Seguramente muchos se pregunten qué es eso del rendimiento térmico o eficiencia térmica, cómo se puede calcular, o cuánta tiene el motor de su vehículo. Todas esas dudas son comprensibles, ya que de ello dependerá la eficiencia de un motor. Es decir, la capacidad de transformar la energía aportada por el combustible en rendimiento mecánico real.
Por otro lado, no hay que confundirlo con el rendimiento volumétrico de un motor, que es la relación entre el aire aspirado en el cilindro y el volumen que podría contener según la cilindrada del mismo. Esto es otro factor que interviene directamente en la potencia, por ello los motores atmosféricos, en igualdad de capacidad, consiguen menos potencia que los sobrealimentados (turbo).
¿Qué es la eficiencia térmica de un motor de combustión interna?
La eficiencia térmica de un motor es la capacidad de un motor para transformar la energía aportada por el combustible durante la combustión en rendimiento mecánico. Todos los diseñadores esperan crear un motor con un rendimiento del 100%, ya que sería lo ideal. Sin embargo, en la práctica esto no es posible, ya que la eficiencia se ve lastrada por el rozamiento de las piezas, la pérdida en forma de calor, etc.
En los coches de calle, los motores de gasolina tienen un rendimiento térmico o eficiencia del 30%. Esto quiere decir que el 30% de la energía que aporta la gasolina realmente se aprovecha para generar potencia, el resto se desperdicia en forma de calor.
En el caso del motor diésel, la eficiencia es algo mejor, con un 40%, ya que tienen un mayor nivel de compresión. Por tanto, son algo más eficientes que los de gasolina, aunque tampoco es una cifra demasiado elevada.
Actualmente, se han conseguido mejoras en la eficiencia considerables gracias a los sistemas híbridos. Por ejemplo, la eficiencia térmica en Fórmula 1 es mucho mayor, gracias a la llegada de los motores V6 Turbo con MGU-K y MGU-H. En concreto, se ha elevado desde el 30% de los motores de gasolina convencionales, a un 50% aproximadamente. Eso significa que se aprovecha la mitad de la energía aportada por el combustible.
Este caso particular es a consecuencia de la inclusión de sistemas como el MGU-K, o freno regenerativo, capaz de obtener energía de las frenadas, y del MGU-H, que aprovecha también la energía de los gases de escape.
Rendimiento térmico ideal, efectivo y máximo
En 1824, el físico francés Sadi Carnot, estudió la eficiencia térmica de una máquina térmica ideal como función de la temperatura entre el foco frío y el caliente. Esto es aplicado en la actualidad para calcular la eficiencia o rendimiento térmico de cualquier máquina térmica, ya sea una bomba térmica, un motor de combustión, o un sistema de refrigeración. Aunque en este artículo nos centraremos en los motores de combustión, dada la temática de AM.
Además, existen tres tipos de rendimiento térmico cuando se habla de un motor de ciclo Otto o Diesel:
- Ideal: se define como la relación entre la cantidad de energía transformado en trabajo útil y la cantidad de energía suministrada. Según la segunda ley de la termodinámica, ningún motor puede convertir toda la energía en trabajo mecánico. Por tanto, en la práctica no existe un motor con un rendimiento térmico ideal.
- Efectivo: es el rendimiento térmico real que tiene un motor.
- Máximo: es el rendimiento máximo de un tipo de motor, por ejemplo el 30% y el 40% (aprox.) citado anteriormente para el de gasolina y el diésel. Dicho de otro modo, las limitaciones arquitectónicas o limitantes de un tipo de máquina térmica.
Eficiencia térmica diésel vs. gasolina
La eficiencia térmica en un motor de ciclo Otto (gasolina) no es el mismo que el de un motor de ciclo Diesel. Se comportan de diferente forma a nivel termodinámico, y esto hace que tengan diferencias en cuanto a la eficiencia. Además, tampoco es lo mismo un motor de 4 tiempos alternativo, a un motor Wankel, etc.
Ciclo Otto
En un motor de ciclo Otto, que corresponde a ciclos termodinámicos para motores de gasolina, etanol, o gases, ya sean de 2 tiempos (1 vuelta de cigüeñal) o de 4 tiempos (2 vueltas de cigüeñal). En estos motores se producen una serie de etapas como la admisión, compresión, combustión o encendido, expansión y escape.
