¿Por qué un diésel consume menos que un gasolina?

La amplia mayoría de la gente lo sabe: un motor diésel consume bastante menos que un porpulsor de gasolina de potencia equivalente. ¿Pero sabes por qué eso es así? Queremos que, sin necesidad de se un ingeniero mecánico, cualquiera conozca los motivos.

Salvo algunas excepciones, como el motor Wankel el motor Stirling, todos los motores de combustión de cuatro tiempos son muy parecidos: tienen cilindros, bielas, válvulas de admisión y válvulas de escape, a grandes rasgos. Ahora bien, lo verdaderamente determinante en la arquitectura del motor y su funcionamiento es el tipo de combustible utilizado. El tipo de motor dependerá de lo volátil que sea el combustible. Y aquí nos encontramos con dos grandes clases:

Combustible muy volátil

La ignición de la mezcla se reliza en el punto deseado mediante una chispa, es decir tenemos una bujía. Así ocurre con las fracciones más ligeras del petróleo (gasolina), otros gases obtenidos del petróleo (butano y propano), el gas natural (metano, principalmente) y otros biocombustibles ligeros: alcoholes y biogases. Se conoce como motores de ciclo Otto, En este vídeo puedes ver cómo funciona:

Combustible poco volátil

Cuando el combustible no arde con facilidad, la ignición de la mezcla se produce cuando la presión es suficientemente alta y de forma espontánea, sin necesidad de bujía. Así ocurre con las fracciones más pesadas del petróleo: gasóleo y fuel-oil y otros combustibles pesados como aceites. Se conoce universalmente como ciclo diésel, en honor al ingeniero alemán Rudolf Diesel, quien patentó un motor de ignición por compresión, que no necesitaba bujía… aunque su misteriosa muerte impidió que lo viese montado en un vehículo. En este vídeo puedes ver cómo funciona:

Llegados a este punto, vemos que, mayoritariamente, nos encontramos con dos motores diferentes en función del combustible que utilizan (y si has sido aplicado y visto los vídeos, habrás aprendido cómo funcionan). Ahora llega el momento de  ver por qué los motores diésel consumen menos:

Los combustibles se venden por volumen

En la siguiente tabla (que hemos encontrado en Wikipedia) puedes ver, muy resumida, la energía que sale de estos dos productos que se refinan del crudo:

Curioso, ¿verdad? La densidad energética de la gasolina y el gasóleo son casi la misma… si se vendiesen al peso. Sin embargo, como se vende en volumen, por litros, el gasóleo supera en un 11% más de energía que la gasolina. Esto se debe a que la densidad del gasóleo es mayor (por su mayor viscosidad, un litro de gasóleo pesa más que uno de gasolina).

Mayor rendimiento de los motores diésel

El rendimiento máximo de un motor diésel bien diseñado oscilará entre un 40% y un 45%. En general cuanto más grande y refinado sea el motor, mejor será el rendimiento… mientras que los mejores motores de gasolina no alcanzan un rendimiento del 40%.

¿Por qué? Pues básicamente esta diferencia en el rendimiento radica en la relación de compresión (la relación entre la densidad del aire exterior, y la densidad del aire en la cámara de combustión). Teóricamente cuanto mayor es la relación de compresión mayor es el rendimiento del motor… de ahí la importancia que cada vez más tiene el turbocompresor (que comprime el aire antes de entrar en la cámara de combustión) para la eficiencia de los motores.

Los motores diésel están diseñados para relaciones de compresión elevadas, que no son posible en los motores de gasolina por el riesgo de detonaciones (conocidas popularmente como «picar biela«). A pesar de que existen modos técnicos para aumentar la relación de compresión en los motores de gasolina, la relación de compresión continúa estando por debajo de un motor diésel.

Mejor rendimiento del diésel a cargas bajas

El rendimiento del motor es la relación entre la energía que se obtiene al quemar el combustible y la energía que obtenemos del motor. Como decíamos, en un buen turbodiésel de coche se supera el 40%, porcentaje al que sólamente puede acercarse un gasolina. Por regla general, un motor «trabaja mejor» y de forma más eficiente a medida que aumenta de carga. ¿Qué ocurre en una conducción normal? Pues que la gran parte del tiempo funciona a cargas muy bajas… y entonces baja el rendimiento… y la eficiencia.

En los motores diésel el funcionamiento a cargas parciales es bastante sencillo. Se inyecta menos combustible y listo. Por eso se obtiene un buen rendimiento cuando se circula a bajas revoluciones (la mayor parte del tiempo). Aunque se circule al 25% del par máximo, no se está quemando el máximo de combustible.

