Los diseños de motores más inusuales

Los fabricantes de automóviles modernos no nos miman con refinamientos técnicos en términos de diseño y configuración de motores. Los motores de combustión interna clásicos y los turbodiésel son los que mandan hoy en día. Pero todavía hay experimentadores que ofrecen soluciones originales. Y en el pasado, había incluso más proyectos de este tipo. Hoy Drom nos habla de los motores más inusuales para coches y motos.

Por regla general, bajo el capó de todos los coches actuales se instalan motores de gasolina de cuatro tiempos que funcionan según el llamado ciclo Otto: inyección, compresión, carrera, escape. Se trata de los típicos motores térmicos de combustión interna con encendido de la mezcla combustible mediante una bujía, en los que las válvulas de escape se abren después de que se cierren las válvulas de admisión. La principal desventaja de estos motores es su baja eficiencia (hasta un 28 %).

Más de un tercio de los coches modernos están equipados con turbodiésel con un mecanismo de manivela similar, pero con una relación de compresión más alta y con encendido de la mezcla de trabajo a partir de la compresión y la alta temperatura en el cilindro. La eficiencia de los motores diésel es mayor, pero aún no tan grande: hasta un 50 %.

Estos dos tipos de motores se utilizan en la gran mayoría de los coches actuales, y hace tiempo que se sabe y se habla de ellos. Nuestra tarea es hablar de sistemas no tan extendidos, que o bien tienen algunas diferencias importantes en comparación con los motores Otto y Diesel «clásicos», o bien se basan en un principio diferente.

Motor de pistón rotativo Wankel

• Empresas: NSU, Mazda, Citroën, VAZ.
• Algunos modelos de automóviles: NSU Ro 80, Mazda RX-7, VAZ-21059 y 21079, Citroën GS.

Para empezar, por supuesto, debemos comenzar con el diseño de pistón rotativo, que fue introducido por primera vez por los ingenieros Walter Freude y Felix Wankel no hace mucho tiempo, en 1957. Es lógico que este motor recibiera el nombre de uno de los creadores: Wankel. La peculiaridad de esta planta de energía es un pistón de tres lados (rotor), impulsado por la fuerza de la presión del gas. El movimiento del rotor en relación con el cilindro «ovalado» con el perfil original (estator) se realiza a través de dos engranajes: uno en la superficie interior del rotor y el segundo fijado rígidamente a la superficie interior de la cubierta lateral del motor. Su interacción proporciona un movimiento excéntrico circular en el que el rotor entra en contacto con la superficie interior de la cámara de combustión con sus caras. El movimiento giratorio se transmite a un eje especial y desde él a la transmisión. Un par mecánico regula el movimiento del rotor, y el segundo lo convierte en rotación del eje excéntrico. En una revolución completa del eje, el rotor tiene tiempo de girar 120°, y en cada una de las tres cavidades aisladas se reproduce el ciclo completo de cuatro tiempos de un motor de combustión interna: inyección, compresión, carrera y escape. Las ventajas obvias de este tipo de motor son su compacidad, ligereza, menor número de piezas (sin pistones, bielas ni cigüeñal), sistema de lubricación simplificado, bajo nivel de vibración y alta capacidad en litros. Las principales desventajas son la baja eficiencia de los sellos de la separación entre el rotor y la pared del cilindro, el alto consumo de aceite especial, la tendencia al sobrecalentamiento, los enchufes exigentes y la alta potencia a un régimen relativamente alto.

El primer coche de serie con RPM fue el alemán NSU Ro 80 en 1967, pero la verdadera popularidad de los motores de pistones rotativos la trajo, por supuesto, la empresa japonesa Mazda, famosa no solo por sus legendarios modelos RX, sino también por la única victoria en Le Mans del prototipo «757». Por cierto, Mazda planea volver al tema de los rotativos este mismo año. Varios fabricantes han experimentado con las RPM en diferentes momentos. Incluso AvtoVAZ en los años 80 se caracterizó por los «cinco» y «siete» rotativos, que se utilizaban en la policía de tráfico o por los «agentes del orden».

