La eficiencia de los motores térmicos es la relación entre la energía total contenida en el combustible y la cantidad de energía utilizada para realizar un trabajo útil. Existen dos clasificaciones de motores térmicos:
Cada uno de estos motores tiene características de eficiencia térmica que son únicas para él.
La eficiencia del motor, el diseño de la transmisión y el diseño de los neumáticos contribuyen a la eficiencia de combustible de un vehículo .
La eficiencia de un motor se define como la relación entre el trabajo útil realizado y el calor proporcionado.
donde, es el calor absorbido y es el trabajo realizado.
Tenga en cuenta que el término trabajo realizado se relaciona con la potencia entregada en el embrague o en el eje de transmisión .
Esto significa que la fricción y otras pérdidas se restan del trabajo realizado por la expansión termodinámica. Por lo tanto, un motor que no entrega ningún trabajo al ambiente exterior tiene una eficiencia cero.
La eficiencia de los motores de combustión interna depende de varios factores, el más importante de los cuales es la relación de expansión. En cualquier motor térmico, el trabajo que se puede extraer de él es proporcional a la diferencia entre la presión inicial y la presión final durante la fase de expansión. Por lo tanto, aumentar la presión inicial es una forma eficaz de aumentar el trabajo extraído (disminuir la presión final, como se hace con las turbinas de vapor mediante el vaciado en vacío, también es eficaz).
La relación de compresión (calculada puramente a partir de la geometría de las partes mecánicas) de una gasolina típica es de 10:1 ( combustible premium ) o 9:1 (combustible regular), y algunos motores alcanzan una relación de 12:1 o más. Cuanto mayor sea la relación de expansión, más eficiente será el motor, en principio, y los motores convencionales con una relación de compresión/expansión más alta en principio necesitan gasolina con un valor de octano más alto , aunque este análisis simplista se complica por la diferencia entre las relaciones de compresión reales y geométricas. El valor de octano alto inhibe la tendencia del combustible a quemarse casi instantáneamente (lo que se conoce como detonación o detonación ) en condiciones de alta compresión/alto calor. Sin embargo, en los motores que utilizan compresión en lugar de encendido por chispa, por medio de relaciones de compresión muy altas (14-25:1), como el motor diésel o el motor Bourke , el combustible de alto octanaje no es necesario. De hecho, los combustibles de menor octanaje, normalmente clasificados por el número de cetano , son preferibles en estas aplicaciones porque se encienden más fácilmente bajo compresión.
En condiciones de aceleración parcial (es decir, cuando el acelerador no está completamente abierto), la relación de compresión efectiva es menor que cuando el motor está funcionando a máxima potencia, debido al simple hecho de que la mezcla de combustible y aire entrante está restringida y no puede llenar la cámara a la presión atmosférica completa. La eficiencia del motor es menor que cuando el motor está funcionando a máxima potencia. Una solución a este problema es cambiar la carga en un motor de varios cilindros de algunos de los cilindros (desactivándolos) a los cilindros restantes para que puedan funcionar con cargas individuales más altas y con relaciones de compresión efectivas correspondientemente más altas. Esta técnica se conoce como desplazamiento variable .
La mayoría de los motores de gasolina ( ciclo Otto ) y diésel ( ciclo Diesel ) tienen una relación de expansión igual a la relación de compresión . Algunos motores, que utilizan el ciclo Atkinson o el ciclo Miller , logran una mayor eficiencia al tener una relación de expansión mayor que la relación de compresión.
Los motores diésel tienen una relación de compresión/expansión de entre 14:1 y 25:1. En este caso, la regla general de mayor eficiencia a mayor compresión no se aplica porque los motores diésel con relaciones de compresión superiores a 20:1 son de inyección indirecta (a diferencia de la inyección directa). Estos utilizan una precámara para hacer posible el funcionamiento a altas RPM requerido en automóviles y camionetas. Las pérdidas térmicas y dinámicas de gas de la precámara hacen que los motores diésel de inyección directa (a pesar de su menor relación de compresión/expansión) sean más eficientes.
