viernes, 9 de diciembre de 2011
Motor Radial o de Estrella
Motor radial
El motor radial o motor estrella es un tipo de disposición del motor de combustión interna, en la cual los cilindros van ubicados radialmente respecto del cigüeñal, formando una estrella como en la figura. Esta configuración fue muy usada en aviación, sobre todo en grandes aviones civiles y militares, hasta la aparición del motor a reacción.
Funcionamiento
En este motor los pistones van conectados por un mecanismo de biela - manivela, distinto de los motores en línea. Uno de los pistones está conectado a una biela más grande que las demás, llamada biela principal, que a su vez está conectada directamente con el cigüeñal. Los otros pistones están conectados a bielas más pequeñas que están conectadas a la biela principal o biela maestra. Al conjunto de pistones, biela maestra y bielas secundarias se le conoce como estrella. El número de pistones de una estrella es generalmente impar, pues así el orden de encendido minimiza las vibraciones.
En los años 1930 se inició un debate técnico para ver cual de los tipos de motores, radial, en línea o en V, era mejor. Por su parte el radial presenta una gran relación potencia/peso, sencillez de funcionamiento, alta potencia y torsión superior a las otras dos disposiciones. Sin embargo el motor en línea o en V, puede ser fabricado con menor o igual cilindrada que un motor radial, y sus prestaciones sólo quedan en desventaja por su sistema de enfriamiento. Por esta razón el debate sólo se resolvió en el transcurso del tiempo, demostrando que sin importar la disposición el mejor motor es aquel que suple las necesidades por las cuales fue escogido. Los tres tipos de disposición fueron reemplazados progresivamente con la masificación de los motores de cilindros horizontalmente opuestos (enfriados por aire) y la aparición de los motores a reacción.
El motor radial fue más popular en gran parte debido a su sencillez, y muchas armadas lo usaron por su fiabilidad (sobre todo para vuelos sobre grandes superficies desérticas o sobre agua) y por su bajo peso (uso en portaaviones). Aunque los motores en línea ofrezcan un área frontal más pequeña que radial, requieren un sistema de refrigeración que se traduce en más peso y complejidad, y además generalmente son más vulnerables en combate. Algunos aviones caza de la segunda guerra mundial, como el Supermarine Spitfire o el Messerschmitt Bf-109 utilizaron motores en V, buscando una línea aerodinámica más fina, en cambio la Armada de los Estados Unidos utilizó para casi todos sus aviones el motor radial.
Historia
La idea de los motores radiales surge a finales de los años 1920 después de la Primera Guerra Mundial, durante la cual los aviones estaban propulsados por motores rotativos. De cierta manera, estos motores tenían una disposición radial, ya que sus cilindros se ubicaban en torno a una parte central y estaban enfriados por aire; sin embargo son rotativos porque los cilindros giran alrededor de un cigüeñal, lo cual favorece su enfriamiento pero disminuye enormemente su fiabilidad. Durante ésta época es común ver que alguien encendía el motor de un avión girando la hélice, ya que a diferencia de un motor en línea o en V que necesitan de un arranque para mover los componentes e iniciar su ciclo operativo, al mover la hélice de un motor rotativo se está moviendo todo el sistema.
Dada la tecnología de la época, era difícil la concepción de motores livianos y eficientes. Los motores rotativos tenían frecuentemente fallos de sobrecalentamiento, ya que debían funcionar a máxima potencia todo el tiempo, disminuyendo drásticamente su durabilidad y fiabilidad. El único medio de control que existía era apagar en ocasiones y luego encenderlo durante el vuelo. Presentaban por ello graves averías como fatales fugas de aceite, temperaturas superiores a los 350ºC, y en consecuencia los aviones se incendiaban, incinerando a los pilotos u obligándolos a lanzarse al vacío (sin paracaídas, ya que aparecería varios años más tarde). Este tipo de sucesos cobró muchas vidas.
Fue entonces cuando la Armada de los Estados Unidos estableció los parámetros que regirían a los motores enfriados por aire, cuando sus investigaciones mostraron que aproximadamente un 20% de los fallos en los motores se debía al sistema de enfriamiento líquido y que además esto reduce notoriamente la relación peso/potencia. Los parámetros que publicó la Armada estadounidense para el desarrollo de estos motores fueron los siguientes:
- Menor peso por caballo de potencia producido por el motor.
- Alta eficiencia de combustible.
- La máxima fiabilidad posible.
- La máxima durabilidad.
- Mantenimiento más fácil posible.
- Bajo costo.
- Facilidad para ser producido en masa.
Esta lista de requerimientos favorecía la producción de un motor enfriado por aire, pero parecía que nada satisfacía completamente estas exigencias. La Armada de los Estados Unidos intentó en vano convencer a los fabricantes de desarrollar motores enfriados por aire. Finalmente, avalaron un contrato experimental a la Aero-Engine Corporation de Charles Lawrance para el desarrollo de un motor radial de nueve cilindros usando un diseño previo de un radial de tres cilindros hecho por Lawrance.
