Motor rotatiu

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Aquest article tracta sobre el motor rotatiu . Si cerqueu el motor rotatiu Wankel, vegeu «motor Wankel».
Li Rhône 9C, un típic motor rotatiu de la PGM. Les canelles de coure transporten la barreja aire-combustible del càrter als caps de cilindres.

El motor rotatiu va ser un dels primers tipus de motors de combustió interna, es caracteritza per tenir un cigonyal fix al voltant del qual gira el motor sencer. El disseny va ser molt usat en els anys anteriors a la Primera Guerra Mundial i durant aquesta per propulsar avions, i també en alguns dels primers automòbils i motocicletes.

A principis dels anys 1920 el motor rotatiu va començar a tornar-se obsolet, principalment a causa del seu baix parell motor de sortida, conseqüència de la manera com treballa el motor. També estava limitat per la seva restricció inherent donada per la forma d'aspirar la barreja d'aire/combustible mitjançant el cigonyal i càrter buit, que afecten directament el seu rendiment volumètric. No obstant això, en el seu temps va ser una solució molt eficient per als problemes de potència, pes i fiabilitat.[1]

Un motor rotatiu és en essència un motor de cicle Otto, però en lloc de tenir un bloc de cilindres amb un cigonyal rotatori com en el motor radial, aquest roman fix i és el bloc de cilindres sencer el que gira al seu voltant. En la majoria dels casos, el cigonyal està sòlidament fixat a l'estructura de l'avió, i l'hèlix es troba cargolada al capdavant de l'càrter.

La rotació de la major part de la massa del motor produeix una intensa inèrcia amb efecte giroscòpic, que suavitzen el lliurament de potència i redueix les vibracions. Les vibracions eren un seriós problema en els motors de pistó convencionals, que obligaven a afegir pesades hèlixs. Com que els cilindres funcionaven en si mateixos com un volant d'inèrcia, els motors rotatoris tenen una relació pes-potència més avantatjosa que els motors convencionals. Un altre avantatge és una refrigeració millorada, ja que el bloc de cilindres en girar produeixen el seu propi flux d'aire, fins i tot quan l'avió es troba estacionari en superfície.

La majoria dels motors rotatoris tenen els cilindres disposats al voltant de l'eix central, cap a fora, com en el motor radial, però hi ha també motors bòxer[2] rotatoris, i fins i tot mono-cilíndrics.

Igual que els motors radials, els rotatoris es construeixen amb un nombre de cilindres senar (habitualment 7 o 9), per obtenir un ordre d'encesa coherent, proporcionant un funcionament suau. Motors rotatoris amb cilindres en nombre parell, són comunament del tipus en "doble estrella".

Diferència entre motors "rotatius" i "radials"[modifica | modifica el codi]

Els motors rotatoris i radials tenen una aparença semblant quan no estan en marxa i es poden confondre fàcilment, ja que ambdós tenen la configuració de cilindres disposats al voltant d'un eix central. A diferència del motor rotatori, però, el motor radial utilitza un cigonyal convencional girant en un bloc fix.

Control del motor rotatiu[modifica | modifica el codi]

Sovint s'afirma que els motors rotatoris no tenien carburador i per tant la potència només es podia reduir tallant de forma intermitent l'encesa usant un interruptor, el qual posava en massa el magneto quan era pressionat, llevant la corrent a les bugies. No obstant això, els motors rotatoris tenien un carburador simple que combinava un raig de combustible amb una vàlvula del tipus solapa per regular l'entrada d'aire. Al contrari que en els carburadors moderns, no podien mantenir la barreja d'aire/combustible constant al llarg del rang d'obertura de la vàlvula, per a això, el pilot posava l'accelerador en la posició desitjada (usualment, tot obert) i llavors s'ajustava la barreja utilitzant un control d'ajust fi que manejava la vàlvula de combustible.

