Motor De Combustión Externa. Caracteristicas.

Los motores de combustión externa se discuten como posibles alternativas al motor de combustión interna para la propulsión de vehículos. Las ventajas potenciales son los bajos niveles de contaminación de los gases de escape, el funcionamiento silencioso, el alto par de arranque y posibles costes más bajos durante la vida útil del vehículo.

La experiencia actual indica que se puede obtener un rendimiento competitivo en carretera con coches urbanos propulsados por vapor, pero el consumo de combustible es mayor que con un motor diésel. Siguen existiendo oportunidades para la mejora evolutiva de la eficiencia térmica.

Los automóviles y el motor de combustión externa

La mayoría de los automóviles, ahora e históricamente, funcionan con motores de combustión interna, un tipo de motor en el que el calentamiento y el enfriamiento ocurren dentro de la estructura del motor.

El motor de combustión externa, es un motor que está diseñado con funciones externas de calefacción y enfriamiento para funcionar. Suena poco práctico, pero en realidad es bastante eficiente. Y se han utilizado al menos dos tipos distintos de motores de combustión externa en los automóviles: el motor de vapor y el motor Stirling.

El motor de vapor

La máquina de vapor salió a la luz en máquinas pesadas como trenes y equipos agrícolas, y pudo demostrar que realmente era una tecnología a considerar para implementarla también en coches.

Una vez que una máquina de vapor alcanza su temperatura máxima, proporciona una presión constante. En términos prácticos, eso significa que el automóvil se puede conducir sin la necesidad de una transmisión de engranajes.

Incluso existen registros de coches de prueba, motorizados a vapor, que fueron capaces de alcanzar velocidades de hasta 204 kilómetros por hora, algo increíble para el año, 1906.

Los automóviles a vapor mantuvieron su popularidad incluso después de que la tecnología de motores de combustión interna estuviera en aumento, en parte porque, en ese momento, un automóvil impulsado por un motor de combustión interna necesitaba una manivela, lo cual era difícil y a menudo peligroso.

Los arrancadores eléctricos que usamos hoy en día aún no se habían inventado. En la época en que se lanzó el Modelo T de Ford, los nuevos componentes eléctricos comenzaban a hacer que los automóviles fueran mucho más convenientes.

El costo también fue un factor en el cambio. Los coches de vapor más populares cuestan alrededor de seis veces más que el Ford producido en serie, lo que hizo que, lentamente se dejaran de fabricar. Los vagones de vapor ahora se ven como una curiosidad. Son populares entre los coleccionistas y aún pueden funcionar.

Los motores de vapor también son una fuente de intriga para algunos investigadores e ingenieros. De hecho, muchos de ellos creen que la eficiencia de la máquina de vapor, combinada con la tecnología moderna, le da a la energía de vapor un gran potencial para una reaparición.

El motor Stirling

El motor Stirling, que fue desarrollado por un inventor escocés a principios del siglo XIX, también ha pasado algún tiempo impulsando automóviles del pasado, aunque su popularidad se estancó después de su ascenso inicial. Esto se debió a que los materiales utilizados para construir las primeras versiones del motor no podían soportar el calor extremo necesario para ejecutarlo.

Este tipo de motor, similar a la máquina de vapor, utiliza pistones para generar energía, pero el calor proviene del exterior del motor. Ahora que hay materiales mejores y más resistentes disponibles, Stirling puede tener un nuevo potencial.

Los motores Stirling ofrecen algunas ventajas, como su capacidad para funcionar con cualquier tipo de combustible, lo que inspiró a los fabricantes de automóviles de Detroit a experimentar con el Stirling durante la década de 1970.

En 2012, un automóvil con motor Stirling participó en el Shell Eco-Marathon Europe, una competencia para vehículos experimentales de combustible alternativo.

Los motores Stirling son motores de combustión externa, donde la fuente de combustible se quema fuera del cilindro del motor. Esta fuente de energía impulsa un fluido de trabajo inerte sellado, generalmente helio o hidrógeno, que se mueve entre una cámara caliente y una cámara fría.

Los motores Stirling pueden ser de escala muy pequeña, lo que, en combinación con un mantenimiento muy bajo, bajo nivel de ruido y bajas emisiones, los hace ideales para aplicaciones de cogeneración residencial.

Otra ventaja de los motores Stirling es que pueden utilizar casi cualquier combustible, incluida la energía solar directa. Sin embargo, persisten desafíos importantes para reducir los altos costos de capital y superar las barreras técnicas restantes, principalmente relacionadas con la durabilidad.

