Primicias mundiales: motores domésticos sin biela.
Concepto informático del motor sin biela OM-127RN
Una obra maestra de la mecánica.
¿Por qué quitar la biela del motor, exactamente? El motor de combustión interna en su forma actual tiene más de 160 años, y nadie planea interferir con su diseño establecido. Pero no siempre fue así. El ingeniero soviético Sergei Stepanovich Balandin de la OKB No. 2 del Comisariado del Pueblo aviación En la década de 30, la industria experimentó una pequeña revolución técnica y eliminó las bielas del motor.
El mecanismo de la manivela en sí es bueno en todos los sentidos, pero tiene sus inconvenientes. Por ejemplo, la inclinación lateral de la biela durante el funcionamiento presiona el pistón contra la pared del cilindro. Esto provoca un mayor desgaste; todos conocemos la forma elíptica del cilindro con un alto kilometraje, que compromete el sellado de la cámara de combustión. El movimiento mecánico de la biela causa vibraciones parásitas, que requieren ejes de equilibrado especiales para compensarlas. Un motor con bielas y cigüeñal es grande y pesado. Debido a las elevadas cargas de inercia de las pesadas bielas y pistones, al cambiar de dirección en los puntos muertos superior e inferior, se producen enormes cargas de tracción que limitan las RPM máximas. Eliminar la biela soluciona la mayoría de estos problemas.
El autor del desarrollo, Sergei Balandin, escribe en su libro:
El mecanismo sin biela permite un diseño sencillo, incluso con dimensiones reducidas y motores de alta velocidad, para llevar a cabo un proceso de trabajo bidireccional en los cilindros, obteniendo así casi el doble de cilindrada y potencia total.
Sergei Stepanovich Balandin
Motor Balandin OMB sin bielas con una potencia de 80 a 140 CV según la versión.
¿Qué es un motor Balandin, o motor de combustión interna sin biela? En principio, es sencillo: dos pistones opuestos están conectados rígidamente por una biela. El motor puede configurarse como bóxer o radial. No es posible utilizar motores en V ni en línea con biela. La ausencia de bielas aligera significativamente el diseño del motor, reduce a cero las fuerzas laterales que actúan sobre el pistón y, por lo tanto, prácticamente elimina el desgaste de la falda y la pared del cilindro. Las pérdidas de potencia totales debidas a la fricción se reducen considerablemente, la eficiencia aumenta y el consumo de combustible es más eficiente. En igualdad de condiciones, un motor sin biela ofrece mayor potencia por litro y un mayor potencial de revoluciones. Una clara ventaja de un motor sin biela es la capacidad de organizar un proceso de combustión bidireccional en los cilindros.
Diseños de motores sin biela con un proceso de funcionamiento bidireccional.
¿Qué es esto? No debe confundirse con el proceso de dos tiempos. La combustión de doble efecto en los motores de combustión interna (o el uso de cilindros de doble efecto) es un principio de funcionamiento en el que la combustión de la mezcla de combustible y aire y la expansión de los gases se producen a ambos lados del pistón, en lugar de solo en uno (el superior), como en los motores convencionales. Esto representa una mejora muy significativa del motor, que proporciona un aumento drástico de la potencia por litro, en igualdad de condiciones. Por ejemplo, el motor experimental OM-127RN de 8 cilindros, sin biela y de combustión de doble efecto, producía entre 3200 y 3500 CV. La cilindrada de la unidad era de tan solo 22 litros y su peso de 2,1 toneladas. Para la década de 1940, estas cifras eran récord.
Motores del (no)futuro
Como ocurre con cualquier innovación técnica, los diseños sin biela presentaban desafíos. Por ejemplo, el mecanismo para transmitir el par de los pistones al eje es muy complejo de fabricar. Actualmente, se conocen tres opciones de diseño: engranaje planetario, conjunto excéntrico y deslizadores. A diferencia de un cigüeñal tradicional, estos mecanismos requieren el máximo nivel de excelencia en la fabricación. Las tolerancias de fabricación son mínimas, lo que genera el problema de la dilatación térmica: con un calentamiento desigual, el mecanismo sin biela podría atascarse fácilmente. Organizar la lubricación para los cojinetes, excéntricos y engranaje planetario del cigüeñal, sometidos a altas cargas, también resultó complejo.
Los motores sin biela eran extremadamente difíciles de mantener para su época; se requería equipo de equilibrado para su ajuste. La experiencia operativa demostró que la fuerza lateral, que en un mecanismo de manivela clásico se transmite del pistón a la pared del cilindro, no desaparece físicamente en un motor sin biela, sino que se transfiere a los deslizadores, las guías de la biela o los dientes de los engranajes. Estos componentes tienen una superficie de contacto menor y experimentan enormes tensiones de contacto, lo que provoca un desgaste rápido. La reparación de componentes tan complejos requería un nivel mucho mayor de conocimientos técnicos por parte de los mecánicos.
