El motor radial o estrella

Hoy, en Factoría de Ingenieros, te hablamos de un motor que ha estado muy presente en el proyecto de carrera de Juanra: el motor radial o estrella. En este post te contará en qué consiste este tipo de motor y cuáles son sus características más destacadas.

Hace unos pocos meses le dedicamos un post al bicho rarito de los motores, el motor Wankel. Aquella obra más bien de arte que de ingeniería. Pues bien ahora te traemos algo también impresionante, quizás no tanto… Pero estoy seguro que te impresionará.

¿De qué se trata entonces? Pues bien seguiremos hablando de motores, en este caso dejaremos los motores rotativos y nos centraremos en los alternativos. ¿Cuál es la diferencia? Pues cómo ya explicamos en el post anterior en el caso de los motores rotativos las variaciones de volumen son debidas a la rotación de un rotor dentro de un estátor. Mientras que en el caso de los alternativos la idea es bastante más sencilla.

En este caso la cámara es inmóvil y su volumen se varía por medio de un pistón que se desplaza en su interior, el cual funciona como el émbolo de una jeringuilla. Es decir se trata de un mecanismo muy sencillo, pero funcional, económico y seguro. Lo que ha hecho que se trate de los motores más utilizados, tanto en el sector automovilístico como en el industrial.

Pero, el movimiento del émbolo de una jeringuilla es rectilíneo de vaivén.. Y ¿Las ruedas de mi coche giran?. Pues bien, la transformación del movimiento del pistón al giro de las ruedas se consigue por medio del mecanismo biela-manivela. Transmitiéndolo finalmente al cigüeñal del mismo.

Este es el esquema de la mayoría de los motores de combustión interna alternativos (MCIA), excepto alguna excepción como los prototipos basados en levas o rodamientos, de los cuales seguro que dedicamos un post más adelante.

Y ¿por qué te he soltado todo este rollo de los MCIA? Pues porque dentro de ese grupo podemos encontrar la gran obra de ingeniería que es el motor Radial o de Estrella.

Fuente

En este caso las cámaras de combustión se han dispuesto radialmente alrededor de un eje o un punto, de forma que se consiguen motores con forma de rosca. Permitiendo incluir gran número de pistones en poco espacio.

Se consigue así motores cortos, con un cigüeñal de escasa longitud, y como ya hemos dicho todas las cámaras están orientadas a un único punto, punto en el que se encuentra el cigüeñal, y es ahí donde se deben conectar todas las bielas de los distintos pistones.

Entonces si el número de bielas es elevado y todas deben unirse en el mismo sitio, ¿Cómo lo consiguen? Pues bien requiere de un pequeño “truco”, no se conectan todas las bielas al cigüeñal como en cualquier otro MCIA sino que únicamente se conecta una, la biela maestra. Mientras que el resto se conectan a esta última, como podemos ver en la siguiente imagen.

Pues bien, no se trata de la solución perfecta. Hemos conseguido poder unir todas las bielas en un único punto. Pero la forma en que lo hemos hecho no es la más apropiada, ya que en este caso no se trata del mecanismo biela-manivela mencionado anteriormente, sino que se trata de un mecanismo más complejo, pues al estar unidas a la biela maestra aparecerán rotaciones relativas entre los distintos elementos

Debido a la unión de las bielas secundarias a la biela maestra, aparece un pequeño error sistémico en dicha configuración.Este error se trata de una diferencia de recorrido entre los distintos pistones según sea la posición respecto a la biela maestra. Es decir, provoca que cada pistón se comporte de una forma distinta.

¿Por qué sucede esto ?

El motivo es el siguiente: la biela maestra, al igual que en un motor en línea, está unida directamente a la muñequilla del cigüeñal, por lo tanto, con el giro del cigüeñal esta unión tendrá un trazo perfectamente circular alrededor del eje principal del cigüeñal.

Sin embargo, el resto de bielas no están unidas directamente al cigüeñal, sino que se unen a la biela maestra. Debido a esta unión, el trazo realizado por dichos puntos de unión no es circular, sino que más bien presenta una forma ovalada más o menos achatada según la posición respecto de la biela maestra.

Esto hace que la biela suba más o menos respecto de la biela maestra. También ocurre en los motores en V en los que una de las dos bielas no se une al cigüeñal sino a la otra biela. Estos son considerados como “atrocidades” pues en los motores en V, únicamente se unen dos bielas en un único punto, por lo que dicha unión se puedo conseguir aumentando la longitud de la muñequilla y desplazando ligeramente un cilindro frente al otro. De esta forma evitamos el uso del mecanismo biela maestra-biela secundaria. Evitando el problema asociado a dicha unión.

Un error 100% geométrico

Este error se puede observar más fácilmente comparando el movimiento de dos bielas distintas. En este caso, se va a comparar la biela 1, que corresponde con la biela maestra, con la biela 3.

