La ineficiencia del motor de combustión interna.

 

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.-