1. Introducción

Los motores de combustión interna (MCI), junto con el uso cotidiano de la electricidad, determinaron un hito que marcó la historia de la industria y la sociedad a finales del siglo XIX y principios del siglo XX. El uso de los MCI revolucionó el transporte y su uso se fue extendiendo de manera progresiva, provocando un incremento en la movilidad de las personas y los productos, facilitando la producción y el comercio; y por ende el estándar de vida, además de los avances técnicos que se han logrado en la actualidad (^{Vásquez et al., 2004}; Llanes et al., 2017).

A pesar de los beneficios que ha supuesto el desarrollo de los MCI, también se deben considerar los costos, especialmente en el tema ambiental por el uso de combustibles fósiles. El cambio climático, uno de los problemas de mayor investigación en la actualidad, está asociada a la utilización de estos combustibles desde los inicios de la era industrial (^{Duarte, 2006}; Rocha et al., 2018).

Un mundo más sostenible requiere de la implementación de equipos de uso de hidrocarburos de alta eficiencia, sistemas y procesos para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y conservación de los combustibles fósiles. La producción de electricidad y transporte es una de las principales causas de los actuales niveles de emisiones de gases de efecto invernadero (^{Segura & Arriaga, 2003}; ^{Santo, 2012}).

La gasolina extra en Ecuador, que es la más utilizada con alrededor de 89 % del consumo de vehículos a gasolina (López, 2013; ^{Erazo, 2015}), tiene un octanaje de 87, mientras que la gasolina súper, con 11 % del consumo, tiene 92 octanos. El octanaje determina que tan fácil o difícil es que una gasolina explote dentro del cilindro del motor de un vehículo al ser sometido a compresión (^{Andrade, 2016}). A mayor octanaje, aumenta la capacidad antidetonante del combustible, lo que mejora su eficiencia cuando se incrementa la relación volumétrica y previene daños en el motor.

El desarrollo de los MCI no se ha detenido. Durante las pasadas décadas, han surgido nuevos factores que afectan significativamente el diseño y desempeño del motor, entre los que destacan el control de las emisiones contaminantes y la reducción del consumo de combustible (Cedeño et al., 2017). En la actualidad se realizan muchas investigaciones con el fin de mejorar no solo los motores de combustión interna sino los combustibles utilizados (Cedeño, ^{Rocha-Hoyos, Zurita, y Milla, 2018}). Las investigaciones y avances incluyen el uso de gas natural, etanol, metanol, combustibles no derivados del petróleo (de origen vegetal), la gasolina sintética y el hidrógeno (Gaviria et al., 2002).

Dados los problemas de la energía y el ambiente que son cada vez más graves, la mejora del proceso de combustión en el cilindro no puede cumplir los requerimientos de mayor eficiencia térmica de los MCI por sí sola. Actualmente, muchas investigaciones apuntan a la recuperación de calor (residuos) de gas y agua de refrigeración para mejorar la economía de combustible y la reducción de las emisiones de CO₂ (^{Zhu et al., 2014}).

El análisis del balance energético de un MCI, también denominado balance térmico o balance de calor, es básicamente una aplicación de la primera ley de la Termodinámica (^{Abedin et al., 2013}). La eficiencia energética y exergética de los motores es un tema de singular importancia; aunque teóricamente esa eficiencia podría llegar hasta un 56.5 % en condiciones ideales, los MCI tienen porcentajes de rendimiento (calor que se transforma efectivamente en trabajo) muy inferiores como se muestra en la Figura 1.

Fuente: Grupo FIAT (2004) 

Por lo anteriormente expresado el trabajo tiene como objetivo: Evaluar el comportamiento de un motor de combustión interna de ciclo Otto mediante el balance de energía y exergía para la valorización de su rendimiento.

2. Metodología

En un motor, considerándolo desde el punto de vista termodinámico, el sistema está comprendido por el gas atrapado en la cámara de combustión durante la compresión, la combustión y la expansión, como se muestra en la Figura 2. Este gas es una mezcla de combustible, aire, gases residuales y gases de escape recirculados. Tras la combustión, los reactantes se convierten en productos como CO₂, H₂O, CO, etc., mientras que la energía química se convierte en energía térmica. La Figura 2, muestra que las paredes de la cámara de combustión constituyen fronteras del sistema. Aplicando la Primera Ley de la Termodinámica, la Ecuación 1 que acompaña a la figura equivale a decir que “la variación de la energía del sistema (E _sis ), asumiendo que no hay pérdidas de energía en deformaciones del volumen de control, se reduce a la variación de la energía interna del sistema (U)” (^{Piedrahita, 2009}).

