Existen muchas formas para reducir el consumo de combustible, se puede reducir el peso del vehículo, darle menor resistencia al aire, evitar fricciones de la partes móviles o reducir el desperdicio de energía que ocurre durante la combustión.
El consumo de combustible en relación a la potencia generada se le conoce como rendimiento del motor. Si se incrementa el rendimiento dará como resultado una reducción de combustible, el cual tiene otros beneficios como la reducción de contaminantes.
5.1.1 RENDIMIENTO TÉRMICO.
Un motor de combustión interna no puede convertir toda la energía proporcionada por el combustible en fuerza motriz. Una gran parte de la energía se desprende del motor en forma de calor, y el resto de las pérdidas son debidas a fricción y otros factores que impiden que un motor aproveche al menos la mitad de la energía del combustible. Los diagramas de volumen y presión se utilizan para describir la eficiencia de los motores y describir su comportamiento en cada uno de sus ciclos. En la Figura 5.1 se muestra la curva de un motor ideal llegando hasta el punto 3, y en la curva B se muestra el motor real.
Figura 5. 1 Diagrama p-V de un motor Ciclo Otto. Imagen modificada de [36]
Para hablar de una eficiencia ideal, se debe hablar también de un proceso ideal, (curva A) descritos según las leyes de Boyle/Mariotte y Gay-Lussac. “El pistón se mueve del PMI al PMS (1-2), la mezcla de aire y combustible se comprime sin aportación de calor (Boyle/Mariotte). Posteriormente se quema la mezcla aumentando la presión (2-3), permaneciendo constante el volumen (Gay-Lussac). Del PMS (3) se mueve el pistón en dirección hacia el PMI (4). El volumen de la cámara de combustión aumenta. La presión del gas quemado disminuye sin que se ceda calor (Boyle/Mariotte). A continuación se enfría de nuevo la mezcla quemada permaneciendo constante el volumen (Gay-Lussac), hasta alcanzarse otra vez el estado inicial (1).” [36]
Existe un detalle que cabe aclarar. El área limitada por los puntos 1-2-3-4 indica el trabajo conseguido durante el ciclo de trabajo. En el punto 4 se abre la válvula de escape y el gas que se encuentra todavía bajo presión se escapa del cilindro. Si el gas lograra expandirse hasta el punto 5, la superficie abarcada por los puntos 1-4-5 sería energía considerada como útil.
Es por esta razón que algunos autos para aumentar su eficiencia hacen uso del uso de un turbo- sobrealimentador por gases de escape para aprovechar todavía en parte la zona que se encuentra encima de la línea atmosférica (1 bar.), quedando así la zona aprovechable de energía 1-4-5’.
Como en el funcionamiento de un motor no se pueden cumplir dichas condiciones básicas de una cámara homogénea ideal, el diagrama p-V efectivo (curva B) se diferencia del diagrama p-V ideal.
Es por eso que se proponen en este tema de tesis medidas para aumentar el rendimiento térmico. El rendimiento térmico aumenta con la compresión de la mezcla, esto quiere decir, que entre mayor sea el radio de compresión, se tendrá una mayor eficiencia. Dada la ecuación de eficiencia
1
1 1
th k
r
η = − − al aumentar el valor de compresión r aumenta el coeficiente y se reduce la fracción, aumentando por consiguiente el valor de η. Otra forma es aumentar el radio de calor específico k y lograr un mayor valor de la eficiencia. Con una compresión más alta es mayor la presión en el cilindro al fin de la fase de compresión, aumentando también el área abarcada en el diagrama p- V. Esto eleva el punto 3, por lo que nos permite aumentar el área y por lo tanto la eficiencia. Lo único que hay que estar al pendiente es la resistencia del combustible a la detonación, puesto que al incrementar la presión también aumenta la temperatura pudiendo ocasionar la auto-ignición. En los sistemas de inyección en el tubo de admisión, la gasolina es inyectada delante de la válvula de admisión cerrada. Al formarse la mezcla aire combustible, el combustible comienza a evaporarse en finas gotas de gasolina, esto se debe a que absorbe la energía en forma de calor (si la hubiera) del tubo de admisión. En el caso de la inyección directa, la gasolina absorbe el calor encerrado en la cámara de combustión, que entonces se enfría. De este modo, la mezcla de aire combustible comprimida tiene una temperatura más baja comparada con la de la inyección en el tubo de admisión y por lo tanto puede comprimirse en mayor grado.
