Home Reportajes TécnicosMotores Potencias y rendimientos

Potencias y rendimientos

Por Despegamos

De entre las muchas preguntas que podríamos hacernos sobre los motores de pistón, hay dos importantes:
De acuerdo a unas especificaciones mecánicas (cilindrada, relación de compresión, etc.) y las revoluciones. ¿Qué potencia máxima, o par, podríamos esperar de él?
Dada la potencia máxima. ¿Qué eficiencia tiene el motor para transformar la energía del combustible en trabajo mecánico?
Para contestar estas preguntas, utilizaremos la ecuación que nos da la energía liberada por la combustión de la gasolina. Esta ecuación se muestra en la diapositiva siguiente. Su deducción es sencilla.

potencia_termica

Aplicamos esta ecuación a un motor real, por ejemplo, el Sauer 2100 (54 Kw a 2700rpm) de la Sauer Flugmotoren Gmbh utilizando parámetros más o menos reales:

Pt = 43500Kj/Kg x 0,067kg gas./Kg aire x 0,00122Kg/dm3 x 2,136dm3/ciclo x (45/2) ciclo/seg.

El resultado es: Pt = 172 Kw, muy lejos de los 54 Kw dados por el fabricante para 2700 rpm.

¿Por qué? Veamos…
En primer lugar, hemos supuesto que, en cada ciclo, el motor aspira un volumen de aire igual a la cilindrada. Esto no es cierto. El aire, en su camino hasta el cilindro pasa por un sistema de inducción (colector de admisión, filtro, carburador y válvula de admisión) que originan pérdidas de presión. Además, con el aire van vapores de gasolina. Por ello, el volumen de aire que entra en el cilindro es menor que la cilindrada, en un factor menor que la unidad, que se llama rendimiento volumétrico, ηv que da una idea de lo bien que respira el motor. Este factor tiene un valor del orden de 0,85. Así:

Pt = 172 x 0,85 = 146,2 Kw

En segundo lugar, nuestros motores son máquinas de combustión interna que funcionan siguiendo un ciclo (admisión, compresión, expansión y escape), denominado ciclo Otto, cuyo rendimiento viene dado por una expresión bien conocida:

ηt = 1 – (1/r )^γ

En donde r es la relación de compresión, en nuestro caso 9, γ es la relación de calores específicos, de valor 1,30. El resultado es:

ηt = 1 – (1/9 )^1,30 = 0,48

Y así: Pt = 146,2 x 0,48 = 70,2 Kw

En tercer lugar está el rendimiento de la combustión. La relación estequiométrica (químicamente equilibrada) es F/A = 0,067( A/F =14,9). Para conseguir un quemado perfecto del combustible se debe empobrecer la mezcla a, por ejemplo, F/A=0,055 (F/A=18). Para conseguir la máxima potencia debemos enriquecerla, por ejemplo, a F/A=0,078 (F/A=12,8). En mezclas pobres el rendimiento de la combustión está cercano a la unidad. En mezclas ricas, este rendimiento bajará a medida que nos alejemos de la relación estequiométrica. Un número puede ser:

0,067/0,078 = 0,86

Así llegamos a Pt =70,2 x 0,86 = 60,4 Kw

Finalmente, el rendimiento mecánico, ηm. Este da cuenta de la energía gastada para mover las partes mecánicas del propio motor y la circulación del aire a través del mismo, es decir, para vencer las fuerzas de rozamiento entre las diversas piezas mecánicas del motor, así como la resistencia del aire al pasar por los conductos. También para mover los accesorios, bombas, magnetos, alternadores,etc. Para tener en cuenta estos efectos podemos poner 0,90, con lo que obtenemos:

Pt = 60,4 x 0,90 = 54,4 Kw

que es, prácticamente el número dado por el fabricante.

Si no hubiéramos conocido la potencia del motor anterior, este procedimiento nos hubiera dado una valor de potencia similar al dado por el fabricante.

El rendimiento del motor viene dado por el producto de todos los factores anteriores

η = 0,85 x 0,48 x 0,86 x 0,90 = 0,315

es decir, el motor solo ha convertido en energía útil un 31% de la energía del combustible.

esto nos da una idea del bajo rendimiento de los motores de combustión térmica, en general.

Esta aproximación ha sido muy grosera, “grosso modo”, pero ilustra perfectamente todo los factores que absorben potencia, hasta que llegamos a la salida del cigüeñal. Nos ha permitido dar una contestación a las preguntas que nos hacíamos al principio. El procedimiento expuesto se puede desarrollar para conseguir aproximaciones mucho más exactas (1).
No obstante, la cosa no acaba aquí. Los motores aeronáuticos sirven para volar y aquí es donde entra otro factor que disminuye aún más la potencia: la altura. De esto hablaremos otro día. También hablaremos de la dosificación de la mezcla y su efecto sobre la potencia.


(1) Mattews, R.D. (1983) “Relation-ship of brake power to various energy efficiencies and other engine parameter: The efficiency rule”, Int. J. of Vehicle Design, vol.4, no.5, pp 491-500.

You may also like

Deja un comentario

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.