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Bienvenido, hoy es: 19 de julio de 2019

Motores y sus combustibles alternativos (Primera Parte)

 

Recopilado Por: Helena Restrepo de Brigard

EL MOTOR A VAPOR

Inicialmente se pensó que el motor a vapor, por su velocidad y suavidad de marcha, llegaría ha estar en las mismas condiciones de rivalidad con los motores a gasolina. Pero a los fabricantes les interesaba la economía y el negocio, además de la eficacia, y los motores a vapor no cumplían sus expectativas de negocio. Además, el consumidor exigía cada vez vehículos más rápidos y potentes. Por esta razón, se impuso el motor a gasolina.

Solamente en los últimos tiempos, a raiz de las crisis mundiales de combustible y del alto costo para el consumidor, se ha empezado a pensar de nuevo en otras alternativas para los motores de vehículos. Es así, como hoy tenemos a nivel mundial, en la palestra, el tema de los combustibles alternativos.

Pero veamos un poco lo que ha sido la evolución del tema, especialmente en el campo de la eficiencia/velocidad de los motores.

Comenzando por lo motores a vapor, necesariamente aparecen dos nombres. Serpollet y los hermanos Stanley, quienes basaron todos sus estudios y diseños en la máquina a vapor inventada por el británico James Watt a finales del siglo XVIII.

 

Este Gardner Serpollet 1900, de combustible de parafina con caldera de caldeo rápido, por su sistema generaba la energía con gran rapidez.

 

Serpollet, nacido en Francia, dedicó prácticamente su vida al diseño de motores a vapor. Murió jovén, y de haber vivido más, sus diseños muy seguramente habrían llegado a revolucionar el mundo automovilístico a nivel mundial. Prueba de ello, es el magnifico resultado de todas las máquinas que presentó. Diseñó y construyó muchos coches de vapor entre los años 1887 y 1902.

En 1902 Leon Serpollet condujo por primera vez un vehículo con motor a vapor, vehículo que resultaba muy suave en su marcha, prácticamente silencioso. Posteriormente en un vehículo de diseño propio, llamado “Huevo de Pascua” (Oeuf des Pâques) por su forma, alcanzó una velocidad de 120.5Km/hr. En 1906, el Rocket, superó este record, alcanzando la velocidad de 195.5Km/hr, en un recorrido de un kilómetro y alcanzando en una milla la velocidad de 205.6 Km/h. Para la época esto era realmente sorprendente. En 1907 volvió el Rocket adicionado con una caldera especial que soportaba una presión de 91Kg/cm2, vehículo conducido por Fred Marriot, que terminó sus días destruido en un accidente, por lo cual solamente se pudieron hacer simples especulaciones de su rendimiento, pero se dice que alcanzó velocidades cercanas a los 300Km/hr. Pero tanto Serpollet cómo Stanley, lucharon incansablemente por conseguir estos records, no por el hecho mismo de conseguirlos, sino porque con ellos daban publicidad y credibilidad a sus máquinas. Fue solamente hasta 1910, que un auto a gasolina superó por primera vez a estas flechas a vapor.


Stanley 1920 a vapor

La Stanley Company, fundada por los hermanos Francis y Freelan Stanley, diseñó y construyó entre 1897 y 1927 muchos coches a vapor. Sus coches alcanzaron niveles muy altos de detalle y finura que los hacían equivalentes a los coches de la época a gasolina, con la ventaja de qué generalmente sus coches tenían un rendimiento superior a los de gasolina y con un funcionamiento prácticamente silencioso. Sin embargo, y a pesar de las ventajas que eran evidentes, la Stanley Company, fue perdiendo terreno en el mercado, y cerró actividades a finales de 1927.

En realidad, un motor o máquina a vapor es muy sencillo. El vapor se forma al calentar de agua por medio de una caldera. Luego se conduce a presión a un cilindro que contiene un pistón conectado a un cigüeñal por una biela. (Ver Figura). Cuando el vapor entra por el orificio de admisión, se expande y empuja al pistón hacía abajo. La inercia del volante hace rotar el cigüeñal y empuja hacía arriba el pistón, expulsando del cilindro el vapor. Así, con el pistón de nuevo en el punto muerto superior, el ciclo vuelve a comenzar introduciendo una nueva carga de vapor.

 


Motor a vapor. Componentes principales y válvulas de distribución

Una mejora al sistema anterior, es el grupo de doble efecto, en donde el vapor es introducido igual pero en vez de confiarse en la simple inercia del volante, se introduce una vapor por debajo, cuando el pistón está en el punto muerto inferior, lo cual lo impulsa hacía arriba.

En realidad, el vapor es introducido y expulsado del cilindro por medio de válvulas mecánicas de distribución. De esta forma, el control de la potencia se realiza mediante la restricción de la cantidad de vapor.

