VAPOR - Definición - Significado

Puede afirmarse que el inicio del automovilismo se caracterizó por la propulsión a vapor. El primer vehículo con propulsión por vapor de agua fue un tractor para el arrastre de cañones ideado en 1763 por Nicolas-Joseph Cugnot, oficial del cuerpo francés de ingenieros; de aquél se construyeron 2 ejemplares, el segundo de los cuales se halla en el Conservatoire des Arts et Métiers de París. Se trataba de un carro de 3 ruedas, 1 delantera y 2 traseras, de unos 7 m de longitud, 3,42 m de batalla y unas 4 t de peso. El generador de vapor era una gran caldera circular montada en voladizo por delante de la rueda delantera del carro. El motor era bicilíndrico vertical con una cilindrada total de 50 l. El primer ejemplar fue experimentado en 1769 en el arsenal militar de París, pero, tras algunas pruebas, como consecuencia de un violento choque contra un muro, volcó y quedó destrozado. El segundo ejemplar, ultimado en el mes de junio de 1771, tras varias pruebas, fue descartado. El movimiento era transmitido por el motor a las ruedas mediante un trinquete; su capacidad de arrastre resultó del orden de 5 t y su velocidad de unos 5 km/h.

Tras la invención por James Watt de un motor de vapor de doble efecto y conectado a un condensador del vapor, su colaborador Murdock se ocupó de la aplicación del mismo a un vehículo automóvil en 1784. En 1791, por obra del norteamericano Read, se llegó a la invención de un generador de vapor multitu-bular adaptable a vehículos autopropulsados. En el año 1801, el británico Trevithick construyó un automóvil de vapor para el transporte de personas, con una velocidad de unos 15 km/h. Asimismo, en 1804, el estadounidense Oliver Evans construyó en Filadelfia un vehículo anfibio de vapor.

En 1822 entraron en servicio regular por carretera en Gran Bretaña unas diligencias de vapor, ideadas y construidas por Jules Griffith. Éstas se anticiparon en 3 años a la puesta en servicio de la primera línea ferroviaria británica, debida a Stephenson. El año 1824 determinó la introducción de la tracción a vapor sobre 2 ejes, ideada y realizada por los escoceses Burstall y Hill. En 1827 entró en servicio, entre Londres y Bath (171 km de recorrido), una diligencia de vapor ideada por Gurney; su eje delantero era el característico de los coches de caballos con un solo eje director, yendo pilotado el timón por otras 2 ruedas directrices. Podía transportar 18 pasajeros a un promedio de 20 km/h.

En Italia, después de algunos intentos con diligencias de vapor, la primera que circuló propulsada por ese medio fue construida en 1854 en Turín, por encargo del capitán Virginio Bordino. Llevaba un generador de vapor de eje vertical, alimentado por coque, mientras que el motor era vertical y estaba situado según el eje trasero (en forma de manivela), sobre el cual se montaban bielas para la transmisión directa del movimiento. Con dirección de tipo Ackermann, el vehículo podía alcanzar 8 km/h.

En Francia, Amódée Bollée construyó a partir de 1873 unos automóviles de vapor que alcanzaron una velocidad de 40 km/h y que gozaban de importantes innovaciones, como el cambio de velocidades de engranajes y las suspensiones delanteras independientes. La primera versión fue denominada por su inventor l'Obéissante (Obediente); la segunda versión, la Mancelle, poseía una estructura muy similar a la de los automóviles movidos por motores de combustión interna, es decir, un motor de vapor en posición delantera y ruedas motrices traseras unidas al motor mediante una transmisión por eje longitudinal con diferencial. Siguieron los automóviles de vapor de 4 ruedas De Dion-Bouton-Trépárdeux (1883) y los de Léon Serpollet (1887) y de Armand Peugeot (1889), ambos de 3 ruedas, que alcanzaron velocidades de 60 km/h, imponiéndose además como ganadores en las primeras carreras automovilísticas. En la primera carrera, disputada en el trayecto París-Ruán (1894), de 21 automóviles 7 eran de vapor y, de ellos, el del marqués De Dion, el Victoria, fue el primero en atravesar la meta, aunque luego resultó descalificado debido a que su peso, su escasa manejabilidad y su consumo no estaban conformes con el reglamento de la carrera, destinado a favorecer a los automóviles de dimensiones y peso reducidos y de bajo consumo.

