Publicada enMecánica Automotriz

Pérdida de energía química del combustible

La mayor parte de la energía química del combustible que ingresa a un motor de combustión interna no se transforma en trabajo mecánico útil en el cigüeñal. Termodinámicamente, la fracción predominante abandona el motor como energía térmica, principalmente mediante los gases de escape y la transferencia de calor hacia las paredes de la cámara, el aceite y el sistema de refrigeración.

Por tanto, la respuesta “rechazo de calor al escape” es parcialmente correcta, pero resulta demasiado limitada. La formulación más rigurosa es rechazo de calor al escape y al sistema de refrigeración, acompañado por pérdidas de fricción, bombeo, accionamiento de accesorios e irreversibilidades de la combustión. El escape puede representar individualmente una de las corrientes energéticas más importantes, pero no constituye siempre y bajo todas las condiciones la mayor pérdida aislada.

En vehículos convencionales, aproximadamente entre el 60 % y el 80 % de la energía química del combustible puede terminar como calor residual, aunque la distribución exacta cambia según el tipo de motor, régimen, carga, ciclo de conducción, temperatura y tecnología empleada. En un análisis de un automóvil ligero de gasolina, las pérdidas combinadas del motor por escape, refrigeración y fricción alcanzaron aproximadamente entre el 69 % y el 78 % de la energía del combustible según el ciclo de conducción evaluado.

Balance energético

La combustión libera la energía química almacenada en el combustible y eleva la energía interna de los gases encerrados en el cilindro. El aumento de temperatura y presión permite que los gases empujen los pistones durante la expansión.

Un balance simplificado puede expresarse como:

Energía del combustible = trabajo útil + energía del escape + calor de refrigeración + pérdidas mecánicas y auxiliares

También puede escribirse de manera aproximada como:

Qcombustible = Wfreno + Qescape + Qrefrigeración + Qfricción + Qauxiliares

En esta expresión, Qcombustible representa la energía química liberada, Wfreno es el trabajo mecánico disponible en el cigüeñal y los términos restantes corresponden a diferentes destinos de la energía no convertida en potencia útil.

Desde la primera ley de la termodinámica, la energía no desaparece. El término “pérdida” significa que una parte deja de estar disponible para impulsar el vehículo y termina en formas menos aprovechables. El calor expulsado al ambiente continúa siendo energía, pero normalmente posee una temperatura y una capacidad de producir trabajo mucho menores que las existentes durante la combustión.

Eficiencia térmica

La eficiencia térmica al freno relaciona la energía mecánica entregada por el cigüeñal con la energía química suministrada por el combustible:

ηb = Wb / Qcombustible

Si un motor recibe 100 unidades de energía química y entrega 30 unidades como trabajo en el eje, su eficiencia térmica al freno es del 30 %. Las 70 unidades restantes se distribuyen entre el escape, la refrigeración, la fricción, el bombeo y otras pérdidas.

La eficiencia no es constante. Un mismo motor puede operar con una eficiencia muy baja durante el ralentí o bajo cargas reducidas y acercarse a su eficiencia máxima en una combinación específica de régimen y carga.

La definición de trabajo también debe especificarse. La eficiencia indicada considera el trabajo producido dentro de los cilindros, mientras que la eficiencia al freno mide la energía que realmente llega al eje después de descontar fricción, bombeo y accionamiento de auxiliares.

Segunda ley

La imposibilidad de transformar toda la energía térmica en trabajo no se debe únicamente a defectos de fabricación. Una parte de la limitación es inherente a la segunda ley de la termodinámica.

Un motor térmico opera entre una región de alta temperatura, generada por la combustión, y una región de menor temperatura representada por el ambiente. Para completar un ciclo y devolver el fluido de trabajo a un estado que permita repetir el proceso, debe existir algún rechazo de calor.

Incluso un motor térmico ideal y reversible no podría convertir el 100 % del calor recibido en trabajo mientras operara entre dos temperaturas finitas. La eficiencia máxima teórica de un motor de Carnot se expresa como:

ηCarnot = 1 − Tfría / Tcaliente

Las temperaturas deben expresarse en kelvin. Cuanto mayor sea la temperatura de la fuente caliente y menor la de la fuente fría, mayor será la eficiencia máxima posible. Sin embargo, si la temperatura fría es superior al cero absoluto, la eficiencia siempre será inferior al 100 %.

