Todos sabemos que un motor diésel es más económico que uno de gasolina. Pero no todos saben por qué. Hoy analizaremos este tema y comenzaremos con la teoría: qué es el factor de eficiencia y por qué puede ser diferente.
Ideal y actual
La primera idea que surge al preguntar sobre la eficiencia suele ser obvia y correcta: el diésel es más eficiente, lo que significa que es más económico. La razón principal reside en esta afirmación: es un hecho. Pero entonces empiezan las dificultades, ya que no todos pueden explicar la mayor eficiencia del diésel. Y esto no es sorprendente, ya que se trata de un tema bastante complejo, muy difícil de comprender sin los fundamentos de la termodinámica y la teoría de los motores de combustión interna. Intentaremos no adentrarnos en la jungla de la teoría de la compresión isentrópica y el suministro de calor isocórico e isobárico, pero tendremos que recordar los aspectos principales.
El motor de combustión interna es un motor térmico, por lo que su eficiencia suele entenderse como eficiencia térmica, es decir, la relación entre el trabajo del ciclo y la cantidad de calor suministrada al fluido de trabajo en el ciclo. Sin embargo, para una evaluación más completa de la eficiencia de los motores, también se utilizan otras eficiencias: la eficiencia interna relativa, la eficiencia indicadora, la eficiencia mecánica y la eficiencia efectiva. Juntas, proporcionan una comprensión más completa de la diferencia en la eficiencia de los motores diésel y de gasolina. Esta última, la eficiencia efectiva, es especialmente importante, pero comenzaremos con lo básico: la eficiencia térmica.
La fórmula para calcular la eficiencia térmica es sencilla: el trabajo del ciclo dividido entre la cantidad de calor suministrada al fluido de trabajo. Es decir, la eficiencia será mayor cuanto mayor sea el trabajo realizado por unidad de calor gastado. Naturalmente, el calor se absorbe del combustible en combustión, por lo que las condiciones más importantes serán los parámetros del proceso de combustión: es necesario que se libere más calor en un ciclo. Para ello, son importantes la velocidad y la integridad de la combustión. La gasolina y el diésel se queman de forma diferente. En los motores de gasolina, la combustión se produce con una mezcla preliminar en el frente de llama. Es decir, una mezcla homogénea de combustible y aire comienza a arder desde la chispa de la bujía y luego, a través del frente de llama, a lo largo de la cámara de combustión. Esto ocurre rápidamente, pero en un motor en buen estado no llega a la detonación (o, mejor dicho, no debería). Otro tipo de combustión, típica del diésel, es la combustión por difusión, en la que, mientras una parte del combustible ya se está quemando y el volumen de gas se expande, comienza la combustión posterior del resto. Las características del combustible diésel y la gasolina son importantes: si bien en el primer caso el combustible debe ser difícil de encender y tener un punto de ebullición bajo (para reducir el riesgo de detonación), en el segundo caso debe hervir a mayor temperatura, pero ser más inflamable. En la práctica, esto es cierto: el combustible diésel tiene un punto de ebullición más alto que la gasolina, pero al mismo tiempo es más inflamable: la temperatura de autoignición del diésel es de aproximadamente 265 grados, la de la mezcla de gasolina, de aproximadamente 280 grados. Por supuesto, todo esto solo es relevante durante el funcionamiento del motor, considerando las condiciones que surgen durante la fuerte compresión en el cilindro y el enriquecimiento o agotamiento de la mezcla de gasolina y aire.
Ahora recordemos que la eficiencia de la combustión del combustible depende directamente de dos parámetros: la integridad de su combustión y el grado de compresión (a mayor compresión, mayor retorno de energía de expansión del gas). Teóricamente, una mezcla de gasolina y aire se quema más completamente debido a su proximidad a la estequiométrica, es decir, debido a una cantidad suficiente de oxidante para la combustión (oxígeno), mientras que un motor diésel funciona con una mezcla muy pobre. Además, la mezcla de gasolina se enciende mediante una bujía después de la mezcla, y esto es muy importante para la combustión a un volumen constante. Con un motor diésel, todo es exactamente lo contrario: su combustión por difusión es más lenta debido a que el combustible diésel se inyecta en el aire comprimido al final de la carrera de inyección, y no como una mezcla preparada. Y como la combustión es más lenta, una parte significativa de ella ocurre durante el período en que el pistón ya está bajando. Parecería que un motor de gasolina debería tener una mayor eficiencia, pero no: el motor diésel se beneficia de una relación de compresión casi dos veces superior, lo que anula todas las ventajas de un motor de gasolina en cuanto a la tasa de combustión de una mezcla más homogénea. Y quizás esto se deba precisamente a lo mencionado anteriormente: en un motor diésel, el aire se comprime en el cilindro, no la mezcla, y el combustible diésel se suministra al final de la carrera de compresión. Como resultado, la eficiencia termodinámica de un motor diésel es significativamente mayor que la de un motor de gasolina. Pero esto es solo la punta del iceberg, y solo se puede apreciar en un motor ideal en un mundo ideal.
