Motor de combustão externa é o motor onde a queima do combustível ocorre fora do cilindro. Em teoria, motores de combustão externa seriam os motores mais eficientes já inventados.
Nestes, o fluido de trabalho que circula é aquecido fora do motor. O fluido de trabalho pode ser vapor de água (nas máquinas a vapor, usinas termoelétricas e nucleares) ou gases nobres e mesmo o ar (no motor Stirling). De uma forma ou de outra, tais motores funcionam no princípio da máquina térmica, e diferem na maneira de fornecer calor para o fluido de trabalho. O fluido de trabalho pode ser de qualquer composição e o sistema pode ser monofásico (apenas líquido ou apenas gás) ou bifásico (líquido/gás ao memmo tempo). As substâncias são escolhidas é por sua condutividade térmica e baixa agressividade química. Apesar da alta eficiência das turbinas a vapor de mercúrio, seu uso no setor de energia é limitado devido à alta toxicidade deste elemento.
Os motores de combustão externa têm a mais ampla aplicação na geração de eletricidade (usinas térmicas e nucleares são equipadas com turbinas a vapor). No campo do transporte, seu uso no século XX diminuiu significativamente: os carros a vapor desapareceram das ruas e as locomotivas a vapor remanescentes são usadas principalmente em ferrovias de países do terceiro mundo.
Tendo sido historicamente os primeiros motores térmicos para transporte e indústria, os motores de combustão externa possibilitaram a revolução industrial. Apareceram em grandes quantidades nas locomotivas e navios a vapor do século XIX mudando completamente o transporte mundial. A produção de carvão mineral para abastecê-los com combustível aumentou o volume de operações de mineração.
Uma vez que dois terços da eletricidade no mundo é gerada em usinas termoelétricas principalmente com a ajuda de turbinas a vapor, e a produção de calor nas usinas nucleares também é realizada com sua ajuda, os motores de combustão externa permanecem os primeiros em termos de capacidade instalada na energia mundial um longo tempo.
Tipos
Motor a vapor
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Inventada 1679 pelo físico francês Denis Papin, a Marmita de Papin era um cilindro com um pistão que subia com a pressão do vapor, e descia sob a pressão atmosférica depois de eliminar o excesso de vapor. A máquina a vapor de Thomas Savery (sem pistão), inventada em 1698 para bombear água das minas funcionava através do mesmo princípio.Конфедератов И. Я. История теплоэнергетики. Начальный период (17—18 вв.).. — М.—Л., 1954. ("Confederatov I. Ya. História da engenharia de energia térmica. Período inicial (séculos XVII-XVIII).. - M.-L., 1954.") Consultado em 7 de junho de 2026.
Um pouco mais tarde, em 1705, Thomas Newcomen, com seu associado John Calley, também de Dartmouth, construiu a "Máquina atmosférica Newcomen". Diferia da máquina de Severi por ser dotada de cilindro e pistão. A primeira máquina a vapor na Rússia foi usada em 1766 projetada por Ivan Polzunov. O "carro" de Polzunov tinha dois cilindros com pistões, funcionava continuamente, e todas as ações nele eram automáticas. James Watt melhorou significativamente o motor em 1769. Naquele mesmo ano, o francês Joseph Cugnot construiu o primeiro carro a vapor, e em 1788 o estadounidense John Fitch construiu um navio a vapor. Outra melhoria significativa, o uso de vapor em alta pressão em vez de vácuo, foi feita pelo estadounidense Oliver Evans em 1786 e pelo inglês Richard Trevithick em 1800. Além do uso no transporte terrestre e marítimo, houve tentativas de instalar máquinas a vapor em aeronaves como o o projeto do aeroplano de Alexander Mozhaysky (ver: Aeronave a vapor).
A potência específica dos motores de combustão interna aumentou tanto que permitiu seu uso no transporte. Foi assim que surgiram as primeiras ferrovias (ver: George Stephenson). Em todos os casos, a combustão era realizada na fornalha, de modo que todos aqueles eram motores de combustão externa. No entanto, atualmente motores a vapor de pistão são raramente usados.
