Convencionalismo o barbarie, el monopolio del motor de pistón

Con el advenimiento de la 2ª Revolución Industrial en la segunda mitad del siglo XIX, la máquina de vapor fue perdiendo su hegemonía frente a nuevas soluciones y concepciones que requerían de un menor espacio y peso. Así, los postulados del padre Barsanti y las nuevas máquinas fabricadas por Lenoir en las que se recurría a un mismo fluido para generar el estado térmico y aportar potencia, empezaron a hacerse populares. Dichos nuevos motores de combustión interna estacionarios empezaron a sustituir a las máquinas de vapor en las minas de carbón y en la industria.

El mundo de los locomóviles por su parte seguía en pleno crecimiento y rápidamente se dejó influenciar por las nuevas tecnologías de combustión interna de gas. Tal fue dicha influencia en la década de los años 80 del siglo XIX que este sector fue de los primeros en la industria en abrazar los nuevos motores de combustible líquido de Otto. De esta forma, la máquina de vapor terminó cayendo en el olvido en el nuevo mundo del automóvil. Sin embargo, había algo que tanto los motores de combustión interna como los de combustión externa tenían en común, los cilindros.

El uso del mecanismo biela-manivela, desde la invención del ferrocarril en el siglo XVIII, se había convertido en el sistema más simple utilizado por los fabricantes de máquinas de vapor y motores de combustión interna. La fácil mecanización de los cilindros y pistones, la óptima estanqueidad y la sencillez mecánica del mecanismo le convertían en una opción prácticamente indiscutible e inmejorable de transformación de un movimiento lineal a uno rotativo. Todos los nuevos motores a finales del siglo XIX de Lenoir, Otto, Daimler e incluso de Benz contaban con este planteamiento.

Las disposiciones en V y en estrella fueron poco a poco volviéndose habituales en aviación y gracias a ello el mundo del automóvil pudo abrazar dichas disposiciones. Sin embargo, Bugatti en lugar de recurrir a esos diseños decidió colocar dos motores en paralelo de 8 cilindros en línea, uniéndolos mediante ruedas dentadas a un eje central encargado de aportar el par y potencia del motor. El motor fue denominado U16 y montado en los Bugatti Type 45 con dos compresores Roots como puede verse en la fotografía de la izquierda. En la fotografía de la derecha se puede observar el motor y su llamativa culata compacta, la cual en la imagen está pintada de negro. Para proceder a su desmontaje era necesario extraer consigo los cilindros, dado que se trata de una culata ciega.

Con la llegada del siglo XX las disposiciones en línea de varios cilindros monopolizaron el mercado del automóvil de forma clara, pero nuevas disposiciones en V, W o incluso en estrella comenzaron a abrirse paso especialmente por la influencia de la aviación. El objetivo era tratar de reducir el espacio de los motores en las aeronaves a la vez que se trataba de ganar potencia por parte del grupo propulsor de las hélices. Sin embargo, la eficiencia de dichos motores de pistones empezaba a no ser suficiente en el mundo de la aeronáutica y por más que se mejoraba el diseño de la hélice no se conseguían mejores prestaciones sin incrementar peso y espacio.

Así, tal y como se comentó en el artículo de turbinas, las nuevas turbinas de gas sustituyeron al motor de pistones en aeronáutica e incluso se trató durante décadas de implementar en el mundo del automóvil. Aun así, las flaquezas de los motores de pistones eran ya de sobra conocidas desde el nacimiento de estos y más si cabe con el exponencial crecimiento del mundo del automóvil durante las primeras décadas del siglo XX. Por tanto, en un clímax de productos muy diferenciados, cada marca intentó tirar de sus propias experiencias para resolver los problemas de esta tecnología.

Experimentando con la distribución

Entre las mayores dificultades del motor de pistones se encontraban los sistemas de distribución, en los cuales se hace necesaria una gran precisión y cantidad de componentes que levanten las válvulas en el momento preciso que requiere el ciclo de 4 tiempos. A su vez, el sonido característico de dichos mecanismos de accionamiento resultaba molesto a principios del siglo XX y muchos de los motores no contaban con lubricación en los asientos de válvulas, las cuales estaban situadas en posición lateral. Este emplazamiento facilitaba el engrase manual, ajuste y mantenimiento de todas las piezas sometidas a desgaste, pero implicaba una cámara de combustión muy poco eficiente dada la colocación de la bujía y el pistón en clara lejanía de las válvulas. Esto suponía una gran dificultad para vaciar el cilindro y renovar la carga tras el escape, así como la combustión de la mezcla no se transmitía de forma homogénea sobre la cabeza del pistón.

Ante estos componentes susceptibles de mejoras varias marcas se pusieron a experimentar con distintas alternativas de diseño. Este es el caso de la marca italiana Itala que en 1912 diseñó un novedoso sistema de distribución rotativo. Dicho sistema permitía controlar unas válvulas rotativas mediante un sistema de árbol de ruedas cónicas dentadas lateral conectado al cigüeñal mediante un par de ruedas dentadas. Dicho eje de ruedas dentadas se unía a 90º con una varilla giratoria que contenía a su vez otra rueda cónica dentada, transmitiendo dicho giro al otro extremo de dicha varilla que estaba formado por una válvula rotativa con un mecanizado específico que permitía conectar la admisión o el escape con el único conducto de conexión existente con el cilindro.

