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Introducción
En la década de los 70, Félix Wankel ideó lo que sería el principio del motor Wankel.
Su motor consistía en un pistón de un perfil trocoidal que rotaria dentro de una cavidad
también trocoidal, este motor prometía tener considerables ventajas sobre los motores
alternativos ya existentes en la época: disminuía el peso, disminuía el numero de partes
móviles, prácticamente eliminaba la vibración, obtenía mayores potencias y velocidades en
un menor volumen, entre otras ventajas; se podría decir que hubiera sido el motor ideal, de
no ser por dos grandes dificultades técnicas: muy corta vida de los sellos y alto consumo de
combustible.
Un gran número de compañías han mejorado continuamente el motor Wankel y lo
han utilizado en diversas aplicaciones, como el modelo de motocicleta Hércules, o el
automóvil RX8 de Mazda, pero a pesar de sus grandes ventajas y rápida implementación y
mejoramiento en los últimos años, no es una alternativa viable para desplazar a los motores
convencionales en la industria automotriz.
Durante la década de los 90 el ingeniero italiano Angelo Di Pietro, que había
trabajado investigando el motor Wankel, instalado en Australia, diseñó un motor rotativo
pero éste impulsado por aire, el cual podía ser utilizado para mover vehículos. Este motor
muestra ventajas frente a sus pares reciprocantes similares a las que tiene el motor Wankel
sobre los motores de combustión convencionales, sin embargo, en este caso no hay graves
problemas de sellos, ni se necesita refrigeración ni sistemas complejos de lubricación.
Aunque desde el punto de vista del rendimiento global del sistema, a partir de la obtención
del aire comprimido hasta su transformación nuevamente en energía mecánica, el sistema
con motor neumático ofrecería un rendimiento mucho menor.
Así como estos dos casos se puede encontrar muchas más historias y diseños con
ciertas ventajas y desventajas técnicas, económicas y ambientales. Algunos de estos
modelos ya se han implementado en la actualidad, un ejemplo de esto es el MDI (Motor
Development International) que comercializa en Francia automóviles propulsados con
motores neumáticos.
Pero, uno puede preguntarse ¿qué gano, si para comprimir el aire uso electricidad
producida con motores de combustión alternativos, y si además así contribuyo con la
contaminación?. Uno podría preferir, en caso de ser necesario reemplazar a los motores
alternativos, usar motores eléctricos. Pues en este punto se deben hacer las siguientes
aclaraciones:
2
La mayor parte de la energía eléctrica en nuestro país es producida en centrales
hidroeléctricas1. Este tipo de energía resulta mucho más económica comparativamente que
los combustibles comunes como la gasolina y el diesel, que son usados comúnmente en la
mayoría de motores industriales y domésticos.
Debido a esto, el uso de aire comprimido, obtenido con energía eléctrica de la red,
podría ser económicamente beneficioso en el caso de obtener buenos rendimientos, como
promete Di Pietro con su motor. Además, la energía hidroeléctrica no es contaminante así
como tampoco lo es el aire.
Pero, siendo cierto que el utilizar energía de la red es más ventajoso económicamente
hablando y su efecto contaminante es menor que en el caso de utilizar motores de
combustión, ¿No sería mejor utilizar un motor eléctrico? ¿Por qué disminuir la capacidad
de generar trabajo de la energía eléctrica, convirtiéndola en un tipo de energía de menor
calidad, como es la energía de presión, si es que puedo usarla directamente?
Para responder esta pregunta hay que definir cuál será la aplicación que se le dará al
motor neumático. Hasta el momento el comentario se ha centrado en una aplicación de los
motores neumáticos en transporte (menor). Aunque hay una amplia gama de aplicaciones
fuera del transporte en las que podría ser conveniente el uso de motores neumáticos por
otros motivos.
En cuanto a su aplicación en transporte, es claro que el sistema neumático no podría
competir en rendimiento con un sistema eléctrico con baterías. Aunque, comparándolo con
los sistemas con celdas de combustible, si bien es cierto que estas tienen alto rendimiento,
el sistema completo de producción de energía y almacenamiento en celdas de combustible
sería de menor rendimiento y más costoso que un sistema con aire comprimido2,3.
A pesar de esta notable deficiencia respecto a los sistemas con motores eléctricos en
el transporte, un sistema neumático podría resultar atractivo para transporte doméstico
debido al bajo costo de producción y mantenimiento de los sistemas neumáticos4.
También hay que aclarar por qué estos motores pueden resultar ventajosos con
respecto a los motores eléctricos en ciertas aplicaciones. Como ya se sabe, los motores
eléctricos debido a su curva de funcionamiento (velocidad-torque) no pueden trabajar a
muy bajas velocidades con torques altos, que incluso lleguen a frenarlo, porque esto
provocaría una elevación de la corriente que destruiría el motor; estos motores deben
utilizarse siempre alrededor de su velocidad nominal en condiciones normales. En cambio,
los motores neumáticos (de desplazamiento positivo), así como casi todos los actuadores
hidráulicos de desplazamiento positivo, pueden proveer un torque bastante constante
durante su funcionamiento a bajas velocidades, y un frenado brusco del motor no
implicaría un daño en él. Esta es una ventaja con respecto a los motores eléctricos, pues los
neumáticos no se dañaran en caso de que la carga los frene y no puedan moverse.
1
En nuestro país el 41% de la energía eléctrica es producida a partir de gas de Camisea (95% CH4) y 47% a
través de centrales hidroeléctricas (datos tomados del informe “Evolución de Indicadores del mercado
Eléctrico 1995 –2008” del Ministerio de Energía y Minas).
2
Mazza, Patrick y Hammerschlag, Roel, Wind-to-Wheel energy assesment, Institute of Lifecycle
Environmental Assesment, Seattle. Ver anexo 2.
3,4
Bossel, Ulf, Thermodynamic Analysis of Compressed Air Vehicle Propulsion, European Fuel Cell Forum,
2009.
3
Todo lo expuesto anteriormente hace que este tipo de motores neumáticos parezca
una alternativa atractiva como actuador en la industria o para pequeñas aplicaciones de
transporte (lo cual deberá ser evaluado en estudios posteriores). Con esto se pretende decir
que esta será siempre la mejor alternativa, pues siempre dependerá de la aplicación y de
cuáles son los principales objetivos del usuario.
En el desarrollo de esta tesis se pretende diseñar un motor neumático que pueda
cumplir con las características mencionadas anteriormente y cuya construcción sea técnica
y económicamente viable.
En el primer capítulo se describe una serie de modelos de motores rotativos, la mayor
parte de ellos neumáticos. De esta forma se podrá entender y tener una visión general del
funcionamiento de los motores neumáticos y de las características que después se tendrán
en cuenta para el diseño del motor neumático del que se ocupa este trabajo.
En el segundo capítulo se hace una selección de las características encontradas en los
motores expuestos en el primer capítulo, que se ve apropiado obtener en el diseño de esta
tesis. Luego se describirá el principio de funcionamiento y finalmente se realizará el
estudio teórico del motor diseñado teniendo en cuenta ciertos parámetros que luego serán
útiles para definir el modelo que se construirá.
El tercer capítulo describe el modelamiento y diseño en computador del modelo
diseñado, así como las simulaciones que se realizaron para asegurar que sus elementos no
fallarán debido a esfuerzos mecánicos.
Para terminar, se describe el proceso de fabricación del prototipo y los ajustes que
fueron necesarios para lograr su funcionamiento.