Motores no Convencionales

Univers Uni versida idad d T´ ecnic ecn ica a Federi ede rico co Santa Santa Mar´ Mar´ıa Departamento Depart amento de Ingenier Ingenie r´ıa Mec´ anica anica

ILM-310 Motores de Combusti´ on on Interna

Actualidad de los MCI no Convencionales

Juan Angulo Pablo C´ arde a rdena nass Paulo aulo Ferna ernand ndez ez An´ An´ıbal ıbal Merc Mercaido aido

2703003 - 3 20 2011 1141 4100 0011 - 7 20100 2010030 3017 17 - 2 2011041 2011 04155 55 - 0

Par: 01 Par: ar: 01 Par: Par: 01 Par: Par: 02

Profesor: Profesor: Juan Roncagliolo Ziomi Valpara´ıso, ıso, 27 de noviembre de 2014

Departamento de Ingenier´ıa ıa Mecánica UTFSM

ILM-310 Motores de Combustión Interna

Índice 1. Introducci´ Introducci´ on on

3

2. Definic Definici´ i´ on de motor convencional / no convencional

4

3. Motor Wankel 3.1.. Composic 3.1 Composici´ i´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.. Estator 3.2 Estator y Pist´ Pist´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Actualidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 5 6 8

4. Motore Motoress de relaci relaci´ on o ń de compresi´ on on vari variabl able e (Vari (Variabl able e Compres Compressio sion n Ratio: Ratio: 4.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.. Motores 4.2 Motores Dise˜ Dise˜ nados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Peugeot MCE-5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. SAAB SVC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3. Geomecsys VCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4. Waulis Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 9 10 10 10 10 11

VCR) VCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Motor Axial

12

6. Motor Radial

13

7. Motor de Turbocombus Turbocombusti´ ti´ on

14

8. Motor Flex Fuel 8.1. Motor Bi-Fuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15 15

9. Motor de Ciclo Dividido, Scuderi

16

10. Motores de 2 Tiemp os 10 10.1 .1.. Mo Moto torr EM10 EM100, 0, tecn tecnol olog og´´ıa OPOC POC de EcoMo coMoto torrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 10.2.. Mo Motor tores es Fuera uerabor borda da EVIN EVINR RUDE UDE E-T E-TEC EC y Reg Regul ulad ador or ICON ICON de BR BRP P . . . . . . . . . 10.3. 10. 3. Motor Motor ROT ROTAX AX E-TE E-TEC C 600 H.O. H.O. de BRP BRP para para Motonie Motonieve vess SKI-D SKI-DOO OO Y LYN YNX X . . . .

18 18 19 19

11. Motores de 6 Tiemp os 11.1. Motor 6T Crower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Motor 6T Velozeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20 20 21

12. Motor HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) 12.1. Actualidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22 23

13. Conclusiones

24

JAE/PCZ/PFM/AMR

Pagina a ´gina 2

Departamento de Ingenier´ıa Mecánica UTFSM

1.


Introducci´ on

En la actualidad, es posible a trav´ es de una simple mirada en una ciudad, observar el importante papel que desempe˜ nan los motores de combusti´ on interna, utilizados en veh´ıculos o como generadores eléctricos de emergencia, etc. Estas m´ aquinas de la ingenier´ıa, poseen una serie de ventajas en comparaci´ on a otros motores, que lo hacen ser tan utilizado como resulta serlo hoy en d´ıa. Los motores de combustión interna, cuya aparición y desarrollo comenz´ o en la segunda mitad del siglo XIX, han tenido una evolución tremenda, en cuanto a tama˜ no, eficiencia, materiales de construcci´ on y otros par´ ametros importantes. Factores como la contaminaci´ on del medio ambiente y los recursos limitados de combustible que existen en el planeta, obligan a mejorar y desarrollar continuamente nuevas tecnolog´ıas que cooperen en este sentido. Las empresas automotrices adem´ as, que son los grandes innovadores en el campo de los motores de combustión interna, buscan competir con otras empresas, ofreciendo ventajas en sus dise˜ nos respecto a otros, y a la vez, cumpliendo con las especificaciones y pol´ıticas de emisión y seguridad que existen. Dada la situaci´ on que se explicó previamente, es interesante y necesario, estar al tanto de las nuevas tecnolog´ıas, los u´ltimos avances y los proyectos que se tienen en torno a los motores de combustión interna para as´ı enfrentar los desaf´ıos que se tienen en la materia y atreverse a desarrollar mejoras y modificaciones que vayan en beneficio del planeta.

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 3


2.


