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1 MOTORES DE TIPO WANKEL Y STIRLING

Motores de tipo Wankel y Stirling

Santiago E. Espinosa Alvarado.

Universidad Internacional Del Ecuador

Santiago E. Espinosa A, Ingeniería Mecánica Automotriz, Facultad De Ingeniería Mecánica Automotriz, Universidad Internacional Del Ecuador. Guayaquil 15 de abril de 2013

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Resumen Motor Wankel, llamado así porque fue inventado por el Ingeniero Alemán Felix Wankel y se trata de un motor de combustión interna muy particular ya que su partes móviles no están basadas o constituidas como un motor normal de combustión interna, equipa rotores en vez de pistones , está formado de menos partes móviles en relación a los motores convencionales, este fue un gran invento en el área de la mecánica ya que este motor es más potente y utiliza menos piezas, lo que significa a su vez que es más liviano, su fabricación se fue descontinuando ya que estos motores son difíciles de controlar la emisión de los gases contaminantes de escape y el consumo de aceite de motor. En el año 1927 Wankel desarrolla su nuevo tipo de motor, los planos de Wankel mostraban una cámara casi cilíndrica y un rotor triangular, la cámara es una elipse o círculo alargado en lugar de un círculo perfecto, la cámara tiene dos aperturas en uno de los lados alargados, uno permite que el combustible ingrese hasta la cámara y el otro permite que los gases de escape salgan, la sencillez de su diseño lo hace más ligero y potente que un tradicional motor cíclico Otto o de pistones. En 1957, Wankel fundo su propia compañía, Wankel Gmbh para obtener una patente oficial de su motor funcional, en 1958 la compañía de automóviles Mazda compra la licencia para utilizar estos motores actualmente esta es la única fábrica que continúa utilizándolos en su línea deportiva RX, otras compañías como Peugeot, Citroen, General Motors y Mercedes Benz trataron de utilizar el motor pero debido a su poco éxito dejaron de utilizarlo.

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FUNCIONAMIENTO En un motor común y corriente en el mismo cilindro se efectúan los 4 tiempos de trabajo admisión, compresión, combustión y escape, en un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa o bloque, el cilindro es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un pistón triangular que realiza un giro, 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 los motores de pistones el rotativo aprovecha la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible, la diferencia está en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del cilindro y sellada por uno de los lados del rotor que en este tipo de motores reemplaza a los pistones. El rotor realiza un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con la pared del cilindro, así delimita los tres compartimentos separados de mezcla, 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.

Ilustración 1 Ciclos del Motor Rotativo Wankel. (corleone)

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Cada una de las cámaras de combustión al terminar su recorrido alrededor del árbol motriz habrá realizado los cuatro tiempos, se producirán tres explosiones en un giro completo del rotor, para transmitir la fuerza generada por la combustión al cigüeñal, el rotor actúa con un brazo de palanca con respecto al cigüeñal, el rotor gira sobre una excéntrica que forma parte del cigüeñal, mientras el rotor gira alrededor de su propio eje.. El mecanismo por lo que el rotor gira en contacto con el cigüeñal es mediante un par de ruedas dentadas de las cuales una, la una con dientes interiores y la otra rueda con dientes exteriores, es concéntrica con el cigüeñal y solidaria con el estator, la relación entre los números de dientes de las dos ruedas es de 3 a 2, por lo que el rotor hace tres vueltas sobre sí mismo mientras su centro de rotación recorre el círculo completo descrito en una vuelta por el excéntrico del cigüeñal. El motor Wankel puede ser igual que los motores alternativos, como motor de encendido provocado por bujías o como motor de encendido por compresión, acercándose a los ciclos de referencia Otto y Diésel respectivamente la más común es la de motor de encendido por bujías, con esta construcción se puede alcanzar una relación de compresión de 18:1, con un cociente entre la superficie y el volumen de la cámara de combustión semejante al de un motor alternativo equivalente trabajando también en ciclo Diésel. La correcta combustión de la mezcla, se realiza mediante el estrechamiento que hay entre una cámara y otra, este obstáculo genera una depresión en el otro extremo, que propicia un aumento de la velocidad de propagación de la llama, y la salida de los gases quemados. Todos los esfuerzos se han centrado en la versión Otto, ya que requiere unas exigencias térmicas menores gracias a una relación de compresión más baja.

