Ideas para mejorar el rendimiento de un motor

Por su interés técnico incluimos a continuación el artículo escrito por Francisco Payri González, Catedrático de Universidad, director de CMT-Motores Térmicos (UPV) y Personaje Ilustre de la Automoción Española, designado por ASEPA.

Está científicamente demostrado, y es un hecho reconocido, que un motor térmico alternativo, distribuye la energía que obtiene al quemar el combustible, en tres partes aproximadamente iguales, a saber: Trabajo en el eje, energía térmica en el refrigerante y energía en los gases de escape. Esto significa, dicho en otros términos, que el rendimiento de un motor es de alrededor del 33%.

Dado que esta afirmación es cierta, a cualquier persona con inquietudes científicas se le puede ocurrir la idea de intentar recuperar la parte de energía del combustible que se pierde tanto en el refrigerante, como en los gases de escape, con el objetivo de mejorar el rendimiento.

Centrémonos en un primer paso en eliminar la energía cedida al refrigerante, en este caso se nos podría ocurrir construir un motor que en el límite fuera adiabático, es decir que no trasmitiese calor. Tecnológicamente la solución podría ser emplear material cerámico, puesto que conduce mal el calor, los problemas que nos encontraríamos son que no es fácil construir un motor cerámico y suponiendo que fuera posible, el precio sería prohibitivo.

Si obviamos estos problemas y admitimos que hemos sido capaces de construirlo, nos quedaría el problema de las bajas características del material cerámico para resistir los elevados esfuerzos que aparecen cuando el motor funciona. Si, a pesar de todo, fuéramos capaces de superar todos los inconvenientes apuntados, el siguiente paso sería ensayar el motor para medir sus prestaciones. Manteniendo la misma cantidad de combustible introducido, que en el ensayo de un motor convencional, los resultados serían aproximadamente los siguientes:

 La potencia del motor prototipo subiría entre un 5 y un 7% respecto a la del motor convencional.
 La temperatura de los gases de escape aumentaría mucho.
 La temperatura que alcanzarían los elementos del motor también crecería.

Además de los pobres resultados, nos encontraríamos con que aparecerían nuevos problemas, como por ejemplo dilataciones excesivas o la falta de lubricación. En el supuesto de que todos los problemas enumerados tuvieran solución, lo que demuestra un optimismo excesivo, el resultado final es que solo mejoraría el rendimiento del motor entre un 5 y un 7%. En realidad si se tiene en cuenta que el motor no puede ser completamente adiabático y que es necesario acotar las temperaturas del material a valores admisibles, el resultado final sería, en el mejor de los casos, una mejora entre el 1 y el 1,5%.

A la vista de los resultados del ensayo, una vez más alguien podría pensar que lo que ha sucedido en el motor es que las pérdidas de energía que se daban en el refrigerante han pasado, en parte al menos, a los gases de escape (aumento de temperatura de los gases), afirmación que es muy acertada, por lo tanto, la solución del problema planteado de bajo rendimiento del motor estaría en eliminar, o al menos reducir, la energía perdida de los gases de escape.

En este segundo caso el nivel científico de la discusión, para abordar la justificación de los resultados, habría que elevarlo, para llegar finalmente a la siguiente conclusión: En un motor térmico alternativo una vez que los gases salen de los cilindros, no es posible obtener más trabajo de esos gases en el propio motor, otra cuestión sería recuperar parte de esa energía en otro tipo de máquina, lo cual es posible.

Este es el caso que se da actualmente en los motores de F1, que recuperan parte de la energía de los gases de escape utilizando la turbina del grupo de sobrealimentación para generar, en condiciones concretas, energía eléctrica que es almacenada en baterías y que se utiliza cuando es necesaria. No se pueden olvidar algunos inconvenientes importantes que aparecen cuando se aplica esta solución, entre los que hay que destacar la complicación electromecánica que tiene y su coste de implantación, teniendo además presente que la cantidad de energía que es posible recuperar es pequeña en comparación con la energía disponible en los gases de escape, circunstancia que se puede justificar por razones termodinámicas.

En resumen, no queda más remedio que tener en cuenta que las leyes de la física no pueden ser obviadas, y que las limitaciones tecnológicas y los costes son muros difíciles de superar. Sin embargo, es evidente que algún paso en las direcciones apuntadas se puede seguir dando cuando se diseñan de los motores, para que se produzcan mejoras en el rendimiento.

¿Dónde están consideradas las pérdidas debidas al rozamiento que no son despreciables? Otro día veremos qué se puede hacer.

Antonio Mozas Martínez

Director de ASEPA (Asociación Española de Profesionales de Automoción)

 
 ]]>