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Cómo los coches ‘desperdician’ el 70% de su combustible

Los motores térmicos son cualquier cosa menos eficientes y, como consecuencia, se desperdicia una parte del combustible que consumen. Alexander Popov / Unsplash

Noël Brunetière, Université de Poitiers

Con la subida del precio de la gasolina sin visos de remitir, parece el momento oportuno para preguntarnos si nuestros coches son ineficientes. Europa ha decidido prohibir la producción de vehículos con motor de combustión de aquí a 2035, pero la mayoría de los turismos que circulan actualmente por las carreteras de todo el mundo siguen perteneciendo a esta categoría.

Sus motores funcionan quemando gasolina o gasóleo y convirtiendo la energía térmica resultante en energía mecánica, que se utiliza para propulsar el vehículo. Alrededor del 40-50 % de la potencia suministrada se transforma en energía mecánica, pero el resto se disipa en forma de calor. Además, no toda la energía mecánica llega a las ruedas; casi el 30 % se pierde debido a la fricción.

Al final, la energía real utilizada para mover el vehículo asciende aproximadamente al 30 % de la energía total suministrada por el combustible. ¿Dónde se produce este desperdicio? ¿Somos capaces de reducirlo? ¿Cuánto podríamos ahorrar en el consumo de combustible?

Cómo funciona un motor de combustión

En un motor de combustión, se quema una mezcla de combustible y aire dentro de la cámara de combustión. Esto aumenta el volumen de gas en la cámara y la presión resultante empuja el pistón hacia abajo. El pistón está conectado al cigüeñal mediante una biela, que convierte el movimiento vertical del pistón en un movimiento de rotación. A continuación, esta rotación es transferida por el cigüeñal a la transmisión mecánica (incluida la caja de cambios) y luego a las ruedas.

Diagrama de un motor de combustión: movimiento de las piezas (rojo) y zonas de fricción (amarillo). Zephyris / Wikimedia Commons

Una serie de válvulas del motor se abren y se cierran, dejando salir los gases residuales y entrando una nueva dosis de aire y combustible. Una parte limitada (del 40 al 50 %) de la energía térmica resultante de la combustión se transforma en energía mecánica. El resto se desperdicia, se expulsa a través de los gases calientes del tubo de escape y a través del radiador, que mantiene frío el motor.

Sin embargo, si mejoramos la combustión e instalamos sistemas de recuperación de energía, podremos aumentar la cantidad de energía útil convertida y reducir el consumo de combustible en casi un 30 %.

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Combustible desperdiciado debido a la fricción

Se entiende por rozamiento la fuerza que actúa como resistencia al movimiento de deslizamiento entre dos objetos cuando entran en contacto. Por ejemplo, la fricción entre nuestros zapatos y el suelo nos permite caminar sin resbalar. En casos de baja fricción, como cuando el suelo está helado, es más fácil que nuestros zapatos resbalen.

La fuerza de resistencia debida a la fricción provoca una pérdida de energía a través de calor, que podemos observar frotándonos las manos, por ejemplo. En un coche, se produce exactamente el mismo fenómeno entre las piezas móviles del motor y la transmisión mecánica.

La tribología es una rama de la ciencia que se ocupa del contacto, la fricción y la forma de mitigar sus efectos. Investigaciones recientes han ayudado a estimar las pérdidas de energía debidas a la fricción que se producen en el motor de combustión de un coche y en la transmisión vinculada a sus ruedas.

En el diagrama anterior, las zonas de contacto en las que se producen pérdidas por rozamiento se muestran en amarillo. Las pérdidas de energía más importantes se producen alrededor del pistón (aproximadamente el 45 % de las pérdidas); seguidas de las uniones entre la biela, el cigüeñal y el bloque de cilindros (aproximadamente el 30 %); y alrededor de las válvulas y su sistema de accionamiento (aproximadamente el 10 %). El 10 % restante se pierde a través de otros accesorios del motor.

