La normativa para reducir las emisiones no solo ha traído cosas positivas al mundo del motor, también ha hecho que los motores pierdan potencia con los catalizadores, ya que el diseño y geometría del sistema de escape es fundamental para extraer la máxima potencia del motor.
En este artículo te introducimos a la teoría sobre el origen de esta pérdida de rendimiento y sobre la famosa Curva de Gancho, que tiene mucho que ver con esto…
¿Por qué los catalizadores afectan a la potencia del motor?
La introducción de los catalizadores de tres vías a principios de los 90, en cumplimiento de las normativas Euro 1, supuso un cambio significativo en la tecnología de los motores de combustión interna. Aunque estos dispositivos son fundamentales para reducir las emisiones contaminantes, su implementación inicial tuvo un impacto negativo en ciertos aspectos del rendimiento del motor, como la potencia y el consumo de combustible. Los motivos de estos problemas se basan principalmente en:
Cambio en la relación aire-combustible (estequiometría)
La introducción del catalizador de tres vías obligó a los motores a operar con una mezcla aire-combustible estequiométrica (relación exacta de 14,7:1). Esta relación es necesaria para que el catalizador funcione de manera óptima y reduzca las emisiones de NOx, CO y HC. Por tanto, los motoristas tuvieron que adaptar las mezclas a dicha norma, y no tanto para optimizar el rendimiento y consumo del motor. La mezcla estequiométrica representa un punto de equilibrio entre la máxima potencia y la máxima eficiencia. Sin embargo, este punto no es óptimo para maximizar ninguna de las dos características.
Antes de los catalizadores, los motores podían ajustar la relación aire-combustible según las condiciones de funcionamiento, priorizando la potencia a altas cargas o la eficiencia a bajas cargas. Con el catalizador, esta flexibilidad se vio limitada.
Pérdida de carga en el sistema de escape
El catalizador introduce una resistencia adicional al flujo de los gases de escape, lo que aumenta la contrapresión en el sistema, reduciendo la potencia, ya que es importante que se tenga una buena salida de los gases, para no afectar al motor en futuras detonaciones.
Esta mayor contrapresión dificulta la evacuación de los gases quemados, lo que reduce la potencia máxima del motor, especialmente a altas revoluciones. Y no solo eso, por otro lado, la mayor contrapresión también reduce la eficiencia volumétrica del motor, es decir, la cantidad de mezcla aire-combustible que puede aspirar en cada ciclo.
Cambio de combustible
Por último, y no menos importante, la eliminación del plomo también fue otro aspecto que influyó. La introducción de los catalizadores obligó a eliminar el plomo de la gasolina, ya que este metal envenenaba el catalizador. Si bien es cierto que los cambios en la composición de la gasolina sin plomo, aunque no afectaron significativamente el poder calorífico, pudieron influir en otras propiedades del combustible, como la octanaje o la volatilidad, que a su vez podrían haber afectado ligeramente el rendimiento del motor.
¿Qué es la Curva de Gancho?
La curva de gancho es una representación gráfica que relaciona la potencia efectiva de un motor con su consumo específico de combustible, a un régimen y posición de mariposa constantes. Es decir, nos muestra cómo varían estas dos magnitudes al modificar la proporción de aire y combustible en la mezcla (dosado).
Su nombre se debe a la forma característica que suele adoptar esta representación gráfica, asemejándose a un gancho. La parte ascendente de la curva corresponde a la zona de mezclas pobres (exceso de aire), mientras que la descendente corresponde a mezclas ricas (exceso de combustible). El punto de inflexión, donde la curva cambia de dirección, se denomina «punto de gancho».
Como se puede apreciar en la imagen anterior, la gráfica de gancho simple se compone de dos dimensiones, pero también se puede representar con más parámetros, como:
- Eje X o Dosado de la mezcla: expresa como la relación entre la masa de aire y la masa de combustible en la mezcla. Un valor de 14,7:1 corresponde a la mezcla estequiométrica (ideal para la combustión completa, y reducción de las emisiones con el catalizador de tres vías de la norma EURO 1).
- Eje Y o Potencia efectiva: es la potencia neta entregada por el motor al eje de transmisión, teniendo en cuenta las pérdidas internas del motor expresado en Ne [kW].
- Eje Z o Consumo específico: cantidad de combustible consumido por unidad de energía producida, generalmente expresado en g/kWh.
Ahora bien, para entender bien esta gráfica, veamos algunos puntos críticos:
- Punto de máxima potencia: corresponde al dosado de mezcla que proporciona la máxima potencia efectiva del motor. En este punto, la mezcla es ligeramente rica, ya que un exceso de combustible favorece la combustión y genera mayor potencia.
- Punto de mínimo consumo (máximo rendimiento): corresponde al dosado de mezcla que proporciona el menor consumo específico. En este punto, la mezcla es ligeramente pobre, ya que un exceso de aire favorece la combustión completa y reduce las pérdidas por disociación.
Por tanto, la curva de gancho es una herramienta fundamental para ingenieros y técnicos de motores, ya que permite:
- Optimizar el rendimiento del motor: identificando los puntos de máxima potencia y mínimo consumo, se pueden ajustar los parámetros de operación del motor para obtener el mejor compromiso entre potencia y eficiencia en diferentes condiciones de trabajo.
- Evaluar el efecto de diferentes modificaciones: al comparar curvas de gancho obtenidas antes y después de realizar modificaciones en el motor (por ejemplo, cambios en la distribución, inyección o turbocompresor), se puede evaluar el impacto de estas modificaciones en el rendimiento.
- Diagnosticar problemas de funcionamiento: desviaciones significativas de la curva de gancho respecto a los valores esperados pueden indicar problemas en el sistema de alimentación de combustible, la ignición o otros componentes del motor.
Y, para nuestro caso, nos ayudará a entender por qué esta norma minimizó la potencia de los motores de una forma gráfica…
Aplicar la Curva de Gancho a la pérdida por los catalizadores
Anteriormente he mostrado los tres puntos por los que se perdió potencia por la norma Euro 1, pero ahora vamos a aplicarlos a la curva de gancho para comprenderlo mejor. Para identificar por qué se ha perdido dicha potencia:
- Debido al dosado estequiométrico (Fr=1) el punto de máxima potencia de la curva se desplaza hacia la izquierda, es decir, hacia un dosado más pobre, pero sin alcanzar la misma potencia que antes de introducir el catalizador y este cambio en la proporción aire-combustible.
- La pérdida de carga en el sistema de escape derivado del catalizador, aumentando la contrapresión o presión que se opone a la salida de los gases de escape, hace que la curva completa se desplace ligeramente hacia abajo, lo que corresponde a una menor potencia para todos los puntos del dosado.
- Por otro lado, la eliminación del plomo de la gasolina, dada su toxicidad y daño que produjo en el CI de varias generaciones, entre otras enfermedades, afectó también a la curva de gancho, con una ligera reducción de la potencia máxima, aunque no fue tan significativo como los dos puntos anteriores.
Para hacerte una idea, poniendo cifras, algunos motores llegaron a perder hasta 10 CV de potencia…
Imágenes | Canva | Universidad Politécnica de Valencia