Los automóviles de vapor. La invención por Léon Serpollet de un generador de vapor ligero y compacto, con producción instantánea de vapor (1889), junto con la adopción de unos condensadores de vapor eficientes, permitieron una gran reducción de la provisión de agua y grandes aumentos de la potencia de los automóviles propulsados por vapor. La Serpollet construyó numerosos coches de vapor en el período comprendido entre 1887 y 1907. En el año 1902, el récord mundial de velocidad (120,797 km/h) fue establecido por un automóvil de vapor de L. Serpollet y, en 1905, el automóvil de vapor de la marca norteamericana Stanley, en un intento por batir el récord de velocidad (que, desgraciadamente, terminó con la explosión del motor), alcanzó 204 km/h. Los vehículos de vapor de aquella época fueron normalmente más eficientes que los correspondientes con motor de combustión interna, tanto en lo referente a la cinemática del vehículo como en sus prestaciones, especialmente en los recorridos en cuesta. Eran más silenciosos, no requerían el empleo de un embrague, el auxilio de un cambio de velocidades y una reducción fija en el diferencial.

En Estados Unidos, los automóviles de vapor lograron una gran difusión en el período comprendido entre 1897 y 1925. Se trataba de vehículos muy eficientes, como lo demuestran las excepcionales prestaciones del Stanley, que en 1906 estableció el récord del mundo de velocidad a 195,647 km/h. Sin duda, los automóviles de vapor más avanzados fueron los Doble, puestos a la venta hasta 1930 en 3 versiones sucesivas; el penúltimo modelo (con la sigla E) llevaba un motor de vapor de expansión múltiple de 4 cilindros, que desarrollaba una potencia de 125 CV a 1.300 rpm, y alcanzaba una velocidad de 140 km/h. Su peso en vacío era de 2.000 kg y el precio 8.000 dólares (en aquella época, el Ford T costaba solamente 290). Las experiencias con automóviles de vapor continuaron, durante los años treinta, en la Henschel alemana y en la Sentinel británica por obra del proyectista de la Doble, quien se había trasladado a Europa. Tales experimentos se reemprendieron en los años cincuenta, con el fin de reducir la contaminación, por iniciativa de McCulloch-Doble, en Estados Unidos, y por la Singer, en Gran Bretaña; en los años sesenta, la Ford realizó estudios e investigaciones con algunos motores de vapor desarrollados por la Williams Engine Co. En 1969, la S.T.P. preparó un coche experimental de turismo y la Lear un automóvil de competición accionado por un motor de vapor de pistones, que suministraba una potencia de 800 CV, destinado a las 500 Millas de Indianápolis.

La General Motors también llevó a cabo dos proyectos experimentales de vapor, el SE-101 con una berlina Pontiac Grand Prix, y el SE-124 con un Chevrolet-Chevelle con motor de vapor según el sistema Besler.

Los resultados fueron más bien desilusionadores. El motor de vapor del modelo SE-101 pesaba 200 kg y solamente desarrollaba la mitad de la potencia correspondiente a uno de gasolina.

A partir de 1971, Chrysler, Team Engine System Co., Esso, Bendix y Ricardo han realizado otros estudios e investigaciones experimentales para el desarrollo de motores de vapor para automovilismo más eficientes y, en 1974, la Fiat puso a punto un coche experimental propulsado por un motor de vapor de una potencia de unos 50 CV. La oficina de tráfico del ministerio norteamericano de transportes encargó a la AMF la construcción de un tipo de taxi accionado por un motor de vapor.

También se han experimentado vapores de otros fluidos. En un automóvil modelo Ford Torino, el vapor de tiofeno se obtiene a una temperatura máxima de 228 °C en un generador tubular de tubos concéntricos. El tiofeno circula por los tubos interiores, mientras que el agua, que cede calor a aquél, lo hace entre los tubos. El vapor de tiofeno acciona un motor alternativo de 4 cilindros situados en V de 90° con una cilindrada de 3.020 ce, que puede desarrollar 103 CV a 2.000 rpm. Su potencia específica es de 34,2 CV/1 y el peso unitario del equipo motor, 15,5 kg/CV (21 kg/kW); el tiempo de aceleración con salida parada y hasta 96 km/h es de 14,2 s. El consumo de combustible (keroseno o gas-oil) resulta equivalente al del modelo de gasolina. Las emisiones contaminantes son muy inferiores: hidrocarburos = 0,05 g/milla; CO=0,22 g/milla y NOx=0,38 g/milla. La Kinetics Inc. ha experimentado el freón 11 y la Thermo Electron Corp. el fluorinol 85 y el clorobenceno.

Las investigaciones desarrolladas entre 1970 y 1976 demostraron que las maniobras al volante de los automóviles de vapor resultan simplificadas, que las excelentes características de par motor plantean menos exigencias a la transmisión del movimiento del motor a las ruedas, que el nivel de ruido es bajo y que la contaminación por el escape es mínima. En un automóvil de vapor, el montaje de un cambio de velocidades, no estrictamente necesario, puede permitir un mejor aprovechamiento del par motor a baja velocidad y por carreteras con grandes pendientes. Además, la presencia del punto muerto permite el accionamiento, con el vehículo parado, de todos los equipos auxiliares por parte del motor.