Los motores reales se encuentran muy por debajo del límite de Carnot porque la combustión, la transferencia de calor, el movimiento de los gases y la fricción producen entropía e irreversibilidades. La segunda ley establece que una máquina térmica cíclica no puede convertir perfectamente todo el calor en trabajo.

Calor de combustión

La combustión transforma reactivos de alta energía química en productos más estables, principalmente dióxido de carbono y agua cuando la oxidación es completa. La diferencia energética eleva fuertemente la temperatura de los gases.

En un motor real, esta reacción no ocurre de manera instantánea ni reversible. Existen gradientes de temperatura, mezcla imperfecta, velocidades de reacción finitas, disociación molecular y transferencia térmica entre regiones con temperaturas diferentes.

Estas condiciones provocan destrucción de exergía, es decir, reducción de la fracción de energía que potencialmente podría convertirse en trabajo. Aunque la energía total se conserva, disminuye su calidad termodinámica.

La combustión puede liberar prácticamente toda la energía química del combustible y aun así producir una eficiencia mecánica limitada. Una combustión completa no significa que toda la energía liberada termine en el cigüeñal; solo indica que quedó poca energía química en forma de combustible sin quemar.

Transferencia a las paredes

Los gases de combustión alcanzan temperaturas mucho mayores que las superficies de la cámara. Esta diferencia impulsa una transferencia de calor hacia la culata, las paredes del cilindro, las válvulas y la corona del pistón.

La energía atraviesa las capas metálicas y llega al refrigerante o al aceite. El sistema de refrigeración la transporta hasta el radiador, donde finalmente se transfiere al aire exterior.

Esta corriente térmica es necesaria para impedir temperaturas capaces de degradar el lubricante, deformar la culata, producir preignición, dañar válvulas o fundir los pistones. Por ello, el radiador no crea la pérdida energética; elimina el calor que ya abandonó los gases y penetró en la estructura del motor.

Una cámara con una gran relación entre superficie y volumen tiende a presentar mayores pérdidas térmicas relativas. Esta es una razón por la cual los cilindros pequeños pueden experimentar una transferencia de calor proporcionalmente mayor que cilindros grandes bajo condiciones comparables.

Reducir excesivamente el rechazo térmico tampoco garantiza que toda esa energía adicional se convierta en trabajo. Parte puede permanecer en los gases y salir por el escape con una temperatura superior.

Energía del escape

Cuando se abre la válvula de escape, los gases todavía poseen presión y temperatura elevadas. Una primera fracción abandona rápidamente el cilindro durante la fase conocida como blowdown o descarga espontánea. Después, el pistón desplaza el resto durante la carrera de escape.

La corriente de escape transporta energía en forma de entalpía, energía cinética y, en menor medida, energía química asociada con productos de combustión incompleta. En un motor típico, alrededor del 30 % de la energía química puede abandonar el sistema mediante gases de escape calientes, aunque la proporción cambia ampliamente con la operación.

Esta energía no es completamente recuperable. A medida que el gas se enfría y se aproxima a la temperatura ambiental, disminuye su capacidad para realizar trabajo. Además, deben mantenerse condiciones térmicas suficientes para que funcionen el catalizador, el filtro de partículas y otros dispositivos de postratamiento.

La fracción energética del escape suele aumentar a alta carga y velocidad. Cuando el motor quema más combustible y produce un mayor caudal de gases, una cantidad considerable de energía puede salir antes de ser aprovechada completamente durante la expansión.

Expansión incompleta

Para extraer toda la energía posible de los gases, estos deberían expandirse hasta aproximarse a la presión y temperatura ambientales. En un motor alternativo convencional, la relación geométrica de expansión es limitada.

Cuando la válvula de escape abre, todavía existe presión útil dentro del cilindro. Adelantar su apertura facilita la expulsión de los gases y reduce el trabajo que el pistón debe realizar durante el escape, pero también termina anticipadamente la expansión.