Itala como muchas marcas de principios del siglo XX trataron de desarrollar mejoras en los diseños de los motores de pistones que posibilitaran incrementar su rendimiento y fiabilidad. Entre las grandes gestas de esta marca turinesa se encuentran sus investigaciones sobre los diseños de carrera variable y su desarrollo de los motores con válvulas rotativas como el de la fotografía izquierda. Estos últimos gozaron de cierto éxito de ventas en la compañía, implementándose en modelos como el Gran Prix de 1913 de la fotografía de la derecha. Tras la 1ª Guerra Mundial la marca quedó muy tocada económicamente y tras una absorción en 1929 por una marca de camiones acabó siendo revendida a Fiat en 1935.

De esta forma, el nuevo motor conseguía un diseño de cámara de combustión más optimizado permitiendo un aumento de la relación de compresión y consecuentemente de las prestaciones de los motores de la mencionada marca italiana. Aun así, se había de tener en cuenta que un mismo conducto de entrada se encargaba de vaciar y de llenar el cilindro incrementando de esta forma la temperatura de la mezcla al entrar al cilindro. Este aspecto reduce el rendimiento volumétrico viéndose resentida la potencia del motor. A su vez, la utilización de un mecanismo tan sofisticado y compacto de válvula rotativa reducía el peso y las dimensiones del motor, pero suponía un incremento de la temperatura de las válvulas. Esto, unido a los problemas de picado que podía acarrear, llevaba a la necesidad de un diseño específico y optimizado de refrigeración en la zona.

Con el paso de la década de los años 10 del siglo XX y tras la 1ª Guerra Mundial, otras marcas como Darracq optaron por recurrir a estos sistemas de distribución rotativa en 1919. A pesar de ello, las mejoras en los procesos de mecanizado y la expansión de los sistemas de distribución con árboles en cabeza o laterales contando con balancines y válvulas en cabeza fue poco a poco volatilizando la idea de recurrir a un sistema rotativo de distribución, aunque se haya tratado en algunas ocasiones de implementar en F1.

Paralelamente al desarrollo de Itala y Darracq, la inglesa Daimler Motor Company había estado trabajando en la mejora de la patente de un motor desarrollado por Charles Yale Knight que no soportaba el ruido de la distribución del motor de pistones. El motor prescindía de la utilización de válvulas de forma directa, recurriendo a un novedoso sistema de lumbreras que cerraban o abrían su conexión con el cilindro mediante dos camisas que se desplazaban verticalmente. Dicho desplazamiento se comandaba mediante dos varillas laterales unidas a la base de las camisas y que actuaban con un mecanismo de biela-manivela similar al de los pistones, pero con la mitad de velocidad que el cigüeñal.

Gracias al sistema de válvulas deslizantes del motor Knight la cámara de combustión del cilindro podía adquirir una forma más esférica, permitiendo aumentar la compresión y consecuentemente la potencia del motor, tal y como puede verse en la fotografía derecha. Mediante este sistema de distribución los conductos de admisión y escape eran cerrados por camisas deslizantes que se pueden ver en la fotografía izquierda, dichas camisas se desplazaban gracias al accionamiento de unas bielas unidas a una especie de cigüeñal que giraba a la mitad de revoluciones que el cigüeñal de los pistones.

Con todo esto, los nuevos motores Knight fueron presentados en 1908 destacando las cámaras de combustión esféricas y de mayor relación de compresión al prescindirse de las válvulas. Así la potencia específica, el bajo peso y espacio requerido por los nuevos motores se presentaban como un gran aliciente frente al sistema de válvulas laterales. Sin embargo, los problemas de esta nueva tecnología se pusieron rápidamente sobre la mesa al lanzarse contra Daimler toda la competencia, alegando problemas de lubricación en las camisas desplazables. Ante esta ofensiva Daimler decidió poner a funcionar dos motores Knight de forma estacionaria durante 132 horas seguidas, para después montarlos en dos coches recorriendo 2000 millas y de nuevo volver a ponerles a funcionar de forma estacionaria otras 5 horas. Tras la prueba ninguno de los dos motores presentó problemas de gripaje o desgaste importante, motivo por el cual la marca Daimler fue galardonada en 1909.

Gracias a esta importante gesta, la compañía apostó de forma segura por la utilización de estos motores en sus berlinas y rápidamente la competencia empezó a solicitarles licencias. De esta forma, la alemana Daimler Motoren Gesellschaft empezó a implementar estos motores en sus Mercedes junto con las francesas Voisin, Peugeot y Panhard et Levassor, mostrando al Knight como el futuro del motor de pistones en automoción. Sin embargo, la llegada de la ya mencionada distribución de válvulas en cabeza mucho más compacta, eficiente y mejor lubricada terminó calando en todas esas marcas. Así, estas empezaron a desprenderse de los motores Knight hasta la llegada del año 1940 en que dejó de venderse el último vehículo que contaba con esta tecnología, el Panhard et Levassor Dynamic.

A pesar de la baja compresión, baja capacidad de llenado y vaciado del cilindro y la baja uniformidad de la energía liberada sobre la cabeza del pistón, los motores de válvulas laterales sufrieron ciertas mejoras como la adaptación de las culatas para generar ciertas turbulencias al abrirse la válvula, tal y como puede verse en la imagen izquierda. La utilización del plomo de tretilo para incrementar la capacidad antidetonante de la gasolina y lubricar de forma óptima los asientos de válvulas, también ayudó al incremento de la compresión de dichos motores sin incurrir en un picado severo. En la fotografía de la derecha se puede observar una disposición de válvulas en cabeza con arbol de levas lateral, este sistema se volvió muy popular tras la 2ª Guerra Mundial erradicándose en automoción el uso de válvulas laterales.