De esta manera nace el J-1, producido por Charles Lawrance bajo contrato con la Armada estadounidense. Posteriormente la compañía de aviación Wright compró la empresa de Lawrance y lo contrató como Ingeniero en Jefe, debido a su trabajo prometedor. De esta manera el motor radial Wright Whirlwind J-5 estuvo disponible en 1925.
Ese mismo año, tres ingenieros de la Wright, incluyendo a Frederick Rentschler, comenzaron a desarrollar su propio diseño de motor radial en una reciente división de una fábrica de herramientas que pronto cedería su nombre a la historia de la aviación: Pratt & Whitney. El primer motor, el R-1340 Wasp fue finalizado en vísperas de la Navidad de 1925 y el año siguiente obtuvo importantes pedidos de la Armada de los Estados Unidos, dando pasos que la convertirían en la mayor fabricante de motores de aviación de la historia.
Ambas compañías contaron con una importante influencia en la historia de la aviación, cargada por entonces de múltiples cambios culturales como el transporte de correo y pasajeros, las exhibiciones aéreas y los récords de los grandes pioneros de la aviación. Fue así como un Wright Whirlwind propulsó a Richard Byrd en su viaje de ida y regreso al Polo Norte, al Wright Bellanca WB-2 que batió el récord de economía de combustible al volar 51 horas sin repostar, con lo cual este motor se convirtió en ideal para batir marcas; el aviador Charles Lindbergh, al no poder comprar un Wright Bellanca, emprendió su famoso cruce del Átlántico en 1927 a bordo del célebre Ryan "Spirit of Saint Louis NYP" (NYP: New York to Paris), propulsado también por un Wright Whirlwind J-5. Esta compañía estuvo a la cabeza del desarrollo de los motores radiales, aportando innovaciones importantes que permitían aumentar la potencia, reducir vibraciones e incrementar su eficiencia.
Sin embargo Pratt & Whitney no se quedó atrás: su motor R-1340 Wasp dio inicio a la masificación de la producción de motores radiales desde su aparición, y junto con el posterior R-1680 Hornet (que perdería su éxito rápidamente) marcaron un hito en la aviación. Con el Wasp sucedieron hechos interesantes, como el primer vuelo trasatlántico hecho por una mujer, la aviadora Amelia Earhart, y fue el motor escogido para propulsar el conocido Lockheed Vega de la piloto, así como su Lockheed L-10 Electra. Pratt & Whitney también es responsable de la creación del motor más vendido de todos los tiempos, el R-1830 Twin Wasp de doble biela maestra y 14 cilindros, que entre muchos aviones célebres propulsa al Douglas DC-3. La variedad de plantas motrices construida por P&W hicieron que ésta compañía y sus productos llegaran a todo tipo de aeronaves durante algo más de treinta y cinco años, y su producción cesó en 1960 con la llegada del motor a reacción.
Ventajas y desventajas
- Como primera ventaja, está su gran área frontal, dado que el enfriamiento del motor se hace usando aire de impacto, producto del desplazamiento, a diferencia de los motores en línea, en "V" o en "W" que necesitan un sistema de enfriamiento con líquido, el cual implica más peso. Por consiguiente, los motores enfriados por aire tienen una mayor relación peso/potencia que los motores enfriados por líquido
- Al no usar sistema de refrigeración por líquido, la construcción y mantenimiento se facilita en comparación con los motores en línea, en "V" o en "W".
- La cantidad de piezas requeridas para el ensamble es menor, lo cual incrementa la fiabilidad ya que a mayor número de piezas mayor es la posibilidad de que ocurra algún fallo en un sistema.
- Su simplicidad lo hace más fiable y menos sensible a los daños en combate, dado que los impactos de bala de otros aviones podían perforar y dañar algunos cilindros sin comprometer seriamente su funcionamiento, mientras que en motores enfriados por líquido las balas producían fugas en el sistema de refrigeración, fundiendo el motor inmediatamente.
- Las desventajas más importantes se relacionan con su gran área frontal, que produce una gran resistencia en comparación con los otros tipos de motores que permiten coeficientes aerodinámicos más pequeños.
- Cuando el flujo de aire aumenta (especialmente en el descenso) el motor se enfría por debajo de su temperatura de funcionamiento, o aumenta la diferencia entre su temperatura y la temperatura ambiente, lo cual constituye un fallo comúnmente conocido como "choque térmico", en el cual los cilindros sufren fracturas que los dañan parcial o completamente. Para evitar este fallo, los pilotos están capacitados para controlar la potencia de tal forma que no disminuya demasiado, e intentar mantener la mezcla de aire y combustible bien regulada; también el piloto puede variar la temperatura (en rangos muy pequeños) controlando la apertura de Aletillas Externas de Ventilación ó Persianas (en inglés Cowl Flaps), las cuales se sitúan en la tapa protectora del motor y lo rodean justo detrás de la parte frontal. También deben evitarse descensos bruscos.