Definici´ on de motor convencional / no convencional

A modo de hacer más entendible este informe y comprender lo mismo independiente de la visión tecnol´ ogica que cada individuo posea, es necesario introducir un concepto que explique qué es lo que se entiende por convencional. La RAE define la palabra convencional como: “ Que resulta o se establece en virtud de precedentes o on, se debe entender como motor de combusti´ on de costumbre ”, por lo cual, al apegarnos a esta definici´ interna no convencional, todo aquel del cual su uso no es costumbre, tanto en la vida cotidiana, como en la gran industria. Dentro de esto caben todos aquellos motores que, una vez creados, no tuvieron el impacto suficiente, ya sea por poca inversión o investigaci´ on o porque fueron simplemente defectuosos, y caben tambi´ en todas las nuevas tecnolog´ıas en motores que recién se est´ an desarrollando y aun no se dan a conocer al p´ ublico en general. Por lo cual, a trav´ es de todo este traba jo se intentar´ a abarcar, no solo una variedad de tecnolog´ıas aisladas, sino que m´ as de 120 a˜ nos de historia, de fracasos y de desarrollo de una m´ aquina transcendental para la sociedad. Dando énfasis en aquellos dise˜ nos que quizás en su época fueron incomprendidos debido a la fuerte inercia psicológica que dejaron en su paso los motores Otto y Diésel.

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 4


3.


Motor Wankel

El motor Wankel es un motor de combusti´ on interna rotativo, es decir, el pistón gira en lugar de subir y bajar como en los motores convencionales. Además de esto, posee un eje excéntrico, lo cual permite el desplazamiento lateral del pist´ on durante el recorrido del ciclo de combusti´ on. Fue inventado por Felix Wankel en los a˜ nos 20, y sus primeros prototipos fueron desarrollados con éxito en la década del 50. Ha sido utilizado en diversas tareas, pero principalmente en la impulsi´ on de veh´ıculos.

3.1.

Composici´ on

El motor se compone de un cilindro epitrcoide, dentro del cual rota un pistón triangular de lados curvos, de tal manera que sus v´ ertices no dejan de topar las paredes del cilindro. Esto permite crear en un mismo cilindro 3 c´ amaras independientes, donde en cada una se realiza una etapa del ciclo Otto de manera de manera paralela.

Figura 1: Etapas del motor Wankel.

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 5


3.2.


Estator y Pist´ on

A diferencia de los motores tradicionales, no posee culata, y por lo tanto, no posee v´ alvulas de admisi´ on o escape, en su lugar, tiene 2 lumbreras, similares a los motores de 2 tiempos, por los cuales entra y sale aire. En el otro extremo, posee 1 o 2 buj´ıas puestas una tras otra de manera de controlar la combusti´ on de buena manera en la etapa de combustión. Desde el punto de vista del trabajo efectuado por ciclo, el motor Wankel tiene una ventaja con respecto a los motores tradicionales de 2 y 4 tiempos, ya que para una vuelta del pist´ on, posee 3 etapas de expansi´ on, es decir, cada 120 de giro. El equivalente de 1 pistón Wankel son 3 pistones de 4 tiempos normales (cuidando los vol´ umenes y relaciones de compresión a comparar). La existencia de ◦

Figura 2: Curvas del Mazda 787 que ganó el Le Mans el 91. una combusti´ on tras otra genera en el estator, una asimetr´ıa de las temperaturas, ya que un hemisferio esta siempre comprimiendo, mientras que el segundo est´ a siempre expandiendo, llegando a presentarse diferencias de temperaturas en torno a los 800 C. Para evitar efectos da˜ ninos provocados por esfuerzos térmicos se requiere una refrigeración considerable y en ciertos casos, una estructura asimétrica. La composici´ on del block es por lo general de aluminio, por su alta conductividad térmica, y en el interior, es decir en la superficie del estator, existe un recubrimiento de acero para evitar dilataciones excesivas y disminuir el desgaste. Para mejorar las propiedades mecánicas de la superficie del cilindro se utiliza en ciertos casos una capa de cromo, lo que permite al mismo tiempo disminuir el roce entre el estator y el pistón. Por su parte el pistón posee 3 hojas en sus vértices, similares a los anillos de un pist´ on tradicional, que mantienen la hermeticidad de una c´ amara con respecto a otra. Es en éste punto donde el motor ◦

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 6



recibe los mayores desgastes, por lo cual la lubricaci´ on juega un papel muy importante a la hora de obtener buenos resultados. Tambi´ en existen sellos laterales, y as´ı evitar esfuerzos laterales excesivos hacia el block. Las caras del pist´ on, por lo general poseen hendiduras, similares a los pistones Diesel