Cuando la muñequilla del cigüeñal se encuentra girada a 90º con respecto a la horizontal, esto es, cuando la biela maestra se encuentra en posición vertical, la distancia entre el pie de la biela y el eje del cigüeñal coincide con la suma de la distancia de la muñequilla más la longitud de la biela, en este caso son unos 230mm.

 

Sin embargo, cuando el cigüeñal gira un ángulo de 80º (2 veces 360º/9 pistones), pensando en el movimiento de la biela maestra, induciría a pensar que en este caso, como la muñequilla está alineada con el recorrido del pistón 3, la biela 3 debería estar alineada con su recorrido. Sin embargo, como se puede observar en la imagen esto no es así.

Debido al giro de la biela 3 sobre la biela maestra se produce un desfase entre dicha unión y el ángulo girado, por lo que si se mide la distancia entre el pie de la biela no coincidiría con la anterior, sino que sería inferior, unos 226.43mm frente a los 230mm.

Dicho error en el recorrido puede traer diversos problemas o alteraciones respecto del funcionamiento esperado del motor. Por un lado, modifica las carreras de los diferentes pistones, modificando el PMI (punto muerto inferior) y el PMS (punto muerto superior) de los mismos. Además, complica el control de las aperturas y cierres de las válvulas y del salto de la chispa en la bujía. Este desfase provoca que el momento en que cada pistón alcanza el PMS no esté desfasado respecto del anterior 360/nº de pistones, sino que aparecerán ángulos distintos entre cada pistón. Debido a esto, el control más usual en este tipo de motores, el sistema OHV (Overhead Valve), parece no ser el más apropiado. En este sistema de distribución, las válvulas van colocadas en la culata, mientras que el árbol de levas se sitúa en el bloque motor. El movimiento del cigüeñal es transmitido por medio de unos engranajes o cadena al árbol de levas, que por medio de unos empujadores o taques, varillas empujadoras o push-rods, el movimiento llega a los balancines quiénes abren y/o cierran las válvulas.

 

No obstante, en el caso de los motores radiales, el sistema OHV sufre de varias modificaciones. Se sustituye el árbol de levas por un par de discos colocados directamente sobre el eje del cigüeñal a través de unos rodamientos o cojinetes, de forma que no se le transmite el giro directamente, sino que se le comunica por medio de un engranaje de forma que pueda reducir la relación de velocidades entre ambos. Se distinguen dos platos, uno destinado a las válvulas de admisión y el otro a las de escape, de forma que todas las válvulas del mismo tipo estén reguladas por el mismo plato, de este modo todas van a tener el mismo ángulo de desfase entre ellas. Entonces, si debido a que la forma de la unión entre la biela secundaria y la biela maestra produce un pequeño desfase, se puede intuir que este no va a ser el mejor sistema para su control.

¿Qué soluciones existen?

Fabricantes como Pratt and Whitney utilizaron en sus motores levas compensadas en las magnetos. Un
ejemplo es la utilizada en su modelo R-2000, en el que el tambor de levas poseía una posición fija, poseyendo 14 levas, una para cada cilindro, estando unas más adelantadas y otras más atrasadas.

 

Otras posibles soluciones empleadas por otros fabricantes son:

• Cambiar la longitud de cada biela de forma que se intente corregir las diferencias persiguiendo que todas tengan recorridos parecidos. Esto obliga a que se enumeren las bielas y que cada una tenga un posición determinada. Esto permitiría corregir que la distancia entre el PMS y el eje del cigüeñal fuese el mismo para todos los cilindros, simplificando así el diseño del bloque motor y el cuerpo de los cilindros. Sin embargo, no modificaría el instante en que los pistones alcanzan el PMS, por lo que seguiría habiendo un desfase entre los ángulos de encendido óptimos.
• Otra forma similar de corregir el error es desplazar los orificios de anclaje de las bielas secundarias sobre la biela maestra, de forma que, en vez de modificar el tamaño de las bielas secundarias, se cambiaría la distancia de unión entre la cabeza de la biela secundaría y el eje principal del cigüeñal. De igual forma, se corregiría el problema de diferencias en las carreras, pero no el relacionado con los tiempos.

• Variar el ángulo de unión de las diferentes bielas con la biela maestra, de forma que se intente corregir el momento en el que los pistones alcanzan los puntos donde se debe iniciar la combustión, quedando distribuidos de forma regular para poder controlarlos fácilmente.

.Como podemos ver no existe una solución perfecta que elimine por completo el error producido, sin embargo el uso de diferentes metodologías de forma conjunta hace que se consiga una reducción de los problemas asociados a este error en los recorridos. ¿Conocías este problema en los motores? ¿Crees que puede ser uno de los motivos por los que están prácticamente en desuso?