Fig2: Modelo termodinámico del motor de combustión interna 

Fuente: ^{Piedrahita (2009})

(1)

En lo referente a su alcance, el presente estudio es de tipo experimental pues estudia el problema de una manera controlada para la obtención de resultados y su posterior análisis y discusión (^{Bernal, 2010}). El vehículo que se somete a estudio es un auto liviano a gasolina con cinco asientos, con una longitud de 4.46 metros y un peso especificado de fábrica de 1 270 kg. El motor es de 1.6 litros de cilindrada, de 4 cilindros en línea y las especificaciones indican una potencia de 77 kW a 6 000 rpm.

Para la realización del estudio, se utilizaron los siguientes materiales e instrumentos:

Vehículo a gasolina 1.6 L, como MCI de estudio

Escáner portátil OBD2 ELM 327

Termómetro infrarrojo modelo DT 8000.

El experimento siguió los pasos que se describen a continuación:

Puesta en marcha del motor hasta alcanzar la temperatura nominal de trabajo 90°C.

Aceleración del motor a velocidades 50 km/h y 90 km/h a 2 500 rpm y 3300 rpm respectivamente, las cuales serán las condiciones requeridas para el desarrollo del análisis del Balance Térmico en el MCI.

Esperar hasta que la velocidad se estabilice (velocidad constante).

Los parámetros de medición se los realiza cada un minuto por diez minutos consecutivos.

Con el motor apagado, se realiza la medición de temperaturas y área físicas en el escape del motor y cárter, esto ayudará a calcular las pérdidas por calor.

Para la elaboración del análisis térmico del MCI, se realizó la adquisición de datos requeridos bajo condiciones controladas del vehículo en movimiento a una velocidad constante de 50 km/h (2 500 rpm) y 90 km/h (3 300 rpm), con ayuda del escáner ELM 327 y la aplicación Android.

Para tabular los datos se realizaron pruebas por 5 días, cada día se registró diez minutos, para al final, sacar un promedio de los valores adquiridos. Esto se desarrolló en condiciones controladas tanto para la velocidad como para las revoluciones. Para poder mantener dichas condiciones, las pruebas se realizaron en el autódromo de la cuidad de Ibarra que rodea la laguna de Yaguarcocha llamado Autódromo “José Tobar” ubicado a 2 horas al norte de la ciudad de Quito - Ecuador en las coordenadas 0°22′48″N 78°5′48″W, con un área de 4 097 m², la pista mide 10 km de largo y 11 metros de ancho, a una altura promedio de 2 220 m.s.n.m. En la Figura 3 se ilustra el área de la experimentación.

Fuente: Google Maps, 2018 

El procedimiento que se siguió para arrancar el motor es el siguiente:

Comprobar el nivel de aceite

Comprobar el nivel de agua en el radiador

Completar el tanque de gasolina hasta el máximo nivel

Ingresar los valores máximos de combustible en la aplicación Android.

Poner en marcha el motor

Dejar el motor unos 3 minutos en marcha de ralentí (800 rpm)

Acelerar hasta que alcanza la velocidad de funcionamiento, es decir, 50 km/h (2 500 rpm) y 90 km/h (3 300 rpm).

2.1. Cálculo del balance térmico

El balance térmico hace que se cumpla la igualdad:

Energía que ingresa al sistema = Energía que sale del sistema.

Por otro lado, para un proceso con flujo y estado estable se tiene el cumplimiento de la Ecuación 2:

(2)

Donde:

ΣQ: sumatoria de calor evacuado al ambiente

ΣHsalida: sumatoria de entalpías que salen del sistema

ΣHentrada: sumatoria de entalpías que entran al sistema

Lo que quiere decir que la suma de los calores que atraviesan el sistema es igual a la diferencia entre la suma de entalpías que ingresan al sistema y la suma de entalpías que salen del sistema (^{Campos, 2015}). La variación de entalpía, por su parte, es una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida en un sistema termodinámico, es decir, es la variación que se produce por una transformación en la que se puede recibir o aportar energía (como en el presente caso de estudio, energía mecánica), por lo que se puede considerar a la entalpía como numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente (^{Bernal, 2014}).