La energía mecánica útil del motor se ve aún más restringida por las pérdidas en la transmisión mecánica, causadas en particular por la fricción entre los engranajes. En definitiva, todas estas pérdidas se traducen en un desperdicio de alrededor del 30 % de la energía mecánica suministrada por el motor de combustión en condiciones medias de funcionamiento del vehículo.

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Cómo limitar las pérdidas de energía

Dado que alrededor del 30 % del combustible de un coche se utiliza para superar la fricción entre sus piezas mecánicas móviles, reducir estas pérdidas podría suponer un ahorro sustancial de combustible. Debemos fijarnos en los elementos expuestos a la fricción para analizar posibles mejoras. Los componentes del motor y la transmisión ya se lubrican con aceite, que se introduce entre las superficies para evitar la fricción y el desgaste.

Con el objetivo de reducir aún más las pérdidas de energía por fricción, la investigación en tribología abarca dos áreas principales. La primera, referida a la mejora de los lubricantes, pretende controlar cómo ciertas propiedades del lubricante, como la viscosidad, se ven afectadas por la temperatura.

En general, la fricción tiende a disminuir cuando se utiliza un lubricante menos viscoso, pero su película de aceite puede ser demasiado fina, lo que provoca un mayor contacto entre superficies desiguales y un desgaste más rápido. Para combatir esto, una rama de la investigación pretende desarrollar nuevos aditivos para lubricantes que puedan recubrir las superficies con capas protectoras de baja fricción.

Soluciones utilizadas para reducir la fricción y el desgaste en zonas de contacto mecánico. Author provided

La segunda área de investigación consiste en crear nuevos recubrimientos (especialmente a base de carbono) que protegen las superficies que entran en contacto entre sí y dan lugar a una menor fricción. Otra posibilidad es texturizar las superficies con una red de agujeros, que tienen las dimensiones óptimas para una lubricación más eficaz.

Recientemente hemos llevado a cabo un proyecto de investigación en el Institut Pprime de Poitiers (dirigido por el CNRS, la Universidad de Poitiers y el ISAE Ensma) que ha demostrado que la fricción de algunos tipos de contacto puede reducirse un 50 % mediante el uso del texturizado de superficies.

Además, en el caso de los vehículos con motor de combustión, varios estudios han confirmado que esta tecnología puede reducir las pérdidas de energía debidas a la fricción entre un 50 y un 60 % a medio plazo, lo que equivale a un 15 % menos de consumo de combustible. Cuando se combina con motores mejorados y vehículos más pequeños y ligeros –y, en última instancia, con neumáticos más estrechos–, la cantidad de combustible ahorrado podría alcanzar potencialmente alrededor del 50 %.

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Sin embargo, la expansión del sector SUV en el mercado automovilístico nos indica que, lamentablemente, los fabricantes de automóviles no han adoptado esta vía de ahorro de combustible en los últimos años.

Conducir menos, la solución más sencilla

Entonces, ¿cuáles son nuestras soluciones inmediatas para reducir costes? Salvo en el caso de la compra de vehículos nuevos, el uso de lubricantes más eficientes puede reducir el consumo en unos pocos puntos porcentuales, una cantidad insignificante ante la subida de los precios del combustible. Por si fuera poco, para los particulares puede resultar complicado saber qué lubricante elegir, ya que actualmente los estudios comparativos sólo están disponibles en la literatura científica.

Sin embargo, no hay que olvidar que los coches están hechos para transportar a varios pasajeros. Cuando el consumo de combustible se divide entre varios pasajeros, el coche compartido puede reducir el consumo dos, tres, cuatro veces y más. Pero cuando se trata de reducir la factura de combustible, conducir menos sigue siendo la solución más eficaz y más sencilla.

Con muchos menos componentes mecánicos expuestos a la fricción, las pérdidas de energía en los coches eléctricos se han evaluado en menos del 5 %. Pero antes de que puedan ser aclamados como una solución milagrosa, debemos considerar todas las demás tuercas y tornillos, incluyendo el peso del coche, el coste de su batería y la extracción y reciclaje de sus materiales de fabricación.

Noël Brunetière, Directeur de recherche, Université de Poitiers