VARIABLES DE OPERACIÓN QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE LOS MOTORES A DIESEL

Las máquinas térmicas tienden a desperdiciar gran cantidad de energía en forma de calor. Pese a lo que pudiese parecer, la tecnología en constante evolución tan sólo puede arañar algunos puntos porcentuales en esa gran cantidad de energía desperdiciada, porque las máquinas térmicas están limitadas de modo absoluto por las leyes físicas en las que se basa su funcionamiento, que son los principios de la termodinámica.

Un ciclo Diesel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diesel. En un motor de esta clase, a diferencia de lo que ocurre en un motor de gasolina la combustión no se produce por la ignición de una chispa en el interior de la cámara. En su lugar, aprovechando las propiedades químicas del gasóleo, el aire es comprimido hasta una temperatura superior a la de autoignición del gasóleo y el combustible es inyectado a presión en este aire caliente, produciéndose la combustión de la mezcla.

Puesto que sólo se comprime aire, la relación de compresión (cociente entre el volumen en el punto más bajo y el más alto del pistón) puede ser mucho más alta que la de un motor de gasolina (que tiene un límite, por ser indeseable la autoignición de la mezcla). La relación de compresión de un motor diesel puede oscilar entre 12 y 24, mientras que el de gasolina puede rondar un valor de 8.

Para modelar el comportamiento del motor diesel se considera un ciclo Diesel de seis pasos, dos de los cuales se anulan mutuamente:

Admisión E→A: El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta horizontal.

Compresión A→B: El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción.

Combustión B→C: Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un poco después de que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara. Al ser de mayor duración que la combustión en el ciclo Otto, este paso se modela como una adición de calor a presión constante. Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se diferencia del Otto.

Expansión C→D: La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible.

Escape D→A y A→E: Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isocora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.

En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que es un ciclo de cuatro tiempos, aunque este nombre se suele reservar para los motores de gasolina.

De forma sencilla, vamos a ver cuáles son estos principios, cómo afectan al rendimiento de los motores de combustión y por qué la creciente eficiencia de los motores actuales ya no puede estar demasiado lejos de su límite termodinámico. Dicho de otro modo, para lograr consumos sustancialmente menores que los actuales incidiendo sólo en la tecnología de los motores, no sería suficiente con su evolución sino que sería necesario dejar atrás las máquinas térmicas en favor de otro tipo de propulsores.

RENDIMIENTO O EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA TÉRMICA

Parece importante empezar definiendo el concepto de eficiencia o rendimiento que vamos a utilizar indistintamente a lo largo de todo el artículo. Así pues, entendemos el rendimiento de un motor como el trabajo realizado por cada unidad de energía consumida.

Si el trabajo realizado por el motor (generación de movimiento) fuese igual a la energía química del combustible utilizado para producirlo, la eficiencia de ese supuesto motor sería de un 100% (eficiencia perfecta).

Obviamente, ningún proceso puede tener una eficiencia superior al 100% porque eso sería tanto como decir que se estaría creando energía nueva. El primer principio de la termodinámica (conservación de la energía) niega esta posibilidad.

Por otro lado, cuando el trabajo realizado es menor que la energía consumida, la pérdida o diferencia entre ambos valores se transforma en calor, que podemos considerar como energía inútil y por lo tanto perdida.

LA EFICIENCIA MÁXIMA DE UNA MÁQUINA TÉRMICA: EL CICLO DE CARNOT

Existe un límite absoluto para el rendimiento de cualquier máquina térmica, que es el rendimiento de una máquina imaginaria, perfecta y reversible cuyo proceso de funcionamiento se conoce como ciclo de Carnot. Esta eficiencia máxima “perfecta” se encuentra ya bastante por debajo del 100% y es importante destacar que, siendo un máximo físico, absoluto y universal, no es posible superarlo por medios tecnológicos.