En el mundo de la cogeneración, el motor Stirling, o motor de combustión externa es una tecnología de motor que se utiliza especialmente para la micro-cogeneración doméstica. Es un motor de combustión externa de pequeña potencia. El gas interno (helio por ejemplo) se somete a las cuatro fases que se enumeran a continuación

1. Calentamiento externo de gas a volumen constante (isocórico). Es en el punto muerto superior donde el gas se calienta y alcanza una presión alta. Este es el ejemplo del quemador que proporciona calefacción.
2. Expansión de gas a temperatura constante (isotérmica). El pistón se mueve hacia abajo debido al incremento de la presión.
3. Enfriamiento externo a volumen constante (isocórico), en el punto muerto inferior. En la práctica, es en este nivel donde el circuito de calefacción recupera el calor del quemador transmitido al gas mientras lo enfría.
4. Compresión de gas a temperatura constante (isotérmica). El pistón sube y comprime el gas.

Te puedes imaginar que la implementación práctica de tal sistema plantearía problemas de limitaciones térmicas significativas, de la gestión de la calefacción y del enfriamiento del sistema y no daría rendimientos interesantes. Para superar este problema, la presencia de un “desplazador”, permite el calentamiento y enfriamiento continuo del sistema.

Comparación entre los motores de combustión externa e interna

Los motores de gasolina y diésel han sido los motores principales preferidos para los vehículos de motor durante muchos años. A pesar de la aplicación casi universal del motor de combustión interna, los criterios para los motores de vehículos se están reexaminando seriamente.

El motor de combustión externa, cuyo ejemplo más conocido es la máquina de vapor, se utiliza desde hace más de 200 años. Antes de 1910, se consideraba superior a los de combustión interna para la propulsión de automóviles en todos los aspectos, excepto en el coste y la comodidad.

Incluso el coche de vapor se caracterizaba por su silencio y la limpieza de sus gases de escape.  La ausencia de cambios de marcha era también una ventaja decisiva.

Ahora que la contaminación atmosférica, el ruido y la congestión son factores que ya no se pueden ignorar, se está evaluando de nuevo tanto el papel del vehículo como su fuente de energía.

Cada vez hay más pruebas de que el motor de combustión externa puede ser significativamente más limpio y silencioso que el de combustión interna. Con un desarrollo acelerado, pero costoso, esta tecnología podría aplicarse sin duda a los vehículos de transporte privado y público.

El motor de combustión externa puede definirse como un sistema de potencia en el que el combustible se quema fuera del expansor (cilindro con pistón, turbina o equivalente), y en el que los productos de la combustión no se utilizan como fluido de trabajo expansivo.

Esta categoría incluye los motores que utilizan vapor u otros vapores como fluido de trabajo. Los sistemas Stirling, Erickson y el ciclo Brayton de bucle cerrado también son ejemplos de motores de combustión externa.

Otro concepto pertinente es el de proceso de combustión continua, presente en los motores de combustión externa. Los contrastes con el motor de combustión interna, en la que la ignición hasta la extinción de la llama puede llevar sólo milisegundos de tiempo, son obvios.

Las oportunidades para la adaptación y el control de los procesos de combustión en estos motores son un área principal de estudio.

Perspectivas De Aplicación Del Motor De Combustión Externa

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Sería trágicamente prematuro concluir que el motor de combustión externa no puede ser competitivo por el mero hecho de que se haya quedado anticuado en formas y condiciones.

Hay muchas pruebas de que muchos atributos deseados están potencialmente disponibles en este motor, incluyendo el silencio, la limpieza y la gran flexibilidad en la entrega de par. Es necesario seguir estudiando detenidamente las posibles ventajas económicas a largo plazo.

Estos estudios deben incluir los beneficios y los costes de utilidad de las alternativas para la sociedad en su conjunto, además del impacto directo sobre el proveedor y el usuario.

Si las aplicaciones se generalizan, es probable que aparezcan en primer lugar en el sector de los vehículos pesados, y en las flotas de vehículos pesados. En este caso, el motor de combustión externa podría mostrar algunas de sus ventajas bajo condiciones que siempre han sido difíciles para el de combustión interna.

Los vehículos de flotas urbanas más pequeños como taxis y camiones de reparto podrían ser candidatos posteriores. El futuro de la combustión externa para aplicaciones constantes de alta velocidad y gran potencia, como los camiones de larga distancia, es menos claro, a menos que el ahorro de combustible a plena carga pueda acercarse al del diésel.