Cómo funciona un motor (y por qué pierde tanta energía)
En vísperas de la salida de las vacaciones y con los precios de los combustibles en alza, es legítimo preguntarse: ¿nuestros autos consumen demasiado? Aunque Europa decidió prohibir la producción de vehículos con motor térmico a partir de 2035, la mayoría de los vehículos en circulación en Francia y en el planeta funcionan con motor térmico, es decir, con un motor que utiliza combustible de tipo gasolina o diésel.
Estos motores tienen la función de transformar la energía térmica resultante de la combustión del combustible en energía mecánica que será utilizada para poner en marcha el vehículo. Alrededor del 40 al 50% de la energía suministrada por el combustible se transforma en energía mecánica, el resto se disipa en calor. La energía mecánica no se devuelve por completo a las ruedas del vehículo y casi el 30% se pierde por fricción.
Al final, la energía utilizada para mover el vehículo es solo alrededor del 30% de la energía total proporcionada por el combustible. ¿De dónde vienen estas pérdidas? ¿Podemos reducirlas? ¿Qué ganancia podemos esperar en el consumo de vehículos?
Funcionamiento de un motor térmico.
Un motor térmico consta de una cámara de combustión en la que se quema el combustible con aire. Esto conduce a un aumento en el volumen de gas en la cámara de combustión que empujará un pistón hacia abajo. Este último está unido a una biela, a su vez conectada a un cigüeñal que transformará el movimiento vertical del pistón en rotación. Esta rotación se transmite a través de la transmisión mecánica (en particular, la caja de cambios) a las ruedas del vehículo.
Las válvulas se abrirán y cerrarán para dejar entrar aire y combustible y permitir que los gases quemados salgan por el tubo de escape. Sólo una parte (40 a 50%) de la energía térmica de la combustión se transforma en energía mecánica. El resto de esta energía se pierde y es evacuada por los gases calientes que salen por el escape y por el radiador que enfría el motor. La combustión mejorada combinada con sistemas de recuperación de energía puede aumentar el porcentaje de energía transformada y reducir el consumo de combustible hasta en un 30%.
Pérdidas por fricción
Ahora es útil definir qué se entiende por fricción. Cuando dos objetos se ponen en contacto, la fricción que aparece en las zonas de contacto entre estos dos objetos se opondrá al deslizamiento de uno con respecto al otro. Por ejemplo, el roce entre nuestros zapatos y el suelo nos permite movernos sin resbalar. Si la fricción es demasiado baja, por ejemplo cuando el suelo está helado, será más fácil deslizarse entre nuestros zapatos y el suelo y se hace muy difícil moverse al caminar. Por otro lado, se puede optar por almohadillas que aprovecharán la baja fricción con el suelo para permitir el movimiento por deslizamiento. Cuando deslizas (o frotas) dos objetos uno encima del otro, habrá una resistencia debido a la fricción. Esto conduce a una pérdida de energía en forma de calor que es perceptible cuando nos frotamos las manos, por ejemplo. Esto es exactamente lo que sucederá entre las partes móviles del motor y de la transmisión mecánica y cuyo impacto evaluaremos.
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La tribología es la ciencia que se ocupa de los problemas de contacto y fricción y cómo controlarlos. Recientes estudios de tribología han permitido estimar las pérdidas por fricción en motores térmicos y transmisiones a ruedas de vehículos. Las áreas de contacto producen pérdidas por fricción en un motor. Las pérdidas más importantes se producen alrededor del pistón (alrededor del 45% de las pérdidas), en las conexiones entre la biela, el cigüeñal y el bloque motor (alrededor del 30% de las pérdidas) y alrededor de las válvulas y su sistema de accionamiento (alrededor del 10% de las pérdidas). El 10% restante corresponde a pérdidas en accesorios del motor.
La energía mecánica que sale del motor se reduce nuevamente por las pérdidas en la transmisión mecánica en particular por la fricción en los engranajes de la caja de cambios. La energía mecánica proporcionada por la combustión dentro del motor de combustión interna se reduce finalmente, en condiciones medias de uso del vehículo, en aproximadamente un 30% debido a todas estas pérdidas.