Opciones fundamentales para transmitir el par motor desde los pistones al eje en un motor de combustión interna sin biela.
Se puede afirmar que la idea de Balandin se adelantó considerablemente a su tiempo. Sin embargo, las perspectivas de un motor sin bielas eran innegables. En el relativamente corto periodo comprendido entre 1938 y 1948, bajo el liderazgo de Balandin, se desarrollaron, construyeron y probaron varios motores experimentales sin bielas: el OMB, el MB-4, el MB-4b, el MB-8, el MB-8b, el OM-127 y el OM-127RN, con diferentes diseños y potencias. La aviación estaba concebida como la principal aplicación; solo en este ámbito se podía tolerar el elevado coste y la complejidad de los motores sin bielas. Pero los sistemas de propulsión a reacción entraron en escena, y el diseño de Balandin siguió siendo una curiosidad tecnológica.
Sección transversal del motor MK-127K
La cúspide de la «creatividad sin bielas» puede considerarse el gigantesco M-127K, creado a finales de la década de 40. De no haber sido por la era de los reactores, se habría convertido en el motor principal de la aviación soviética. El nombre completo de la máquina es M-127K, un motor sobrealimentado de veinticuatro cilindros, de doble efecto y sin bielas, con forma de X y 10 000 CV. Dan ganas de decir: ¡realmente sabían cómo hacer algo así en aquella época! Su cilindrada es de 82 litros y su peso es sorprendentemente ligero para semejante potencia: tan solo 3450 kg. Sobre la base de este motor se construyó un monstruo aún mayor: un motor diésel sin bielas con 14 000 CV.
Aunque el motor de avión sin biela resultó inviable, esto no significó el fin del desarrollo. Una pieza única —el motor ZIL-BD-1800— puede verse en el Museo del Garaje de Usos Especiales de VDNKh. Naturalmente, este motor se creó a partir de las ideas de Sergei Balandin. La idea surgió a finales de 1979, cuando el ingeniero V.G. Tishakov propuso a los diseñadores de la oficina de diseño de motores diésel de la Planta de Automóviles de Moscú la creación de un tipo de planta motriz completamente nuevo. El concepto atrajo un gran interés por parte de la dirección: los principales especialistas del Departamento de Diseño y Trabajo Experimental (DEDW) de ZIL —el diseñador jefe V.K. Koshkin y su adjunto A.V. Bragin— supervisaron personalmente el desarrollo.
ZIL-BD-1800
El proceso, desde los cálculos teóricos hasta la construcción real del motor, duró varios años: primero, en 1985, se construyó un modelo experimental de motor opuesto de dos cilindros para probar la viabilidad del mecanismo. La experiencia acumulada permitió ensamblar dos prototipos a escala real del ZIL-BD-1800 con cuatro cilindros en 1989. Según se informa, el segundo prototipo funcionaba con gasóleo. El motor presentaba una arquitectura compacta de motor opuesto y una cinemática única: el cigüeñal realizaba una compleja doble rotación (alrededor de su propio eje y alrededor del eje del cigüeñal). El movimiento del conjunto pistón-biela seguía un movimiento sinusoidal estricto, eliminando las fuerzas inerciales parásitas de orden superior, y el uso de cojinetes lisos lineales eliminaba por completo las fuerzas de fricción lateral en los cilindros y pistones, garantizando una alta eficiencia y un funcionamiento suave.
No se dispone públicamente de datos precisos sobre el motor, por lo que solo podemos especular. Si extrapolamos las especificaciones del motor de Balandin al desarrollo de ZIL, el motor de 1,8 litros podría haber producido más de 110-120 CV. El motor no pesaba más de 70-80 kg. Incluso para la tecnología de motores actual, estas son especificaciones notables, y más aún para finales de la década de 80. Sin embargo, el ZIL-BD-1800 siguió siendo un diseño experimental y acabó en un museo. La década de 90 en la nueva Rusia no perdonó a nadie, y el motor sin biela no fue una excepción.
Biela y cigüeñal de un motor OMB sin biela.
Un resurgimiento de la idea de Balandin en la producción en masa es impensable. Los costos de convertir automóviles y aviones de pistón a motores de combustión interna sin bielas son demasiado altos, y los dividendos no resultan atractivos para los inversores. Mientras tanto, las prácticas de fabricación modernas permiten la producción de motores con niveles aceptables de calidad y fiabilidad. Aficionados locales a los motores, que trabajan en sus garajes, demuestran de forma esporádica, pero metódica, versiones funcionales de motores sin bielas. El concepto de motor de Balandin ha adquirido una relevancia inesperada en las aeronaves no tripuladas. Un motor compacto sin bielas es casi ideal como planta motriz para UAV de medio y largo alcance. Sergey Stepanovich describió con gran detalle los matices del desarrollo de motores, y sin duda vale la pena aprovechar este conocimiento, o al menos realizar una evaluación experta de la viabilidad de introducir motores sin bielas en aeronaves no tripuladas.
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