- Si se desea usar sobrealimentación con este tipo de motor, el aire comprimido, después de pasar por el compresor o turbina, deberá ser llevado a cada uno de los cilindros, mientras que en el motor en línea, en V o en W, es necesario sólo un conducto para el bloque entero.
- La buena relación peso/potencia de estos motores disminuye a medida que se reduce el tamaño, por lo cual no es rentable hacer un motor radial de cilindradas pequeñas, y por esta razón aeronaves ligeras que no usaron el motor radial generalmente portaban un motor en línea o un motor de cilindros horizontalmente opuestos. Esta última disposición se sigue usando hoy en día casi de forma exclusiva por aeronaves nuevas, y comparte significativas similitudes con los motores radiales.
Motor Wankel o rotativo
Un motor rotativo o Wankel, en honor a su creador el Dr. Felix Wankel, es un motor de combustión interna que funciona de una manera completamente diferente de los motores alternativos.
En un motor alternativo; en el mismo volumen (mililitros) se efectúan sucesivamente 4 diferentes trabajos —admisión, compresión, combustión y escape. En un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa o bloque; con el pistón moviéndose continuamente de uno a otro. Más concretamente, el cilindro es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un rotor triangular que realiza un giro de centro variable. Este pistón comunica su movimiento rotatorio a un cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único.
Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del recinto y sellada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los pistones.
El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el "freno", delimitando así tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expanden y contraen alternativamente; es esta expansión-contracción la que succiona el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energía expansiva y la expele hacia el escape.
Ventajas:
- Menos piezas móviles: el motor Wankel tiene menos piezas móviles que un motor convencional, tan solo 4 piezas; bloque, rotor (que a su vez está formado por segmentos y regletas), árbol motriz y sistema de refrigeración/engrase (similar a los que montan los motores de pistón). Esto redunda en una mayor fiabilidad.
- Suavidad de marcha: todos los componentes de un motor rotativo giran en el mismo sentido (apuntando al sol), en lugar de sufrir las constantes variaciones de sentido a las que está sometido un pistón. Están equilibrados internamente con contrapesos giratorios para suprimir cualquier vibración. Incluso la entrega de potencia se desarrolla en forma más progresiva, dado que cada etapa de combustión dura 90° de giro del rotor y a su vez como cada vuelta del rotor representa 3 vueltas del eje, cada combustión dura 270° de giro del eje, es decir, 3/4 de cada vuelta; compárenlo con un motor monocilíndrico, donde cada combustión transcurre durante 180° de cada 2 revoluciones, o sea 1/4 de cada vuelta del cigüeñal. Se produce una combustión cada 120º del rotor y 360º del eje.
- Menor velocidad de rotación: dado que los rotores giran a 1/3 de la velocidad del eje y al tocar el freno, las piezas principales del motor se mueven más lentamente que las de un motor convencional, aumentando la fiabilidad.
- Menores vibraciones: dado que las inercias internas del motor son muy pequeñas (no hay bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de pistones, ni movimiento), solo se producen pequeñas vibraciones en la excéntrica.
- Menor peso: debido al menor número de piezas que forman el motor en comparación con los de pistones y dado que generalmente se construyen motores de dos o tres rotores de 600 cc o 700 cc cada uno, ayuda a conseguir un menor peso final del mismo.
Inconvenientes:
- Emisiones: es más complicado (aunque no imposible) ajustarse a las normas de emisiones contaminantes, ya que trabaja igual que un motor de 2 tiempos, consumiendo aire, combustible y aceite.
- Costos de mantenimiento: al no estar tan difundido, su mantenimiento resulta costoso.
- Consumo: la eficiencia termodinámica (relación consumo-potencia) se ve reducida por la forma alargada de las cámaras de combustión y la baja relación de compresión.
- Difícil estanqueidad: resulta muy difícil aislar cada una de las 3 secciones del rotor, que deben ser estancas unas de otras para un buen funcionamiento. Además se hace necesario cambiar el sistema de estanqueidad cada 6 años aproximadamente, por su fuerte desgaste.
- Sincronización: la sincronización de los distintos componentes del motor debe ser muy buena para evitar que la explosión de la mezcla se inicie antes de que el pistón rotativo se encuentre en la posición adecuada. Si esto no ocurre, la ignición empujará en sentido contrario al deseado, pudiendo dañar el motor.
- Mantenimiento: Las pastillas de freno deben ser reemplazadas regularmente debido al constante rozamiento de los vértices del rotor con el freno.