¿Se puede reducir el consumo limitando las pérdidas por fricción?
Por lo tanto, alrededor del 30% del combustible se utiliza para superar la fricción entre las partes mecánicas en movimiento. Una reducción en estas pérdidas sugiere una ganancia sustancial en el consumo. Ahora es necesario centrarse en los elementos de fricción para discutir las posibles mejoras. Las partes del motor y la transmisión están lubricadas con aceite, que se inserta entre las superficies y permite limitar el rozamiento y el desgaste de estas superficies.
Para reducir aún más las pérdidas por fricción, la investigación en tribología se centra en dos áreas. La primera es lubricantes mejorados. Este trabajo tiene como objetivo un mejor control de la variación de las propiedades del lubricante como la viscosidad con la temperatura. De hecho, la fricción generalmente se reduce cuando la viscosidad es más baja, pero la película de aceite puede volverse demasiado delgada y provocar un contacto con la superficie rugosa y un desgaste más rápido. Para ello, también es objeto de investigación el desarrollo de nuevos aditivos añadidos al lubricante que permitan crear capas protectoras de bajo rozamiento sobre las superficies.
La segunda área se refiere a la mejora de las propias superficies gracias a la producción de recubrimientos, en particular a base de carbono, que garantizan la protección de las superficies en contacto y una menor fricción. Otra forma de limitar la fricción es mediante el uso de superficies texturizadas por una red de cavidades cuyas dimensiones están optimizadas para permitir una lubricación más efectiva.
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Un trabajo que hemos realizado recientemente en el Instituto Pprime de Poitiers (CNRS, Universidad de Poitiers, ISAE Ensma) ha demostrado que es posible reducir la fricción en un 50% en determinados tipos de contacto gracias al texturizado superficial.
En el caso de los vehículos con motor térmico, diversos estudios confirman que estas nuevas tecnologías pueden reducir las pérdidas por fricción entre un 50 y un 60% a medio plazo para una ganancia en el consumo de combustible de alrededor del 15%. Esta ganancia puede parecer pequeña, pero si se combina con una mejora en los motores y, sobre todo, una reducción en el tamaño y la masa de los vehículos y, en consecuencia, el ancho de los neumáticos, se pueden lograr ahorros en el consumo de combustible de alrededor del 50%. El crecimiento del segmento SUV en el mercado automotriz muestra que, lamentablemente, este no es un camino que hayan tomado los fabricantes de automóviles en los últimos años.
A muy corto plazo ¿cuáles son las soluciones para reducir la factura? Si excluimos la compra de un vehículo nuevo, el uso de lubricantes más eficientes puede reducir el consumo en un pequeño porcentaje, que sigue siendo bajo y no compensa el aumento de los precios del combustible en la bomba. Además, la elección de un nuevo lubricante sigue siendo complicada para un individuo, porque los estudios comparativos, por el momento, solo están disponibles en la literatura científica y técnica y, por lo tanto, están reservados para un público informado.
Por otro lado, no olvidemos que los vehículos están diseñados para llevar varios pasajeros. El vehículo compartido autoriza, si el consumo está relacionado con el número de pasajeros, dividir el consumo por 2, 3, 4 o más. Un uso racional de los vehículos sigue siendo la solución más eficaz y sencilla para reducir la factura energética.
A más largo plazo, ¿es el automóvil eléctrico, que ahora es el favorito de la Unión Europea y muchos fabricantes, una solución más eficiente desde el punto de vista de la pérdida por fricción? La respuesta es sí. Siendo muy limitado el número de partes mecánicas en fricción, estas pérdidas se evalúan en menos del 5%. Sin embargo, aún quedan muchos obstáculos por superar para que sea la solución ideal: el peso y precio de las baterías, la extracción de los materiales necesarios para su fabricación y su reciclaje.
Fuente: The Conversation/ Traducción: Camille Searle