Por su parte, el motor de gasolina es más elástico (el par máximo se alcanza en un mayor rango de revoluciones). Pero no se puede inyectar menos gasolina, como en el diésel, ya que no se quemaría en el cilindro correctamente (tendría demasiado aire, sería una mezcla pobre). Los ingenieros han inventado sistemas para reducir el caudal en la admisión (como la válvula mariposa), o mucho más reciéntemente, la desconexión activa de cilindros), pero cuando se cae por debajo del 30% del par máximo, es complicado mantener a raya los consumos.

He aqui la explicación a porqué un motor de gasolina potente consume mucho en ciudad (y es difícil reducir esos consumo)… mientras que con uno de menor potencia es posible mantenerlos a raya (de hecho, la mayoría de microurbanos son gasolina, de motores pequeños).

Los avances en el motor diésel que mejoraron aún más su rendimiento

No hace mucho Audi celebraba el 25 aniversario del motor TDI. Aunque en realidad la idea de combinar un turbocompresor (con lo que el aire entra a mayor presión y se llena más eficazmente el cilindro) con la inyección directa (introducir el gasóleo directamente en los cilindros, no a través de la admisión, con lo que se gana precisión), fue el Grupo Fiat, el que supo venderlo fue Audi. Tampoco es que fuese una tecnología revolucionaria, ya que en realidad se adpataba algo que ya existía en motores grandes, como los camiones.

Se instaló en el Audi 100 y supuso tal revolución en consumos y refinamiento que empezó a montarse en el resto de coches del Grupo… Unido al alza del precio de combustibles, fue un éxito al que se subió el resto de fabricantes. Con el turbocompresor y la inyección directa se consigue un motor más elástico (con una curva de par más plana). Para ello es importante que el turbo sea de geometría variable, para que la turbina sea eficaz en diferentes condiciones, y que pueda alterar la cantidad de impulso que proporciona a diferentes velocidades del motor. En los motores más caros se va un paso más allá y se instalan dos turbinas/compresores, para cubrir mejor todas las condiciones de funcionamiento del motor.

Cuanto mejor sea el turbocompresor (que ofrezca una mayor relación de compresión) obligan a un diseño más cuidadoso y complejo, para conseguir mantener un elevado rendimiento de la mecánica. Además, hoy en día deben llevar elementos que reduzcan la contaminación. aunque no ayuden a reducir el consumo. Y es que, como consiumen menos, emiten menos CO2… pero sí partículas y óxido de nitrógeno… muy peligrosos para la salud.

El futuro del diésel

De acuerdo. A pesar de sus bondades, el motor diésel sucio y contaminante, aumenta la mortalidad en las ciudades. Sin embargo, poco a poco se están olvidando aquellas escenas de humo negro saliendo de escape de los motores. Afortunadamente, ese rastro de hollín empieza a ser algo del pasado. Ahora, los sistemas de postratamiento de los gases de escape los hacen casi tan limpios como sus homólogos de gasolina. Hablamos de tecnología como el catalizador de reducción selectiva, SCR, que elimina los subproductos nocivos como los óxidos de nitrógeno. Este sistema, se inyecta una solución de urea en la corriente de escape. Allí reacciona en un catalizador especial, separando el peligroso NOx en nitrógeno inofensivo y oxígeno.

Por otro lado, también se investiga cómo mejorar la deportividad de los coches con motor diésel. Audi ya ha demostrado en Le Mans, con el R18 e-tron quattro esta misma temporada, que pueden dar mucho de sí. Y el siguiente paso que veremos en modelos en serie serán motores diésel con compresor eléctrico,   que ofrtecen una respuesta más rápida.

Los motores diésel son increíblemente versátiles. En los últimos años el combustible más común usado en estos propulsores procede del gasóleo. Pero no siempre ha sido así. El término diésel, no tiene nada que ver con ningún tipo particular de combustible, sino que como ves, corresponde con un tipo particular de motor. De hecho Rudolf Diesel probó los primeros motores con aceite de cacahuete. Y por ahí pueden ir los tiros en un futuro no más lejano.

¿Son entonces los motores diésel la panacea? Ni mucho menos… Se trata de un gran invento, de más de un siglo de actualidad, pero no es aconsejable para todos los conductores.  Pero eso lo veremos en otro artículo.

Fuentes: Motorgiga TV , Como consumir menos, Autoguide, Autoblog, Wikipedia