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RENDIMIENTO DE UN MOTOR NAFTERO DE 4T
Discusión y análisis de los factores que determinan el rendimiento de un motor
naftero de 4T
SIMBOLOGIA EMPLEADA
Potencia efectiva----------------------------------------------------------- N
e
Volumen de cilindrada total---------------------------------------------- V
ct
Numero de revoluciones--------------------------------------------------- n
Densidad del aire-----------------------------------------------------------
a
Relación combustible aire (másica)-------------------------------------- C/A
Poder calorífico del combustible----------------------------------------- PC
Número de tiempos o carreras para desarrollar un ciclo-------------- T
Rendimiento térmico total--------------------------------------------------
tt
Rendimiento del ciclo límite------------------------------------------------
l
Rendimiento cualitativo-----------------------------------------------------
c
Rendimiento mecánico------------------------------------------------------
m
Rendimiento volumétrico---------------------------------------------------
vol
Masa de combustible-------------------------------------------------------- m
comb
INTRODUCCION
En capítulos precedentes, hemos estudiado los ciclos ideales que rigen el
comportamiento de los motores de combustión interna y el diagrama indicado,
representativo del ciclo real.
Pero si profundizamos un poco en lo relacionado al funcionamiento de los motores,
veremos que pueden hacerlo en muchas y muy diversas condiciones de velocidad y
de carga.
Resulta evidente que habrá tantos diagramas indicados, como condiciones de
funcionamiento de un motor.
El diagrama indicado que normalmente se emplea corresponde a la condición de
funcionamiento de plena carga (usualmente la condición de máximo par motor) allí
donde el diagrama presenta el mayor valor de área neta encerrada.
Para poder abordar el tema de manera integral, es preciso tener un parámetro que nos
indique la bien que está funcionando la maquina en cada punto, desde el punto de
vista de la transformación de la energía.
Durante un ensayo de caracterización del funcionamiento de un motor realizado en
banco de pruebas, se pueden variar las condiciones de funcionamiento y para cada
una de ellas medir la potencia efectiva y el consumo de combustible.
Veremos a continuación como a partir de estos datos podemos conocer el
rendimiento en cada condición de funcionamiento del motor.
DESARROLLO
Durante la primera fase de desarrollo del proyecto de un motor de combustión
interna se manejan expresiones que relacionan las prestaciones requeridas de la
máquina (Ne y n) con datos de la geometría de la misma (Vct) y del combustible a
utilizar (C/A y PC) afectados por los valores del rendimiento térmico total y del
rendimiento volumétrico de la siguiente forma.
ct a tt vol
e
C
V n PC
A
Nk
T
=
Ya hemos visto que el rendimiento térmico total puede ser expresado mediante:
tt l c m
=
Recordemos que el valor de cada uno de los citados rendimientos representa
una medida del estado del arte en la construcción de este tipo de máquinas.
Considerando que el rendimiento térmico total de una máquina expresa la relación
existente entre la energía útil desarrollada por la misma y la energía consumida para
tal fin, tenemos:
consum ida Energía
entregada Energía
tt
=
Que referido a la unidad de tiempo resulta:
tt
.
comb
Ne
k
m PC
=
Usualmente
( )
632
tt
comb
Ne CV
Kg Kcal
m PC
h Kg
=






Si ahora consideramos el concepto de Consumo Específico de Combustible (CEC):
x
Masa de combustible consumida
CEC
Unidad de potencia Unidad de tiempo
=
3
1
2
Que de acuerdo con 3, podrá expresarse como:
1
tt
tt
k
CEC si entonces CEC
PC
=
RECORDEMOS:
Que el objetivo perseguido durante la etapa de proyecto, es el dimensionado de
una máquina a los efectos de satisfacer una necesidad.
A menudo esto se resuelve a través de la elección o adecuación de alguna máquina ya
construida
Para ello se realiza un análisis detallado de un importante número de factores
aplicando procedimientos desarrollados para tal fin.
Concretamente una necesidad suele expresarse como:
• Se necesitan: Ne (CV) a n (rpm).
Que serán los datos más relevantes del problema a resolver junto con una serie
más o menos extensa de datos secundarios o limitantes, tal el caso del tipo de
combustible a utilizar, el número y arreglo de cilindros, etc.
PERO, PODRIA OCURRIR:
• Que el prototipo construido no satisfaga la demanda de potencia o la
expectativa acerca del consumo de combustible.
• Que se desee aumentar la prestación de una máquina a los efectos de adecuarlo
a otro tipo de servicio.
CAUSAS:
Existen muchas causas o motivos disparadores que contribuyen a crear la
necesidad constante de mejorar las prestaciones de una máquina durante su ciclo de
vida o de permanencia en el mercado,
Tomando como ejemplo un motor naftero de automóvil o motocicleta, citemos
algunas de estas razones:
4
• Actualización del modelo
• Competencia comercial
• Adecuación para funcionar con otro tipo de combustible (Uso Racional de los
Recursos Energéticos)
• Cumplimentar aspectos legales (Bajar nivel de emisiones contaminantes)
• Aumentar las prestaciones para competencias deportivas (Mejoras en la
Performance)
* En ocasiones la necesidad de cumplimentar reglamentaciones vigentes respecto a la
emisión de contaminantes, penaliza en rendimiento global de la máquina.