Algunos coeficientes más
Hablemos ahora brevemente sobre otras eficiencias que se utilizan para evaluar la efectividad de los motores. La primera es la eficiencia interna relativa. Probablemente sepa que conceptos como gas ideal o mezcla estequiométrica (es decir, ideal, que contiene exactamente la cantidad de oxígeno necesaria para la combustión completa del combustible) se utilizan a menudo en cálculos termodinámicos. Por regla general, estos cálculos no consideran algunas fugas en la cámara de combustión (o, mejor dicho, las desestiman por considerarlas insignificantes) ni los cambios en la disipación de calor debidos, por ejemplo, a un motor sucio o a imperfecciones en el sistema de refrigeración. Es simplemente imposible considerarlo todo, por lo que se adoptó el concepto de ciclo termodinámico ideal, que tiene lugar en un motor de combustión interna ideal.
De hecho, la misma eficiencia térmica mencionada anteriormente también se calcula para motores ideales de gasolina y diésel, con base en sus procesos termodinámicos ideales. Por lo tanto, la eficiencia interna relativa muestra cuán cerca está un motor real del ideal. Más precisamente, cuán cerca está su ciclo termodinámico del ciclo ideal. Es imposible determinar esta eficiencia mediante cálculos (se requieren pruebas en motores reales), pero se ha establecido experimentalmente que la eficiencia interna relativa de una unidad de gasolina es de 0,4 a 0,7, y de una unidad diésel es de 0,6 a 0,8 (o 40-70 y 60-80%, respectivamente). En resumen, un motor diésel es más perfecto en sus procesos que un motor de gasolina: depende menos de factores difíciles de considerar, lo que lo hace un poco más «ideal».
La eficiencia indicada se obtiene sumando la eficiencia térmica y la eficiencia relativa. En general, este parámetro describe cuánta potencia produce un motor real por unidad de calor específico de combustión de su combustible. Dado que ya hemos establecido que ambas eficiencias son mayores para un motor diésel, su suma será mayor que la de un motor de gasolina.
Pero la eficiencia mecánica, que tiene en cuenta la pérdida de potencia para superar las fuerzas de fricción en el motor y los costos de accionamiento de los accesorios, es aproximadamente la misma para los motores diésel y de gasolina: alrededor de 0,8 (o 80%).
Finalmente, llegamos a la eficiencia efectiva (o eficiencia económica). Este parámetro considera todas las eficiencias anteriores y refleja la relación entre la potencia efectiva y la potencia térmica del combustible. De forma simplificada, se puede representar como el producto del indicador y la eficiencia mecánica, y es este valor el que se suele citar como el indicador clásico de eficiencia de los motores de combustión interna. Si bien difieren según el motor, en promedio, para un motor de gasolina, esta eficiencia es del 0,30 (o 30%) y para un motor diésel, con una variación del 0,45 (o 45%). En consecuencia, podemos afirmar que un motor diésel siempre será entre un 10 % y un 15 % más económico que uno de gasolina: en este porcentaje, produce más potencia por unidad de combustible quemado, tanto en teoría como en la práctica. Aunque esto se pueda afirmar, no será una verdad absoluta.
No sólo Otto
La tecnología no se detiene y, curiosamente, la física de los motores también cambia. Todo lo mencionado anteriormente, en cuanto a los motores de gasolina, aplica únicamente a los que funcionan en el ciclo Otto. Pero muchos motores modernos, en ralentí o con cargas mínimas, funcionan en el ciclo Miller y, en algunos otros modos, en el ciclo Atkinson. ¿Por qué?