General Motors y su afán publicitario

A tenor de todas las experiencias relatadas hasta el momento, los fundamentos del motor de pistones y su ciclo Otto o Diesel de 4 tiempos permanecían inalterados. Todo esto cambió con la llegada de la turbohélice al mundo de la aviación al final de la 2ª Guerra Mundial, la cual terminó eliminando prácticamente la utilización de motores de pistones en dicho sector. Con dicha expansión de la turbina de gas durante la Guerra Fría, se intentó incluso irrumpir en el mundo del automóvil. A pesar de todo ello, tal y como se comentó en el artículo de turbinas, algunas marcas veían dicha oportunidad como una mera innovación con la que publicitarse. Bajo esta premisa nacieron los Firebird de General Motors con un bajo interés en convertir la tecnología de las turbinas en una alternativa seria al motor de pistones. Esta visión abre la puerta por tanto a más locuras con las que poder salir en películas futuristas de los años 50 y ese fue el caso del XP-500.

Junto con los Firebird el XP-500 fue presentado por GM como el automóvil del futuro, el coche contaba con una pareja de cilindros con émbolos libres y una turbina.

El nuevo vehículo futurista presentado en 1956 compartía detalles estéticos con el Firebird II de ese mismo año, solo que en esta ocasión el grupo propulsor no era un motor de turbina con su propio compresor centrífugo. En su lugar, el equipo de innovación de GM decidió implementarle un novedoso sistema de dos cilindros con dos pares de émbolos libres en el eje delantero con una turbina en el eje trasero. Así, la combustión tenía lugar en dichos cilindros de forma que los émbolos libres permitiesen conseguir un estado de alta presión y temperatura en los gases de escape. A continuación, estos salían de la pareja de cilindros conduciéndose por el tubo de escape hasta la parte trasera del vehículo, donde dichos gases eran introducidos en la turbina que aportaba 250 caballos al tren trasero.

En la fotografía izquierda se puede observar un diagrama del XP-500 en el que la pareja de cilindros, con dos émbolos libres de gran diámetro en el interior de cada cilindro, está colocada en la parte delantera del vehículo. Los gases de escape son conducidos posteriormente a la turbina del eje trasero. En la fotografía derecha se puede ver un ejemplo de este sistema propulsor diseñado por la empresa Pescara y en la que se basaron en GM para diseñar el grupo del XP-500. El funcionamiento del cilindro es sencillo, las cámaras de cada uno de los émbolos se encuentran por un lado herméticamente cerradas con aire a una presión concreta, por otro lado la cámara del vástago cuenta con las lumbreras de admisión y de escape enfrentadas. Gracias a la presión y temperatura de los gases de escape del último ciclo los émbolos se encuentran desplazados hacia las cámaras de aire a presión, al salir dichos gases de escape hacia la turbina entra la mezcla de admisión, la cual al contener baja presión y temperatura se ve comprimida por los pistones, que ahora se ven desplazados por la acción del aire comprimido. En ese momento se produce la inyección de combustible en la cámara central de los vástagos, generándose los gases de escape que vuelven a desplazar los pistones para reanudarse así el ciclo descrito.

Entre las ventajas de esta nueva tecnología se encontraba la simplicidad de los émbolos libres al no requerirse ningún sistema de distribución, cigüeñal o refrigeración y la consecuente reducción muy notable de vibraciones. Además, se podía recurrir a cualquier combustible desde gasolina o queroseno a aceite vegetal. A pesar de estas virtudes, se ha de tener en cuenta los problemas que traen consigo los cilindros que contienen a los pistones, ya que la gran hermeticidad conlleva dificultades de lubricación de los émbolos. Esto unido a las dificultades de regulación de la turbina en función del flujo de los gases de escape llevó a GM a desistir de esta tecnología tras 3 años de investigación.

De la máquina de vapor a la turbina de vapor

Con la rápida expansión y optimización del motor de pistones a principios del siglo XX, poco a poco los locomóviles empezaron a desaparecer y marcas como De Dion-Bouton pasaron a ofrecer únicamente motores de combustión interna. Sin embargo, a pesar de la baja potencia específica y el elevado peso de la máquina de vapor, algunas marcas siguieron apostando por esta tecnología como la americana Stanley Steamer o incluso Jaguar. A su vez, otros sectores como el militar se empezaron a interesar en la optimización de los cilindros del grupo encargado de transformar la presión y temperatura del vapor en energía mecánica, desarrollando incluso disposiciones en V.

Gracias a dicha influencia en el sector militar y consecuentemente en el mundo de la aviación, el empresario e inventor Bill Lear optó por utilizar gran parte de su fortuna en el desarrollo de un deportivo que compitiese en las 500 millas de Indianápolis con propulsión a vapor. Lear había vendido su participación en Lear Jet y ciertas fuentes dicen que se sentía deprimido después de vender la empresa de aviones a reacción, siendo este nuevo proyecto una forma de salir de esa depresión. Lear por tanto no tenía realmente ningún interés en entrar en el negocio de la fabricación de automóviles, a pesar de constituir la empresa Lear Motors Corporation. En lugar de eso, él quería desarrollar una nueva disposición de cilindros hasta convertir su diseño en algo práctico y vender los derechos a uno de los principales fabricantes de automóviles de Detroit.