Retrasar demasiado la apertura permitiría extraer más trabajo, aunque podría aumentar el esfuerzo de bombeo y dificultar el vaciado del cilindro. La calibración representa un compromiso entre potencia, eficiencia, temperatura de escape, emisiones y renovación de la carga.

Los ciclos de expansión prolongada, como las estrategias de tipo Atkinson o Miller, intentan obtener más trabajo antes de expulsar los gases. Sin embargo, también presentan compromisos relacionados con potencia específica, llenado y sobrealimentación.

Fricción mecánica

La fricción transforma energía mecánica organizada en energía interna y calor. Las principales zonas de rozamiento incluyen los segmentos contra las paredes del cilindro, los cojinetes del cigüeñal, los apoyos del árbol de levas, el mecanismo de válvulas y los engranajes o cadenas de distribución.

La bomba de aceite necesita potencia para mover el lubricante y mantener la presión. La bomba de refrigerante, el alternador, la bomba de vacío y otros dispositivos también consumen parte del trabajo producido.

Gran parte de la energía perdida por fricción termina calentando el aceite, los cojinetes, los cilindros y otros componentes. Posteriormente se disipa mediante el refrigerante, el cárter y el aire que circula alrededor del motor.

El uso de lubricantes adecuados, superficies mejoradas, segmentos de baja tensión y sistemas auxiliares de demanda variable puede reducir estas pérdidas, pero no eliminarlas por completo.

Bombeo

El motor debe aspirar aire y expulsar gases. Este intercambio requiere trabajo y produce las denominadas pérdidas de bombeo.

En un motor de gasolina convencional a carga parcial, la mariposa de aceleración restringe el paso de aire y genera una presión reducida en el múltiple de admisión. Durante la carrera de admisión, el pistón debe trabajar contra esa depresión.

Esta es una de las razones por las que el motor puede ser poco eficiente durante circulación ligera. Aunque el vehículo requiere poca potencia, el motor debe continuar superando restricciones de admisión, fricción y accesorios.

Los motores diésel regulan normalmente la potencia modificando la cantidad de combustible en vez de estrangular intensamente el aire, por lo que suelen presentar menores pérdidas de bombeo a carga parcial. La recirculación de gases, los sistemas de postratamiento y la sobrealimentación pueden introducir otras resistencias.

Ralentí

Durante el ralentí, el cigüeñal no entrega trabajo útil para desplazar el vehículo. Toda la energía del combustible consumido se destina a mantener el motor funcionando y termina finalmente como calor, ruido o movimiento de componentes auxiliares.

El motor debe superar su propia fricción, accionar las bombas, mantener la presión eléctrica y compensar cargas como el compresor del aire acondicionado.

Por esta razón, la eficiencia útil del conjunto propulsor puede considerarse cercana a cero cuando el vehículo permanece detenido con el motor encendido, aunque el proceso de combustión sea estable.

Los sistemas de parada y arranque reducen esta pérdida al apagar el motor durante detenciones. Los híbridos también pueden evitar operar el motor en regiones muy ineficientes y utilizarlo en zonas de mayor carga específica.

Gasolina y diésel

Los motores diésel suelen alcanzar una eficiencia térmica superior debido a sus mayores relaciones de compresión, funcionamiento con exceso de aire y menores pérdidas por estrangulamiento.

En motores diésel pesados operando cerca de su punto óptimo, la proporción convertida en trabajo puede rondar o superar el 40 %. En motores de gasolina utilizados durante ciclos urbanos, la eficiencia media puede ser considerablemente menor.

Esto no significa que un tipo de motor posea siempre una distribución energética fija. La eficiencia depende del diseño, la cilindrada, el sistema de combustión, la sobrealimentación, las emisiones, el régimen y la carga.

La afirmación de que “más del 60 % se pierde” es razonable como valor general para numerosos motores y ciclos de conducción convencionales, pero no debe tratarse como una constante universal. NREL ha señalado rangos aproximados del 60 % al 80 % de la energía química transformada en calor residual en vehículos convencionales.

Turbocompresor

El turbocompresor recupera parte de la energía del escape. Los gases hacen girar una turbina conectada a un compresor que eleva la presión del aire de admisión.