Un motor tiene muchas partes móviles que producen fricción . Algunas de estas fuerzas de fricción permanecen constantes (siempre que la carga aplicada sea constante); algunas de estas pérdidas por fricción aumentan a medida que aumenta la velocidad del motor, como las fuerzas laterales del pistón y las fuerzas de los cojinetes de conexión (debido al aumento de las fuerzas de inercia del pistón oscilante). Algunas fuerzas de fricción disminuyen a mayor velocidad, como la fuerza de fricción en los lóbulos de la leva que se utilizan para operar las válvulas de entrada y salida (la inercia de las válvulas a alta velocidad tiende a alejar el seguidor de leva del lóbulo de la leva). Junto con las fuerzas de fricción, un motor en funcionamiento tiene pérdidas de bombeo , que es el trabajo necesario para mover el aire dentro y fuera de los cilindros. Esta pérdida de bombeo es mínima a baja velocidad, pero aumenta aproximadamente con el cuadrado de la velocidad, hasta que a la potencia nominal un motor utiliza aproximadamente el 20% de la producción total de potencia para superar la fricción y las pérdidas de bombeo.
El aire contiene aproximadamente un 21 % de oxígeno . Si no hay suficiente oxígeno para una combustión adecuada, el combustible no se quemará por completo y producirá menos energía. Una proporción excesivamente rica de combustible y aire aumentará los contaminantes de hidrocarburos no quemados del motor. Si se consume todo el oxígeno porque hay demasiado combustible, se reduce la potencia del motor.
Como la temperatura de combustión tiende a aumentar con mezclas de aire y combustible más pobres, los contaminantes de hidrocarburos no quemados deben equilibrarse con niveles más altos de contaminantes como los óxidos de nitrógeno ( NOx ), que se crean a temperaturas de combustión más altas. Esto a veces se mitiga introduciendo combustible antes de la cámara de combustión para enfriar el aire entrante a través del enfriamiento por evaporación. Esto puede aumentar la carga total que ingresa al cilindro (ya que el aire más frío será más denso), lo que da como resultado más potencia, pero también niveles más altos de contaminantes de hidrocarburos y niveles más bajos de contaminantes de óxido de nitrógeno. Con la inyección directa, este efecto no es tan dramático, pero puede enfriar la cámara de combustión lo suficiente para reducir ciertos contaminantes como los óxidos de nitrógeno (NOx), al tiempo que aumenta otros como los hidrocarburos parcialmente descompuestos.
La mezcla de aire y combustible se introduce en el motor porque el movimiento descendente de los pistones induce un vacío parcial. También se puede utilizar un compresor para forzar una carga mayor (inducción forzada) en el cilindro para producir más potencia. El compresor se alimenta mecánicamente mediante sobrealimentación o mediante turboalimentación mediante escape . De cualquier manera, la inducción forzada aumenta la presión de aire en el exterior del puerto de entrada del cilindro.
Existen otros métodos para aumentar la cantidad de oxígeno disponible en el interior del motor; uno de ellos, es inyectar óxido nitroso , (N2O ) a la mezcla, y algunos motores utilizan nitrometano , un combustible que aporta el propio oxígeno que necesita para quemarse. Por ello, la mezcla podría ser de 1 parte de combustible y 3 partes de aire; de esta forma, es posible quemar más combustible en el interior del motor, y obtener mayores potencias.
Los motores alternativos en ralentí tienen una baja eficiencia térmica porque el único trabajo utilizable que se extrae del motor proviene del generador.
A bajas velocidades, los motores de gasolina sufren pérdidas de eficiencia en pequeñas aberturas del acelerador debido a la alta turbulencia y pérdida de fricción (carga) cuando el aire entrante debe abrirse paso alrededor del acelerador casi cerrado (pérdida de bomba); los motores diésel no sufren esta pérdida porque el aire entrante no está estrangulado, pero sufren una "pérdida de compresión" debido al uso de toda la carga para comprimir el aire a una pequeña cantidad de potencia de salida.
A altas velocidades, la eficiencia de ambos tipos de motores se ve reducida por las pérdidas de bombeo y fricción mecánica, y por el menor tiempo necesario para que se produzca la combustión. Las altas velocidades también dan lugar a una mayor resistencia.
Los motores de gasolina modernos tienen una eficiencia térmica máxima de más del 50%, [1] pero la mayoría de los automóviles legales para la carretera solo tienen alrededor del 20% al 40% cuando se usan para impulsar un automóvil. [2] [3] [4] [5] Muchos motores serían capaces de funcionar con una mayor eficiencia térmica, pero a costa de un mayor desgaste y emisiones. [6] En otras palabras, incluso cuando el motor está funcionando en su punto de máxima eficiencia térmica, de la energía térmica total liberada por la gasolina consumida, aproximadamente el 60-80% de la potencia total se emite como calor sin convertirse en trabajo útil, es decir, girar el cigüeñal. [7] Aproximadamente la mitad de este calor rechazado es arrastrado por los gases de escape, y la otra mitad pasa a través de las paredes del cilindro o la culata hacia el sistema de enfriamiento del motor, y pasa a la atmósfera a través del radiador del sistema de enfriamiento. [8] Parte del trabajo generado también se pierde en forma de fricción, ruido, turbulencia del aire y trabajo utilizado para hacer girar los equipos y aparatos del motor, como las bombas de agua y aceite y el generador eléctrico , quedando solo entre un 20 y un 40% de la energía liberada por el combustible consumido disponible para mover el vehículo.