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Ilustración 2 Ciclos de Trabajo Motor en Línea y Motor Wankel. (Herrera, http://www.monografias.com)

Ilustración 3 Temperaturas al que está sometido el Estator. (Herrera, http://www.monografias.com)

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PARTES DEL MOTOR WANKEL Un motor rotativo tiene sistema de encendido y un sistema de alimentación de combustible, son similares a los utilizados motores de pistón, a continuación se darán a conocer las partes básicas de estos motores: Estator Son dos, estator periférico y estator lateral, los dos juntos cumplen la función del cilindro y la culata en un motor convencional, deben ser de un material muy resistente ya que está expuesto a presiones localizadas, además elevados grados de temperatura, se fabrica de aleaciones de aluminio recubiertas de acero y cromo.

Ilustración 4 Estator. (josh topgear.http://es.scribd.com/)

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Cigueñal . El eje de salida tiene los cojinetes montados excéntricamente, es decir que se compensan de la línea central del eje cada rotor encaja en uno de estos cojinetes, actúa como el cigüeñal en un motor de pistón mientras que el rotor sigue su camino alrededor de la camara, que empuja en los cojinetes, dado que los estos son montados excéntricamente al eje de salida, la fuerza que el rotor se aplica es para crear par en el eje, provocando su giro.

Ilustración 5 Eje cigüeñal (josh topgear.http://es.scribd.com/)

Rotor El rotor tiene tres caras, cada una actúa como un pistón, lo que aumenta el desplazamiento del motor, lo que permite más espacio para la mezcla aire combustible. El vértice de cada cara es una hoja de metal que forma un sello en el exterior de la cámara de combustión, también hay anillos de metal a cada lado del rotor, estos anillos son el sello a los lados de la cámara de combustión, el rotor tiene un conjunto de dientes de engranaje interno cortado en el centro de un lado, estos dientes se utilizan para unir el rotor con la vivienda. El modo en que se une el rotor con la vivienda determina la ruta y la dirección del movimiento del rotor.

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Ilustración 6 Rotor. (http://es.scribd.com/JoshTopGear)

Ilustración 7 Partes del Motor Rotativo (Herrera, http://www.monografias.com)

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Impacto ambiental del equipo: Según (Prinhony, 2007) El motor rotativo al igual que los motores alternativos de cilindro-pistón trabaja básicamente con combustibles de hidrocarburos (gasolina y diesel). En cierta medida este tipo de motor es más contaminante que el motor alternativo, dado que el control de sus emisiones es más caro. En esta presentación tomamos como representante del motor Wankel al Mazda RX8, en este vehículo se ha logrado ya controlar su nivel contaminante y se encuentra ya dentro de los estándares permitidos. Esto nos lleva a concluir que este tipo de motor no representa " la solución" a los problemas de polución actuales, ya que lo que actualmente se busca es una alternativa motora menos contaminante o no contaminante. (p 5,6)

Ventajas •

Menos piezas móviles

•

Suavidad de marcha

•

Menor velocidad de rotación

•

Menores vibraciones

•

Menor peso

Desventajas •

Sincronización

•

Difícil estanqueidad

•

Consumo

•

Costos de mantenimiento

•

Emisiones

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Resumen El Motor Stirling llamado así en nombre a su inventor fue creado en 1816 por Robert Stirling de origen escocés, el objetivo principal de esta investigación era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor dada la tecnología de aquellos tiempos las calderas de vapor eran peligrosas ya que explotaban con facilidad y su principio de funcionamiento se basa en el trabajo realizado por expansión y contracción de un gas que puede ser helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire, se lo puede definir como un motor de combustión externa diferente a los tradicionales motores gasolina o diésel que mueven los vehículos, el motor opera con una fuente de calor externa que puede ser incluso solar o nuclear y un sumidero de calor, la diferencia de temperaturas entre ambas fuentes debe ser elevada en el proceso de conversión del calor en trabajo, el motor Stirling tiene un rendimiento superior a cualquier otro motor acercándose hasta el máximo posible del motor ideal de Carnot, en la práctica está limitado porque el gas con el que trabaja, no es ideal por lo que es imposible el rozamiento en los distintos componentes que se mueven. El motor Stirling se lo mantienen en investigación debido a la gran cantidad de fuentes de energía que pueden ser utilizables para su funcionamiento, ya que al depender solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible y se torna fácil usar una gran variedad de fuentes energéticas como la energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica y muchas más.

