8 feb. 2013

MOTORES DIESEL III

...Continuación post anteriores.

Continúo con los motivos por los que un motor diésel consume menos que un motor de gasolina.

Motivo 3 - el rendimiento que alcanza un motor diésel es mayor
Como explicaba en este post sobre el consumo específico existe un punto conocido como el polo económico en el que rendimiento del motor es máximo. El rendimiento máximo que se puede alcanzar con un motor diésel es mayor.

El rendimiento máximo de un motor diésel bien diseñado oscilará entre un 40% y un 45%. En general cuanto más grande y refinado sea el motor, mejor será el rendimiento.

Tomo como ejemplo el post referido, tenemos un motor Volkswagen desarrollado hace quince años:

Motor turbodiésel de 1,9litros de cilindrada y una potencia máxima de 90CV. El consumo específico en el polo económico es de 197gr/KWh. Por tanto, el rendimiento es:

η = 1KWh/197gr gasóleo = 3600KJ/0,197Kg×35,86MJ/Kg = 42%

NOTA: como curiosidad los mejores rendimientos se obtienen con motores muy grandes. Estos motores son típicamente de dos tiempos. Uno de los clásicos son los motores de aviación Jumo 20X de Junkers, desarrollados a final de los años 20, y puestos en servicio a principios de los años 30. El Jumo 205 alcanzaba un rendimiento del 40%. Otro ejemplo: el motor marino MAN Diesel S80ME-C Mk7 de 23MW de potencia. Este motor alcanza un rendimiento record del 54%.

En cambio los mejores motores de gasolina no alcanzan un rendimiento del 40%. Un par de ejemplos:

Motor Potencia Año Rendimiento
Toyota Prius 57KW1 2004 37%
Ford EcoBoost 74KW - 184KW2 2011 35%
NOTA 1: este motor corresponde a la generación anterior, tenía una cilindrada de 1,5litros. La generación actual del Prius tiene una cilindrada de 1,8litros, una potencia de 73KW, y un rendimiento ligeramente superior.
NOTA 2: existen varios modelos, se muestra rango de potencia para motores de cilindrada entre 1litro y 2litros.


El motor del Toyota Prius es probablemente el motor de gasolina con mejor rendimiento que hay en el mercado. Los motores EcoBoost de Ford son de lo mejor que se puede encontrar en los coches de precio razonable no híbridos. 

Una de las claves para esta diferencia en el rendimiento está en la relación de compresión3. La relación de compresión es la relación entre la densidad del aire exterior, y la densidad del aire en la cámara de combustión (para un motor de combustión alternativa corresponderá a la densidad en el punto muerto superior). Teóricamente cuanto mayor es la relación de compresión mayor es el rendimiento del motor4. En realidad para relaciones de compresiones muy elevadas esto deja de ser cierto por que la temperatura del aire es tan elevada que la combustión es menos eficiente5. Es decir, se obtiene más energía quemando el combustible en una cámara de combustión con una temperatura de partida de  400ºC, que en una cámara de combustión con una temperatura de partida de 1000ºC. La relación de compresión óptima para un motor de combustión alternativa suele estar por encima de 20.
NOTA 3: normalmente cuando consultas la relación de compresión de un motor el dato que te dan es la relación de compresión geométrica del motor. Es decir la relación entre el volumen de la cámara de combustión en el punto muerto superior, y el volumen con el cilindro en el punto muerto inferior. Sin embargo la relación de compresión real es diferente por diversos motivos. En particular si el motor tiene un turbocompresor la relación de compresión será mayor, ya que el aire se comprime antes de entrar en la cámara de combustión. Por eso he definido la relación de compresión de una forma ligeramente diferente.
NOTA 4: si el motor sigue un ciclo de Carnot (ver post) el rendimiento no depende de la relación de compresión. En cambio si el motor sigue un ciclo diésel o un ciclo Otto (modelo aproximado de un motor de gasolina) hay una importante dependencia con la relación de compresión. No obstante, la realidad se parece poco a un ciclo termodinámico ideal, por lo que no creo que tenga sentido presentar las ecuaciones de estos ciclos termodinámicos.
NOTA 5: cuanto menor sea el rendimiento del proceso de compresión más acusado será este fenómeno de calentamiento del aire. Y menor será la relación de compresión óptima. Volveré sobre este tema cuando hable sobre los turbocompresores.