A causa de la gran inèrcia dels motors rotatoris, és possible ajustar la barreja aire/combustible per prova i error sense perdre velocitat. Més de carregar el motor amb una configuració coneguda, que li permeti funcionar en buit, la vàlvula de pas d'aire s'obre fins a obtenir la màxima velocitat del motor. Com que el procés invers és més difícil, de vegades es fa tallant temporalment la ignició.

A mitjans de la Primera Guerra Mundial, es va fer necessària alguna forma de controlar l'acceleració per permetre als pilots volar en formació, introduint carburadors millorats els quals permetien reduir la potència fins a un 25%. El pilot podia posar la vàlvula d'aire en la posició desitjada, llavors es reajustava la barreja aire/combustible. Pilots experimentats desacceleraven periòdicament de forma suau per assegurar-se que la barreja no era molt rica: una barreja pobre era preferible, ja que la recuperació de la potència era immediata quan el subministrament de combustible s'incrementava, mentre que una barreja massa rica podia trigar fins a 7 segons per recuperar-se, i també podia causar carbonització de les bugies i els cilindres i ofegar el motor.

El Gnome Monosoupape va ser una excepció a aquesta regla, ja que l'entrada d'aire es feia a través de la vàlvula d'escapament, i no podia controlar-se per l'entrada del càrter. Per tant el Monosoupapes tenia un sol control que permetia regular la velocitat en un rang limitat. Els primers models tenien una sincronització de vàlvules variable per tenir un millor control, però això ocasionava que les vàlvules es cremessin, i va ser abandonat.[3]

Els models posteriors van continuar usant el tall de la ignició per a l'aterratge. Més tard van ser equipats amb interruptors d'ignició per a l'aterratge que tallaven alguns dels cilindres, no tots, per assegurar que el motor continués funcionant. Uns pocs rotatoris tallaven els 9 cilindres, en general, es mantenien funcionant 1, 3 o 6 cilindres.[4] Alguns Monosoupapes de 9 cilindres tenien un selector que tallava sis cilindres, tallant un cilindre cada tres revolucions del motor, mantenint així el motor en pefecte balanç.[5] Alguna documentació relacionada amb el Fokker Eindecker mostra un interruptor selector rotatori per tallar un nombre seleccionat de cilindres que suggereix que els motors rotatius alemanys també ho feien.

El 1918 un manual de Clerget advertia que tot el control necessari del motor s'havia de fer amb l'accelerador, i l'apagat i encesa del motor s'havia de fer obrint i tancant el pas del combustible. Els pilots havien d'evitar utilitzar el tall de la ignició per evitar danys en el motor.[1]

L'interruptor d'encesa, però, encara es recomano avui dia per a l'aterratge d'avions amb motor rotatori, ja que ofereix, en els aeròdroms actuals, un control de la potència del motor més ràpida i fiable.[4] El procediment d'aterratge usant el tall d'ignició s'utilitza juntament amb el tall de combustible, deixant l'interruptor encès. El vent sobre l'hèlix permet al motor continuar girant sense lliurar potència, mentre l'avió descendeix. És important mantenir la ignició encesa perquè les bugies continuïn emetent espurnes, evitant que el motor s'ofegui, i permetent arrencar el motor fàcilment obrint el pas del combustible. Si el pilot apaga el motor tallant l'encesa sense tancar el pas del combustible, aquest continuarà passant a través del motor i s'acumularà gran quantitat de barreja a la coberta. Això podia ocasionar un incendi, o danyar les bugies evitant que el motor arrenqués novament en cas de necessitat.

Història[modifica | modifica el codi]

Millet[modifica | modifica el codi]

Una motocicleta Fèlix Millet de 1897.