FUNCIONAMIENTO

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El principio de funcionamiento de este motor se basa en generar el movimiento de un pistón dentro de un cilindro a través de un gas que se encuentra en su interior que cambia su volumen cíclicamente, esto es posible debido a que existen dos zonas de transferencia en el cilindro, existe una zona caliente y una zona fría. En la zona caliente aumentara por temperatura el volumen del gas provocando que esta emigre hacia la zona fría y así produciendo el primer movimiento del pistón, una vez que en la zona fría el volumen del gas desciende, la presión también descenderá terminara regresándolo al pistón hacia la zona caliente, por este movimiento el gas se está desplazando de una zona a otra cerrando así el ciclo. Los motores Stirling se han investigado frecuentemente por lo que podemos encontrar muchos diseños, entre los más conocidos tenemos: •

Motor de pistón de cilindro libre: es el modelo más común y uno de los primeros, cuenta con un pistón y un desplazador de gas.

•

Motor de cilindro libre: Este tipo de motor el cilindro se mueve en reacción al movimiento del pistón por el flujo del gas que está dentro de la unidad.

•

Motor alternador de pistón libre: En este motor el pistón no se encuentra conectado a un eje giratorio, sino que transmite la potencia a generadores lineales, comúnmente se usa en compresores, bombas o generadores eléctricos.

•

Motores Stirling alfa y gamma: A diferencia del motor original estos utilizan dos cilindros en vez de uno para realizar el ciclo, el motor conocido como alfa utiliza 2 pistones con bielas unidas en el mismo punto y que van girando alrededor de un disco, que este a su vez va unido al eje transmisor de potencia, el motor gamma utiliza 2

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discos para unir individualmente las bielas al eje principal, que sincroniza sus movimientos para realizar adecuadamente el ciclo.

FASES DE TRABAJO DEL MOTOR STIRLING •

Fase 1: El gas cede calor a la zona fría externa desde el punto muerto inferior.

Ilustración 8 Fase 1 (Herrera, http://www.monografias.com)

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Fase 2: El volumen se mantiene constante y la temperatura sube por absorción de calor en el regenerado.

Ilustración 9 Fase 2 (Herrera, http://www.monografias.com)

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Fase 3: Se absorbe calor a temperatura constante mientras el gas se expande en la zona caliente del pistón llevándolo a su punto muerto superior.

Ilustración 10 Fase 3 (Herrera, http://www.monografias.com)

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Fase 4: Por último, manteniendo su volumen, el gas cede calor al pasar por el regenerador hacia la zona fría.

Ilustración 11 Fase 4 (Herrera, http://www.monografias.com)

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PARTES DEL MOTOR STERLING

1. Piston. 2. Cilindro. 3. Regenerador. 4. Conducto de transportacion de gases. 5. Fuentes termicas.

Ilustración 12 Partes del Motor Sterling (Herrera, http://www.monografias.com)

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ASPECTOS AMBIENTALES

Impacto ambiental del equipo Según (Prinhony, 2007) Los motores Stirling, a diferencia de los motores de combustión interna, tienen su gran ventaja en este aspecto pues la contaminación que producen es muy reducida, en el caso de que las fuentes térmicas sean de la quema de algún combustible, y algunos casos es nula, en caso de que se usen fuentes de calor con energía renovable como concentradores parabólicos de luz solar o paneles solares. En cuanto a la contaminación sonora que pueden producir son muy ventajosos porque a diferencia de los motores de combustión interna no producen casi ruidos ni vibraciones que alteren el entorno en que trabaja. Para la determinación del impacto ambiental de un motor Stirling se deberá tomar en cuenta la forma en que se logrará ceder calor (para combustión, controlar la emisión de gases y para energía renovable, el espacio necesario para obtener suficiente calor), el medio en el que se instalará la máquina (que tan viable es la instalación de equipos y de qué tamaño es posible realizarla) y los ruidos que produce la máquina. Por último, otra ventaja que tiene este motor es su larga duración debido a que en los últimos años los avances en diseño y construcción han permitido mejorar el funcionamiento llegando a rendir cerca de 100000 horas en motores experimentales. (p 11,12)

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BIBLIOGRAFÍA

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