En estos motores, la eficiencia o rendimiento térmico depende de la relación de compresión, es decir, entre la proporción entre el volumen máximo y el mínimo de la cámara de combustión. Mientras mayor sea la relación, mejor será la eficiencia, aunque también se necesitarían combustibles de alto índice de octanos para evitar un fenómeno conocido como detonación (auto-ignición del combustible antes de producirse la chispa de la bujía).
En definitiva, el rendimiento térmico medio de un buen motor Otto de 4 tiempos está entre el 25 y el 30%, dependiendo del tipo de motor y del fabricante.
Ciclo Diesel
Este ciclo Diesel también establece el diagrama de comportamiento térmico para un motor diésel de 4 tiempos o de 2 tiempos. En este caso, existen algunas particularidades, a lo que hay que agregar su mayor relación de compresión frente a los motores de gasolina. Por tanto, la eficiencia térmica en este caso va desde el 30 al 45%.
Como curiosidad, el motor diésel más eficiente del mundo por el momento mide 5 metros de alto y 9 metros de largo, con 13.142 CV de potencia. Se trata del Wärtsilä 31, fabricado en Finlandia y destinado al uso naval. Este motor consume unas 38.8 toneladas de combustible por día, algo que parece una barbaridad, pero que no es tanto cuando se habla de este tipo de moles para barcos…
¿Es posible una maquina térmica con eficiencia del 100%?
Esta pregunta es muy recurrente, y lo cierto es que no es posible conseguir un motor o máquina con un rendimiento del 100%. Eso es solo teórico. Conseguir una máquina perfecta sería todo un logro y reduciría el consumo energético, pero eso significaría crear un motor tan eficiente que pueda transformar toda la energía del combustible en movimiento.
Pero esto no es así, en los motores reales, ya que existe el rozamiento entre piezas, el calor que se fuga, etc. Con la mejora de los lubricantes, las nuevas arquitecturas de motores, tecnologías de inyección, etc., se está mejorando la eficiencia, pero es imposible llegar a ese 100%.
Y, por supuesto, tampoco es posible conseguir un motor con una eficiencia térmica superior al 100%, ya que eso sería tanto como decir que se obtiene energía nueva, algo que atenta directamente con el primer principio de la termodinámica.
Cálculo de la eficiencia térmica
Para calcular la eficiencia térmica o rendimiento térmico de un motor cualquiera, se debe aplicar la fórmula de Carnot:
Donde Th es la temperatura del foco caliente de la máquina, en este caso el motor de combustión interna, y Tc es la temperatura del foco frío. Por tanto, se deduce que para conseguir mayor eficiencia, la temperatura entre el fluido caliente y frío debe ser lo más dispar posible.
Evidentemente, esto es muy genérico, y si se desea aplicar a un motor de combustión interna como el de los coches, entonces la fórmula debe quedar así:
En este caso, W es el trabajo efectuado, Qc es el foco o fuente caliente, Qf es el foco frío al que cede calor el motor. Además, para que la ley de conservación de la energía no se vulnere, se debe cumplir que el foco caliente es igual al trabajo sumado al calor del foco frío. Y siempre se cumplirá que 0<η<1. Por otro lado, también debe quedar claro que el trabajo (W) será igual al calor de entrada menos el calor de salida.
Otra forma de calcular la eficiencia de un motor, es sabiendo la potencia útil y la potencia consumida en kW. Esto es clave la relación de compresión del motor, ya que mientras mayor sea, mejor será la eficiencia.
Por ejemplo, si se tiene 200 J de energía térmica como calor de entrada, y el motor puede desarrollar 80 J de trabajo, entonces 80/200 = 0.4 (0.4 x 100 = 40% de eficiencia). Lo mismo ocurriría si se mide el calor del escape del motor, por ejemplo, si la energía puesta en el motor es de 200 J por el combustible y se observa una salida por el escape de 120 J, entonces el trabajo realizado es 80 J (200-120) y la eficiencia es del 40%, ya que si se divide 120/200=0.6, que es la energía que se desperdicia y que por tanto no se transforma en trabajo…