La razón es que, en su afán por lograr un motor lo más eficiente y ecológico posible, los ingenieros se han encontrado con que, en modo sin carga, la eficiencia de los motores volumétricos de gasolina ha empezado a parecer inaceptablemente baja. Sus pérdidas por aceleración, es decir, las pérdidas que se producen cuando el aire entra con la apertura mínima del acelerador, aumentan rápidamente. En este caso, la turbulencia se vuelve anormalmente alta y la fricción del aire es excesiva. Los motores diésel no presentan este problema debido a la ausencia de la válvula de mariposa, pero en los motores de gasolina era necesario implementar una solución. Además, a mayor cilindrada, mayores son las pérdidas por aceleración, por lo que la medida correcta sería reducir la cilindrada sin reducir la potencia. ¿Cómo? Mediante un sobrealimentador, capaz no solo de aumentar la relación de compresión efectiva, sino también de minimizar las pérdidas por aceleración al reducir la cilindrada. Como resultado, la eficiencia aumenta entre un 15 % y un 20 % (y la potencia, hasta un 30 %) con una cilindrada menor y un rango de revoluciones y cargas más amplio. Pero puedes ir aún más lejos.
Si en el ciclo Otto los cuatro tiempos duran lo mismo, al trabajar según el ciclo Miller, la válvula de admisión permanece abierta durante un tiempo en el momento de la compresión. En este caso, el llenado de los cilindros es peor, la potencia disminuye, pero al trabajar sin carga esto no es crítico, y la eficiencia térmica aumenta inmediatamente entre un 5 y un 7 %. El ciclo Atkinson tiene aproximadamente el mismo significado físico, aunque se implementa de forma diferente y más compleja. Sin embargo, también puede aumentar la eficiencia en un 10 %. En este contexto, el uso de dos bujías en un cilindro, como por ejemplo en Mercedes, o de bujías multicontacto para un encendido óptimo de la mezcla aire-combustible parece pan comido. Como resultado, ahora se habla de una eficiencia de un motor de gasolina de un fantástico 45 % o incluso un 50 %.
Sin embargo, esto parece una estrategia de marketing: en algunos modos, la eficiencia puede ser significativamente mayor, pero en los modos de potencia, un motor de gasolina siempre opera en ciclo Otto, y su eficiencia en el momento más crítico para el conductor no aumenta en absoluto y, en el mejor de los casos, no supera el 35 %. Actualmente, los motores de gasolina utilizan sistemas de inyección directa estratificada increíblemente avanzados, en los que los inyectores distribuyen el combustible con gran precisión por toda la cámara de combustión, lo que ayuda a preparar la mezcla aire-combustible más homogénea. También existe la inyección directa independiente, que permite una o más inyecciones con una mezcla pobre en la admisión y una inyección con enriquecimiento en la compresión, así como sistemas de sincronización variable de válvulas, sistemas de alzada variable de válvulas y otras mejoras técnicas. Todo esto con el objetivo de aumentar la eficiencia, que, a pesar de todo lo anterior, dista mucho de la de los motores diésel.
Sin embargo, los motores diésel tampoco se quedan atrás: ahora es imposible imaginarlos sin sobrealimentación, y los equipos de combustible que permiten una inyección casi perfecta se vuelven cada vez más precisos y complejos. Aun así, es muy probable que los motores Otto no puedan alcanzar a los diésel en términos de eficiencia. Pero con la participación de Atkinson y Miller, probablemente algo habría funcionado. De no ser por la «agenda verde», gracias a la cual debemos pensar más en baterías y motores eléctricos, y no en motores de combustión interna convencionales. Sin embargo, hay razones para creer que la era de los motores de combustión interna aún no ha terminado y que la batalla por la eficiencia continuará en el futuro cercano y lejano. Seguiremos observando, con gran placer.
Resumámoslo
La respuesta a la pregunta del título ya se ha dado en el texto, pero la formularemos de nuevo de forma breve y sencilla. Debido a la mayor relación de compresión y a la peculiaridad de la combustión, un motor diésel requiere menos combustible para producir la misma cantidad de trabajo gracias a su mayor eficiencia. Esto significa que siempre será más económico que un motor de gasolina de la misma cilindrada.