Para determinar el balance energético, se consideran los siguientes cálculos generales (Ecuaciones 3 - 9):

Flujo de masa de combustible

(3)

Donde:

= flujo másico de combustible [kg/s]

( = densidad específica de combustible [kg/m³]

v = volumen de combustible [m³]

(t = tiempo de flujo [s]

Calor liberado por el combustible

(4)

Donde:

c = Calor liberado por el combustible [kW]

PCI = poder calorífico inferior del combustible [kJ/kg]

Pérdida de calor por los gases de escape

(5)

Donde:

g = calor liberado por los gases de escape [kJ/s]

g = flujo másico de los gases [kg/s]

p = calor específico a presión constante promedio de los gases

Tesc = Temperatura de salida [(C]

Tamb = Temperatura ambiente [(C]

Flujo de los gases

(6)

Donde:

ar = flujo de aire [kg/s]

comb = flujo másico de combustible [kg/s]

Calor perdido en sistema de refrigeración

(7)

Donde:

A = calor en radiador [kW]

A = flujo de agua en radiador [kg/s]

A = calor específico de agua [kJ/kg.(C]

Ts = Temperatura de salida del agua [(C]

Te = Temperatura de entrada del agua [(C]

Balance energético

(8)

Donde:

p = energía útil en el motor

c = calor liberado por el combustible

g = calor de los gases de escape

_A = calor del agua de enfriamiento

k-c =calor perdido por convección y conducción.

El rendimiento del sistema se determina según la Ecuación 9.

(9)

2.2. Balance exergético (con base en el trabajo disponible)

La exergía es un parámetro que mide la calidad de la energía en sistemas determinados. No existe una ley de conservación de la exergía, por eso, para poder realizar un balance de exergía es necesario incluir términos correspondientes a la pérdida de exergía (^{Moore, 2004}).

La exergía se define como el trabajo máximo teórico que se puede obtener de un sistema combinado (combinación de un sistema y el ambiente de referencia) cuando el sistema llega al equilibrio (térmico, mecánico y químico) con el ambiente. Este nivel máximo de trabajo proviene de la suma de las contribuciones de exergía termodinámica y química (^{Sezer y Bilgin, 2013}). Estudios como los de ^{Zhu et al. (2014}) han determinado que las tasas de destrucción de exergía del proceso de mezcla y el proceso de evaporación ocupan las partes principales de la tasa general de destrucción de exergía.

El balance de exergía se determina mediante la siguiente metodología (Ecuaciones 10 - 15):

Exergía asociada al calor de combustible

(10)

Donde:

Exc = Exergía del combustible [kW]

Exergía asociada a los flujos de masa

(11)

Donde:

Exf = exergía del flujo de masa [kW]

= flujo de masa [kg/s]

ho = entalpia a T0 y P0 en [kJ/kg]

To = Temperatura Referencia (298 K)

So = entropía a T0 y P0 en [kJ/kg K]

h = entalpia [kJ/kg]

S = entropía [kJ/kg K]

El rendimiento exergético se determina a partir de la Ecuación 12.

(12)

Calor específico a presión constante

El calor específico del aire a una temperatura T, (K), está dado por:

(J/kg K) (13)

Para temperatura entre 200 a 800 K.

Donde:

C₀ = +1.0189 E+03

C₁ = -1.3784 E-01

C₂ = +1.9843 E-04

C₃ = +4.2399 E-07

C₄ = -3.7632 E-10

El calor específico a presión constante del combustible está dado por:

(J/kg K) (14)

Donde

(15)

Para temperatura entre 200 a 800 K

CP₀ = -3.5949 E+02

CP₁ = +4.5164 E+00

CP₂ = +2.8116 E-03

CP₃ = -2.1709 E-05

CP₄ = +2.8689 E-08

CP₅ = -1.2226 E-11

Los autores Reibán y Ramírez (2014), realizan un estudio similar al propuesto en el presente documento, con la diferencia de que generó datos para diferentes niveles de revoluciones por minuto del motor, con el fin de generar una tabla de datos para un software de la universidad que patrocinó el mencionado estudio. El desarrollo del estudio se realizó utilizando materiales y métodos similares a los que se utilizan en el presente ensayo, donde como principal conclusión se presenta que existe una eficiencia energética transformada en trabajo real de alrededor del 25 %, una pérdida de 40 % por gases de escape, 30 % por refrigeración y 5 % por fricción y otras pérdidas. Según ^{Khoobbakht et al. (2016}), la tasa total de pérdida de energía del volumen de control incluye todo el calor de pérdidas debidas a la convección de las paredes de la cámara de combustión y la salida entalpía de los gases de escape.