Motor Stirling
Foi inventado em 1816 por Robert Stirling, um ministro da igreja da Escócia de 26 anos. Guiado por considerações religiosas e procurando impedir acidentes em minas, provocados pelas perigosas máquinas a vapor da época, criou uma máquina mais segura. Com os materiais e tecnologias disponíveis na época, o motor de Stirling não pôde ser fabricado em grandes números, e até o século XX foi pouco usado. Atualmente, é usado para reaproveitamento de calor e instalado nos mais recentes submarinos e naves espaciais. O motor Stirling é atualmente usado com sucesso para cogeração a baixa potência (até 100 kW), tal uso é facilitado por sua boas qualidades econômicas e ambientais. No entanto, esses motores são bastante caros. A eficiência do motor Stirling é a mais alta dentre todos as máquinas térmicas. Consultado em 7 de junho de 2026.
x170pxx170pxx170pxMotor Stirling na configuração "Gama".AMC Spirit 1979 experimental equipado com um motor Stirling.
Motor a vácuo
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Este é um motor de combustão externa que proveita a pressão do vácuo gerado num cilindro para criar movimento. Por sua forma característica de funcionamento, é apelidado como: "lambedor de chamas", "motor de chamas", "comedor de chamas" e "dançarino de chamas."
Turbina a vapor
thumb|x250px|esquerda|Eolípila, de Heron de Alexandria (século I d.C.).
A Eolípila, primeira turbina movida pela pressão do vapor, foi construída por Heron de Alexandria no século I d.C.; no entanto, existiu apenas como uma curiosidade. Consultado em 7 de junho de 2026. O desenvolvimento de turbinas a vapor foi evitado pela falta de rolamentos confiáveis que pudessem suportar altas velocidades de rotação, e o retorno de turbinas em baixas velocidades e sua eficácia caiu acentuadamente, motivos pelos quais elas não receberam aplicação. A primeira turbina industrial, que teve uma velocidade de rotação de 30 000 rpm, foi desenvolvida por Gustaf de Laval.
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Devido à enorme velocidade de rotação, tinha uma caixa de velocidades, várias vezes maior que o seu tamanho. Posteriormente observou-se que com o crescimento da potência (e o tamanho da roda), a velocidade calculada de rotação da turbina diminui, de modo que sua aplicação em unidades de alta potência é simplificada. Tais unidades de turboeixo são generalizadas, mudando motores a vapor em navios de guerra (devido a uma massa menor). Mas, no entanto, a baixa eficiência em instalações parciais há muito tempo impediu sua instalação em embarcações de transporte (era necessário aplicar circuitos sofisticados com turbinas de energia diferente para diferentes velocidades). No entanto, a turbina melhorada de Charles Algernon Parsons é agora maciçamente utilizada na geração de eletricidade em usinas térmicas e nucleares. Ao trabalhar em uma estreita gama de revoluções, pode ter uma eficiência bastante alta, e quando usado no primeiro estágio de turbinas a gás - para superar na eficiência total de motores de combustão interna de pistão. As turbinas a vapor são muito mais leves do que os motores a vapor de pistão.
Outros motores
Alguns motores de combustão externa ("Fluidyne", "Manson", "Manson-Guise", etc.) são aperfeiçoamentos do motor Stirling, funcionando no seu ciclo. Outros (Ericsson, Stoddard, etc.) operam em ciclos próprios.
Motor Ericsson. (ver: Ciclo Ericsson). Motor Fluidyne. Motor Manson. Motor Manson-Guise. Motor Stoddard (ver: Ciclo Stoddard)
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Diferenças com o motor de combustão interna
Com a mesma potência, um motor de combustão externa, é tipicamente, mais volumoso e mais pesado do que um motor de combustão interna (pior relação peso-potência), porque deve conter um trocador de calor usado para aquecer o fluido de trabalho. Por outro lado, é mais eficiente e é menos crítico em relação ao combustível a ser utilizado. Além disso, a temperatura relativamente baixa e a pressão de combustão levam a uma menor formação de poluentes (como óxidos de nitrogênio).