Félix Millet va exposar un motor rotatori de 5 cilindres muntat en la roda d'una bicicleta a l'Exposició Universal de París el 1889. Millet patentar el motor en 1888, pel que ha de considerar-com el pioner dels motors rotatoris de combustió interna. Un vehicle equipat amb aquest motor va prendre part de la carrera Paris-Bordeaux-París de 1895 i el sistema va entrar en producció per Darracq el 1900.[1]

Hargrave[modifica | modifica el codi]

Lawrence Hargrave va desenvolupar el seu primer motor rotatori el 1889 usant aire comprimit, amb la intenció d'usar-lo en vol propulsat. El pes dels materials i la pobra qualitat de la mecanització de les peces van impedir usar-ho en forma efectiva.[6]

Balzer[modifica | modifica el codi]

Stephen Balzer de Nova York, un ex rellotger, va construir motors rotatoris en la dècada de 1890. L'estava interessat en aquest sistema principalment per dues raons:

  • Per generar 75 kW (100 cavall de vapor) a baixes rpm, la qual cosa era usual en aquesta època, el pols resultant de cada explosió era molt gran. Per transmetre aquesta potència a l'aire, era necessari utilitzar hèlixs molt grans, el que agregava pes. En els rotatoris el motor mateix funciona com volant d'inèrcia, de manera que les hèlixs poden ser més lleugeres amb la mateixa mida.
  • Els cilindres tenen un bon flux d'aire per refrigeració, fins i tot quan el motor està muntat en la part posterior de l'avió, la qual cosa era important en una època en què la limitada velocitat assolible en els avions limitaven la circulació d'aire a través del motor, i els aliatges de l'època no eren tan avançades com les d'avui. Els primers dissenys de Balzer no posseïen aletes de refrigeració, la qual cosa es faria una característica comuna en els motors refrigerats per aire.

Balzer produir un motor rotatori de 3 cilindres per automòbils el 1894, i després es va involucrar en el projecte del Aerodrome de Langley, el que el dugué a la fallida en intentar fer versions molt més grans dels seus motors. Posteriorment, els motors rotatoris de Balzer van ser convertits a motors radials convencionals per la seva assistent, Charles Manly.

De Dion-Bouton[modifica | modifica el codi]

La companyia De Dion-Bouton va produir un motor rotatori experimental de 4 cilindres en 1899. Estava destinat a l'ús aeronàutic, però mai va ser muntat en un avió.[1]

Adams-Farwell[modifica | modifica el codi]

L'Adams-Farwell va ser un altre dels primers motors rotatoris nord-americà que va començar sent fabricat per a automòbils el 1901. Emil Berliner va patrocinar el seu desenvolupament com un motor lleuger pels seus helicòpters experimentals que mai van tenir èxit. Els motors Adams-Farwell posteriorment varen equipar avions d'ala fixa als Estats Units després de 1910. També s'ha afirmat que el disseny del GNOME es va obtenir a partir del d'Adams-Farwell, pel fet que un automòbil Adams-Farwell va ser mostrat a l'Exèrcit francès el 1904. Al contrari que els motors Gnome posteriors, l'Adams-Farwell rotatori tenia vàlvules d'admissió i escapament convencionals muntades en el cap del cilindre.[1]

Gnome[modifica | modifica el codi]

El motor Gnome va ser un treball dels tres germans Seguin, Louis, Laurent, i Augustin. Eren bons enginyers i néts del famós enginyer francès Marc Seguin. El 1906 el germà gran, Louis, va formar la Société des Moteurs Gnome per construir motors estacionaris d'ús industrial, adquirint a la Motorenfabrik Oberursel la llicència per produir el motor estacionari monocilíndric.