Figura 3: Pistón Wankel desarmado. de manera de regular la relaci´ on de compresión, y al mismo tiempo orientar la el trabajo producido por la expansión, ya que en sus primeros modelos era un problema frecuente que el pistón tendiera a girar en sentido contrario al momento de la expansi´ on. El pist´ on est´ a sometido a grandes esfuerzos de compresi´ on, aplastamiento, y a temperaturas altas, por lo que debe estar compuesto por un material con alta resistencia a la deformación por creep, con gran resistencia al desgaste, pero con buenas propiedades de mecanizado, y sobre todo, con bajo coeficiente de dilataci´ on térmica, puesto que una deformaci´ on excesiva, producir´ıa desgaste excesivo en el estator, o incluso agripamiento. En el caso del Mazda RX8, el u ńico autom´ ovil de estas caracter´ısticas comercializado actualmente, el pist´ on est´ a hecho de una fundici´ on nodular de grafito esférico, sin embargo, existen motores que utilizan aleaciones de aluminio. Ventajas: Potencia: tanto la relaci´ on potencia-peso como potencia-volumen es m´ as alta en comparaci´ on a motores de pist´ on, lo cual fue u ´ til en su momento para aplicaciones aeron´ auticas. Complejidad: La principal ventaja de ésta configuraci´ on, es la poca cantidad de piezas m´ oviles involucradas, lo que disminuye considerablemente las perdidas mecánicas, y facilitar´ıa su mantenci´ on y producción en masa. Bajos niveles de N O : la relaci´ on de compresión presente en un motor con éstas caracter´ısticas, sumado a la forma de la expansión de los gases, da como resultado una temperatura de combusti´ on m´ as baja en comparaci´ on a motores tradicionales, por lo que sus emisiones son tambi´ en m´ as bajas. Poca detonaci´ on: su baja relaci´ on de compresi´ on le permite operar con combustibles de bajo octanaje sin riego de detonaci´ on, y por ende, una mayor duración de los componentes. x

Principales desventajas: Econom´ıa: La principal desventaja del motor Wankel es su ba ja eficiencia, debido principalmente a la alta emisi´ on de hidrocarburos, y baja eficiencia termodinámica. JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 7



Figura 4: Comparación de piezas. Freno motor: Al no existir vac´ıo considerable entre una etapa y otra, el consumo de energ´ıa por parte del motor es bastante menor, por lo que debe equiparse de frenos más potentes para suplir esta necesidad. Lubricaci´ on: como en el motor rotativo el pistón al girar en un solo sentido, deja de funcionar como agente lubricador, y en consecuencia la combusti´ on de lubricante es mucho mayor que en motores convencionales. Mazda ha desarrollado lubricantes con mayor adherencia para suplir éste defecto, sin embargo, el consumo de lubricante sigue siendo mayor a su competencia. Recirculaci´ on: existe un punto entre el proceso de escape y de admisión en donde se conectan ambas c´ amaras, por lo que existe una cantidad de gases residuales considerables, siendo una de las principales causas de perdida de rendimiento del motor. Gases de escape: la cantidad de hidrocarburos presente en los gases de escape es mayor, debido en parte a la recirculación, y a la baja temperatura de combusti´ on, lo que genera la necesidad de un catal´ıtico a la salida del escape. Esto ha llevado a que Mazda haya descontinuado sus veh´ıculos con éste motor para la normativa Euro V, al no ser rentable en esos rangos.

3.3.

Actualidad

Las limitantes principales por las cuales no se ha masificado, es por lo confiable que son actualmente los motores tradicionales, y la variedad que se ofrece, mientras que el motor Wankel, solo existe en motores deportivos, y como se ha dicho antes, no son particularmente econ´ omicos. Actualmente el principal desarrollador de éste tipo de motores es Mazda, y su uso esta principalmente orientado a veh´ıculos h´ıbridos. Mazda RX8 Hydrogen RE: Vehiculo bi-fuel que opera con hidrógeno en combinaci´ on con gasolina. Mazda V2 EV: Posee un peque˜ no motor Wankel de aproximadamente 300cc como extensi´ o n al motor principal, y opera con tanto con gasolina como con gas.

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 8


4.


Motores de relaci´ on de compresi´ on variable (Variable Compression Ratio: VCR)

Hasta el momento los motores de uso mas doméstico, como los automotrices o los grupos electr´ ogenos trabajan bajo una relaci´ on de compresi´ on que se mantiene constante a través de todo su funcionamiento, sin embargo si existiese la forma de variar esta relaci´ on seg´ un las condiciones de operación, tanto la eficiencia, como los gases de escape no deseados se ver´ıan disminuidos. Consideremos el siguiente ejemplo: para aumentar la potencia de un motor de encendido por chispa, lo m´ a s fácil es sobrealimentarlo (o turbosobrealimentarlo) para as´ı aumentar la presi´ on de entrada, sin embargo, si la relaci´ on de compresión del piston es demasiado grande, la mezcla podr´ıa detonar y no quemarse apropiadamente, disminuyendo la eficiencia y generando productos de combusti´ on incompleta, por lo cual es necesario tener una relaci´ on de compresi´ on menor. Lo mismo se puede deducir para el caso contrario, pero aumentando la relación de compresión. Entonces para poder operar o´ptimamente un motor es necesario controlar tanto la presi´ on de entrada (sobrealimentando) como la relaci´ on de compresi´ on (utilizando distintos métodos). Ventajas: Incrementa la eficiencia del combustible (Hasta un 30 % menos en el consumo de combustible). Disminuci´ on de las emisiones de escape. Desventajas: Como es una tecnolog´ıa nueva, se requiere mucha investigaci´ on, lo que implica altos costos para la manufactura. De la misma forma, el usuario no est´ a acostumbrado (falta de repuestos, manutenci´ on, comple jidad y desconfianza).