 


Sistema de Válvulas Mecánicas de Distribución

Todos estos motores estaban equipados con condensadores, que recibían el vapor y lo devolvían a su estado líquido. De esta forma, se reducía el consumo de agua por vaporización evitando paradas para suministro de agua y aumentando la eficiencia del motor. Pero el tema más importante para el desempeño y rendimiento de un motor a vapor radica en el díselo y sistema de su caldera. Se usaron calderas de fogón, acuotubular y de vaporización rápida. Los dos primeros sistemas, tenían un gran inconveniente ya que se demoraban demasiado tiempo en llegar a punto de calor suficiente para generar el vapor necesario para poner el motor en marcha. Fue este problema, lo que llevó a los diseñadores a la solución con el sistema de vaporización rápida, en donde el agua era bombeada a unos tubos precalentados, en donde se convertía inmediatamente en vapor. A pesar de los adelantos obtenidos, el alto costo de su fabricación, el supuesto tamaño mayor de sus piezas y peso superior, relegaron al coche a vapor al olvido desde 1930.

Desde la segunda guerra mundial se han hecho intentos de revivir los motores a vapor. La General Motors realizó a finales de los años sesenta, realizó un estudio sobre la viabilidad de un vehículo a vapor. Después la firma de diseño de motores Ricardo, se dió a la tarea de realizar un estudio similar, mediante el cual concluyó que la fabricación de un automóvil a vapor no podía competir con los estándares técnicos de un vehículo convencional a gasolina. Sin embargo, que sus reales ventajas estaban en la economía de su combustible y la casi nula emisión de gases, por lo cual lo hacía de grandes posibilidades para el futuro.

 

EL MOTOR STIRLING

Un motor similar al de vapor es el motor Stirling, que fue inventado en 1816, por un clérigo escocés, el Doctor Robert Stirling. Decimos similar al de vapor, en el sentido de que, la fuente de calor es externa, pero sus principios de funcionamientos y combustible son muy diferentes. En realidad es un motor cuyo combustible es la gasolina, la parafina o petróleo, aunque hay experimentos de uso de gas helio para su funcionamiento, con excelentes resultados e igualmente puede funcionar casi con cualquier líquido. Su funcionamiento es tan complejo, que solamente hasta 50 años después de su diseño, se entendió su funcionamiento.


Motor Stirling en su forma más primitiva. Es el motor más increíble nunca fabricado para vehículos, pero su desarrollo es muy complejo

Este motor, es una unidad de ciclo cerrado, con lo cual no hay pérdida de líquido en el proceso. Un motor Stirling básico, tiene un cilindro grande encima. Dicho cilindro es calentado en la parte superior por medio de un hornillo. Contiene un gas motor. En la misma parte superior del cilindro hay un pistón llamado flotador que corre sobre unos rodillos de tal forma que se mantiene una holgura relativamente grande. Debajo de este pistón flotador, está el pistón de trabajo que está unido mediante engranajes al eje secundario del motor. Una biela, acoplada al pistón flotador, pasa por el centro del pistón de trabajo la cual está ligada a él de tal forma que los dos componentes permanecen desfasados.
El gas motor es calentado e inyectado directamente en el espacio caliente de la parte superior del cilindro, el cual al expandirse empuja hacia abajo el pistón. Con esto, las dos bielas hacen girar un par de engranajes dispuestos en la parte baja de las mismas, que accionan el eje de salida y tiran del pistón flotador. Este movimiento descendente, hace que el espacio caliente por encima del pistón flotador aumente, y con esto, parte del gas motor retorna a la zona caliente, pasando por un enfriador que reduce su presión.


Corte Motor Stirling

Debajo del pistón de fuerza, hay un espacio, en el cual una cantidad exacta de gas se comprime tras el descenso del pistón. Cuando éste pistón alcanza su punto muerto inferior, la compresión intermedia ha llegado a su máximo y a medida que el gas caliente de la parte superior del pistón, circula a través del sistema de enfriamiento y baja su presión, la presión del gas comprimido intermedio es superior a la de encima del pistón de fuerza. Con esto, el pistón de fuerza es devuelto a su punto muerto superior.
La acción del motor se deriva realmente del repetido calentamiento y enfriamiento del gas motor.

En 1930 la firma holandesa Phillips se interesó en este diseño de motor, e inició un programa de investigación, pero su desarrollo se aceleró después de la Segunda Guerra Mundial, tras evidenciarse las ventajas del sitema, como son limpieza de escape, bajo nivel de ruido y excelente par motor.

Este motor, continúa en investigación gracias a la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas (energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica, etcétera).
La gran ventaja de este motor, es que es es más seguro que los motores a vapor y podría funcionar con cualquier forma de calor.

Como dato curioso, existe hoy un modelo de motor Stirling hecho de papel, que funciona con una taza de café, té o agua pura. Esta curiosidad, es fabricada por Astromedia, empresa alemana especializada en crear armables de papel. El modelo a escala, puesto sobre cualquier taza que contenga un líquido caliente, entregará el vapor (o la energía) suficiente para una hora continua de funcionamiento del motor, tiene un costo aproximado de 21€ y está disponible solamente en Alemania.


Motor Stirling de papel sobre una taza de líquido caliente

http://www.fayerwayer.com/2007/08/hagalo-usted-mismo-motor-stirling-que-funciona-con-tu-cafe/
www.youtube.com/watch?v=76eneqAO9RA
http://www.astromedia.de/

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