Los motores diésel están diseñados típicamente para relaciones de compresión elevadas (entorno de 20). Esto no es posible en los motores de gasolina por el riesgo de detonaciones. Las detonaciones se conocen popularmente como "picar biela". La relación de compresión de un motor de gasolina convencional está limitada al entorno de 10 (excepcionalmente cerca de 15). Más adelante veremos que existen diversas opciones para aumentar la relación de compresión, pero incluso en los motores más modernos y utilizando combustibles con octanaje elevado, la relación de compresión está por debajo de un motor diésel.

Motivo 4 - el rendimiento de un motor diésel a cargas parciales es mejor
Ya he repetido en varias ocasiones que un motor normalmente funciona a cargas muy bajas, independientemente del régimen, el rendimiento del motor es peor a cargas bajas. Vuelvo a tomar como ejemplo el post sobre el consumo específico.

En un motor diésel el funcionamiento a cargas parciales es tecnológicamente muy sencillo. Simplemente se inyecta menos combustible. Por eso a cargas parciales el rendimiento es relativamente bueno. Veámoslo con un ejemplo (Fuente diagrama Wikipedia):


En este motor diésel si nos mantenemos en un régimen de giro bajo (menos de 2000rpm), obtendremos un rendimiento elevado mientras nos mantengamos por encima del 25% del par máximo.

Ahora tomemos un ejemplo de un motor de gasolina (Fuente diagrama Sciencedirect):


Este es un motor con un rendimiento máximo razonable (33%), y una curva de par máximo bastante plana entre 1000rpm y 6000rpm, por tanto en este sentido más elástico que el motor turbodiésel elegido como ejemplo.

En este motor incluso en el régimen de giro ideal de 1500rpm, debemos mantenernos por encima del 30% del par máximo para conseguir un buen rendimiento. Fuera de ese punto debemos mantenernos por encima del 35% o del 40% del par máximo. Esto explica por que es tan difícil conseguir un buen consumo con motores potentes de gasolina (ver este post sobre este tema), y en cambio con un motor de gasolina justo de potencia es más fácil conseguir buenos consumos.

Este problema donde se hace muy patente es en la circulación urbana. Los coches con motores de gasolina potentes tienen unos consumos homologados en ciclo urbano malos.

¿Por qué ocurre esto?

El problema está en el proceso de combustión. En un motor de gasolina convencional no se puede seguir la estrategia de los motores diésel, si simplemente se inyecta menos gasolina la mezcla no se quema correctamente. Por eso se colocó hace muchos años una válvula mariposa (o sistema equivalente que reduce el caudal) en la admisión.

Permitidme que explique este problema con un poco más de detalle. Cuando mezclamos un combustible con el aire podemos tener tres tipos de mezcla en función de la cantidad de combustible aportado:
  • Mezcla estequiométrica: tenemos la cantidad de oxigeno justa en el aire para quemar el combustible.
  • Mezcla rica: tenemos más combustible que el oxigeno disponible. Por tanto no todo el combustible se quemará. Obviamente este tipo de combustión es altamente contaminante, ya que estamos emitiendo combustible sin quemar y gases como el monóxido de carbono.
  • Mezcla pobre: tenemos más oxigeno que el necesario para quemar el combustible, por tanto parte del oxigeno no se quema.
Pues bien, las mezclas pobres de aire con gasolina no queman bien. Por eso en los motores de gasolina lo que se ha hecho tradicionalmente (a cargas parciales) es cerrar parcialmente la admisión  para que entre menos aire. De esta manera se puede reducir la cantidad de combustible que se inyecta, manteniendo una proporción casi estequiométrica. Esto perjudica al rendimiento, al menos aumentan las perdidas de bombeo de aire. A fin de cuentas un motor está continuamente bombeando aire. Bombear ese aire requiere un trabajo, es decir son perdidas para el rendimiento del motor. Cerrar la admisión aumenta esas pérdidas.

Los fabricantes de coches han trabajado mucho en soluciones para mitigar las pérdidas asociadas a la válvula de mariposa. Por ejemplo el cierre de cilindros y la mezcla estratificada. Lo explicaré más adelante cuando revise los motores de gasolina. Por tanto, en un buen motor moderno de gasolina la perdida de rendimiento a cargas parciales se ha reducido respecto a los motores tradicionales de gasolina.

Continuará...

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