4.1.

Funcionamiento

En general, la forma de hacer variar la relación de compresi´ on en un cilindro es añadiendo o quitando volumen en la c´ amara de combusti´ on (volumen luego del punto muerto superior). Sin embargo, en la actualidad existen varios mecanismos para lograr esto.

Figura 5: Mecanismos para VCR.

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 9



En la figura 5 se pueden observar los distintos tipos de mecanismos existentes para variar la raz´ on de compresi´ on, se tiene: A: Articular la cabeza del piston, de modo que aleje o acerque la biela a la parte superior del cilindro. B: Poner un piston hidr´ aulico en la cabeza del pistón, con movimiento independiente. C: Rodamientos excéntricos. D: Mecanismos biela-manivela de varias uniones. E: Pist´ on adicional en la cabeza del cilindro. F: Mecanismos de engranaje.

4.2.

Motores Dise˜ nados

Debido a la complejidad de introducir este sistema, y a lo costoso que es, son pocas las compa˜ n´ıas de la industria automotriz que se han dedicado a hacer investigaci´ on sobre este tema. Dentro de estas, podemos nombrar a: Nissan, Volvo, Peugeot y Renault, sin embargo ninguna ha tenido resultados visibles o notorios. A continuaci´ on se explicar´ an algunos de los modelos dise˜ nados. 4.2.1.

Peugeot MCE-5

Modelo presentado en a˜ no 2009,donde a un Peugeot 407 se le implant´ o un motor MCE-5 (“Multi Cycle Engine - 5 parameters”). Funciona bajo el principio F ilustrado anteriormente, donde un engranaje unido a la biela mueve dos pistones, el del motor de combustión interna y uno hidr´ aulico, que se encarga de regular el volumen dentro del cilindro. Se desconoce el impacto tecnol´ ogico y social causado. 4.2.2.

SAAB SVC

En el a˜ no 2000 SAAB Automobile introdujo a la industria un motor VCR de encendido por chispa con eficiencias comparables a las de un Diesel de las mismas caracter´ısticas. El motor Larsen VCR funcionaba bajo el principio A se˜ nalado anteriormente, pero no tuvo oportunidad de alcanzar la producción en masa debido a que la empresa entr´ o en bancarrota. 4.2.3.

Geomecsys VCR

Geomencsys es una empresa holandesa que lleva desarrollando la tecnolog´ıa por los ultimos ´ 5 a˜ nos. Tiene la particularidad de implementar el sistema VCR sin necesidad de mecanismos complejos y solo modificando el cig¨ ueñal, el cual posee un sistema de engranajes para ajustar el largo de la biela. En la figura 6 se puede apreciar el sistema utilizado. Este cig¨ ue˜ nal es compatible con cualquier motor de 4 tiempos.

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 10



Figura 6: Cigüeñal Geomecsys. 4.2.4.

Waulis Motors

Waulis Motors Ltd. fue fundada en 2011 por expertos en la tecnolog´ıa de motores. Ellos inventaron y patentaron una nueva tecnolog´ıa en el tema de los motores VCR. Debido a que los actuales sistemas eran complejos, implementarlos en la manufactura era demasiado costoso, por lo cual era necesario idear una forma barata de variar la relación de compresi´ on. El sistema dise˜ nado se basa en una modificaci´ o n al cig¨ ue˜ nal y un sistema de medici´ o n para la velocidad del aire en la entrada. Debido a que el dise˜ no fue patentado hace poco (4 de marzo del 2014 para EEUU), poco se conoce acerca de su funcionamiento espec´ıfico, sin embargo en la figura 7 se tiene un bosquejo del mecanismo.

Figura 7: Mecanismo de VCR: Waulis Motors

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 11


5.


Motor Axial

El motor de combusti´ on interna axial, o com´ unmente conocido como motor barril, se caracteriza por los pistones espaciados uniformemente alrededor del cig¨ ueñal central y alineados en paralelo al eje de este. Su particular funcionamiento se debe al mecanismo de plato oscilante o Z-manivela, el cual convierte el empuje del pistón en movimiento giratorio. La ventaja clave del dise˜ no axial es que, debido a su estructura y la distribución de sus elementos, lo hace un motor cil´ındrico muy compacto, equilibrado y, por otro lado, se disminuye el desgaste excesivo que sufren los pistones de un motor de combustión interna convencional producidas por las fuerzas a las que se ve´ıan sometidos por su configuración. Los motores axiales se dividen principalmente en 3 grupos: motor de leva, motor de plato oscilante y el motor de oscilaci´ on de la placa.

Figura 8: Motor Axial de Plato Oscilante, Oscilación de Placa y de Leva Sinusoidal La aplicaci´ on m´ as conocida para este tipo de motores es su utilización en torpedos. Por ejemplo, tenemos el moderno Torpedo Mark 48, que es accionado por un motor de plato c´ıclico de 500 CV orientado a una bomba de chorro propulsor; éste est´ a alimentado por combustible Otto II, un monopropelente que no requiere el suministro de ox´ıgeno y puede propulsar el torpedo hasta en 120 [Km/h]. Otras aplicaciones incluyen motores neumáticos e hidráulicos, transmisiones hidrost´ aticas y bombas en sistemas de aire acondicionado.