Em um motor de combustão externa, é importante que esta combustão seja contínua, uniforme e, portanto, que ocorra sob condições que podem ser consideradas "ótimas", com uma relação ideal entre combustível e comburente, reduzindo ao máximo partículas não queimadas que são geradas na combustão transitória (explosões) dos motores endotérmicos que operam em vários tempos (de dois a 4 tempos).
No caso de fluidos de combustão contínua, em baixa velocidade de combustão, como em um gerador de vapor com um motor a vapor, o conjunto é muito mais silencioso do que um motor de combustão interna, na verdade não há explosões; em caso de fluidos de combustão de alta velocidade, onde a velocidade dos gases é um elemento primário de produção de impulso / energia você tem o maior ruído (absoluto) para um motor (como motores a jato).
Aplicação de motores de combustão externa
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Motores de combustão externa são usados em diversas áreas: transporte marítimo, parques industriais de grande porte e geração de energia. Seu uso em automóveis é tecnicamente problemático por vários motivos (volume, peso, complexidade, riscos ao lidar com vapor em altas pressões). Esta classe de motores demora para entrar em pleno funcionamento, o que dificulta seu amplo uso em automóveis, já que estes precisam iniciar seu movimento rapidamente.
Dependendo dos requisitos para o dispositivo desenvolvido, diferentes tipos de motores podem ser usados. Critérios de seleção importantes são: o tipo de combustível consumido, a potência específica permitida (no transporte, motores com uma potência específica suficientemente alta), a eficiência, incluindo cargas parciais, a necessidade de transmissão (assim, as máquinas de pistão a vapor geralmente não precisavam), custo.
Vantagens e desvantagens
Vantagens
A vantagem de toda a linha de motores de combustão externa é a capacidade de, teoricamente, usar qualquer combustível ou fonte de calor (fornos solares, reatores nucleares, calor de decaimento nuclear, calor geotermal, etc.). No entanto, dependendo do design de um determinado motor, essa escolha é mais ou menos limitada. Além disso, em muitos casos, o uso de combustível mais acessível devido às suas características reduz a eficiência e / ou aumenta a necessidade de pessoal.
Por exemplo, navios a vapor e locomotivas a vapor, alimentados com carvão, exigiam muitos trabalhadores carregá-lo, e em grandes navios sua tripulação, levando em conta turnos livres, chegava a várias centenas de pessoas. E devido às dificuldades de dosagem precisa e heterogeneidade de combustão, a eficiência do carvão é sempre inferior ao petróleo, não exigindo a mesma quantidade de trabalhadores.
Desvantagens
As desvantagens de tais motores são a complexidade comparativa e o peso aumentado causada pela necessidade de transferência de calor da câmara de combustão para o fluido de trabalho. Esses fatores são significativamente reduzidos com o uso caldeiras com tubulação de água mais resistentes que funcionam com combustível líquido, mas tais motores, por sua vez, são inferiores em eficiência aos motores diesel. No caso de caldeiras suficientemente espaçosas, esses motores exigem tempo para a destilação de vapor ou a manutenção da temperatura operacional e da pressão com os custos do carvão. Máquinas a vapor e turbinas usando vapor de água são sensíveis à baixa temperatura ambiente, e exigem isolamento térmico de tanques de água, tubulações e tanques em estações, e quase sempre têm menor eficiência do que o motor de combustão interna clássico. O motor de combustão externa tem uma "partida" lenta, necessitando de mais tempo para entrar em operação.
Bibliografia
Consultado em 7 de junho de 2026.
Consultado em 7 de junho de 2026.
Consultado em 7 de junho de 2026.
Categoria:Motores de combustão externa