Ahora bien, se debe aclarar una cosa. Los milisegundos que tarda la gasolina en hacer contacto con la cámara de combustión no son suficientes para elevar mucho su temperatura, y tampoco para enfriar la cámara de combustión y así aumentar el trabajo térmico. Otro punto a considerar es que en los nuevos sistemas de inyección se abre previamente la válvula de salida, para auxiliar la salida de los gases quemados y así evitar residuos dentro de la cámara de combustión. Por lo que el autor recomienda que se haga una mejora en el enfriamiento del motor, y así evitar que se mantenga a altas temperaturas que evitan la compresión de la mezcla al máximo. Esto se puede lograr con materiales cerámicos o sistemas avanzados de enfriamiento. Otra forma de reducir esta temperatura máxima es utilizando en mayor grado la energía del motor transformada en energía mecánica, lográndolo con mejores combustibles y su quema total, alcanzando así una mezcla casi homogénea que será quemada en su totalidad.
De aquí se propone lo siguiente:
¾ Recirculación de gases calientes del escape, dentro del motor. ¾ Inyección del combustible a una temperatura mayor
o En el tubo de admisión o Inyección directa
Esto dará como resultado un incremento de eficiencia mínimo pero real, además de disminuir contaminantes en la salida del motor y aumentar el tiempo de vida del convertidor catalítico al no arrojar residuos de combustible sin quemar. Esto es lo que se pretende dar como contribución para reducir no sólo el consumo de combustible sino también disminuir la cantidad de contaminantes producidos por el motor.
Trabajos de investigación se realizan en universidades de Estados Unidos, una de ellas el Instituto Tecnológico de Massachussets, el cual aplica sus innovaciones y prototipos en el transporte urbano de la localidad.
5.1.2 PÉRDIDAS.
El calor producido por la combustión calienta las paredes del cilindro. Una parte de la energía térmica es radiada, por lo tanto se desperdicia. Lo mismo pasa con una mala inyección directa de gasolina, ya que va envuelta en gases que no participan en la combustión. También se producen pérdidas debido a la combustión incompleta del combustible inyectado y que se condensa en las paredes dentro del cilindro. El calor residual de los gases del escape también ocasiona pérdidas de calor.
El rendimiento del proceso de cámara de combustión aumenta a medida que se incrementa el coeficiente de aire λ. En resumen, la eficiencia es mayor en el rango de λ = 1.1…1.3. El exceso de aire ayuda a tener una mayor eficiencia, aunque para una depuración eficaz de los gases de escape usando un catalizador de tres vías, es absolutamente necesaria una mezcla homogénea (λ=1).
Como se aprecia en la Figura 5.2 existen pérdidas ajenas al proceso termodinámico, algunas debido a cambio de carga, ya que en el primer tiempo al momento de aspirar aire fresco, este aire es regulado por la mariposa, y este retraso ocasiona una carga en el motor. Otra pérdida más es en el tubo de admisión cuando se produce un vacío. Claro que la inyección directa de gasolina reduce esas pérdidas por bombeo (o pérdidas por estrangulación), ya que la mariposa está ampliamente abierta, al igual que el relentí y el régimen de carga parcial, regulándose el par motor mediante la masa de combustible que ha de ser inyectada.
En el cuarto tiempo de trabajo se deben expulsar los gases residuales, lo que exige también un trabajo utilizado en algo diferente al tren motriz.
Figura 5. 2 Rendimiento de un motor de gasolina λ=1. Imagen modificada de [36] Se producen pérdidas por fricción a causa del rozamiento de todas las piezas movidas en el motor y en los grupos secundarios, aunque es por eso que los componentes como rodamientos, anillos del pistón, y paredes más lisas ayudan a reducirlo.