Motor de relación de compresión variable

• Empresas: Infiniti, Saab, AVL, FEV, MCE-5
• Modelo de coche: Infiniti QX50

Una tecnología que actualmente solo se utiliza en un vehículo, el crossover Infiniti QX50 que saldrá en 2019. Nissan lleva más de 20 años trabajando en ello, y ahora por fin el motor turbo VC-T (Variable Compression Turbocharged) de 2,0 litros es capaz de ajustar automáticamente la relación de compresión (de 8 a máxima potencia a 14 a bajas cargas) ajustando la longitud de los pistones en 6 mm. Esto permite no solo olvidarse casi por completo de los modos subóptimos y, como consecuencia, de la detonación, sino también aumentar la eficiencia y ahorrar hasta un 27 % de combustible en comparación con los «seis» en forma de V, según los ingenieros japoneses. Este truco se realiza de la siguiente manera: hay una articulación móvil de la biela con su cuello inferior, que funciona mediante un sistema de palancas accionadas por un motor eléctrico. Al mismo tiempo, la potencia de la planta de energía es de unos impresionantes 270 CV y el par motor de 390 Nm (en Rusia, el motor se deforma a 249 CV y 380 Nm). Se considera que las principales desventajas del diseño son su complejidad y el mayor peso (unos 10 kg) de la unidad de potencia.

Ingenieros de Ford, Mercedes-Benz, Peugeot y Volkswagen han experimentado con motores de relación de compresión variable en varias ocasiones, pero nadie ha obtenido nunca una patente. También hubo sistemas tempranos con un pistón adicional que cambiaba el volumen de la cámara de combustión. También se experimentó con pistones de altura variable, que resultaron ser muy pesados. En el año 2000, la empresa FEV Motorentechnik instaló en el motor turbo 1.8T de Volkswagen un sistema con… cigüeñal elevable, cuyo movimiento se realizaba con la ayuda de embragues excéntricos. Ese mismo año, los suecos de Saab demostraron su visión. El motor turbo SVC (Saab Variable Compression) de 5 cilindros y 1,6 litros podía levantar la parte superior del bloque de cilindros dividido. Por la misma época, los franceses de MCE-5 Development presentaron un motor con bielas divididas únicas con balancines dentados. Pero ninguna de estas soluciones llegó a aplicarse en los coches de producción.

Motor de válvulas Knight Sleeve

• Empresas: Daimler, Mercedes-Benz, Peugeot, Panhard, Willys-Knight, Mors, Avions-Voisin
• Algunos modelos de automóviles: Avions-Voisin C, Willys-Knight, Daimler 22HP

Viajaremos ahora a finales del siglo XIX y principios del XX, cuando Charles Knight tuvo la idea de crear un motor sin válvulas clásicas. En 1908 patentó su creación, que estaba equipada con las llamadas «válvulas de carrete»: se trataba de una especie de acoplamiento, accionado por un eje de engranaje especial, que se deslizaba alrededor del pistón y abría así los orificios de entrada y salida en las paredes del cilindro. Este sistema demostró no solo que funcionaba, sino que también era bastante silencioso, duradero, con buen rendimiento y sin el problema de «atascamiento» de las válvulas de disco convencionales. Además de estas ventajas obvias, había otras: buen barrido de los gases de escape, forma de la cámara de combustión sin cambios (por lo tanto, sin detonación), sin culata convencional y colocación ideal de la bujía. La principal desventaja se consideró el aumento del consumo de aceite.

Sin embargo, estos motores se equiparon con varios modelos de marcas de automóviles tan famosas como Daimler, Panhard, Peugeot, Mercedes-Benz, Willys y otras hasta los años 40 del siglo pasado. Posteriormente, tras un aumento significativo de la velocidad del motor y la introducción de la refrigeración por sodio para las válvulas de disco convencionales, el sistema quedó prácticamente obsoleto.

El motor Lanchester Twin-Crank Twin

• Empresas: Lanchester, Ford
• Algunos modelos de automóviles: Lanchester 12HP, Ford A/C/F

En 1896, Karl Benz patentó un «motor de oposición» de dos cilindros. Tres años después se fundó la empresa Lanchester, y un año más tarde presentó su primer automóvil, el Lanchester Phaeton, equipado con un motor de este tipo con dos cigüeñales. Este motor en particular está considerado como el primer Flat-Twin de producción. Esta unidad atmosférica refrigerada por aire de 4,0 litros producía hasta 10,5 CV a 1250 rpm. Un cigüeñal estaba por encima del otro, y cada pistón tenía tres (!) bielas: una central gruesa y dos más ligeras a los lados. La gruesa iba a un eje y las más delgadas al otro. En consecuencia, los ejes giraban en direcciones opuestas.

En los albores de la industria automovilística, estos motores no solo equipaban los coches Lanchester, sino también los primeros modelos Ford: «A», «C» y «F».