Louis va estar acompanyat pel seu germà Laurent, qui va dissenyar un motor rotatori específicament per a ús en avions, utilitzant els cilindres del motor Gnome. El primer motor experimental dels germans tenia 5 cilindres el qual erogava una potència de 25 kW (34 HP), sent radial en lloc de rotatiu. Després van canviar pel disseny rotatiu per aconseguir una millor refrigeració, i el primer motor de producció, el "Omega" de 7 cilindres i 37 kW (50 HP), va ser mostrat en l'exhibició d'automòbils de París de 1908.[7] El Gnome Omega N º 1 encara existeix, i és adquirit i preservat pel difunt Almirall retirat Lauren S. McCready, el seu últim propietari privat, i ara es troba en la col·lecció del Museu Nacional de l'Aire i l'Espai del Institut Smithsonian. Els Seguin van usar la millor aliatge disponible llavors, acer al níquel, recentment desenvolupada, i van mantenir el pas sota maquinant els components des de peces de metall sòlides, les parets dels cilindres del GNOME de 50 HP eren de només 1,5 mm de gruix i les bieles tenien profunds canals centrals per reduir pes. Mentre que la relació cilindrada-potència era baixa, la relació pes-potència era extraordinària, amb 1 HP per kg.

L'any següent, 1909, l'inventor Roger Ravaud va col·locar un en el seu Aéroscaphe , una combinació d'hidroala / avió, el qual va entrar en el concurs d'avions i pots de motor de Mònaco. No obstant això, el motor es va fer popular quan Henri Farman el va usar en el famós avió Rheims, guanyant el Grand Prix amb la major distància coberta en un vol sense aturar (180 km), i creant també un rècord pel vol de major durada.

El primer hidroavió reeixit, el Le Canard de Henri Fabre, va ser realitzat amb un motor Gnome Omega el 28 de març de 1910 prop de Marsella.

La producció dels motors rotatius Gnome va créixer ràpidament, amb prop de 4.000 unitats construïdes abans de la Primera Guerra Mundial, incrementant la potència del Omega fins a 60 kW (80 HP), i fins i tot fins a 82 kW (110 HP). Per als estàndards d'altres motors de l'època, el Gnome era considerat fiable, acreditant-se com el primer motor capaç de funcionar durant deu hores entre revisions.

El 1913 els germans Seguin introduir la nova sèrie Gnome Monosoupape ("monoválvula"), la qual no tenia vàlvules d'admissió, comptant amb una sola vàlvula d'escapament en cada cap de cilindre, amb una entrada d'aire duplicada. Cada cilindre tenia llumeneres en l'extrem inferior, del tipus de les usades en els motors de dos temps, comunicades amb el càrter. La velocitat del motor es controlava variant el temps d'obertura de les vàlvules d'escapament usant palanques que actuaven sobre els botadors, un sistema que després va ser abandonat a causa del fet que es cremaven les vàlvules. El pes del Monosoupape va ser lleugerament menor al model anterior de dues vàlvules i usava menys oli. El Monosoupape de 100 HP comptava amb 9 cilindres, i desenvolupava la seva potència nominal a les 1.200 rpm.[8]

Els motors rotatius produïts per les companyies Clerget i Li Rhône usaven botadors i vàlvules convencionals en els caps de cilindre, però amb el mateix principi de conduir la barreja a través del càrter, tenint Le Rhône uns conductes de coure en cada un, molt visibles, que portaven la barreja del càrter a la part superior dels cilindres.

El Gnome Lambda de 60 kW (80 HP) era l'estàndard quan va començar la Primera Guerra Mundial, i ràpidament va ser usat en nombrosos dissenys d'avions. Era tan bo que va ser llicenciat a diversos fabricants, inclosa la Motorenfabrik Oberursel alemanya, firma que va dissenyar el motor Gnome original. Oberursel va ser després comprada per Fokker, el còpia del Gnome Lambda de 80 HP va ser coneguda com el Oberursel U.0. No era estrany que des de la segona meitat de 1915, dels Gnoms francesos, com els que equipaven els primers exemplars del biplà Bristol Scout, entaulessin combat amb les versions alemanyes, instal·lats als Fokker EI Eindeckers.

Primera Guerra Mundial[modifica | modifica el codi]

La relació pes/potència dels rotatius va ser el seu major avantatge. Mentre que els avions més pesats i grans usaven gairebé exclusivament motors en línia convencionals, molts dissenyadors de caces van preferir motors rotatius fins al final de la guerra.