Figura 9: Torpedo Mark 48

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 12


6.


Motor Radial

El motor radial, o com´ unmente conocido como motor estrella, es un tipo de disposición del motor de combusti´ on interna en la cual los cilindros van ubicados radialmente respecto del cig¨ ue˜ nal, formando as´ı una estrella.

Figura 10: Motor Radial de 5 Pistones En este motor, los pistones van conectados por un mecanismo de biela-manivela. Uno de los pistones est´ a conectado a una biela m´ as grande que los demás llamada biela principal o biela maestra, que a su vez está conectada directamente al cig¨ ue˜ nal. El n´ umero de pistones del motor estrella es generalmente impar, pues as´ı se minimizan las vibraciones en el encendido. Las ventajas que tiene este motor con respecto a los dem´ as es que presenta una gran relaci´ on potencia/peso, gran sencillez de funcionamiento, alta potencia y torsi´ on superior a la de los motores convencionales. Esta configuraci´ on fue muy utilizada en la aviaci´ on, sobre todo en grandes aviones civiles y aviones militares utilizados en forma masiva en la Segunda Guerra Mundial. Actualmente se utilizan en aviones acrob´ aticos y existe una variante para helicópteros, la M 14V.

Figura 11: Bell P-63 Kingcobra

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 13


7.


Motor de Turbocombusti´ on

El motor de turbocombusti´ on es un prototipo de motor de combustión interna rotativo, que a diferencia de los motores de combusti´ on interna tradicionales, no utiliza un pist´ on para transformar la energ´ıa de expansi´ on de los gases, sino que utiliza una cámara de combusti´ on que gira en torno al motor. Posee un pist´ on que comprime el aire previamente, y una cámara de combusti´ on rotatoria en torno ´ a él. Este motor se encuentra actualmente en desarrollo y posee patentes en Estados Unidos y Europa.

Figura 12: Turbo

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 14


8.


Motor Flex Fuel

Los motores de combustible variable, o FFV (flexible fuel vehicle) son veh´ıculos dise˜ nados o adaptados para funcionar con m´ as de un tipo de combustible. Generalmente utilizan una mezcla de combustibles basadas en gasolina con etanol o metanol, mezclados previamente y almacenados en un estanque. Este tipo de motores es usualmente utilizado en autom´ oviles y camiones livianos. Sus aplicaciones m´ as recientes poseen sistemas de detección de composici´ on de combustible, lo que regula la relación aire combustible para obtener un buen desempe˜ no, debido a que la mezcla dentro del estanque no siempre es homogénea. Tecnolog´ıa desarrollada en Europa y ampliamente utilizada en pa´ıses como Suecia y Brasil, Alemania, y Argentina.

8.1.

Motor Bi-Fuel

Es un caso particular de los Flex fuel, en el cual los combustibles utilizados por el motor se encuentran en estanques separados, lo que permite regular autom´ atica o manualmente el combustible a utilizar. El uso m´ as com´ un de este tipo de sistemas es con gas natural o gas licuado. El uso de gas en lugar de combustibles convencionales conlleva una disminuci´ on de las emisiones de CO2, y con ello una disminución de la potencia del motor, lo que resulta una buena opción para Usualmente se utiliza uno u otro combustible, sin embargo sistemas modernos poseen regulación para utilizar combinaciones de combustible adecuadas.

Figura 13: Bifuel

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 15


9.


Motor de Ciclo Dividido, Scuderi

Motor de combusti´ on interna que posee pares de cilindros que dividen los ciclos. Uno de los cilindros sirve para la admisión y la compresión, mientras que en segundo cilindro se realiza la expansi´ on y el escape, por lo que en esta configuración, se reparte el trabajo que en motores convencionales sólo ejecuta un cilindro. Algunas configuraciones actuales como el motor desarrollado por el grupo Scuderi,

Figura 14: Ciclo se componen de un n´ umero menor de pistones de compresión que de expansió n, y con una cámara com´ un para almacenar el aire comprimido que se reparte en los pistones a su expansión. Seg´ un la compa˜ n´ıa, el motor emite menos CO 2 que un motor Otto tradicional, y una eficiencia mayor, debido a sus multiples etapas de compresi´ on.

Figura 15: Curvas

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 16



Ventajas: Al poseer pistones para funciones distintas, éstos pueden adaptarse de mejor manera, dise˜ nándose en algunos casos con geometr´ıas distintas. El segundo pist´ on combustiona en cada ciclo, por lo que requiere mayor refrigeraci´ on y resistencia, mientras que el primero solo se encarga de comprimir aire y no requiere mayor resistencia. Desventajas: Su complejidad en comparaci´ on con los motores tradicionales aumenta considerablemente su costo de fabricaci´ on, ya que requiere válvulas extra por el hecho de tener más pistones. Adem´ as posee limitantes geométricas por poseer cilindros en paralelos conectados al mismo cig¨ ueñal.