«Oposición» de dos cilindros en un solo bloque (Panhard Flat-Twin)

• Empresa: Panhard
• Algunos modelos de automóviles: Panhard Dyna, Panhard 24, Panhard Dyna X84

De 1945 a 1967, la empresa francesa Panhard fabricó varios modelos equipados con el llamado motor Flat-Twin. René Panhard no fue pionero en el uso de «opuestos» de dos cilindros, pero combinó por primera vez el bloque de cilindros y la culata en una carcasa de aluminio. Además de esta solución técnica única en el motor bicilíndrico plano, hubo otros hallazgos interesantes. Por ejemplo, en lugar de resortes de válvula, se utilizaron torsiones por primera vez, y la refrigeración fue doblemente refrigerada por aire.

El volumen de estos motores era pequeño, de 0,61 a 0,85 litros, y la potencia era de 42 a 60 CV. Sin embargo, este hecho no impidió que el modelo X84 participara en carreras en Le Mans e incluso lograra buenos resultados en su clase de hasta 750 cm³. El Panhard 24 coupé también era un coche muy bonito.

Motores de ciclo Atkinson y Miller

• Empresas: Toyota, Lexus, Ford, Nissan
• Algunos modelos de automóviles: Toyota Prius, Lexus híbridos, Ford Escape, Nissan Altima

Como dijimos al principio de este artículo, la mayoría de los motores de automóviles modernos funcionan con el ciclo Otto. Pero todavía hay otras variantes: los nombres de los ingenieros James Atkinson y Ralph Miller están asociados para siempre con la lucha por mejorar la eficiencia y aumentar la eficacia.

¿Qué propuso Atkinson? En primer lugar, al complicar el mecanismo de manivela, cambió la relación de los tiempos de carrera: las carreras del pistón durante la compresión y los tiempos de carrera se acortaron con respecto a la admisión y el escape, debido a un cigüeñal único. Las válvulas de admisión en el ciclo Atkinson se cierran completamente a mitad de camino hasta el punto muerto superior. En segundo lugar, los cuatro ciclos Atkinson ocurren en una revolución del cigüeñal, mientras que un motor Otto convencional requiere dos. Las ventajas de este tipo de motor son su alta eficiencia y respeto al medio ambiente. Las desventajas son la complejidad del diseño y el bajo par en las «bajas». Por eso, estas unidades de potencia se utilizan en híbridos, donde esta característica se compensa con la tracción eléctrica.

Ralph Miller también trabajó con la relación de compresión, pero tomó (en 1947) un camino diferente. En lugar de reducir mecánicamente la relación de compresión con una relación de carrera constante, propuso reducirla a expensas de la relación de admisión, manteniendo la misma cilindrada para todos los pistones, como en el motor Otto. Hay dos variaciones de esta solución, pero ambas se basan en el cierre tardío de las válvulas de admisión: «admisión acortada» (donde las válvulas de admisión se cierran antes del final de la carrera de admisión) y «compresión acortada» (las válvulas de admisión se cierran más tarde que la carrera de admisión). Pero ambas están diseñadas para reducir la relación de compresión de la mezcla de trabajo y, por lo tanto, cuando el combustible se enciende en el PMS, tiene un grado de expansión mucho mayor que en un motor Otto. Esto permite un mejor aprovechamiento de la energía de los gases que se expanden en el cilindro, lo que aumenta la eficiencia térmica del diseño y, en consecuencia, mejora la economía y la elasticidad. Además, las pérdidas de bombeo se reducen en la carrera de compresión porque es más fácil comprimir el combustible en un motor de ciclo Miller. Las desventajas de este esquema son la reducción de potencia (especialmente a altas velocidades) debido a un peor llenado de los cilindros.

«Oposición» diésel con cigüeñal oscilante (Commer Rootes TS3 Tilling-Stevens)

• Empresa: Rootes
• Algunos modelos de coche: Commer Q25, Serie C, Karrier

El único motor diésel de nuestra revisión de hoy, pero qué motor diésel: TS3 de dos tiempos «de oposición» (no en vano se le apodó «Knocker») con un cigüeñal oscilante único desarrollado por Tilling-Stevens. Sin embargo, se instaló de 1954 a 1968 solo en barcos, autobuses y camiones de la poco conocida para un amplio círculo empresa británica Rootes. Este motor no solo estaba situado debajo del asiento del conductor, sino que también tenía una serie de características interesantes: cada cilindro tenía dos pistones «contrarios», que transmitían el par a un solo cigüeñal por medio de un balancín especial y dos bielas en cada pistón, ¡y había un compresor mecánico con transmisión por cadena! El motor TS3 tenía tres cilindros, una cilindrada de 3,25 litros y producía unos considerables 105 CV y 366 Nm a solo 1200 rpm. Se decía que era una unidad muy compacta y fiable, cuyo único inconveniente se consideraba el alto nivel de ruido.