Els rotatius tenien moltes desavantatges, sent la més notable l'alt consum de combustible, en part pel fet que el motor es feia servir normalment totalment accelerat, i també perquè les vàlvules estaven obertes menys temps que l'ideal. La massa rotatòria del motor feia també un important efecte giroscòpic. En el vol recte l'efecte no era aparent, però en prendre viratges era molt pronunciat. A causa de la direcció de les forces, els girs a l'esquerra requerien una mica més d'esforç i eren una mica més lents, combinats amb una tendència a aixecar el nas, mentre que els girs a la dreta eren gairebé instantanis, amb tendència a baixar la nas.[9] En alguns avions això podia ser avantatjós en situacions com el combat aeri, mentre que el Sopwith Camel el patia fins al punt que requeria aplicar timó a l'esquerra per fer girs a l'esquerra i dreta, i podia ser extremadament perillós si es feia a plena potència en el cim d'un ris a baixa velocitat. Els pilots de Camel eren entrenats per fer els seus primers girs bruscos a la dreta només a altures superiors a 300 m[10]

Fins i tot abans de la Primera Guerra Mundial es va intentar superar el problema de la inèrcia dels motors rotatius. Ja el 1906 Charles Benjamin Redrup va presentar al Royal Flying Corps a Hendon un motor 'Sense Reacció' en el qual el cigonyal girava en un sentit i el bloc de cilindres en l'oposat, cadascun movent una hèlix. Un posterior desenvolupament d'aquest va ser el motor 'Hart' de 1914 dissenyat per Redrup, el qual tenia una sola hèlix connectada al cigonyal, però rotaba en direcció oposada al bloc de cilindres, cancel així gran part del parell giroscòpic. Va resultar ser molt complicat per al Ministeri de l'Aire i Redrup va canviar el disseny a un motor radial fix el qual es va usar més tard en els avions Vickers FB12b i FB16.[11]

A mesura que la guerra progressava, els dissenyadors d'avions demandaven cada vegada més potència. Els motors en línia eren capaços de satisfer aquesta demanda, augmentant el límit màxim de rpm el que significava més potència. Millores en els temps d'obertura de les vàlvules, sistemes d'encesa i materials més lleugers van fer possible augmentar el nombre màxim de revolucions dels motors, i per la fi de la guerra, el motor mitjana havia pujat el límit de 1.200 rpm a 2.000. El rotatiu no podia fer això a causa del arrossegament dels cilindres per l'aire. Per exemple, en un model de principis de la guerra de 1.200 rpm, es va incrementar només a 1.400 rpm amb un increment del arrossegament dels cilindres del 36%, pel fet que l'arrossegament de l'aire puja amb el quadrat de la velocitat. A baixes rpm, l'arrossegament pot ser simplement ignorat, però a mesura que pugen les rpm, el motor rotatori destina més i més potència a fer girar el mateix motor, deixant cada vegada menys potència per aplicar a l'hèlix.

Un enginyós intent de rescatar el disseny va ser realitzat per Siemens AG. El càrter (amb l'hèlix col·locada directament en el front del mateix) i els cilindres giraven en sentit antihorari a 900 rpm, mentre que el cigonyal i altres components interns giraven en sentit horari a la mateixa velocitat. Això es va aconseguir mitjançant la utilització d'engranatges cònics a la part posterior del càrter, cosa que va resultar en el Siemens-Halske Sh.III, funcionant a 1.800 rpm amb un parell net baix. Aparentment va ser l'únic motor rotatiu a usar un carburador normal, controlat per un accelerador convencional, del mateix tipus als usats en els motors en línia. Utilitzat en el caça Siemens-Schuckert D. IV, el nou motor va crear el que per a molts va ser el millor disseny de avió de caça de la guerra.

Un nou avió amb motor rotatiu, el D. VIII de Fokker, va ser dissenyat com a mínim en part, per a proporcionar algun ús a les reserves del motor Ur.II de 82 kW (119 HP) de la fàbrica Oberursel, clon de l'Li Rhône 9J.