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 17


10.


Motores de 2 Tiempos

Los motores de dos tiempos (2T), durante mucho tiempo, han sido desplazados en la industria automotriz por los motores de cuatro tiempos (4T), debido a la eficiencia que estos últimos presentan al quemar el combustible y al barrer los gases de escape, entre otras consideraciones. Sin embargo los motores de 2T, debido a que son un modelo de estructura más simple que los 4T y más ligeros, se han utilizado continuamente en otras aplicaciones, como motocicletas, sierras eléctricas, veh´ıculos de nieve, botes, entre otros. Debido a ciertas ventajas que presentan con respecto a los motores 4T, como desarrollar m´ as potencia para una misma cilindrada debido a que producen una explosi´ on por vuelta y producir un par más regular, existe un interés creciente por desarrollar modelos que se utilicen en la industria automotriz. Algunos modelos, desarrollos y tecnolog´ıas actuales del motor de 2T, en diversos campos, se detallan a continuaci´ on:

10.1.

Motor EM100, tecnolog´ıa OPOC de EcoMotors

Este motor b´ asicamente, posee dos pistones contenidos en un cilindro, lo cual es una de las principales diferencias con los motores comunes. Hay que decir que esta tecnolog´ıa en s´ı, no es nueva, ya que se desarrolló durante la segunda guerra mundial, en algunos buques y otros veh´ıculos pero se consider´ o muy costosa y con ciertos problemas para ser utilizada en automóviles. Ecomotors desarroll´ o el modelo EM100, resolviendo muchos problemas que ten´ıan los modelos anteriores. Este motor produce 325 [hp] y 664 [lb-pie] a 2100 rpm. Este motor reduce dramáticamente la fricci´ on, reduciendo el consumo de combustible, esto ya que cada pist´ on del motor, recorre alrededor de la mitad de distancia de un pist´ on convencional y a la mitad de velocidad, disminuyendo las perdidas por roce. Este motor no contiene los componentes del

Figura 16: Motor EM100 sistema de distribuci´ on convencional ni la culata, resultando mucho menos complejo, teniendo solo un 50 % de las partes que hoy en d´ıa tiene un motor de combusti´ on interna convencional, haciendo su manufactura m´ as barate. Estos motores resultan m´ as ligeros y peque˜ nos que uno tradicional.

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 18


10.2.


Motores Fueraborda EVINRUDE E-TEC y Regulador ICON de BRP

El motor fueraborda de dos tiempos e inyección directa Evinrude E-TEC de BRP utiliza un 75 % menos de aceite que los motores de dos tiempos convencionales y un 50 % menos que los sistemas de inyección directa t´ıpicos. Producen tan sólo una quinta parte de las emisiones de mon´ oxido de carbono que presentan los motores de cuatro tiempos al ralent´ı. El regulador ICON de BRP permite controlar y sincronizar varios motores al mismo tiempo, y ajustar el régimen de revoluciones en incrementos de un 1 % para encontrar la combinaci´ on perfecta que permita optimizar la econom´ıa de combustible.

10.3.

Motor ROTAX E-TEC 600 H.O. de BRP para Motonieves SKI-DOO Y LYNX

Consumen 11,3 l/100 km, menos que cualquier otro motor de dos tiempos para motonieves. Ofrecen el consumo de aceite más bajo (en el campo de las motonieves) en motores de dos tiempos (un 50 % menos que los modelos actuales en el mercado) y no emiten pr´ acticamente humo ni olores. Presentan la mejor clasificación de emisiones del sector para motores de dos tiempos seg´ un la EPA (Agencia de Protecci´ on Ambiental de Estados Unidos). Los motores de 2T en este campo, son mucho m´ as competitivos que un 4T, debido a que un factor de gran importancia es el peso del veh´ıculo, el cu´ al debe deslizarse sin problemas en la nieve, y un motor 4T como los que se desarrollan actualmente, no ser´ıan muchos beneficiosos en ese aspecto. Esto hace que los motores 2T a´ un tengan mucha vigencia en diversas aplicaciones, sumado al hecho de que se tecnolog´ıa se mejora cada vez m´ as.

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 19


11.


Motores de 6 Tiempos

11.1.