Un motor de gasolina quema una mezcla de gasolina y aire, que consiste en un rango de aproximadamente doce a dieciocho partes (en peso) de aire por una parte de combustible (en peso). Una mezcla con una relación aire/combustible de 14,7:1 es estequiométrica , es decir, cuando se quema, se consume el 100% del combustible y el oxígeno . [ cita requerida ] Las mezclas con un poco menos de combustible, llamadas combustión pobre , son más eficientes. La combustión es una reacción que utiliza el contenido de oxígeno del aire para combinarse con el combustible, que es una mezcla de varios hidrocarburos , lo que da como resultado vapor de agua , dióxido de carbono y, a veces, monóxido de carbono e hidrocarburos parcialmente quemados. Además, a altas temperaturas, el oxígeno tiende a combinarse con el nitrógeno , formando óxidos de nitrógeno (generalmente denominados NOx , ya que el número de átomos de oxígeno en el compuesto puede variar, de ahí el subíndice "X"). Esta mezcla, junto con el nitrógeno no utilizado y otros elementos atmosféricos traza , es lo que se encuentra en el escape .
El ciclo más eficiente es el ciclo Atkinson, pero la mayoría de los fabricantes de motores de gasolina utilizan el ciclo Otto para lograr mayor potencia y par. Algunos diseños de motores, como el Skyactiv-G de Mazda y algunos motores híbridos diseñados por Toyota, utilizan los ciclos Atkinson y Otto junto con un motor/generador eléctrico y una batería de almacenamiento de tracción. El sistema de propulsión híbrido puede alcanzar eficiencias efectivas cercanas al 40 %.
Los motores que utilizan el ciclo diésel suelen ser más eficientes, aunque el ciclo diésel en sí es menos eficiente con relaciones de compresión iguales. Dado que los motores diésel utilizan relaciones de compresión mucho más altas (el calor de la compresión se utiliza para encender el combustible diésel de combustión lenta ), esa relación más alta compensa con creces las pérdidas de bombeo de aire dentro del motor.
Los motores turbodiésel modernos utilizan inyección de combustible common-rail controlada electrónicamente para aumentar la eficiencia. Con la ayuda de un sistema de turbocompresor geométricamente variable (aunque requiere más mantenimiento), esto también aumenta el par de los motores a bajas velocidades del motor (1200-1800 rpm). Los motores diésel de baja velocidad, como el MAN S80ME-C7, han logrado una eficiencia de conversión de energía general del 54,4 %, que es la conversión de combustible en energía más alta de cualquier motor de combustión interna o externa de ciclo único . [9] [10] [11] Los motores de camiones diésel grandes, autobuses y automóviles diésel más nuevos pueden alcanzar eficiencias máximas de alrededor del 45 %. [12]
La turbina de gas es más eficiente a máxima potencia de salida, de la misma manera que los motores alternativos son más eficientes a máxima carga. La diferencia es que a menor velocidad de rotación, la presión del aire comprimido cae y, por lo tanto, la eficiencia térmica y de combustible disminuyen drásticamente. La eficiencia disminuye de manera constante con una menor potencia de salida y es muy pobre en el rango de baja potencia.
General Motors fabricó en su momento un autobús propulsado por una turbina de gas, pero debido al aumento de los precios del petróleo crudo en la década de 1970, este concepto se abandonó. Rover , Chrysler y Toyota también construyeron prototipos de automóviles propulsados por turbinas. Chrysler construyó una serie corta de prototipos de ellos para su evaluación en el mundo real. La comodidad de conducción era buena, pero la economía general era deficiente debido a las razones mencionadas anteriormente. Esta es también la razón por la que las turbinas de gas se pueden utilizar para plantas eléctricas de potencia máxima y permanente. En esta aplicación, solo funcionan a plena potencia o cerca de ella, donde son eficientes, o se apagan cuando no se necesitan.
Las turbinas de gas tienen una ventaja en cuanto a densidad de potencia: se utilizan como motores en vehículos blindados pesados y tanques blindados y en generadores de energía en aviones de combate.