Postguerra[modifica | modifica el codi]

Per quan va acabar la guerra, el motor rotatiu s'havia tornat obsolet, i deixo d'usar-se ràpidament. La Royal Air Force britànica va ser probablement qui els va usar més temps, el caça estàndard de la RAF de postguerra era l'Sopwith Snipe, que utilitzava el motor rotatiu Bentley Br2, i l'entrenador estàndard, el Avro 504 K, tenia un muntatge universal que li permetia usar diversos tipus diferents de rotatius de baixa potència, dels quals hi havia gran quantitat com a excedents de guerra. No obstant això, el baix cost dels motors de retard havia de equilibrar amb la pobra eficiència en el consum de combustible i les despeses de funcionament del sistema de lubricació.

A mitjans dels anys '20, els rotatius van ser més o menys desplaçats completament per la nova generació de motors radials refredats per aire.

Ús als automòbils i motos[modifica | modifica el codi]

Encara que els motors rotatius es van utilitzar sobretot en avions, uns pocs cotxes i motos van ser construïts amb aquest motor. La més famosa motocicleta (probablement perquè va guanyar moltes curses) és la Megola, la qual tenia un motor rotatori dins de la roda davantera. Una altra moto amb motor rotatori va ser la Redrup Radial de 1912 de Charles Redrup, la qual tenia un motor rotatiu de 303cc que va equipar a diverses de les motos de Redrup.

El 1904 el motor Barry, també dissenyat per Redrup, va ser fabricat a Gal: un motor rotatiu boxer de 2 cilindres de 6,5 kg de pes[2] va ser muntat dins del marc de la motocicleta.

En els '40, Cyril Pullin va desenvolupar el Powerwheel, una roda amb un rotatiu monocilíndric, amb embragatge i fre de tambor a la galleda, però mai va entrar en producció.

Automòbils amb motors rotatius van ser construïts per companyies nord-americanes com Adams-Farwell, Bailey, Balzer i Intrepid, entre altres.

Altres motors rotatius[modifica | modifica el codi]

A més de la configuració descrita en aquest article amb els cilindres en moviment al voltant d'un eix fix, molts altres dissenys diferents són també anomenats motors rotatius. El més notable, el motor sense pistons Wankel ha estat usat en automòbils (per NSU al Ro80 i per Mazda en diversos automòbils com la sèrie RX, la qual inclou els populars RX-7 i RX-8), així com algunes aplicacions experimentals aeronàutiques.

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 The Rotary Aero Engine. NMSI Trading Ltd, 1999. ISBN 190074712X. 
  2. 2,0 2,1 «Charles Benjamin Redrup». [Consulta: 2008.04.11].
  3. The Rotary Aero Engine. NMSI Trading Ltd, 1999, p. 44-45. ISBN 190074712X. 
  4. 4,0 4,1 Willie, Txad. «Rotary Engines and why they spin» (HTML). [Consulta: 2008.05.01].
  5. The Early Eagles. Dodd, Mead, 1962, p. 154. 
  6. Hargrave, Lawrence (1850 - 1915). Australian Dictionary of Biography Online.
  7. Kennett, Lee. The First Air War: 1914-1918 (en anglès). Simon and Schuster, 1999, p.104. ISBN 0684871203. 
  8. A History of Aeronautics. Kessinger Publishing, 2004, p. 255. ISBN 1419101560. 
  9. McCutcheon, Kimble D. «20Monosoupape.pdf GNOME Monosoupape Type N Rotary». [Consulta: 2008.05.01].
  10. Airplane Stability and Control. Cambridge University Press, 2002, p. 9. ISBN 0521809924. 
  11. William Fairney. The Knife and Fork man - The Life and Works of Charles Benjamin Redrup. Diesel Publishing, 2007. ISBN 978-0-9554455-0-7. 

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]