También se han experimentado pequeños turbomotores que trabajan con vapores de fluidos de elevada masa molecular (en vez de vapor de agua), con el fin de reducir las pérdidas de energía en los alabes de la turbina y conseguir equipos motores más compactos, ligeros y, por tanto, competitivos. Sin embargo, su rendimiento termodinámico es desfavorable en virtud de numerosas circunstancias, como los pequeños diámetros del rotor, los reducidos valores de la relación longitud de los alabes/diámetro del rotor, la aparición de velocidades supersónicas en las corrientes fluidas y algunas otras. El empleo de los turbomotores requiere la adopción de convertidores de par y de trenes de engranajes reductores de velocidad y es más adecuado para vehículos pesados (autobuses y vehículos articulados).

En el sector de los autobuses experimentales, debe mencionarse la solución de la California Steam Bus Corporation, que ha adoptado el grupo motor Brobeck, compuesto por un generador de vapor de serpentín tubular de una longitud total de 440 m, que incluye un economizador, un evaporador y un sobrecalen-tador montados en serie y con un flujo de la corriente de humos según 2 recorridos paralelos. Desarrolla 225 CV (166 kW) a 1.500 rpm y su par máximo es de 12,15 m-kg.

Comparación con el motor de combustión interna. Las principales ventajas del motor de vapor tradicional en comparación con el de combustión interna son:

- empleo de combustibles menos costosos que la gasolina;

- emisiones del escape menos contaminantes;

- funcionamiento silencioso;

- simplificación de los órganos de transmisión del motor a las ruedas del vehículo;

- forma más favorable de la curva de par motor, que presenta valores elevados incluso a los regímenes más bajos.

Las desventajas que obstaculizan la adopción del motor de vapor en el sector automovilístico son:

- mayor complejidad del grupo motor;

- mayor volumen y peso unitario;

- menor rapidez en los arranques en frío y en la obtención de potencia motriz (resoluble con el método Saab-Scania);

- rendimiento termodinámico inferior;

- limitaciones para la lubricación de los motores alternativos (probablemente superables mezclando aceite fluorosilicónico con fluocarbono u otros fluidos lubricantes);

- problemas referentes al peligro de *congelación

El motor Saab-Scania. El grupo automovilístico Saab-Scania sometió en 1975 a la aprobación de la Epa, entidad estadounidense para la protección del ambiente, un grupo motor de vapor de agua designado con la sigla ULF (Utan Luft Fororeninger) y caracterizado por unas excelentes cualidades de anticontaminación. Este motor fue desarrollado en el primer lustro de los años setenta y, en las pruebas de puesta a punto sobre vehículos, ha demostrado excelentes características de rapidez de puesta en marcha, obtención de potencia y sencillez de manejo. El generador de vapor es muy compacto y ligero (solamente pesa 12 kg) y se compone de 120 discos superpuestos que forman una corona circular y están constituidos por tubos de un diámetro de algo más de 1 mm arrollados en forma de serpentín helicoidal y con unos espacios intermedios del mismo valor.

La envoltura exterior posee 2 bocas, una para la entrada del aire comburente en la cámara de combustión, que posee un diámetro de aproximadamente 1 m, y la otra para la salida del vapor generado. El quemador, previsto para combustibles líquidos y gaseosos, se halla en posición central.

La dosificación aire-combustible puede controlarse, al variar las condiciones de escape, de manera que reduzca a un valor mínimo las emisiones contaminantes de éste. La temperatura de los humos en el escape es de unos 80 °C con cargas parciales y de 250 °C con la carga máxima. La transmisión del calor es muy eficiente y el vapor de agua se obtiene a una presión de 100 bar y a una temperatura de 350 °C. La puesta en régimen se alcanza en unos 5 s. El motor es alternativo, de la categoría «uniflow» (de flujo único), y también es muy compacto y ligero. Consta de 9 cilindros verticales que forman una corona. Las bielas actúan sobre un disco giratorio y oscilante, en cuyo eje va montado un piñón que forma parte del grupo de reenvío del diferencial. Los órganos giratorios resultan completamente equilibrados.

La distribución del vapor consta de una válvula en cabeza en los cilindros y de lumbreras de escape en la parte baja de las paredes cilindricas, conectadas a un colector circular de escape único. El obturador de la válvula de introducción del vapor se desplaza axilmente según las condiciones de funcionamiento del motor, que tiene un diámetro de unos 250 mm y una altura de 610 mm, con un peso aproximado de 25 kg excluido el grupo reenvío-diferencial. Los servicios auxiliares (generador eléctrico, bomba de combustible, bomba de agua, compresor de aire y motor de puesta en marcha) se accionan mediante un motor auxiliar de vapor, monocilindrico, con el mecanismo usual de biela y manivela. El vapor de escape de los cilindros motores se envía primero a un radiador, destinado a la calefacción del habitáculo del vehículo, y luego al condensador de vapor, que está refrigerado por aire, el cual es movido por un ventilador, y posee una estructura similar a la de un radiador con muchas aletas. El vapor condensado va a un depósito del que es bombeado hacia el economizador.

