso en peligro la solvencia económica de la empresa que se salvó solo gracias a las ventas de automóviles y camionetas corrientes en Estados Unidos. Pero lejos de abandonar la investigación, mejoraron su diseño y finalmente encontraron un mercado idóneo, los aficionados al motor. Hoy en día siguen instalando motores Wankel en su gamma de coches de
alto rendimiento, los famosos RX.
Pese a que Daimler-Benz compró la licencia de producción en 1964 llevaba desde 1960 fabricando prototipos Wankel, Wolf Dieter Bensinger, antiguo compañero de trabajo de Felix Wankel durante la guerra, desarrollo la investigación en Mercedes. Propuso un explicación alternativa a las marcas provocadas por los sellos en la superficie del estator, Bensinger creía que el arrastre de residuos sólidos de la combustión provocaba el recurrente fallo, como en todos los casos la solución radicaba en encontrar los materiales apropiados. Rediseñó el circuito de circulación de aceite dentro del rotor, cuya función era la refrigeración del mismo, para dotar al fluido de un movimiento más predecible, estudió la dinámica de la combustión y concluyó que la llama no llegaba a alcanzar los sellos periféricos, lo cual permitía fabricarlos de materiales con baja resistencia térmica.
En un principio los sellos se fabricaron de carbono y aluminio, permitiendo al motor alcanzar una vida de 100000 Km, pero esa cifra era pequeña para una compañía conocida por fabricar automóviles pensados para durar toda una vida. Encargaron a Mahle, una compañía alemana dedicada a la investigación y desarrollo de los motores de combustión interna, la gestación de una capa de protección especial para la superficie interior del estator, a lo que Mahle respondió con una nueva aleación de níquel y carburo de silicio, un compuesto conocido comercialmente como Nikasil, que fue pensado inicialmente para aplicación en motores rotativos Wankel, pero probó su eficacia en cualquier tipo
Ilustración 1.9 Mazda RX‐7.
de motor de combustión interna, razón por la que, en la actualidad, es uno de los procesos más usados en la industria del automóvil.
Una vez acabó el desarrollo del motor en Mercedes instalaron un trirotor en un prototipo llamado C111. El coche tenía un buen diseño, el motor era más que fiable y alcanzaba una velocidad máxima de 289 Km/h, la prensa tenía muchas expectaciones en este prototipo, creían que daría que hablar en los circuitos, lo que nadie previó fue la nueva normativa de regulación de emisiones en Estados Unidos, el mayor mercado de Mercedes, el motor no se adaptó a las nuevas regulaciones, con el consiguiente abandono del proyecto.
Muchas otras compañías estudiarían el motor y harían interesantes aportaciones al diseño original, Fitchel and Sachs, fabricante alemana de rodamientos, diseño un sistema de refrigeración interna del rotor mediante carga de combustible, Rolls-Royce produjo prototipos Diesel de la máquina rotativa y Citroën formaría una breve sociedad con NSU para desarrollar conjuntamente coches basados en el Wankel. De todos los proyectos iniciados solo el de Mazda llegaría a la actualidad.
Ilustración 1.10 Mercedes C111.
Ilustración 1. Mazda RX‐8.
2.1. Geometría del estator.
El modelo matemático de función trocoide se usa para definir el perfil de la superficie del estator del motor Wankel. Una trocoide es una variación de la función conocida como cicloide, dicha función es la curva generada por un punto cualquiera del perímetro de una circunferencia generatriz que rueda, sin deslizar, sobre el perímetro de una circunferencia base, si dicho punto no se encuentra integrado en el perímetro de la generatriz la función será trocoide. La generatriz puede rodar en el interior, caso conocido como hipocicloide y hipotrocoide para cada caso, o en el exterior epicicloide e epitrocoide.
Ilustración 2.2 Representación gráfica de la generación de una función epitrocoide (a) y una función hipotrocoide (b).
En la ilustración 2.1 se muestra la generación del perfil trocoide del estator, dicho perfil puede desarrollarse mediante el modelo epitrocoide e hipotrocoide. En el esquema a la circunferencia generatriz rueda sobre el perfil exterior de la base, mientras que en b la circunferencia base está contenida en la generatriz. En los dos casos la línea discontinua representa la posición pasada de las generatrices y el conjunto de puntos P forma el perfil trocoide, cuyas coordenadas vendrán dadas por:
݊݁ݏ ݁ ߙ݊݁ݏ ܴൌ ݔ ሺ ߙ ߚሻ 2.1 .ܿܧ
݊݁ݏ ݁ ߙݏ ܿ ܴൌ ݕ ሺ ߙ ߚሻ 2.2 .ܿܧ
Observando el esquema a se deduce que:
Estableciendo que ቀ1 (^) ைை ᇲ ቁ ൌ ܭ se reescriben las coordenadas como:
݊݁ݏ ݁ ߙ݊݁ݏ ܴൌ ݔ 2.6 .ܿܧ ሻߙܭሺ
݊݁ݏ ݁ ߙݏ ܿ ܴൌ ݕ 2.7 .ܿܧ ሻߙܭሺ
La relación (^) ைை ᇲ varía según el tipo de perfil trocoide que se quiera generar, en el
caso del motor Wankel se trabaja con un perfil de 2 lóbulos y la relación vale ை ை ᇲ^ ൌ 2^ determinando que^ ܭൌ 3.
Del esquema b se obtiene:
ܱܱ ᇱᇱ^ ܱൌ ߙ ܭ ᇱ^ 2.8 .ܿܧ ߚ ܤ
Sabiendo que ߚൌ ߙሺ ܭെ 1ሻ (ecuación 2.4 ):
Conociendo que ܱܱ ᇱᇱ^ ܱെ ᇱ^ ݁ൌ ܤ se usa la ecuación 2.9 para crear el siguiente sistema de ecuaciones:
ܱܱ ᇱᇱ^ ൌ ሺ ܭെ 1ሻ 2.10 .ܿܧ ݁
ܱ ᇱ^ ܤൌ ܭ2.11 .ܿܧ ݁
Reescribiendo OO’’ como R (^) s y O’B como Rs’ :
ܴ ܴ௦ ௦ᇱ
Para una hipotrocoide de dos lóbulos K=3, por tanto:
ܴ ܴ௦ ௦ᇱ
La relación entre Rs y Rs’ determina la relación de transmisión entre los engranajes fijo y rotativo, por tanto supone un dato fundamental para el funcionamiento del motor Wankel. Dicha relación se implementa en el diseño de los engranajes en el apartado 3..
Ilustración 2.4 Perfil de un rotor correspondiente a la envolvente de una familia de curvas trocoides.
2.3. Volumen de la cámara de combustión.
Ilustración 2.5 Representación gráfica de las áreas máxima y mínima comprendidas entre el estator y el rotor.
En la ilustración 2.4 se muestra la diferencia entre el área máxima y mínima comprendida entre las paredes del estator y las del rotor. La diferencia será la misma para rotores de lados rectos o curvilíneos, de forma que se usa un rotor teórico de lados rectos para el cálculo del área.
Se define al área comprendida como:
ఈାଶగ/
ఈ
Substituyendo y e x por las ecuaciones 2.14 y 2.15 se integra la función:
ܴଶ ଶ ݊݁ݏ െ ቇ^
cos ቆሺ ܭേ 1ሻ ߙേ
Los valores máximos y mínimos del área se obtendrán para los siguientes valores de α:
ܣ (^) ௫ ՜ ߙ ൌ