Contando con un importante equipo de investigación y desarrollo la Lear Motors Corporation consiguió los derechos de la patente del motor de 4 tiempos Delta de Napier Deltic. Dicho motor había sido utilizado en propulsión marina y el equipo de Lear optó por desarrollar a partir de esta idea un nuevo sistema de conversión de la presión y temperatura del vapor en energía mecánica. De esta forma, el nuevo Lear Delta contaba con una válvula central que distribuía de forma eficiente el vapor entre los distintos cilindros enfrentados y colocados formando un triángulo equilátero en cuyos vértices se encontraban los cigüeñales. En lo que concierne a la caldera para generar el vapor, esta se situó en el lateral contrario al lugar en el que se encontraba el puesto de conducción del piloto.

En los motores de combustión externa la combustión aporta entalpía a un fluido de trabajo que es transportado a un equipo encargado de transformar la energía de dicho fluido en energía mecánica. En la fotografía de la izquierda se puede observar el grupo transformador tipo Delta diseñado por Lear Motors Corporation. Como se puede ver el grupo de los pistones enfrentados dos a dos formando un triángulo con cigüeñales en los vértices cuenta con una válvula central que aparece seccionada en la imagen y es la encargada de dosificar a que par de émbolos ha de ir dirigido el fluido de trabajo en cada momento. En la fotografía de la derecha se puede ver el deportivo desarrollado para competir en las 500 millas de Indianápolis, la caldera encargada de aportar la energía al fluido de trabajo se encuentra situada en el lateral opuesto a la posición del conductor.

Paralelamente al desarrollo de este proyecto, el equipo de investigación también mostró su interés en el diseño de una turbina de vapor como alternativa al sistema Delta de cilindros. A pesar de esta idea y de lo desarrollada que se encontraba la máquina de vapor inicialmente planteada, el jefe del departamento de investigación empezó a tener problemas con Bill Lear llegando este último a despedirle. Como consecuencia de esto y los problemas de coordinación del equipo de diseño del deportivo, el objetivo de debutar en las 500 millas de Indianápolis quedó a finales de los años 60 en un mero sueño inalcanzable. Sin embargo, la empresa Lear Motors Corporation continuó investigando sobre la idea de construir una turbina de vapor llegando a implementarla en un autobús en California y en un Chevrolet Monte Carlo en 1973.

Entre lo más llamativo de esta nueva tipología de propulsión automotriz se encontraba la utilización de un sistema de ciclo cerrado que evitaba la necesidad de repostar el fluido de trabajo con propiedades mejoradas respecto del agua y que era el encargado de transformarse en vapor. Si uno analiza las primigenias locomotoras de vapor, uno de los vagones del conjunto era un depósito de agua encargado de suministrar dicho líquido a la caldera y que en las estaciones contaba con un sistema de repostaje de agua. Dicho sistema es por tanto de ciclo abierto ya que el agua y su vapor se iban consumiendo, con el paso del tiempo aparecieron las locomotoras de ciclo cerrado que necesitaban de otro vagón específico más para albergar el inmenso condensador. De esta forma, volviendo al prototipo de Lear Motors, el nuevo sistema posibilitaba la recirculación continua del fluido de trabajo, solo requiriendo el grupo propulsor del repostaje de un combustible encargado de realizar la combustión que permite calentar la caldera. Con la llegada de la crisis del petróleo y dado el enorme peso, volumen y baja potencia específica esta idea cayó en el olvido por parte de las autoridades de California para su implementación en autobuses, todo ello a pesar de su importante rendimiento energético.

El desarrollo de una turbina de vapor de ciclo cerrado por parte de Lear Motors Corporation llegó en el peor momento, justo con la crisis del petróleo pero aún así se llegó a implementar en el Chevrolet Monte Carlo de 1973 de la imagen derecha. En la fotografía izquierda se puede ver un esquema de la disposición de los distintos elementos auxiliares necesarios para poder cerrar el circuito del vapor. Destaca la necesidad de dos condensadores bastante voluminosos que permitan licuar el vapor, puede verse también la presencia de un regenerador para incrementar el rendimiento de la turbina de vapor justo encima de la caldera.

La NASA y el epitafio de la combustión externa en automoción

Tras el fracaso de la máquina de vapor con el paso del siglo XX frente al motor de pistones en automoción, otros sistemas de combustión externa alternativos se pusieron también sobre la mesa. Las virtudes con las que contaban esta tipología de motores térmicos eran ya conocidas como la versatilidad de combustibles, pero los defectos de elevado peso y consumo suponían un gran escollo a nivel energético tras la crisis del petróleo de 1973. La turbina de vapor por su parte con su alta eficiencia energética permitiría reducir el consumo, pero su difícil regulación y gran volumen necesario no llegaban a compensar la reducción de consumo.

El objetivo por tanto era tratar de desarrollar un sistema de propulsión capaz de funcionar con cualquier combustible, que requiriese de un reducido espacio, bajo consumo y que pudiese reducir incluso las emisiones contaminantes. Para ello los ingenieros del departamento de energía de la NASA se pusieron manos a la obra para la gestación de un proyecto que permitiese convertir al motor Stirling en una alternativa seria frente a cualquier motor que requiriese de algún derivado de petróleo para su funcionamiento.

La elección de dicha tipología de combustión externa yace en la alta eficiencia energética del ciclo Stirling frente no solo al ciclo Rankine de la turbina de vapor sino también frente al ciclo Otto y Diesel. Esta gran ventaja permitía al nuevo propulsor mejorar el gran defecto de los motores de combustión externa, la potencia específica. En lo que respecta al aspecto mecánico del motor, el susodicho ciclo cuenta con una etapa de expansión y otra de compresión del fluido de trabajo por lo que el mejor sistema para aprovechar dicha energía, y transformarla a mecánica, es precisamente el sistema biela-manivela con el uso de pistones y un cigüeñal.