Funcionamiento y órganos auxiliares. Los grupos motores para automóviles funcionan según el ciclo de Rankine para vapor sobrecalentado, que se desarrolla a lo largo de un circuito, formado por un generador de vapor, en el que el agua a presión se transforma (introducida por una bomba de alimentación) en vapor de agua, primero húmedo y luego sobrecalentado, dependiendo del calor aportado por la combustión (generalmente de combustibles líquidos o gaseosos), por un motor (alternativo de pistones o bien rotativo de turbina), en el que el vapor se expande produciendo trabajo, por un condensador del vapor, en el que se extrae calor al vapor mediante un fluido frío (agua o aire) hasta determinar su transformación en agua (condensación), por una bomba de extracción del condensado, que es devuelto al depósito de agua, y una bomba de alimentación del generador.

La colocación de un condensador en el circuito, que faltaba en los primeros automóviles de vapor, ha constituido un perfeccionamiento fundamental tanto por el ahorro de agua transportada y la consiguiente reducción de peso como por el aumento del rendimiento térmico y la consiguiente disminución del consumo de combustible.

La evolución de los generadores de vapor de serpentines tubulares, con tubos de diámetros cada vez menores, ha permitido reducir su volumen y peso de forma muy notable, haciéndolos adecuados para las exigencias del automovilismo. Se han aportado asimismo perfeccionamientos graduales e importantes a los dispositivos de combustión (quemadores, encendedores, reguladores de llama, filtros de combustible y bombas). Los progresos realizados en siderurgia han permitido la adopción de presiones de funcionamiento en los generadores de vapor considerados aquí que alcanzan 100-130 atm. La adopción casi generalizada del economizador (precalentador del agua que se introduce en el generador) ha contribuido apreciablemente a mejorar el rendimiento de la producción de vapor. El grado de sobrecalentamiento del vapor se halla limitado a valores del orden de 350 °C si el motor es alternativo de pistones, puesto que la lubricación interior de los cilindros se obtiene por medio de la nebulización del lubricante, el cual no tolera temperaturas más elevadas.

Cuanto más pequeños sean los diámetros de los tubos de los serpentines del generador de vapor, más cuidadosamente deberá depurarse y desmineralizarse el agua que se deba evaporar y realizarse un control continuo, durante el funcionamiento de un automóvil de vapor, a lo largo de todo el circuito.

Durante su larga evolución, los motores de vapor alternativos han adoptado formas y estructuras diferentes y varias disposiciones de los cilindros y de los pistones. Su funcionamiento puede ser de efecto simple o doble, según que el vapor actúe sobre una cara (como sucede generalmente en el caso de los motores de combustión interna para automóviles) o bien sobre ambas caras. Además, pueden ser de expansión simple o de expansión múltiple, cuando el vapor se hace actuar sucesivamente en varios cilindros con expansiones fraccionadas, es decir primero en un cilindro a alta presión y luego en uno (o varios) a presiones menores (cilindros de baja presión). Los modernos motores de vapor de pistones para automóviles son de la categoría «uniflow» (de flujo único), en la que el vapor recorre los cilindros en una sola dirección y trabaja con un rendimiento termodinámico mayor. La producción de trabajo se regula usualmente mediante una válvula, que parcializa o incrementa el flujo de vapor que hay que introducir en los cilindros según las exigencias automovilísticas. Debido a que los motores de vapor alternativos poseen un par motor elevado incluso a los regímenes más bajos, los órganos de transmisión del movimiento del propulsor a las ruedas del vehículo pueden quedar reducidos a un conjunto más sencillo formado por un par de reenvío y por el diferencial. Para la marcha atrás se emplea la reversibilidad del movimiento (contravapor), que es una característica muy apreciable de los motores alternativos de vapor.

El funcionamiento regular de los componentes del grupo motor se controla mediante instrumentos de medida de la presión y temperatura del vapor, de las presiones o depresiones de los humos en el generador de vapor, del nivel de agua, tanto en el depósito como en el generador, y del nivel de combustible en su depósito y mediante diversos aparatos y dispositivos de seguridad y reguladores, de funcionamiento automático (control de la llama del quemador, salida automática de vapor del generador si se producen sobre-presiones que exceden del margen establecido respecto a la presión de funcionamiento normal y otros controles eventuales).