3. Resultados y Discusión

En las Tablas 1yTablas 2 se muestran los resultados de las 5 mediciones, de los parámetros necesarios para los cálculos del balance térmico del MCI a 50 km/h y 90 km/h.

Tabla 1 Valores tabulados de la parte experimental a 50 km/h 

Tabla 2 Valores tabulados de la parte experimental a 90 km/h 

En las Tablas 3y Tablas4 se resumen los parámetros obtenidos al aplicar la metodología anteriormente abordada.

Tabla 3 Resultado de los valores calculados a 50 km/h 

Nota: Las pérdidas por conducción y convección se ha denominado como Q_k, considerado en un 20 % de Q_c, según Reibán & Ramírez (2014).

Tabla 4 Resultado de los valores calculados a 90 km/h 

Como se muestra en la Tabla 3, la eficiencia energética para 50 km/h promedió 27.6% y la exergética de 22.35 %. Estos resultados están acordes con los obtenidos por otros estudios como los de ^{Santo (2012}), ^{Artés (2012}) y Reibán & Ramírez (2014). El comportamiento a 90 km/h se comporta con la misma tendencia tal como se muestra en la Tabla 4, donde la eficiencia energética promedió 29.15 % y la exergética de 24.15 %.

El rendimiento de un motor de explosión real puede estar en torno al 25 % o 30 % (Universidad de Sevilla, 2016), donde estudios como los de Catón (2012) en condiciones prácticas avalan el resultado descrito.

Por otro lado, estudio realizado por ^{Yingjian et al. (2014}) en el análisis de la eficacia y la pérdida de energía de motores de generación eléctrica de biogás, determinaron que la eficiencia de la generación de energía fue de 28.45 %, mientras que la eficiencia de exergía fue de 27.36 %.

3.1. Análisis estadístico

Con el objetivo de determinar si existe diferencia significativa entre las medias de la eficiencia energética y exergética a 50 y 90 km/h respectivamente, es necesario aplicar pruebas de comparación múltiple de medias, para el caso en estudio se aplica la LSD (Least Significant Difference) por medio del software estadístico Statgraphics Centurion XVI.

En la Tabla 5, se muestra el resultado al aplicar la prueba LSD, se puede contractar que tanto para la eficiencia energética y exergética a 50 y 90 km/h, no poseen diferencia significativa.

Tabla 5 Pruebas de múltiples rangos de los factores 

Nota: Método: 95.0 porcentaje LSD

En la Figura 4, se muestra de forma gráfica la anterior comparación, donde se puede visualizar con mayor exactitud la relación entre la eficiencia energética y exergética, corroborándose que no hay diferencia significativa.

Fig. 4: Comparación de las medias para la eficiencia energética y exergética a 50 y 90 km/h  

3.2. Pérdidas por Calor en el sistema

Con ayuda de un diagrama de Pareto (Figura 5) se ha evaluado las mayores pérdidas que afectan al sistema, en donde el calor cedido por los gases de escape causa las mayores pérdidas, seguido del calor cedido al sistema de refrigeración con un 32 y 28 % respectivamente, estos resultados concuerdan con los trabajos de Reibán y Ramírez (2014) y ^{Khoobbakht et al. (2016}). De forma similar se comporta para 90 km/h.

Figura 5 Pérdida de calor en el sistema del MCI 

4. Conclusiones y recomendaciones

El motor del vehículo de1.6 L de cilindrada, que fue utilizado como caso de estudio presenta un rendimiento energético promedio de 27.6 % para una velocidad de 50 km/h (2 300 rpm). En lo referente a la eficiencia exergética, se determinó que el flujo de exergía promedio del sistema es 22.3 % para el uso del motor a la velocidad de 50 km/h (2 300 rpm), este comportamiento es similar para la velocidad de 90 km/h.

Se concluye que entre las velocidades de 50 km/h y 90 km/h no existe diferencia significativa, ni para la eficiencia energética ni exergética.

A partir de una metodología en la cual se cuantifique la entrada y salida del flujo energético se puede establecer el comportamiento energético y exergético en un MCI. El análisis del Ciclo Otto ha demostrado que, bajo condiciones ideales, un MCI puede presentar una eficiencia de hasta 56.5 %, sin embargo, en condiciones reales la eficiencia energética es mucho menor siendo inferior al 30 %.