Tanto el ciclo Stirling como el Ericsson tienen la peculiaridad de describir un área muy similar al del ciclo de Carnot, asumido este último como el ciclo teórico de mayor rendimiento energético al que podría llegar una máquina térmica reversible. En la fotografía de la derecha se puede observar el ciclo de Carnot con dos procesos isentrópicos de expansión 2-3 y de compresión 4-1, los procesos 1-2 y 3-4 describen expansiones y compresiones isotermas respectivamente. Observando la fotografía de la izquierda el ciclo Stirling cuenta con las mismas expansiones y compresiones isotermas que el Carnot, pero no consigue lograr procesos adiabáticos en 2-3 y 4-1, siendo estos isócoros gracias a la utilización de un regenerador. Si se interpreta el proceso del ciclo Stirling en un cilindro con un émbolo la etapa 1-2 corresponde con una carrera de expansión del pistón y la etapa 3-4 con una carrera de compresión del pistón.

Con el ciclo y el transformador de presión y temperatura del fluido de trabajo en energía mecánica ya elegidos, el departamento inició la primera fase del “Proyecto de desarrollo de un motor Stirling para automoción”. En dicha fase los ingenieros tenían que ponerse al día de todas las novedades y diseños ya existentes en lo concerniente a esta tipología de motores. Así, los investigadores de la NASA mostraron gran interés en la empresa sueca de motores Stirling estacionarios, USAB, en especial en su modelo P-40. Gracias a un pedido de 4 unidades de este motor los ingenieros pudieron testear 3 de esos Stirling en EEUU, siendo uno de ellos adaptado para su funcionamiento en un AMC Spirit. La 4ª unidad se quedó en Suecia y fue convenientemente adaptada para su colocación en un Opel Rekord que fue testeado por parte de GM en dicho país en 1977.

Aunque el Opel Rekord de la imagen izquierda y el AMC Spirit contaron con los motores fabricados por USAB, otras mulas fueron también utilizadas como un Ford Pinto y un Ford Taunus. En la fotografía de la derecha se puede ver el Stirling P-40 que equipaban dichos vehículos de pruebas con todos los accesorios requeridos en un vehículo, desde la bomba de dirección asistida al compresor de aire acondicionado.

Tras dicha puesta en situación la siguiente fase del proyecto pasaba por tratar de diseñar un motor idéntico al de los suecos, pero con mayor densidad de potencia y prestaciones. Así el Mod I se convirtió en el primer Stirling fabricado por la NASA y USAB para fines de investigación en el campo de la movilidad. El motor contaba con 2 parejas en línea de cilindros en paralelo con dos cigüeñales para transformar la presión y temperatura del fluido de trabajo en energía mecánica. El resto del motor se dividía en dos partes diferenciadas formadas por la zona caliente y la zona fría encargadas de conseguir los dos focos necesarios para realizar el ciclo Stirling.

En lo que respecta a la zona caliente, esta estaba situada en la parte superior del motor y en ella se albergaba la enorme cámara de combustión dotada de un inyector y de un sistema de precalentamiento del aire de entrada que posibilitaba mejorar la combustión. En la parte inferior de dicha zona caliente del motor se situaba un depósito de hidrógeno para cada uno de los cilindros, el cual veía incrementado su presión y temperatura debido a la combustión que se producía en la parte superior. Gracias a dicha transferencia de energía al hidrógeno, que era el fluido de trabajo, este se expandía perdiendo presión a temperatura constante mediante su paso del depósito al interior del cilindro. De esta forma, el pistón realizaba su proceso de expansión.

Paralelamente, el hidrógeno situado al otro lado del pistón formaba parte de la zona fría del motor y durante la carrera de expansión del lado caliente este se dirigía hacia el enfriador situado en un lateral del cilindro. A su vez, en la parte superior de dicho enfriador se encontraba un regenerador encargado de las etapas isócoras del ciclo Stirling y que estaba conectado superiormente con el depósito de hidrógeno del cilindro contiguo. Este tipo de configuración es denominada beta y constituye el planteamiento de motor Stirling más utilizado.

A la derecha se puede observar una sección del Mod I en la que se puede distinguir la presencia de dos cilindros cada uno con su cigüeñal y estos últimos unidos por ruedas dentadas a otro eje central situado superiormente. También puede observarse la enorme cámara de combustión en la parte superior la cual cuenta con un precalentador y un sistema de inyección del combustible. Por debajo de la cámara de combustión se localizan cuatro depósitos planos de hidrógeno que se mantienen a alta temperatura, constituyendo el foco caliente del ciclo gracias a un haz de tubos de pequeño diámetro que ascienden en la cámara de combustión. Dichos depósitos se conectan con las cámaras superiores de cada cilindro por su parte superior. Por otro lado, al otro lado del pistón se encuentra la cámara del vástago en la cual se encuentra el hidrógeno frío gracias al foco frío impuesto por el enfriador al lado del cilindro. Encima de dicho enfriador se encuentra el regenerador necesario para las etapas de expansión y compresión isócoras del ciclo Stirling y que se encuentra conectado al depósito de hidrógeno del cilindro contiguo con el que comparte cigüeñal. En la imagen de la izquierda puede verse el trasiego de hidrógeno entre las parejas de cilindros con el regenerador en gris y el enfriador a rallas azules.

