MOTORES DE AIRE COMPRIMIDO

Cuando se piensa en energas alternativas se suele asociar stas a los automviles elctricos principalmente, pero sta no es la nica opcin. Una de ellas, de las cuales pocas personan conocen son los motores neumticos o vehculos impulsados por aire comprimido.

Los motores de aire comprimido es una tecnologa simple, ya que no emite emisin contaminante alguna y su combustible es aire a presin.

EL MOTOR

El modo mono-energaEl motor serie CATs 34 mono-energa desarrollado entre finales del 2001 y principios del 2002 conlleva un dispositivo de control del recorrido de los pistones de 2 generacin y un nico cigeal. Estos pistones son de etapas, una etapa motor y una etapa de compresin y/o de expansin intermedia.

Tiene 4 pistones a dos etapas o sea 8 cmaras de compresin y/o de expansin que se utilizan o bien para comprimir el aire ambiente y rellenar los tanques, o bien para efectuar expansiones sucesivas (Recuperacin de energa trmica ambiente) y acerca de esta manera de la expansin isotrmica.

Su volante-motor est equipado con un moto alternador elctrico de 5 kW.

Este motor es simultneamente:

El motor del grupo en modo compresor El motor de arranque El alternador para la recarga de la batera Un moderador/freno elctrico Una aportacin momentnea de energa (p. ej. para aparcar)

No lleva embrague, el motor no funciona cuando el coche est parado y el arranque se hace sobre el plato magntico para reactivar el grupo de aire comprimido. Las maniobras de aparcamiento pueden efectuarse sobre el motor elctrico.

El motor CAT' s 34 P04 est equipado con culatas de caudal variable y de un reductor volumtrico dinmico de caudal variable patentado.

El modo bi-energaLos motores CAT' s de serie 34 podrn equiparse y funcionar con BIENERGA - combustible fsil y aire comprimido - adjuntando un dispositivo de recalentamiento (De combustin continua, muy fcilmente controlable para obtener emisiones contaminantes muy escasas) del aire instalado entre el tanque de almacenamiento del aire y el motor.

Este dispositivo permite un funcionamiento autnomo con un combustible fsil que autoriza, gracias a esta aportacin de energa, obtener autonomas compatibles con una utilizacin en carretera.

Durante su funcionamiento en energa fsil el compresor permite el relleno de los tanques de aire comprimido mientras que los dispositivos de mando permiten conservar un funcionamiento cero contaminacin en ciudad a velocidades inferiores a 60 Km/h.

Caja de cambioDesarrollada por MDI, el cambio de velocidad se realiza gracias a un sistema elctrico que no requiere ninguna manipulacin por parte del conductor.En efecto, el cambio de velocidades queda definido en cada momento por un sistema informtico en funcin de la velocidad.

Moto-alternadorEl moto-alternador efecta el vnculo entre el motor y la caja de cambios. Su papel en el grupo de propulsin es mltiple:

Lleva el motor CAT's para permitir el relleno de los tanques. Es un alternador que produce corriente durante las frenadas. Permite arrancar el vehculo y aporta potencia suplementaria cuando es necesario.

FUNCIONAMIENTO BSICO

Los motores de aire comprimido basan su funcionamiento en la compresin del aire principalmente y constan de tres ciclos:

Compresin. Inyeccin. Expansin.

CICLO DE COMPRESIN

En este ciclo y de la misma manera que los motores convencionales, el contenido del cilindro es comprimido, a unos 20 bares aumentando su temperatura a aproximadamente 400 grados centgrados.

CICLO DE INYECCIN

En el ciclo de inyeccin se inyecta aire comprimido a temperatura ambiente, mediante la accin de bombas de presin con una presin de unos 300 bares, mientras que el pistn est en la posicin que ejerce mxima presin con el aire al mnimo volumen.

CICLO DE EXPANSIN

El aire comprimido inyectado durante la fase anterior provoca un aumento de la presin en el cilindro, haciendo que se provoque una expansin que ejerce la fuerza del empuje sobre el pistn, es as este ciclo tambin denominado ciclo de trabajo ya que es en el cual se produce la fuerza que mueve el motor.

Este tipo de motor basa su funcionamiento en el siguiente fenmeno, el aire es comprimido aumentando su temperatura y posteriormente al introducirse aire a temperatura ambiente provoca un enfriamiento que a su vez hace que exista un aumento de presin moviendo el pistn.