A finales de la década de 1960, apareció un prototipo de una unidad similar de 4 cilindros, y la «mula» equipada con ella incluso superó las pruebas con una longitud de casi 2 millones de kilómetros, pero el asunto no fue más allá: en 1968, Chrysler Corporation compró la empresa Rootes, y el desarrollo se vio truncado.

Gobron Brillie Opposed Piston

Bicilíndrico de dos tiempos «opuesto» (Gobron Brillie Opposed Piston).

• La empresa es Gobron-Brillie
• Algunos modelos de coche: Gobron-Brillie 8CV, Gobron Brillie Opposed

Volvamos al siglo XIX, y más concretamente a 1898, cuando el francés Gustave Charles-Alexis Gobron fundó junto con su compatriota Eugène Brillieu la empresa de automóviles Societé des Moteurs Gobron-Brillie. Solo seis meses después apareció su primer hijo: el Gobron-Brillie 8CV, que utilizaba un motor de diseño único: con un volumen de 1,6 litros y dos cilindros dispuestos verticalmente, tenía cuatro pistones, que se movían uno hacia el otro. Los inferiores estaban conectados al cigüeñal por las bielas habituales, y los superiores (su carrera era más corta), con la ayuda de un sistema original de bielas, balancines y excéntricas. Solo había un árbol de levas y todo el mecanismo estaba totalmente sincronizado. Aproximadamente a la mitad de la carrera de los pistones superiores (esta era la zona donde se encendía la mezcla) se instalaban bujías, así como válvulas de admisión y escape accionadas por varillas de empuje. El encendido del combustible se producía entre los pistones, aproximadamente a la mitad de la carrera de los pistones superiores.

Además de un sistema tan complejo, pero, según los contemporáneos, bastante fiable y con un funcionamiento excelente y suave, el coche tenía un sistema de alimentación inusual, en el que, en lugar de un carburador tradicional, se utilizaba un conjunto de émbolos, capaces de alimentar cualquier tipo de combustible en la cámara. Se dice que Gobron-Brillie podía incluso conducir con alcohol o bebidas alcohólicas fuertes como el whisky y el coñac.

Motor rotativo: cigüeñal fijo, cilindros y pistones giratorios (Adams-Farwell)

• Empresa: Adams-Farwell
• Algunos modelos de automóviles: Adams-Farwell Modelos 5, 6, 7 y Serie 6

Esta idea se llama «a la inversa»: si en un motor de combustión interna convencional el cigüeñal gira y el bloque de cilindros permanece inmóvil, entonces en el motor, que fue inventado en 1895 por el ingeniero Fay Oliver Farwell, el cigüeñal siempre se mantenía en un lugar. Cuenta la leyenda que Farwell, que trabajaba para la empresa estadounidense The Adams Co., se vio impulsado a diseñar un motor de 3 cilindros y 4 tiempos en el que los cilindros giran sobre cojinetes originales alrededor de un cigüeñal montado rígidamente por la vista de… ¡un molino ordinario!

Nueve años después, en 1904, bajo el nombre de Adams-Farwell Modelo 5, entró en producción un automóvil con este motor único y bastante potente (25 CV) para los estándares de la época. Por cierto, tenía algunas características inusuales: en lugar de un carburador, el combustible entraba en las cámaras a través de orificios especiales, y el motor no tenía silenciadores (era bastante silencioso). La principal desventaja era el consumo excesivo de aceite, pero a pesar de ello, en 1906 Adams-Farwell presentó el Modelo 6 con un motor de 5 cilindros y 8,0 litros. Y en 1910, los motores de la empresa se utilizaron incluso en los primeros helicópteros diseñados por Emil Berliner.

Motor de ciclo separado

• Empresas: Scuderi, Paut Motor, Bonner Motor.
• Algunos modelos de automóviles: no instalado

Como sabes, en un motor de combustión interna clásico, los cuatro ciclos se producen en un solo cilindro. Pero, resulta que hubo entusiastas en el mundo, y en el pasado reciente, que predicaron motores realmente exóticos con separación de ciclos. Por ejemplo, en 2006, los estadounidenses del Grupo Scuderi decidieron que el llamado cilindro «frío» se encargaría de los ciclos de admisión y compresión, y otro cilindro «caliente» se encargaría de la carrera y el escape. Cuando hay expansión de gases en el cilindro de trabajo, el reloj de admisión se produce en el cilindro compresor «frío». Cuando hay una liberación en el de trabajo, hay una compresión en el frío. Al final de la carrera de compresión, los pistones se acercan a su PMS, la mezcla «fluye» del cilindro «frío» al cilindro «caliente» a través de la válvula de alivio y se enciende. Además, los diferentes cilindros pueden tener diferentes diámetros y carreras de pistón, lo que permite un ajuste muy flexible. En 2009, Scuderi presentó un prototipo, pero nunca llegó a más: el motor es económico, pero muy complejo estructuralmente.