En lo que respecta a la gestión del motor se desarrolló una unidad de control encargada de regular la presión en los depósitos de hidrógeno de forma que pudiese conseguirse una mayor elasticidad en lo que a prestaciones se refiere. Así, el acelerador era controlado de forma electrónica con el objetivo de regular los parámetros de presión de hidrógeno requeridos. La combustión por su parte era regulada en función de la temperatura que se registrase en la enorme cámara de combustión externa, así si la temperatura variaba se regulaba en consonancia el caudal de combustible y de aire requerido. Gracias a este aspecto y el hecho de que la combustión fuese continua y se produjese siempre en el mismo sitio, era muy sencillo controlar las emisiones contaminantes y reducir el consumo de combustible.

Tras el estudio e investigación realizados con el Mod I, el departamento de la NASA se puso como objetivo diseñar un nuevo motor que permitiera obtener un mayor rendimiento y prestaciones para una mejor aceptación en el mercado automotriz. Así la siguiente fase del proyecto llevó a la consagración del Mod II en 1985, en la que se reestructuró todo el diseño de la zona fría y la disposición de los cilindros. El nuevo motor contaba ahora con un único cigüeñal para reducir las pérdidas mecánicas frente al anterior modelo y los 4 cilindros iban colocados formando una V a 40º. En lo que respecta a la zona fría se recolocaron el regenerador y el enfriador en la camisa de los propios cilindros ahorrando así espacio y peso frente al Mod I.

A la izquierda puede verse el grupo transformador de energía térmica en mecánica del Mod II que cuenta con un grupo V4 a 40º, reduciéndose así las pérdidas mecánicas por el uso de 2 cigüeñales. En la fotografía de la derecha se puede ver una imagen seccionada del Mod II en la que los principios básicos establecidos con el Mod I se mantienen, el motor por su parte reduce su volumen gracias a la colocación de los regeneradores y enfriadores concéntricos con cada uno de sus respectivos cilindros.

Con toda esa batería de modificaciones, los resultados fueron muy satisfactorios. El nuevo motor alcanzaba un rendimiento del 38,5% con una potencia máxima de 83,5 caballos a 4000 rpm, un par máximo de 212,5 Nm a tan solo 1000 rpm y todo con un volumen total en los cilindros de 0,5 litros. Con estos fantásticos resultados, el motor fue colocado en un Chevrolet Celebrity registrando unas emisiones de NOx en un ciclo EPA de 50 mil millas de 0.249 g/Km, 0.124 g/Km de partículas y 0.255 g/Km de hidrocarburos. En lo que respecta al combustible, cualquier sustancia o material capaz de producir una reacción de combustión en presencia de aire era suficiente para conseguir mantener la temperatura requerida en la cámara de combustión entre 750 y 820ºC. Así, optándose por la gasolina en la prueba mencionada, el consumo de combustible combinado se tradujo en 5.72 litros a los 100 Km. Toda una proeza frente a los 7.58 litros a los 100 Km del motor original de ciclo Otto del Celebrity, el cuál contaba además con 30 kg menos de peso que el Mod II. Las aceleraciones del vehículo con el motor Stirling se incrementaban también frente al motor de ciclo Otto, reduciéndose hasta en casi 2 segundos el 0 a 100 Km/h.

Debido a las etapas del ciclo Stirling en algunos instantes los cilindros pueden llegar a encontrarse en el mismo punto de sus carreras por lo que el diseño del cigüeñal no es idéntico al de un motor en V, sino que requiere diseñarse con ciertas diferencias de cotas entre la muñequilla de una biela y la de la biela de la bancada opuesta. En la fotografía de la izquierda puede observarse los nuevos cilindros del Mod II que cuentan con enfriador y regenerador concéntricos a estos. La marca azul en la fotografía de la derecha muestra la canalización de hidrógeno frío que conecta el enfriador del cilindro de la izquierda con la cámara del vástago del cilindro de la derecha, ambos de la misma bancada.

Tras 9 años de proyecto en 1987 el Mod II supuso el punto final de la investigación realizada por la NASA, con unas conclusiones bastante abiertas. A pesar de que el motor como se ha mencionado contase con enormes ventajas, la complejidad de diseño y la consecuente fiabilidad de ciertos componentes sometidos a la fuerte presión y temperatura del hidrógeno, como los regeneradores, alejaban la posibilidad de convertir esta tecnología a corto plazo en una alternativa viable económicamente en el sector automotriz. Por otro lado, los problemas de financiación de la NASA en lo que respecta a estos departamentos de energía tampoco fue un aliciente para seguir probando con motores de mayor número de cilindros y consecuentemente de potencia. Con todo esto el proyecto fue archivado y el motor Stirling nunca tuvo la oportunidad de poder siquiera intentar ser una alternativa a los motores de ciclo Otto y Diesel en automoción.

A la derecha se puede ver el cigüeñal del Mod II con sus distintas muñequillas y el extremo nervado que permite la conexión con la bomba de agua que no solo se encargaba de refrigerar todo el grupo propulsor, sino también muy especialmente el enfriador de los cilindros. En la fotografía izquierda se pueden ver los 4 depósitos de hidrógeno de cada cilindro y conectados por su base con cada uno de ellos. La forma de tubo de dichos depósitos permitía mejorar la transferencia de calor de la cámara de combustión al fluido de trabajo. De cada uno de esos pequeños agujeros salían los tubos finos o serpentines que ascendían por la cámara de combustión para mejorar aún más la transmisión de calor.

Baradat-Esteve y una nueva generación de motores radiales

Hasta el momento todos los motores que se han analizado en este artículo se han centrado en la optimización de la transferencia de la energía liberada por la combustión a los pistones, es el caso de los motores Knight y de Itala. A su vez, se ha tratado de buscar con Lear Motors Corporation y con el proyecto de motor Stirling de la NASA un ciclo termodinámico que fuera más eficiente que los de Otto y Diesel. Dichos análisis se han centrado por tanto en buscar un aumento en la eficiencia y rendimientos energéticos sin haberse tenido realmente en cuenta la posibilidad de recurrir a una mejora de la eficiencia y rendimientos mecánicos.

