La ineficiencia del motor
de combustión interna.
Exactamente, diez años atrás, publicaba un artículo con el
título: Sencillos cálculos sobre el gasto inadecuado de la energía. Hoy
vuelvo a publicarlo con un “restyling” acorde a la época, dado que el público
se va renovando y por otro lado estoy
convencido que, aun hoy en día, no se termina de asimilar que el motor de
combustión interna es ineficiente con
cualquier combustible. Principalmente teniendo en cuenta el concepto, por demás
de certero, de eficiencia energética: El
uso eficiente de la energía hace referencia a la capacidad para obtener los
mejores resultados en cualquier actividad empleando la menor cantidad posible
de recursos energéticos. Por ejemplo,
en los últimos años hemos asistido a la plena aplicación de este concepto
referido a la iluminación.
Iluminación eficiente
y económica
A nivel doméstico, en los últimos quince años, hemos pasado
de la lámpara de filamento a la LFC (lámpara fluorescente compacta) y de ahí a
la tecnología LED.
La lámpara de filamento fue un extraordinario invento que
transformo la vida de las personas, sin
embargo, es muy ineficiente, alrededor
de 10-22 lm/W en comparación con 140 lm/W de los led blancos. En el ínterin la tecnología
fluorescente permitió aumentar el rendimiento luminoso a los 40-50 lm/W. La
lámpara de filamento, por cada unidad de energía, disipa en forma de calor el
80% solo el 20% es luz.
Motorización del
carbono ineficiente y costosa
A continuación se muestra la cantidad de energía que se disipa en el
ambiente en forma de calor debido a un
motor de combustión interna y el
equivalente de esa energía si se
aprovechara eficientemente.
La combustión es una reacción entre un comburente y un
combustible, con desprendimiento de luz y calor. Se denomina comburente al
medio de reacción que permite que ocurra una combustión. En nuestro planeta, el
comburente natural es el oxígeno (O2). Sin oxígeno no es posible una
combustión. La energía química de la nafta (combustible) y del
aire es transformada en energía calórica por combustión. Los gases calientes que se producen,
en un motor de combustión interna, se expanden en los cilindros del motor y
comunican una parte de su energía a los pistones; esta energía mecánica
es transmitida al sistema de tracción mecánica, que adquiere una energía
cinética (movimiento). Otra parte de la energía (mayoritaria)
de los gases de combustión es transmitida al agua que refrigera el motor, que a
su vez la transfiere al aire del ambiente. En definitiva el balance global nos
muestra la transformación de energía química de la
nafta en calor al medio ambiente, siendo la energía mecánica sólo un beneficio.
Motor de combustión interna
La nafta siendo una sustancia
altamente volátil es empleada
fundamentalmente para el funcionamiento de los Motores de Combustión Interna
(MCI). Estos motores
funcionan mediante un sistema de cilindros cerrados que contiene a un conjunto
de pistones
que son movilizados mediante la explosión / ignición violenta de una
mezcla de combustible
y aire
que es comprimida, movilizándose todo el sistema y generando la obtención de energía
mecánica de rotación en el eje del motor.
La nafta,
como combustible liquido, tiene una importancia clave por ser una de
las más importantes fuentes de energía química que es utilizada para
distintas finalidades, pero fundamentalmente en los vehículos con motor
térmico, pese a lo cual se trata de un recurso no renovable por derivar del petróleo.
El ciclo Otto es el ciclo termodinámico
que se aplica en los motores de
combustión interna de encendido provocado a través de una
chispa eléctrica (motores a nafta).
La eficiencia o rendimiento térmico
de un motor de este tipo depende de la relación de
compresión, esto es, la proporción entre los volúmenes máximo
y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 hasta 10 a 1 en la mayoría de los
motores Otto modernos. El rendimiento térmico representa el mayor o menor grado
de aprovechamiento de la energía del combustible que hace un motor.
- Pérdidas de calor: Se ponen en evidencia por el sistema de refrigeración, la radiación
de calor al exterior y los gases de escape.
- Pérdidas mecánicas: Rozamiento de piezas en movimiento y accionamiento de
dispositivos auxiliares (bomba de agua, bomba de aceite, etc).
- Pérdidas químicas: Motivadas por una combustión incompleta
Tipos de rendimiento
Rendimiento térmico: será mayor cuanta más alta sea la temperatura alcanzada y
menores sean las pérdidas de calor. Las pérdidas de calor a través de los gases
de escape suponen el 30% en los motores Otto y el 40%
en los motores de ciclo Diesel que utilizan gas-oil.
Rendimiento
mecánico
Se podría expresar como la relación que existe entre la potencia efectiva que
se obtiene en el eje del motor y la potencia indicada que se obtiene en el
diagrama de trabajo, el cual expresa el trabajo interno obtenido dentro del
cilindro y en el que no intervienen las pérdidas mecánicas. El conjunto de
pérdidas mecánicas supone entre un 10% y un 15%.
Rendimiento efectivo - Balance final de pérdidas:
Motores Otto:
- Pérdidas térmicas: 60% - 65%
- Pérdidas mecánicas: 10% - 15%
- Total pérdidas: 70% - 75%
- Rendimiento efectivo: 25% - 30%
Del 100% de la energía calorífica que posee el combustible,
los motores de combustión interna sólo son capaces de transformar entre el 30%
y el 40% (según sea ciclo Otto o
Diesel, respectivamente) en movimiento.