La empresa croata Paut Motor también ha experimentado con ciclos divididos. En 2011, incluso presentaron un prototipo que, con una capacidad de 7 litros, pesaba solo 135 kg, tenía muchas menos piezas y reducía la fricción y el ruido en comparación con el motor Scuderi. Pero este proyecto también murió.

Bueno, el motor más complejo con ciclos divididos es probablemente el motor Bonner, en el que los cilindros están dispuestos en cruz y el cigüeñal realiza un movimiento planetario a través de un sistema de engranajes. La distribución del gas se realiza mediante válvulas especiales en la parte inferior de los cilindros y carretes giratorios en el bloque. Los pistones pueden desplazarse bajo presión de aceite, proporcionando una relación de compresión variable. ¡Qué desastre! No es de extrañar que sea poco probable que este motor llegue a la «serie».

Motor de turbina de gas

• Empresas: Kenworth, Rover, Fiat, GM, Lotus, Chrysler, Ford
• Algunos modelos de automóviles: Fiat Turbina, Chrysler Turbine, Rover Jet1, GM Firebird, Ford Thunderbird

Aunque nunca vimos motores de ciclo dividido en los coches de producción, sí existían coches con motores de turbina de gas en la naturaleza. Desde principios de los años 50, los fabricantes de turismos decidieron jugar a este juego y continuaron hasta finales de los 60. La era de los GTE no duró mucho, pero nos dio toda una gama de modelos extraordinarios: Rover Jet1, Fiat Turbina, Ford Thunderbird, Chrysler TurboFlite.

Una turbina de gas es un motor más simple y mucho más potente en comparación con un motor de combustión interna clásico. No es de extrañar que la industria automotriz, que incluso antes de los años 50 del siglo pasado tomó prestadas activamente una serie de soluciones técnicas de la industria de la aviación, no se quedara al margen y decidiera intentar utilizar motores de este tipo en los turismos. Además, el diseño del GTE en sí no es complicado: ejes con ruedas de compresor y turbina, la primera de las cuales introduce aire comprimido en la cámara de combustión con combustible. A medida que se quema y se expande, la mezcla de trabajo hace girar la rueda de la turbina, que utiliza la energía para hacer girar el compresor y, por supuesto, la propulsión a chorro.

Motor con accionamiento desmodrómico de válvulas

• Empresas: Bignan, Ducati, Norton, Mercedes-Benz, BMW, Ferrari, Honda
• Algunos modelos: motocicletas: Ducati, BMW, Honda, Norton, MV Agusta; coches: Mercedes-Benz SLR

En un motor de combustión interna convencional, las válvulas se abren a la fuerza (mediante balancines especiales) y se cierran mediante potentes muelles. Es la velocidad de estos mismos muelles y su insuficiente resistencia lo que provoca la llamada rotura de la conexión cinemática, el «colgamiento» de las válvulas y, como consecuencia, la limitación de la velocidad del motor. En el caso de un actuador desmodrómico, las válvulas también se fuerzan y se cierran.

La historia de este conocimiento se remonta a principios del siglo XX, cuando en 1910 un ingeniero inglés llamado Arnott recibió una patente para un sistema de sincronización desmodrómica. En aquel momento era especialmente relevante, ya que la calidad de los muelles a menudo no podía soportar ni siquiera revoluciones y cargas muy bajas. En la práctica, el «desmodrom» se utilizó por primera vez en el Peugeot L76 de carreras en 1912, y ocho años más tarde apareció en el coche deportivo francés Bignan. Las primeras motocicletas que utilizaron la transmisión desmodrómica fueron modelos de la empresa británica Norton en 1924. Desde entonces, este tipo también se ha utilizado en motocicletas Mercedes-Benz, Ferrari, BMW, F.B. Mondial y Honda. Mondial y Honda. Sin embargo, la empresa italiana de motocicletas Ducati sigue siendo la más fiel defensora de este sistema hasta la fecha.