El rendimiento de una máquina térmica de Carnot sólo depende de la temperaturas máxima y mínima entre las que trabaja por lo que, dadas estas dos temperaturas, su cálculo es trivial. En el caso de motores de combustión que queman hidrocarburos y a partir de los datos propuestos en este ejemplo práctico, podemos considerar una temperatura mínima (que sería la del ambiente) de 17oC (290 K) y una máxima de 1.570 oC (1.843 K). Esta combinación de temperaturas nos daría un rendimiento teórico máximo de un 84,3%.

Es difícil encontrar un dato preciso de temperatura máxima alcanzada en la cámara de combustión, pero los hidrocarburos arden alrededor de 2.000oC y ya parece bastante optimista considerar unos 1.600 oC como la temperatura media de toda la cámara en el instante final de la combustión. Así pues, la eficiencia perfecta de un 84% puede considerarse un cálculo razonablemente optimista.

Sea cual fuere la temperatura máxima alcanzada en la cámara de combustión en cada motor concreto, vemos que una máquina teórica, reversible e ideal con temperaturas máxima y mínima en el rango de un motor de combustión interna perdería algo así como entre un 15% y un 25% de energía en forma de calor, sí o sí, como consecuencia directa de los principios de la termodinámica.

VARIABLES DE OPERACIÓN QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE LOS MOTORES A GASOLINA

GASOLINA FRENTE A LA MÁQUINA PERFECTA DE CARNOT

Los motores de gasolina y diesel son máquinas térmicas y, por tanto, están limitadas por el máximo absoluto de Carnot, pero su funcionamiento es sustancialmente distinto y, por definición, menos eficiente, que el de la máquina reversible y perfecta por muchos motivos. Así pues, sería más exacto hacer un modelo teórico de un motor diesel o gasolina ideales para conocer su eficiencia máxima e insuperable.

Este modelo existe y es una especie de adaptación del ciclo reversible de Carnot al ciclo de funcionamiento de estos motores en concreto. No vamos a bucear en sus fórmulas, pero sí vamos a curiosear en sus resultados.

Empezando por un motor de Ciclo Otto (gasolina convencional) y según este cálculo explicado por la Universidad de Sevilla, tomando datos razonables para las variables implicadas, la eficiencia máxima de un motor teórico perfecto de gasolina con relación de compresión 8:1 es de un 56,5%.

En el caso del ciclo diesel, que difiere ligeramente de la gasolina y permite relaciones de compresión mayores, en este cálculo realizado sobre el modelo teórico de este ciclo, se puede ver que su rendimiento perfecto para una relación de compresión de 18:1 sería de un 63,2%.

Estos rendimientos (que son inferiores al máximo absoluto de Carnot) corresponderían a motores ideales, lo que implica cosas como ausencia de rozamientos, pérdidas nulas por bombeo, procesos instantáneos de combustión, apertura y cierre de válvulas en tiempo cero, procesos muy lentos de compresión y expansión y un aislamiento térmico sin pérdidas de energía. Dicho de otro modo, en el mundo real no es posible construir motores que funcionen o se acerquen siquiera a estas condiciones.

Lo que todo ello significa es que, en el diseño de un motor térmico, el objetivo no puede ser convertir toda la energía química en movimiento, sino intentar no desperdiciar mucho más de la mitad, en el mejor de los casos.

Como ejemplo notable de la eficiencia máxima alcanzable en el mundo real por un motor diesel, ya expusimos con cierto detalle el caso del motor alternativo más potente del mundo, un diesel naval de 109.000 CV. Su eficiencia máxima era de un 51,5% girando alrededor de 100 rpm. Puesto que su lentitud lo hace mucho más eficiente que un diesel automovilístico, cabe suponer que ningún diesel montado en un coche a día de hoy se encuentre ahora mismo muy por encima de un 40% de rendimiento en su régimen de trabajo y carga óptimos, si es que lo alcanza, y desde luego no en toda su gama de revoluciones.

Por lo que respecta a los motores de gasolina, deberían estar alrededor de 2/3 de esa cifra según las numerosas

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