Se cita como ejemplo el caso del empleo de las válvulas EGR en los motores Diesel.
COMO LOGRARLO?
Pues bien, cualquiera sea el motivo que induzca al proyectista en la búsqueda
de mejorar las prestaciones de la máquina, encontrará la solución atacando global o
puntualmente a los factores determinantes del rendimiento de la misma.
Trataremos en adelante (dentro de las limitaciones de esta presentación) de identificar
los factores limitantes de las prestaciones de una máquina, para ver que acciones son
conducentes en el camino de la optimización de la misma.
Analizando las expresiones planteadas anteriormente,
RESULTA EVIDENTE QUE:
tt
vol
Si
Ne
Mejora la performance
Si
CEC






COMO AUMENTAMOS EL RENDIMIENTO TERMICO TOTAL?
Para optimizar el rendimiento térmico total, será necesario maximizar el
producto.
l c m
máx
=
1) RENDIMIENTO DEL CICLO LIMITE
Ya nos hemos referido a que el concepto de ciclo límite es cuando menos un
concepto controversial.
Muy útil en la medida que sirva para ir avanzando paso a paso en esta forma
sistemática de comprender el funcionamiento de la máquina real, pero un tanto
tendencioso en la medida que persiga beneficiar el ego de los diseñadores y
constructores de máquinas.
CICLO IDEAL: Si consideramos como ciclo límite al ciclo ideal de Otto
donde las transformaciones son ideales y el fluido que evoluciona es aire pero su
comportamiento es el de un gas ideal el rendimiento térmico del citado ciclo será
nuestro rendimiento de ciclo límite.
Este es el modelo preferido por la cátedra
Emplearemos para el cálculo del rendimiento del ciclo límite a la siguiente expresión
1
1
1
l
k
r
−
=−
De donde resulta claro que para mejorar el citado rendimiento tendremos que
aumentar la relación de compresión, dentro de lo posible.
Podríamos pensar en aumentar el valor de “k” pero ello no es posible en la medida
que utilicemos aire como comburente para nuestras máquinas.
CICLO IDEAL CON MEZCLA REAL: Si en correspondencia con algunos
autores, consideramos que el ciclo límite, se corresponde con el de un ciclo ideal,
pero desarrollado por un fluido real.
Entonces habrá que considerar otros elementos que nos permiten correr la referencia.
Efectivamente en la medida que carguemos cuestiones relacionadas con lo que no
sabemos o no podemos resolver al denominado ciclo límite, tanto menor resultará su
rendimiento, posibilitando ello que aumente proporcionalmente el rendimiento
cualitativo.
En la figura siguiente tomada del EDSON AND TAYLOR “The limits of Engine
Performance Comparation of Actual and Theorical Cycles. Digital Calculations of
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-20 -10 0 10 20 30 40
% de mezcla quemada
angulo de giro del cigüeñal
Comparativo
Motor
Convencional
Temperatura de inicio compresión T
1
= 115 ºC
Presión de inicio compresión p
1
= 1 Kg/cm
2
Engine Cycles, se representa el valor del rendimiento del ciclo límite en función de la
relación de compresión y utilizando como parámetro a la relación C/A
El gráfico muestra que podremos aumentar el
L
si:
• Aumentamos la relación de compresión
• Disminuimos la relación C/A (Empobrecimiento de la mezcla)
Pero estas dos acciones encuentran un límite en la práctica ya que ambas
conducen al desarrollo de combustiones anormales.
El aumento de la relación de compresión encuentra su límite cuando aparecen
fenómenos de detonación y/o preignición en el funcionamiento de la máquina.
En tanto que el empobrecimiento de la mezcla conduce a combustiones inestables de
baja velocidad de propagación del frente de llama (ver gráfico al final del artículo).
C/A
Es decir que tropezamos con anomalías en el proceso de combustión que acarrean
efectos antagónicos al buscado y nocivos para la máquina.
Veamos algunas técnicas, más o menos desarrolladas para controlar estos efectos:
1) Aumento del octanaje del combustible: permite aumentar la relación de
compresión (r
c
)para ello recurrimos a:
• Uso de aditivos antidetonantes.
• Desarrollo del motor Gasero, para el uso eficiente del GNC que presenta un
muy elevado índice antidetonante equivalente a 125 octanos aprox.
2) Aplicación del concepto de quemado rápido (FAST BURN) (permite C/A y
rc ) aplicando técnicas específicas como son:
• Turbulencia rotacional inducida (SWIRL)
• Laminación de la mezcla dentro del reactor (SQUISH)
3) Llenado o carga estratificada (permite C/A y r
c
)
• Doble sistema de admisión.