Bajo esta otra corriente de mejora de los motores de combustión, los ingenieros e inventores catalanes Carlos y Claudio Baradat junto con Federico Esteve optaron por centrar toda su investigación en el desarrollo de nuevos motores radiales para la aviación española durante la década de los años 20. Este sector se encontraba en ese momento en auge tras la 1ª Guerra Mundial y el diseño de motores de ciclo Otto con cilindros en disposición en estrella eran los favoritos en aeronáutica. De esta forma, los tres españoles empezaron a patentar numerosas mejoras en esta tipología de propulsores e incluso crearon una empresa de motores con el nombre Baradat-Esteve en 1913 para la implementación de estos en aviación y automoción.

Por desgracia, debido a las grandes dificultades arancelarias y políticas con las que contaba España en su Edad de Oro del automovilismo, las pequeñas marcas que se iban gestando terminaban abocadas a la quiebra frente a otras marcas extranjeras y esta marca no fue una excepción, terminando en la bancarrota en 1923. A pesar de este clímax tan poco favorable los tres ingenieros desarrollaron un nuevo tipo de motor que ellos mostraban como una evolución de los motores radiales.

El nuevo propulsor contaba con una disposición toroidal de los pistones permitiendo su movimiento dentro de un anillo alrededor del eje motor. Dicho cilindro con forma de donut contaba con dos parejas de pistones opuestos situados en los extremos de un diámetro del círculo central del toroide. A su vez, el cilindro se dividía en dos carcasas que permitían el alojamiento de los pistones en su interior y una de dichas carcasas albergaba dos lumbreras colocadas una detrás de la otra a lo largo de la revolución del toroide. En el otro extremo de dicha carcasa había otra oquedad que permitía el alojamiento de una bujía, lo cual nos lleva a hacer pensar en que el motor requería de un encendido provocado, por lo que lo más factible es que funcionase con gasolina.

Por desgracia la información sobre Baradat-Esteve es bastante reducida y solo se conocen estas fotos del motor toroidal, desarrollado por la empresa en 1919. La fotografía de la derecha muestra la parte trasera del motor donde se acopla el eje de salida y en la de la izquierda se muestra el motor con y sin la carcasa que contiene las lumbreras y la oquedad para la bujía.

En lo que respecta a la otra cara del motor, esta contenía acoplada en el centro del toroide un mecanismo con rodamientos unidos a los ejes de los 4 pistones del motor, cuyas pistas exteriores giraban y se desplazaban sobre una pista con forma epitrocoidal. Dicho mecanismo permitía que el movimiento circular de los pistones acabase transmitiéndose a un eje central situado en el centro del toroide y que era el encargado de transmitir la potencia y par del motor.

Tras la presentación de la nueva invención de Baradat-Esteve, el motor fue montado en un Austin Seven e incluso en camiones del ejército, alcanzando velocidades de hasta 80 Km/h. La potencia de 110 caballos que aportaba el motor a 16 mil vueltas era bastante destacable a juzgar por su pequeño tamaño y cilindrada de 2 litros. A pesar de dichas cifras en cuanto a prestaciones, muchos problemas de refrigeración, estanqueidad y lubricación fueron achacados a este diseño cayendo rápidamente en el olvido. Una mejora de los materiales de fabricación y en el diseño de la refrigeración hubiese podido ser su salvación, pero dichas mejoras eran inalcanzables en una España con graves problemas arancelarios para la compra de materia prima.

Los intentos por implementar los motores orbitales en automoción

Continuando con las mejoras en la eficiencia y rendimientos mecánicos de los motores de combustión, la Orbital Engine Company fundada por el australiano Ralph Sarich consiguió una notable popularidad en los años 90 en este campo. Gracias a la implementación de un sofisticado sistema de inyección directa de combustible en motores de 2 tiempos, la empresa australiana certificaba una reducción del consumo importante frente a motores de 2 tiempos convencionales y de hasta un 15% frente a motores de 4 tiempos equivalentes.

Ante esta nueva gesta, varias marcas asiáticas como Toyota o Suzuki se ofrecieron a investigar el alcance que pudiera tener dicha tecnología en sus utilitarios, destacando las pruebas en los Toyota Kijang y Suzuki Karimun con motores de 3 y 2 cilindros respectivamente. Los resultados fueron bastante significativos con reducciones de emisiones de NOx e hidrocarburos considerables. Este fenómeno se debía principalmente a la eliminación de las combustiones incompletas del motor de 2 tiempos, debido a la fuga de parte de la mezcla por las lumbreras de escape al no llegar a tiempo el pistón para cerrarla. Gracias al exhaustivo control de la inyección electrónica dicho problema desaparecía y permitía la implementación de un catalizador de 3 vías en el escape al conseguirse mezclas estequiométricas en los cilindros.

No solo algunas marcas asiáticas contaron con la nueva generación de motores de 2 tiempos sino que también otras como Ford trataron de añadirlos a su gama, aunque finalmente desistieron.

Todo este desarrollo y perfeccionamiento del ciclo de 2 tiempos tuvo un importante impacto en la industria del automóvil, pero la financiación y la potencia de control electrónico necesarios terminaron dejando a esta tecnología en el olvido. A su vez, la mejora en la eficiencia de los motores de 4 tiempos tanto Otto como Diesel durante los años 90 y primera década del siglo XX terminó superando las ventajas de los motores de Orbital Engine. En lo que respecta a la empresa, esta sigue hoy día en activo sin olvidar las raíces por las que fue creada en los años 70, los motores orbitales.