Otro factor que afecta negativamente la eficiencia de la turbina de gas es la temperatura del aire ambiente. A medida que aumenta la temperatura, el aire de admisión se vuelve menos denso y, por lo tanto, la turbina de gas experimenta una pérdida de potencia proporcional al aumento de la temperatura del aire ambiente. [13]
Los motores de turbina de gas de última generación han alcanzado una eficiencia del 46% en ciclo simple y del 61% cuando se utilizan en ciclo combinado . [14]
Los motores de vapor y las turbinas funcionan según el ciclo Rankine , que tiene una eficiencia de Carnot máxima del 63 % para motores prácticos, y las centrales eléctricas con turbinas de vapor pueden alcanzar una eficiencia cercana al 40 %.
La eficiencia de las máquinas de vapor está relacionada principalmente con la temperatura y la presión del vapor y el número de etapas o expansiones . [15] La eficiencia de las máquinas de vapor mejoró a medida que se descubrieron los principios de funcionamiento, lo que condujo al desarrollo de la ciencia de la termodinámica . Ver gráfico:Eficiencia de las máquinas de vapor
En las primeras máquinas de vapor, la caldera se consideraba parte del motor. Hoy en día, se consideran independientes, por lo que es necesario saber si la eficiencia indicada es global, que incluye la caldera, o solo la del motor.
Comparar la eficiencia y la potencia de las primeras máquinas de vapor es difícil por varias razones: 1) no había un peso estándar para un bushel de carbón, que podía estar entre 82 y 96 libras (37 y 44 kg). 2) No había un valor calorífico estándar para el carbón, y probablemente no había forma de medirlo. El carbón tenía un valor calorífico mucho más alto que el carbón vapor actual, a veces se mencionan 13.500 BTU/libra (31 megajulios/kg). 3) La eficiencia se informaba como "trabajo", es decir, cuántas libras-pie (o newton-metros) de trabajo se producían al levantar agua, pero no se conoce la eficiencia de bombeo mecánico. [15]
La primera máquina de vapor de pistón, desarrollada por Thomas Newcomen alrededor de 1710, tenía una eficiencia de poco más del medio por ciento (0,5 %). Funcionaba con vapor a presión casi atmosférica que la carga introducía en el cilindro y que luego se condensaba mediante un rocío de agua fría en el cilindro lleno de vapor, lo que provocaba un vacío parcial en el cilindro y la presión de la atmósfera para hacer descender el pistón. Al utilizar el cilindro como recipiente para condensar el vapor, también se enfriaba el cilindro, de modo que parte del calor del vapor entrante en el siguiente ciclo se perdía al calentar el cilindro, lo que reducía la eficiencia térmica. Las mejoras realizadas por John Smeaton a la máquina de Newcomen aumentaron la eficiencia a más del 1 %.
James Watt realizó varias mejoras en el motor Newcomen , la más importante de las cuales fue el condensador externo, que impedía que el agua de refrigeración enfriara el cilindro. El motor de Watt funcionaba con vapor a una presión ligeramente superior a la atmosférica. Las mejoras de Watt aumentaron la eficiencia en un factor de más de 2,5. [16] La falta de capacidad mecánica general, incluidos mecánicos expertos, máquinas herramienta y métodos de fabricación, limitó la eficiencia de los motores reales y su diseño hasta aproximadamente 1840. [17]
Los motores de mayor presión fueron desarrollados por Oliver Evans y Richard Trevithick , que trabajaron de forma independiente. Estos motores no eran muy eficientes, pero tenían una alta relación potencia-peso , lo que les permitía ser utilizados para propulsar locomotoras y barcos.
El regulador centrífugo , que Watt había utilizado por primera vez para mantener una velocidad constante, funcionaba estrangulando el vapor de entrada, lo que reducía la presión y provocaba una pérdida de eficiencia en los motores de alta presión (por encima de la atmosférica). [18] Los métodos de control posteriores redujeron o eliminaron esta pérdida de presión.
