Motores térmicos

Un motor térmico es una máquina de funcionamiento cíclico que transforma calor en trabajo. Para entenderlo, debemos basarnos en dos leyes fundamentales:

1. Primer Principio (Conservación de la energía): La energía no se crea ni se destruye. En un ciclo cerrado, el trabajo neto ($W$) realizado es igual al calor neto intercambiado ($Q_{abs} - |Q_{ced}|$).
2. Segundo Principio (Degradación): Es imposible construir una máquina que convierta todo el calor absorbido en trabajo. Siempre debe existir una cesión de calor a un foco frío.

$Q_{absorbido} = W + |Q_{cedido}|$

Para definir el estado de un gas dentro de un motor, utilizamos variables como la presión (P), el volumen (V) y la temperatura absoluta (T). Los ingenieros utilizan dos representaciones gráficas esenciales:

• Diagrama P-V (Indicador): Representa el trabajo mecánico. El área encerrada por el ciclo representa el trabajo neto realizado por el fluido.
• Diagrama T-S (Entrópico): Muestra el intercambio de calor y la reversibilidad de los procesos.

El rendimiento térmico ($\eta$) relaciona lo que obtenemos (trabajo) con lo que pagamos (calor del combustible): $\eta = \frac{W}{Q_{abs}} = \frac{Q_{abs} - |Q_{ced}|}{Q_{abs}} = 1 - \frac{|Q_{ced}|}{Q_{abs}}$

El Ciclo de Carnot es un modelo teórico ideal compuesto por dos isotermas y dos adiabáticas. Establece el límite máximo de eficiencia que cualquier motor puede alcanzar operando entre dos temperaturas ($T_{f}$ y $T_{c}$): $\eta_{Carnot} = 1 - \frac{T_{f}}{T_{c}}$ Ningún motor real puede superar el rendimiento de Carnot debido a los rozamientos y procesos irreversibles.

---

Los motores de gasolina siguen el ciclo Otto. Se caracterizan por la aspiración de una mezcla de aire y combustible que se enciende mediante una chispa eléctrica.

• Fases (4 tiempos): Admisión, Compresión, Explosión (combustión a volumen constante) y Escape.
• Relación de compresión ($r$): Es el cociente entre el volumen máximo y el mínimo. En motores Otto suele oscilar entre 8:1 y 11:1 para evitar la detonación prematura.

En el ciclo Diesel, se comprime solo aire hasta alcanzar una temperatura tan alta que el combustible se inflama espontáneamente al ser inyectado (autoencendido).

• Diferencia clave: La combustión se realiza teóricamente a presión constante.
• Poseen relaciones de compresión mucho más altas (hasta 22:1), lo que los hace más eficientes pero también más pesados y ruidosos.

El motor se divide estructuralmente en:

1. Bloque motor: Cuerpo principal donde se alojan los cilindros.
2. Culata: Tapa superior que cierra las cámaras de combustión y aloja las válvulas.
3. Tren alternativo: Transforma el movimiento lineal en rotativo. Está formado por el pistón, la biela y el cigüeñal.
4. Distribución: Conjunto de elementos (árbol de levas, válvulas) que regulan la entrada de gases y salida de escape.

Para que el motor funcione correctamente, requiere sistemas de apoyo:

• Sobrealimentación (Turbo): Utiliza los gases de escape para mover una turbina que acciona un compresor, metiendo más aire en el cilindro para aumentar la potencia.
• Lubricación: Reduce la fricción y el desgaste mediante aceite a presión.
• Refrigeración: Mantiene el motor en su temperatura óptima (generalmente mediante líquido refrigerante).

---

Es el ciclo utilizado en las centrales eléctricas de vapor. A diferencia de los MCIA, el fluido de trabajo (agua) realiza un cambio de fase.

• Componentes: Caldera (aporta calor), Turbina (genera trabajo), Condensador (cede calor al foco frío) y Bomba (reinicia el ciclo).
• Para mejorar la eficiencia, se utiliza el recalentamiento, que evita que el vapor se condense prematuramente dentro de la turbina.

Es el ciclo base de la propulsión a chorro y las centrales de ciclo combinado. Consta de una compresión adiabática, una combustión a presión constante y una expansión.

• Ciclos Combinados: Aprovechan el calor residual de los gases de escape de una turbina de gas para generar vapor y alimentar una segunda turbina (Ciclo Rankine), logrando rendimientos superiores al 60%.

Es un motor de combustión externa de ciclo cerrado. Utiliza un gas (helio o hidrógeno) que se desplaza entre una zona caliente y una fría mediante un regenerador.

• Ventajas: Es muy silencioso, puede usar cualquier fuente de calor (incluso energía solar concentrada) y es muy ecológico.

---

Para evaluar un motor, analizamos:

• Par motor ($M$): Capacidad del motor para realizar un esfuerzo de rotación (N·m).
• Potencia ($P$): Trabajo realizado por unidad de tiempo. $P = M \cdot \omega$. Se distingue entre potencia indicada (teórica en el cilindro) y potencia al freno (la real disponible en el eje).
• Consumo específico ($c_e$): Masa de combustible consumida por cada kWh producido.

El rendimiento global de un motor es el producto de varios rendimientos parciales:

1. Rendimiento indicado: Eficiencia del ciclo termodinámico.
2. Rendimiento mecánico ($\eta_m$): Considera las pérdidas por rozamiento interno.
3. Rendimiento volumétrico: Mide la eficiencia en el llenado de los cilindros con aire fresco.

Son representaciones gráficas de la potencia, el par y el consumo específico en función de las revoluciones por minuto (RPM).

• Elasticidad: Un motor es elástico si tiene un amplio margen de revoluciones entre el punto de par máximo y el de potencia máxima, lo que reduce la necesidad de cambiar de marcha.

---

La combustión de hidrocarburos genera residuos perjudiciales:

• CO2: Principal gas de efecto invernadero.
• NOx y Partículas (PM): Causantes de problemas respiratorios, especialmente en motores Diesel.
• Post-tratamiento: Se emplean catalizadores de tres vías (en gasolina) y filtros de partículas (FAP) o sistemas AdBlue (en Diesel) para cumplir con las normativas Euro.

Para reducir la huella de carbono se investigan:

• Biocombustibles: Procedentes de materia orgánica (bioetanol, biodiesel).
• Gases (GLP/GNC): Combustión más limpia que la gasolina.
• Hidrógeno: Puede quemarse en motores térmicos adaptados, emitiendo principalmente vapor de agua. Es clave distinguir entre el Poder Calorífico Superior (PCS) y el Inferior (PCI), dependiendo de si se aprovecha el calor de condensación del agua.

La hibridación combina un motor térmico con uno o más motores eléctricos:

• HEV (Híbridos no enchufables): Recargan la batería mediante frenada regenerativa.
• PHEV (Híbridos enchufables): Permiten autonomía eléctrica significativa.
• Ciclos Miller y Atkinson: Variaciones del ciclo Otto que retrasan el cierre de las válvulas de admisión para mejorar la eficiencia energética a costa de una menor densidad de potencia, ideales para vehículos híbridos.