Existen algunas buenas caractersticas de estos motores, como un gasto de mantenimiento muy bajo, ninguna emisin contaminante tras el proceso y el posible reaprovechamiento del aire frio en el sistema de aire acondicionado, ya que recordemos que tras los ciclos de trabajo la temperatura del aire baja considerablemente hasta una temperatura de entre 15 C a 0 C.

An as cabe destacar de manera importante que los motores de aire comprimido no son iguales en su totalidad en la manera de funcionar y existen distintos tipos distintos, como por ejemplo, el famoso motor construido por la fbrica gala MDI que funciona de una manera algo distinta.

MDI (Moteur Developpment International) es una empresa creada en 1991 por el ingeniero francs Guy Ngre, quien antes haba trabajado en la fabricacin de motores en la industria aeronutica y Frmula 1. El proyecto de realizar un motor de aire comprimido viable surge en 1992, pero hasta 1998 no se realiza el primer prototipo.

La diferencia con un motor exclusivamente de aire es que en esta mecnica se intenta combinar de una manera efectiva el uso de aire comprimido con el de motor de combustin, pudiendo disponer de slo energa proveniente del aire comprimido y la opcin de trabajar simultneamente ambas tecnologas, disponiendo de un sistema automtico encargado en la gestin del carburante. Esto significa que por debajo de los 50 km/h los motores funcionan exclusivamente con aire comprimido y superando esa velocidad los motores pasan a gastar aire comprimido ms carburante.

La intencin de MDI era revolucionar el mundo con este tipo de tecnologa, y por supuesto, el proyecto contaba con la ambiciosa idea de la creacin de estaciones de servicio donde poder recargar las bombonas de aire de estos vehculos de una manera rpida y sencilla en unos pocos minutos. La otra opcin era la recarga de las bombonas enchufando el vehculo a una toma de corriente, caso en el que el motor pasaba a modo compresor y el tiempo de carga se alargaba hasta un aproximado de unas 4 horas.

Aparte del revolucionario motor, el cual tena un mantenimiento muy econmico (cambio de aceite a los 50.000km) y una autonoma de unos 300km segn declar la marca, MDI dise un vehculo con una carrocera de fibra para aligerar su peso hasta el mximo posible, elimin cualquier material suprfluo y dejo el automvil en su mnima expresin posible. No existen lujos ni quera tenerlos.

Explotacin termodinmica

En el momento de expansin rpida de una gran cantidad de aire comprimido, correspondiente a una importante disminucin de la presin, se le hace fsicamente imposible al gas recuperar su volumen inicial; la variacin de temperatura que sigue produce un importante enfriamiento, mientras la expansin del volumen til puede limitarse en aproximadamente 40% del volumen terico. Contrariamente, con compresin, la reduccin de volumen generalmente involucra un ascenso en temperatura, resultando una vez ms en un volumen total de aire comprimido ms bajo que su valor terico.

Las tecnologas explotadas por MDI, Energine y Quasiturbine requieren relativamente importantes flujos al explotar para animar los motores, pero deber obligatoriamente apretarse a las limitaciones termodinmicas.

Dinmica de la explotacin

Para producir un empuje mecnico mientras se elude este obstculo, o, al menos, mientras que se reducen sus efectos, por lo que es necesario cumplir con ciertas reglas: para permitir la expansin tan lentamente como sea posible, es decir, mientras se trabaja con bajas Corrientes (pero esto, por supuesto, significa una contrapartida negativa por lo que a la limitacin de la potencia del motor se refiere), para regular las variaciones bruscas de la presin cuando es demasiado importante (por el uso de reductores de presin y de otros intermedios de descompresin habilitados), de mantener, as como la posible temperatura constante del gas, si no incluso a aumentar el rendimiento de la compresin / expansin de un enfriamiento / calentamiento de la utilidad del aire.

Ventajas y desventajas

Los vehculos de aire comprimido son comparables en muchas formas a los vehculos elctricos. Sus ventajas potenciales sobre vehculos elctricos incluyen:

Movimiento cclico lento ( 10 a 60 ciclos por minuto ). Alto par motor para volumen mnimo. El diseo mecnico secuencial del motor es simple y robusto. ste no sufre por los efectos de corrosin de las bateras en climas hmedos o calientes. Tiene bajo costo de manufactura y mantenimiento, muy superior en los vehculos de combustin interna. Se pueden deshacer o reciclar los depsitos de aire comprimido con menos contaminacin que las bateras, y son ms duraderos. El tanque puede ser capaz de rellenarse ms a menudo que lo que puede recargarse una batera. Algunos modelos pueden alcanzar una velocidad mxima de 112 km/h, con un motor de cuatro cilindros y 800 cc.