Motor 6T Crower

Como muchos ingenieros que han buscado aprovechar el calor generado en la combusti´ on dentro del cilindro de un motor, Bruce Crower, famoso en la preparación de hot-rods, dise˜ no´ un motor de 6T, que básicamente combina el t´ıpico ciclo de Otto con un ciclo de vapor. Un motor t´ıpico de cuatro tiempos sigue los pasos de admisi´ on, compresi´ on, explosi´ on y escape. Tras finalizar el u ´ltimo tiempo, considerando que hay bastante calor en el cilindro, el motor 6T inyecta agua dentro del cilindro. Con las válvulas de admisi´ on y salida cerradas, el agua se convierte al instante en vapor y añade una fuerza extra al ciclo de combustión (este es el quinto tiempo). Una vez expulsado el vapor por la v´ alvula de escape (el sexto tiempo), el ciclo comienza de nuevo. Ventajas:

Figura 17: Diagrama Ciclo Crower La ventaja más obvia es una mayor eficiencia, de aproximadamente 40 %, gracias al aprovechamiento del calor residual. Crower afirma que el motor no requiere ninguna clase de refrigeración, y supuestamente el prototipo est´ a lo suficientemente fr´ıo como para ser tocado con la mano descubierta tras una hora en funcionamiento. El efecto refrigerador del agua tambi´ en podr´ıa aumentar de forma m´ as que considerable la resistencia a la detonaci´ on, mejorando de forma significativa los ratios de compresi´ on y acabando con los problemas de acumulaciones de carbonilla en la c´ amara de combusti´ on. Desventajas: Posible mayor contaminaci´ on, dado que al estar fr´ıo el cilindro la vaporizaci´ on del combustible no será tan efectiva (este nuevo concepto de motor podr´ıa beneficiarse de la inyecci´ on directa). También hay una reducci´ on de 33 por ciento de ciclos de potencia reales”, lo que redundar´ıa en un par menos progresivo a ciertas revoluciones. El agua necesaria por el motor ha de ser almacenada en alguna parte, lo que significa un mayor peso y volumen de carga (agua y combustible se consumen aproximadamente en la misma proporción). Ser´ a necesario utilizar aleaciones que no se corroan con el vapor de agua a esas temperaturas. El motor de seis tiempos Crower era un dise˜ no experimental que atrajo la atenci´ on de los medios de comunicaci´ on en 2006 a causa de una entrevista concedida por el inventor estadounidense, que ha JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 20



solicit´ o una patente para su dise˜ no. Esa solicitud de patente fue posteriormente abandonada. Leonard Dyer inventó el primer motor de inyección de agua de combusti´ on interna de seis golpes en 1915, muy similar al dise˜ no de Crower. Una docena de patentes m´ as similares se han publicado desde entonces.

11.2.

Motor 6T Velozeta

El motor capta el calor perdido desde el ciclo de Otto o de cuatro tiempos de ciclo Diesel y lo utiliza para alimentar un poder y de escape de carrera del pistón en el mismo cilindro adicional. El dise˜ no utiliza aire como fluido de trabajo para la carrera de potencia adicional. (similar al motor previamente Crower pero utiliza aire como fluido de trabajo) En un motor de Velozeta, el aire fresco se inyecta en el cilindro durante la carrera de escape, que se expande por el calor y por lo tanto obliga al pistón hacia abajo para una carrera adicional. Las superposiciones de válvulas se han eliminado y los dos golpes adicionales mediante inyecci´ on de aire para proporcionar un mejor gas de barrido. El motor parece mostrar reducci´ o n del 40% en el consumo de combustible y la reducci´ on drástica de la contaminaci´ on del aire. Su potencia espec´ıfica es ligeramente menor que la de un motor de gasolina de cuatro tiempos. El motor puede funcionar con una variedad de combustibles, que van desde la gasolina y el diesel a GLP. Un motor alterado muestra una reducción del 65 % en contaminaci´ on de mon´ oxido de carbono en comparaci´ o n con el motor de cuatro tiempos de la que fue desarrollado. El motor fue desarrollado en 2005 por un equipo de estudiantes de ingenier´ıa mecánica, el Sr. U Krishnaraj, el Sr. Boby Sebastian, el Sr. Arun Nair y el Sr. Aaron Joseph de la Facultad de Ingenier´ıa, Trivandrum. Para los motores 6T previamente descritos, no se encontraron desarrollos concretos ni alguna comercializaci´ on por parte de alguna empresa interesada. Podemos decir que estos diseños, representan una buena forma de utilizar el calor que se genera en el ciclo termodinámico del motor de combusti´ on interna, pero sin embargo, requieren una investigaci´ on y desarrollo m´ as potente que permita hacerlos competitivos respectos a los motores convencionales existentes en el mercado.

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 21


12.


Motor HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition)

El motor HCCI funciona combinando tanto las caracter´ısticas de los motores ECh y los EC. Se trata de un motor en el cual se hace ingresar mezcla al pist´ on, pero el combustible de la mezcla es (normalmente) un combinado entre diesel y gasolina, de modo que tenga propiedades detonantes. Luego, al comprimirse esta detona provocando la ignici´ on y as´ı el piston hace trabajo.