El mecanismo de valvulería mejorado de la máquina de vapor Corliss (patentado en 1849) era más capaz de ajustar la velocidad con cargas variables y aumentaba la eficiencia en aproximadamente un 30%. La máquina Corliss tenía válvulas y cabezales separados para el vapor de entrada y de escape, de modo que el vapor de alimentación caliente nunca entraba en contacto con los puertos de escape más fríos y la valvulería. Las válvulas actuaban rápidamente, lo que reducía la cantidad de estrangulamiento del vapor y daba como resultado una respuesta más rápida. En lugar de operar una válvula de estrangulamiento, se utilizaba el regulador para ajustar la sincronización de la válvula para proporcionar un corte de vapor variable. El corte variable fue responsable de una parte importante del aumento de la eficiencia de la máquina Corliss. [19]
Otros antes de Corliss tuvieron al menos parte de esta idea, incluido Zachariah Allen , quien patentó el corte variable, pero la falta de demanda, el aumento de los costos y la complejidad y la tecnología de mecanizado poco desarrollada retrasaron su introducción hasta Corliss. [19]
El motor de alta velocidad Porter-Allen (aproximadamente 1862) funcionaba a una velocidad entre tres y cinco veces superior a la de otros motores de tamaño similar. La mayor velocidad minimizaba la cantidad de condensación en el cilindro, lo que daba como resultado una mayor eficiencia. [19]
Los motores compuestos aportaron mejoras adicionales en la eficiencia. [19] En la década de 1870, se utilizaban motores de triple expansión en los barcos. Los motores compuestos permitían a los barcos transportar menos carbón que carga. [20] Los motores compuestos se utilizaban en algunas locomotoras, pero no se adoptaron ampliamente debido a su complejidad mecánica.
Una locomotora de vapor muy bien diseñada y construida solía alcanzar una eficiencia de alrededor del 7-8% en su apogeo. [21] El diseño de motor de vapor alternativo más eficiente (por etapa) fue el motor uniflow , pero cuando apareció, el vapor estaba siendo reemplazado por motores diésel, que eran incluso más eficientes y tenían las ventajas de requerir menos mano de obra (para el manejo y engrase del carbón), ser un combustible más denso y desplazar menos carga.
Utilizando estadísticas recopiladas a principios de la década de 1940, el ferrocarril de Santa Fe midió la eficiencia de su flota de locomotoras de vapor en comparación con las unidades FT que estaban poniendo en servicio en cantidades significativas. Determinaron que el costo de una tonelada de combustible de petróleo utilizado en las máquinas de vapor era de $5,04 y producía 20,37 millas de tren en todo el sistema en promedio. El combustible diésel costaba $11,61 pero producía 133,13 millas de tren por tonelada. En efecto, los diésel funcionaban seis veces más lejos que los vapores que utilizaban combustible que costaba solo el doble. Esto se debía a la eficiencia térmica mucho mejor de los motores diésel en comparación con el vapor. Presumiblemente, los trenes utilizados como estándar de kilometraje eran trenes de carga de 4000 toneladas, que era el curtido normal en ese momento.
— Jim Valle, "¿Qué tan eficiente es una máquina de vapor?" [21]
La turbina de vapor es la máquina de vapor más eficiente y por esta razón se utiliza universalmente para la generación eléctrica. La expansión del vapor en una turbina es casi continua, lo que hace que una turbina sea comparable a un gran número de etapas de expansión. Las centrales eléctricas de vapor que funcionan en el punto crítico tienen eficiencias en el rango bajo del 40%. Las turbinas producen un movimiento rotatorio directo y son mucho más compactas y pesan mucho menos que los motores alternativos y se pueden controlar a una velocidad muy constante. Al igual que ocurre con la turbina de gas, la turbina de vapor funciona de manera más eficiente a plena potencia y deficiente a velocidades más bajas. Por esta razón, a pesar de su alta relación potencia-peso, las turbinas de vapor se han utilizado principalmente en aplicaciones en las que pueden funcionar a una velocidad constante. En la generación eléctrica de CA, es necesario mantener una velocidad de turbina extremadamente constante para mantener la frecuencia correcta.
El motor Stirling tiene la mayor eficiencia teórica de todos los motores térmicos, pero tiene una baja relación potencia de salida/peso, por lo que los motores Stirling de potencia práctica tienden a ser grandes. El efecto del tamaño del motor Stirling se debe a su dependencia de la expansión de un gas con un aumento de la temperatura y a los límites prácticos de la temperatura de trabajo de los componentes del motor. Para un gas ideal, aumentar su temperatura absoluta para un volumen dado solo aumenta su presión proporcionalmente; por lo tanto, cuando la baja presión del motor Stirling es atmosférica, su diferencia de presión práctica está limitada por los límites de temperatura y normalmente no es más de un par de atmósferas, lo que hace que las presiones del pistón del motor Stirling sean muy bajas, por lo que se requieren áreas de pistón relativamente grandes para obtener una potencia de salida útil.
CAMBIOS ECONÓMICOS RECIENTES Y SU EFECTO EN LA DISTRIBUCIÓN DE LA RIQUEZA Y EL BIENESTAR DE LA SOCIEDAD.