La turbina no crea energía gratuita. Introduce contrapresión en el sistema de escape y solo puede recuperar una fracción de la energía disponible. El resultado neto es favorable cuando la energía recuperada mejora el llenado, permite reducir la cilindrada o aumenta la expansión efectiva sin que las pérdidas adicionales superen el beneficio.

Una parte importante del calor permanece en los gases después de atravesar la turbina. Esa energía se necesita también para mantener activos los sistemas de postratamiento.

El turbocompound agrega una turbina de potencia destinada a transmitir trabajo mecánico o generar electricidad. Esta solución puede mejorar la eficiencia en motores que operan durante periodos prolongados a alta carga, especialmente en aplicaciones pesadas.

Recuperación térmica

La energía residual también puede aprovecharse mediante ciclos Rankine, generadores termoeléctricos o sistemas de cogeneración. Un ciclo Rankine utiliza el calor del escape para vaporizar un fluido y producir trabajo adicional mediante una turbina o expansor.

Los dispositivos termoeléctricos convierten directamente una diferencia de temperatura en electricidad, aunque su eficiencia y costo limitan su aplicación masiva.

En instalaciones estacionarias, el calor del refrigerante y del escape puede utilizarse para calefacción, producción de agua caliente o procesos industriales. Cuando se aprovechan simultáneamente electricidad y calor, la eficiencia energética global del sistema puede ser mucho mayor que la eficiencia mecánica del motor por sí solo.

Sin embargo, recuperar energía no implica que toda ella pueda transformarse en trabajo. El calor del refrigerante posee una temperatura relativamente baja y, por ello, una exergía menor que la corriente de escape caliente. Cuanto menor es la diferencia de temperatura respecto del ambiente, más difícil resulta obtener trabajo útil.

Energía y exergía

El análisis energético basado en la primera ley cuantifica cuánta energía entra y sale. El análisis de exergía, fundamentado en la segunda ley, evalúa cuánto trabajo máximo podría obtenerse al llevar una corriente hasta el equilibrio con el ambiente.

Cien kilojoules de energía química en el combustible tienen una capacidad de producir trabajo muy superior a cien kilojoules de agua ligeramente caliente. La cantidad energética puede ser igual, pero su calidad termodinámica es distinta.

El escape conserva una exergía apreciable debido a su temperatura, presión y composición. El calor transferido al refrigerante tiene una capacidad menor de convertirse nuevamente en trabajo porque su temperatura está más próxima a la ambiental.

Además, la combustión destruye una parte importante de la exergía química debido a las reacciones irreversibles, la mezcla de especies y los gradientes térmicos. Estudios del Departamento de Energía identifican la transferencia de calor a las paredes, la energía no recuperada del escape y la irreversibilidad de la combustión entre las mayores pérdidas termodinámicas de los motores.

Interpretación correcta

Termodinámicamente, la mayor fracción de la energía del combustible se vuelve inutilizable para la propulsión mediante rechazo térmico e irreversibilidades. Una parte sale directamente con el escape caliente y otra atraviesa las paredes del motor hasta el refrigerante, el aceite y el ambiente.

La respuesta breve recomendada puede formularse de la siguiente manera:

Rechazo de calor al escape y al sistema de refrigeración: La mayor parte de la energía química del combustible no se convierte en trabajo útil. Debido a los límites de los motores térmicos y a las irreversibilidades reales, una fracción considerable se evacua con los gases de escape y mediante la refrigeración, mientras el resto de las pérdidas corresponde principalmente a fricción, bombeo y accesorios.

No sería preciso afirmar que toda la fracción superior al 60 % sale exclusivamente por el múltiple de escape. El escape puede transportar alrededor de un tercio de la energía en numerosas aplicaciones, pero el balance restante incluye transferencia hacia las paredes, refrigerante, aceite y componentes mecánicos.

El motor no “destruye” la energía del combustible. La degrada desde una forma química altamente aprovechable hacia calor distribuido a temperaturas cada vez más próximas a la del ambiente. Esa reducción de la capacidad de producir trabajo constituye el verdadero significado termodinámico de la pérdida.

Referencias