Las desventajas son los que cada vez muestran numerosos indicios de que el sistema de aire comprimido no sea realmente viable para propulsar vehculos.

El prototipo ms avanzado de MDI no ha logrado superar los 7 kilmetros de autonoma y en condiciones ideales. En ingeniera a veces es admisible prever un incremento 10-20% del rendimiento mediante mejoras en el diseo. En el caso de MDI esperan incrementar la autonoma un 3000% mediante mejoras sin especificar. Este problema parece haber sido solucionado con el modelo "Mini Cat", el cual puede recorrer entre 80 y 200 kilmetros sin necesidad de repostar, segn la velocidad de circulacin (tiene mucha ms autonoma en ciudad que en carretera), por lo que empatara con un coche elctrico medio.

El circular con un automvil evidentemente ligero con un tanque conteniendo aire comprimido a 300-350 bares es -desde el punto de vista de la seguridad- inaceptable segn las normas reguladoras de EU/ USA. En caso de ruptura del deposito se producira una explosin equivalente a 3.2 kilos de dinamita. Se han diseado dispositivos de seguridad en sus contenedores, en oposicin a los parmetros del motor de hidrgeno de dao y peligro asociados a un siniestro de impacto de gran fuerza. El aire no es inflamable.

La carga rpida del depsito de aire en 3 minutos slo se podra realizar en estaciones especializadas por implantar. La carga del depsito con el compresor incluido en el vehculo (conectndolo a una toma de corriente comn) durara de 3 a 5 horas.

El rendimiento energtico de un vehculo a aire comprimido es de un orden de magnitud menor al de un vehculo elctrico. Las prdidas por calentamiento del aire, el motor del compresor, etc., lo convierten en uno de los vehculos que ms energa desperdicia por trabajo realizado. Aun as, sus responsables calculan que el coste de alimentar el motor de este modelo no superara los 50 cntimos por cada 100 kilmetros recorridos, es decir, que llenar el depsito saldra por 1,5 euros.

El uso de bombonas pesadas para el almacenaje del aire comprimido que aumentan el peso total del vehculo mermando la autonoma, la prdida de potencia e influencia del clima o humedad de manera muy negativa o que la energa necesaria para comprimir el aire es ms elevada que la de los motores elctricos, entre otras.

Es importante recalcar, que MDI no ha realizado diez aos despus ningn prototipo que se acerque lo ms mnimo a las especificaciones iniciales. El negocio principal de MDI consiste en la venta de licencias para la futura fabricacin del vehculo. Diez aos despus de las primeras licencias, siguen sin haber proporcionado modelo real alguno, ni los tramites de homologacin.

OTROS PROTOTIPOS

Energine: Los ingenieros de esta compaa han creado, partiendo de un Daewoo Matiz, un prototipo de motor hbrido elctrico/aire comprimido (PHEV, Pneumatic Hybrid Electric Vehicle). El motor de aire comprimido se utiliza para activar un alternador, el cual extiende la capacidad de operacin autnoma del coche. El Quasiturbine es un proyecto de vehculo que, segn sus diseadores, puede funcionar tanto con combustible como con aire comprimido. La francesa Peugeot ha presentado su coche hbrido del futuro, el Hybrid Air. Y es que piensan lanzarlo en el 2016, ao en el que empezar a comercializar los primeros automviles impulsados por gasolina y aire comprimido. VPA & VPP: K'Airmobiles es el nombre dado a un conjunto de proyectos relativos a "VPA" (Vehculos con Asistencia Pneumtica) y "VPP" (Vehculos con Propulsin Pneumtica), destinados a liberarse de los lmites termodinmicos. Para lograrlo, estos modelos se disean como vehculos ultra ligeros (limitados a 250 kg mx.), y su consumo de aire comprimido ha sido calculado para mantenerse inferior a los 120 L/min, aunque desarrollan un empuje dinmico que alcanza 4kN. Estos vehculos ecolgicos utilizan la tecnologa del motor de aire comprimido K'air, desarrollada en Francia por un pequeo grupo de investigadores, que as proponen un rango de proyectos alrededor de una idea: vehculos de aire comprimido para uso urbano o de tiempo libre. Hoy son operativos dos prototipos VPA, el "K'AirBike" y el K'AirKart. Haba intencin de presentar en pblico dos nuevos prototipos VPP, de una plaza "K'AirTrike" y de tres plazas "K'AirMobile Max" respectivamente en octubre y noviembre de 2007.

Modelo TATA Mini-CatModelo Mini Cat