Combustible Nafta – Poder calorífico
Para que un motor de combustión
interna funcione, necesitamos básicamente un “combustible”. Combustible
es cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida de forma
violenta con desprendimiento de calor poco a poco. Supone la liberación de una energía de su forma
potencial a una forma utilizable sea directamente (energía térmica) /
energía mecánica (motores térmicos)
dejando como residuo calor (energía térmica), dióxido de carbono
y otros compuestos químicos.
La nafta o gasolina es una fracción
liviana de petróleo que se obtiene
mediante destilación directa, del mismo, entre los 35 y 175 º C.
La combustión se considera incompleta cuando parte del combustible no reacciona completamente porque el
oxígeno no es suficiente.
El motor de combustión interna,
por su forma de funcionar, no es capaz de quemar de forma total el combustible
en los cilindros. La combustión incompleta no sólo es peligrosa porque
genera monóxido de carbono (CO) gas sumamente tóxico, sino que libera menor
cantidad de calor que la combustión completa del mismo combustible, o sea que
lo malgasta. Generalmente, estas combustiones se producen cuando el combustible
tiene un alto porcentaje del elemento carbono. Los productos de la combustión
incompleta varían según la cantidad de oxígeno disponible.
La principal característica de un combustible es el calor
desprendido por la combustión completa una
unidad de masa (kilogramo) de combustible, llamado poder calorífico, se
mide en Kilojoules por kilogramo, en el sistema internacional
(SI).
El poder calorífico de un combustible es una
característica física del mismo y permite prever el calor que podemos esperar
que nos ceda en un proceso térmico.
Se
pueden distinguir dos tipos de poderes caloríficos para cada combustible, el
poder
calorífico
superior y el inferior. Se diferencian entre sí en que el primero comprende todo
el calor producido, incluyendo el requerido para vaporizar la humedad (agua)
que contiene el mismo. El inferior no considera las calorías consumidas para
vaporizar la humedad que contiene el combustible, por consiguiente éste es que
el nos da las calorías que realmente son aprovechables en un proceso térmico.
Disipando energía al media ambiente
En los motores de combustión
interna cuando se produce la combustión del combustible una parte 1/3 se utiliza para provocar el movimiento y 2/3 se
manifiesta en forma de calor. Para que la temperatura sobre la estructura
básica del motor (llamado block) y las partes constitutivas se mantengan en límites muy por debajo del punto de fusión
de los materiales metálicos, es que se refrigera con una solución a base de
agua (una mezcla de *glicol y agua en partes iguales) que recorre por canales internos del motor.
Ese refrigerante se hace circular por un intercambiador de calor,
llamado radiador, el cual es enfriado por el aire que ataca de frente el avance
del vehículo mas un refuerzo a través de una hélice que es accionada por
pequeño motor eléctrico y activado este cuando el elemento detector de
temperatura ha verificado que el refrigerante alcanzó los 90 ºC.
*Etilenglicol (etanodiol, glicol de etileno, glicol) es un compuesto químico
que pertenece al grupo de los dioles. El etilenglicol es un líquido
transparente, incoloro, ligeramente espeso como el almíbar y leve sabor dulce. Se utiliza como anticongelante en los circuitos de refrigeración
de motores de combustión interna.
Ahora bien, como se puede
constatar con solo acercarse al frente del vehículo o colocar su mano sobre la
tapa del alojamiento del motor térmico, existe una cantidad de energía en forma
de calor que se disipa al medio
ambiente, el cual se desaprovecha completamente, mas aún cuando el vehículo está
detenido, por ejemplo esperando en el semáforo, porque en ese caso (extremo) ni
siquiera el vehículo está en movimiento.
Ese calor artificial que proviene del transporte con motor de
combustión interna es un factor mas, y muy importante por la cantidad de
diversas unidades, que contribuyen inútilmente
al calentamiento de nuestro planeta.
Por ejemplo, ¿a que es equivalente esa energía
desperdiciada?
Cuanta energía se disipa al medio
ambiente bajo la condición de funcionamiento antes indicada:
Qperdida =
Ggasto * Pc poder calorífico * η perdida
* recorrido
Qperdida = 7,5
lts/100km * 9,66 Kw-h/ lts * ( 100 – ηutil/100) * 100 km
Qperdida = 7,5
lts/100km * 9,66 Kw-h/ lts * 0,70 * 100 km
Qperdida = 50.71 Kw-h
= 43632 Kcal
La siguiente tabla indica,
aproximadamente, que con la energía disipada al medio ambiente antes calculada,
se puede alimentar la siguiente cantidad de artefactos eléctricos durante una
hora (no simultáneamente) en función del consumo de cada uno:
Conclusiones:
Con el mismo criterio de
ineficiencia por lo que se dejó de lado
la lámpara de filamento
aplicado al motor de combustión interna,
este último tendría que tener el mismo destino. Este trabajo demuestra sencillamente lo ante expuesto. La eficiencia del conjunto de motorización
(motor eléctrico + inversor) utilizado en movilidad eléctrica ronda el 90%.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2024.-