• Inyección directa de combustible.
4) Control electrónico del proceso de combustión. (permite C/A y r
c
)
• Control de combustión en lazo cerrado.
• Sistemas de inyección de combustible ajustado por mediciones en gases de
escape.
2) RENDIMIENTO CUALITATIVO
Recordando que el rendimiento cualitativo es una medida de cuanto se aparta el
ciclo indicado del motor real del correspondiente ciclo ideal (Ciclo Límite) y se
calcula mediante:
i
m
l
N
N
=
La siguiente figura ilustra sobre la situación y en ella se han marcado algunas
diferencias que obedecen a razones tales como:
a) Cp y Cv f (T)
b) Combustión no instantánea
c) Perdidas de calor.
d) Tiempo de apertura de válvulas.
e) Combustión incompleta.
f) Fenómeno de disociación
g) Pérdidas por bombeo.
Podremos mejorar el rendimiento cualitativo si:
• Minimizamos las Pérdidas de Calor DESARROLLO DEL MOTOR
ADIABATICO
• Producir el quemado rápido APLICACIÓN DE TECNICAS DE
QUEMADO RAPIDO “FAST BURN” Ver gráfico comparativo al final del
artículo.
• Buscar combustión completa DISMINUIR RELACION C/A (ver caso en
página anterior) además MINIMIZA LA EMISION DE CONTAMINANTES
• Mejorar el sistema de admisión y escape para facilitar la respiración de la
máquina.
Para ilustrar sobre el primer punto daremos algunos valores orientativos de las
temperaturas medias que se registran en operación sobre distintos componentes de un
motor de combustión interna normal.
• Válvula de escape ------------------------------------ 700C
• Válvula de admisión --------------------------------- 400C
• Centro de la cabeza del pistón ---------------------- 300C
• Interior de la tapa de cilindros ---------------------- 250C
• Camisa de cilindro a ½ de la carrera --------------- 150C
Un motor adiabático se caracteriza por tener los componentes del reactor de
combustión revestidos o bien fabricados con materiales refractarios, como algunos
aceros especiales o cerámicos.
La idea es minimizar o sencillamente prescindir de un sistema de refrigeración que
como sabemos se lleva gran parte de las energía liberada en el proceso de
combustión.
PERDIDAS POR BOMBEO:
Es muy importante distinguir las denominadas pérdidas por bombeo que se
muestran en el diagrama indicado y que corresponden al motor funcionando en la
condición de plena carga, con la pérdida provocada deliberadamente cuando
utilizamos un estrangulador (válvula de mariposa) a los efectos de controlar la
potencia desarrollada por la máquina.
Digamos que hay una componente del rendimiento volumétrico propia del sistema de
admisión y escape y otra generada por el estrangulamiento local que produce la
mariposa u otro elemento que se emplee para el sistema de regulación de la potencia.
En la actualidad se están implementando sistemas de control de apertura de válvulas
que hacen innecesario el uso de la válvula de mariposa (sistema Valvetronic) aunque
no pueden eliminar por completo las pérdidas por bombeo.
3) RENDIMIENTO MECANICO
El rendimiento mecánico es la relación existente entre la potencia efectiva y la
potencia indicada de un motor.
ef
m
i
N
N
=
Recordemos que la potencia efectiva es la que se obtiene en la punta de
cigüeñal mediante un ensayo de banco y que la potencia indicada es la que se
desarrolla dentro de los cilindros de la máquina y que se cuantifica planimetrando el
diagrama indicado precisamente.
La diferencia entre la potencia indicada y la efectiva es la potencia consumida por el
rozamiento dentro la máquina.
El rendimiento mecánico es una figura de mérito que nos muestra que tan importante
es la potencia pérdida por fricción.
Veremos a continuación algunos elementos que ayudan a disminuir el efecto del
rozamiento, único camino para maximizar el rendimiento mecánico de un motor:
DISMINUCION DEL ROZAMIENTO
Para ello recurrimos a:
• Mejoras en el sistema de lubricación.
• Empleo de nuevos lubricantes.
• Mejoras en el diseño y técnicas de fabricación para componentes del motor.
• Empleo de nuevos materiales en la construcción de órganos en movimiento.
• Minimizando la cantidad de piezas en movimiento.
VELOCIDAD DE COMBUSTION EN FUNCION DE LA RELACION C/A
Evidencia experimental, tomado de “MOTORES DE COMBUSTION INTERNA”
de EDWARD ROBERT
DIAGRAMA COMPARATIVO DE VELOCIDAD DE COMBUSTION EN MOTOR
CONVENCIONAL Y CON TECNICAS DE QUEMADO RAPIDO
10
12
14
16
18
20
22
24
0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12
Velocidad de propoagación de llama [m/seg]
Relación másica de combustible-aire [adimensional]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-20 -10 0 10 20 30 40
% de mezcla quemada
angulo de giro del cigüeñal
Comparativo
Motor
Convencional
Rendimiento del motor naftero de 4T.doc
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