Figura 18: Comparación de métodos de combustión En la figura 18 se tiene una comparaci´ on gr´ afica de los diversos sistemas de ignición en el cilindro. Para poder lograr una detonación homogénea (que es lo que se quiere), ciertas condiciones de temperatura y presión deben ser alcanzadas, para esto se pueden utilizar los siguientes métodos: Aumentando la raz´ on de compresión. Precalentando el ingreso de aire. Sobrealimentando. Recirculando o reteniendo los gases de escape. En pocas palabras, este motor funciona id´ enticamente que un MECh, pero no depende de la buj´ıa para iniciar la combusti´ on, sino que espera hasta la detonación del combustible, sin embargo este tipo de proceso solo puede ser implementado bajo rigurosos sistemas de control, debido a que, como se sabe, una detonaci´ on no controlada es extremadamente peligrosa tanto para el usuario, como para el motor. Es por esto que la mezcla que se utiliza para hacer funcionar el motor, suele ser una mezcla pobre. En la figura 19 se puede apreciar de qué manera debe actuar el sistema de control para evitar tanto las altas emisiones de HC, como el fen´ omeno de golpeteo en las paredes del cilindro por el descontrol de la combusti´ on. Se tiene entonces que el rango en el cual funciona bien un motor HCCI es bastante estrecho, razón por la cual es una tecnolog´ıa peligrosa y por consiguiente se requiera de un sistema bastante sofisticado de medici´ on para aplicarla. Ventajas Operan con mayor relación de compresi´ on, lo cual implica una mucho mejor eficiencia. La mezcla homog´ enea del combustible permite temperaturas de llama no tan elevadas, lo que significa una reducción importante de NO . Funcionan con gasolina, diesel y una gran gama de combustibles alternativos. Evita las perdidas por estrangulaci´ on, luego mejora le eficiencia. x

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 22



Figura 19: Control en un motor HCCI Desventajas Problemas al partir en fr´ıo. Las altas presiones en el cilindro pueden da˜ nar el motor. Las variaciones de transferencia de calor y de presión contribuyen al desgaste del motor. La detonaci´ on es dif´ıcil de controlar. Poco rango de potencias, el cual es limitado por las extremas condiciones del pist´ on. Mayor concentraci´ on de compuestos como el CO2 y HC debido a la oxidación incompleta.

12.1.

Actualidad

Hasta la fecha no existen motores ni veh´ıculos HCCI que se hayan producido en masa para comercializar, sin embargo, diversas empresas han fabricado prototipos para lograr llevar a cabo un modelo rentable de esta tecnolog´ıa. Como antecedentes se tiene: General Motors Entre el 2007 y el 2009 mostraron un motor Ecotec modificado, el cual operaba tanto en modo HCCI, como ECh, seg´ un la velocidad requerida. Mercedes-Benz El 2007 desarrollaron el modelo DiesOtto, el cual pose´ıa ignici´ on auto controlada. Volkswagen Desarrollaron dos prototipos para motor HCCI, el primero es el CCS (Combined Combustion System), el cual usa combustible sint´ etico para funcionar, y el segundo es el GCI (Gasoline COmbustion System) el cual combina los sistemas de ECh y HCCI seg´ un la velocidad. La compa˜ n´ıa espera que ambos modelos estén listos para la producci´ on el 2015. Mazda Desarrollaron el motor SkyActiv-G, el cual posee una relaci´ on de compresió n de 18:1 y utiliza HCCI. En conclusi´ on, debido al alto desgaste y carencia desarrollo cient´ıfico en el tema, los motores HCCI a´ un no están preparados para la vida cotidiana del consumidor, sin embargo las investigaciones hasta la fecha han permitido el desarrollo de otras tecnolog´ıas que no est´ an relacionadas directamente con el modo HCCI, entre las cuales se puede destacar el gran avance en el tema de combustibles sint´ eticos y de cinética de la combustión.

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 23


13.


Conclusiones

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 24



Referencias [1] http://es.slideshare.net/arunanikkattu/variable-compression-ratio-engine [2] http://articles.sae.org/10958/ [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Variable compression ratio [4] http://www.autoevolution.com/news/new-mce-5-vcri-engine-to-be-shown-on-a-peugeot-4074523.html [5] http://www.mce-5.com/ [6] http://waulis.com/ [7] http://www.methanol.org/Energy/Resources/Alternative-Fuel/Ford-s-Roberta-Nichols-TheMethanol-Story.aspx [8] http://en.wikipedia.org/wiki/flexible-fuel vehicle [9] http://www.escuderia.com/motores-de-piston-2-tiempos-en-automoviles-ayer-hoy/ [10] http://es.wikipedia.org/wiki/Motor radial [11] http://en.wikipedia.org/wiki/Axial engine [12] http://fuel-efficient-vehicles.org/energy-news/?p=1048 [13] http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel engine [14] http://www.der-wankelmotor.de/Techniklexikon/DKM vs KKM/dkm vs kkm.html [15] http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/7367/1/MOTORES %20ROTATIVOS. %20Tipolog %C3 %ADas%20y %20combustibles %20alternativos..pdf [16] http://en.wikipedia.org/wiki/Homogeneous charge compression ignition [17] http://alternativefuels.about.com/od/researchdevelopment/a/HCCIbasics.htm [18] http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/hcci.html

JAE/PCZ/PFM/AMR

P´ agina 25

Motores no Convencionales

Recommend Documents