Los límites de la eficiencia térmica en motores gasolina y diésel

  el 2 de October de 2012

BMW Serie 3

Como hemos citado ya en multitud de ocasiones, las máquinas térmicas (como los motores de gasolina y diésel) 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.

La creciente eficiencia de los motores actuales ya no puede estar demasiado lejos de su límite termodinámico

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

BMW Diesel Biturbo

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

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.

Se perdería algo así como entre un 15% y un 25% de energía en forma de calor, sí o sí

El mismo cálculo, realizado en Wikipedia tomando otros valores como ejemplo y esta vez en un motor de gasolina, arroja una eficiencia máxima de un 73%, aunque suponiendo condiciones ideales este valor se podría considerar en el rango bajo de temperaturas posibles. Sería un cálculo razonablemente pesimista.

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.

Gasolina y Diésel frente a la máquina perfecta de Carnot

Fiat Twin Air

Los motores de gasolina y diésel 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 diésel 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 diésel, que difiere ligeramente del 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%.

En el mundo real no es posible construir motores que funcionen o se acerquen siquiera a estas condiciones

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.

Emma Maersk

Como ejemplo notable de la eficiencia máxima alcanzable en el mundo real por un motor diésel, ya expusimos con cierto detalle el caso del motor alternativo más potente del mundo, un diésel 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 diésel automovilístico, cabe suponer que ningún diésel 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 referencias consultadas, así que podríamos tomar como valor aproximado de rendimiento óptimo para un gasolina moderno un aprovechamiento no muy superior al 30% de la energía consumida, suponiendo que se alcance tal cota y, de nuevo, no en toda la gama de revoluciones y niveles de carga.

El calor generado por el motor engulle al menos el 60% de la energía química del combustible

En todos los casos, hablamos de que el calor generado por el motor de un coche convencional engulle al menos el 60% de la energía química del combustible en el caso del diésel y al menos un 70% en el caso de un gasolina. Falta descontar todavía la resistencia a la rodadura, la resistencia aerodinámica y todas las pérdidas de transmisión hasta poner el vehículo en movimiento…

Conclusiones

Murray T27

Como hemos visto, bastante más de la mitad de la energía contenida en el combustible se pierde inevitablemente en forma de calor antes de empezar a mover la transmisión. Al margen de las mejoras tecnológicas que indudablemente se pueden hacer, los motores térmicos son, por definición, un despilfarro energético de primera magnitud y no podrán dejar de serlo. Los principios básicos de la termodinámica lo impiden de un modo absoluto.

Los motores térmicos son, por definición, un despilfarro energético de primera magnitud

Así pues, si pretendemos reducir el consumo energético de nuestros desplazamientos, deberemos escoger entre pequeñas mejoras incrementales derivadas de la evolución de los actuales motores de combustión interna, cuyo techo termodinámico ya no puede estar muy lejos, o un cambio radical en el modelo de propulsión que, definitivamente, abandone las máquinas térmicas del S.XIX y aproveche la energía con otro tipo de mecanismos.

Con todos los importantísimos problemas que quedan todavía por resolver, cabe decir que el motor eléctrico no es una máquina térmica y su eficiencia real actual supera habitualmente el 90%, no conociendo más límite que el de la conservación de la energía.

¿Seremos capaces de jubilar algún día a Carnot?

Fuentes:
Motor de gasolina, Universidad de Sevilla
Motor diésel, Universidad de Sevilla
Eficiencia térmica – Wikipedia
Ciclo real de funcionamiento – Universidad de Castilla la Mancha
The oil crash – Ventajas y limitaciones de las máquinas térmicas
En Tecmovia: La energía ¿no se crea ni se destruye? | General Electric desarrolla un nuevo y más eficiente propulsor para híbridos y eléctricos | Enemigos de la eficiencia: la masa desplazada

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