A pesar de que los sistemas de inyección electrónica en motores de 2 tiempos de los años 90 fueron su salto a la fama, la empresa fue creada para un fin distinto en 1972. Gracias a las ayudas del gobierno australiano y otras empresas metalúrgicas del país el joven Ralph Sarich buscaba reducir las pérdidas mecánicas y el peso de los motores de combustión mediante el desarrollo de un motor orbital que rompía con la utilización de pistones para su funcionamiento.

El nuevo motor, denominado Sarich, se desarrolló entre 1972 y 1983 con una cilindrada de 3.5 litros describiendo un ciclo Otto con una relación de compresión de 8.5:1. En lo que respecta a sus distintos componentes, el motor cuenta con un pistón central el cual se encuentra acoplado a un cigüeñal que cuenta a su vez con 3 excéntricas encargadas de evitar el giro del pistón sobre su propio eje. De esta forma, al producirse el giro del cigüeñal el pistón se traslada describiendo un círculo en su trayectoria, pero este en ningún momento gira sobre su propio eje. Por otra parte, en la carcasa en la que está contenido el pistón se encuentran 7 tabiques de retención unidos al propio pistón y separando la cámara del motor en 7 espacios independientes en los que tiene lugar en cada momento una fase concreta de los 4 tiempos. Por ello, cada uno de dichos recintos estancos cuentan con una bujía y sus válvulas de escape y admisión.

El motor desarrollado por el australiano Sarich cuenta con un mecanismo que permite transmitir el movimiento del pistón orbital al eje de potencia del motor, pero impide la rotación del pistón sobre su propio eje tal y como se observa en la fotografía derecha. Las carcasas laterales del motor van refrigeradas por agua y el pistón orbital se refrigera y lubrica con aceite.

Entre las ventajas de este diseño orbital destaca el reducido espacio que este requiere y una muy alta potencia específica gracias a que tiene lugar una combustión por cada séptimo de vuelta. En su lugar, el motor de pistones de 4 tiempos requiere dos vueltas completas para conseguir realizar una combustión. Cierto es que existen más ventajas en lo que respecta al motor como el bajo peso y consumo, pero los problemas de lubricación de los tabiques y del cigüeñal fueron un problema en su desarrollo. A este aspecto se suman los problemas para comandar la distribución de cada uno de los 7 recintos, requiriendo de un sistema muy complejo que regule el levantamiento de las válvulas en función del giro del cigüeñal. Esto lastra las ventajas de recurrir a un pistón orbital, ya que la energía que se gana recortando pérdidas mecánicas se pierde en la distribución.

Tal y como puede verse en la imagen cada uno de los compartimentos en los que se divide el motor cuenta con sus válvulas y su bujía. A su vez, los tabiques de retención laterales se desplazan al moverse el pistón orbital sobre unas guías del propio pistón. La complejidad del sistema de distribución y la lubricación de los tabiques de retención supusieron el mayor talón de Aquiles de este motor.

Tras más de 10 años de desarrollo el proyecto acabó sin llegar a implementarse en automoción y con la reorientación de la empresa hacia la mejora de los motores de 2 tiempos tal y como se ha comentado. A pesar de ello, el diseño de este motor orbital navegó hacia un campo de investigación nuevo de los motores de combustión que rompía con la necesidad de recurrir a pistones y cilindros. Se abría camino por tanto a una nueva idea que ya había sido formulada previamente relacionada con las máquinas de funcionamiento rotativo, algo que ya había calado en el diseño de bombas y compresores. Así, el motor orbital Sarich vino a confirmar una tendencia que se había puesto de manifiesto incluso antes de la 2ª Guerra mundial, la de los motores rotativos.

Como se ha visto a lo largo de este artículo la mayoría de las alternativas a los motores de pistones convencionales ya fuera para mejorar su eficiencia energética o reducir sus pérdidas mecánicas han acabado desapareciendo por su complejidad, por intereses económicos o por los avances y mejoras en los propios motores de pistones. Muchas otras alternativas no han sido tratadas en este artículo por su difícil implementación en el automóvil o por su posible optimización en el futuro como es el caso de los motores HCCI y el InnEngine desarrollado por una empresa granadina. Sin embargo, hay una sonora ausencia en todo este artículo y que a diferencia de las tecnologías aquí tratadas si consiguió tener su hueco en el mercado automovilístico, pero como es evidente dicho motor merece ser protagonista de su propio artículo.

Los motores HCCI han sido de gran interés durante el siglo XXI debido a las cada vez más restrictivas normativas medioambientales y anticontaminantes. Este tipo de motor de encendido por compresión y mezcla pobre homogénea permite la utilización de gasolina sin necesidad de bujías y consigue mezclas aire-combustible muy pobres. El mayor beneficio es su baja temperatura de combustión que permite reducir las emisiones contamienantes de NOx, a la par que la mezcla pobre reduce las emisiones de gases de efecto invernadero. El mayor problema de estos motores es alcanzar el perfeccionamiento con la electrónica de control, para que las combustiones sean centradas en el PMS con total precisión. Algunas marcas, como Mercedes con los DiesOtto, han tratado sin éxito de perfeccionarlos y sacarlos al mercado, solo Mazda con la tecnología Skyactiv ha conseguido desarrollar un motor que se acerque a ese comportamiento a baja carga, pero aun así dichos motores requieren de bujías.