GASOLINA, AIRE Y POTENCIA 

La potencia que entrega un motor depende de la cantidad de aire y gasolina que consuma, cuánta más gasolina se pueda mezclar con el aire, más potencia se obtendrá y cómo una mezcla mayor de 12 partes de aire por 1 de gasolina suele ser el límite, para incrementar la potencia se necesita incrementar el consumo de aire, por eso se trabaja tanto en las culatas y árboles de levas para mejorar la entrada de aire.  

Sabiendo el aire que consume un motor se puede saber la cantidad de gasolina que se puede mezclar y por tanto la potencia que se puede conseguir, para calcular el consumo de aire se multiplican las revoluciones por la mitad de la cilindrada, la mitad de la cilindrada por que un motor de cuatro tiempos necesita dos revoluciones completas para hacer un ciclo, por ejemplo un motor de 2000 CC en el que pensamos tener el 100% de eficiencia volumétrica digamos a 5500 RPM, el consumo de aire será:

Volumen de aire = RPM * cilindrada en litros / 2

Volumen de aire = 5500RPM * 2L / 2 = 5500 litros de aire

Este será el consumo de aire en un minuto, si se busca la máxima potencia, la mezcla estará entre 13 a 1 y 12 a 1 (una mezcla mas rica de 12 a 1 seguramente hará que la combustión sea mala por falta de oxigeno), sabiendo el consumo de aire y la proporción de mezcla, se puede calcular la cantidad de gasolina, solo hay que tener en cuenta que la mezcla se mide en masa, no en volumen, por lo que se tendrá que pasar los litros de aire y gasolina a gramos.

Un litro de aire al nivel del mar y una temperatura de 10º C pesa 1,29 gramos:

5500 L * 1,29 g = 7095 gramos.

Como se busca una mezcla de 12,5 partes de aire por 1 de gasolina:

7095 g / 12,5 = 567,6 gramos de gasolina

1 litro de gasolina pesa 760 gramos, por lo que 567,6gr de gasolina serán = 0,746 litros.

Este motor a 5500 revoluciones con una eficiencia volumétrica del 100% y una mezcla de 12.5-1, consumirá 5500 L de aire y 0,746 L de gasolina por minuto.

Para tener una idea de cuanta potencia puede dar esa mezcla en un minuto, se utiliza el poder calorífico de la gasolina, que suele estar entre 10400 y 10500 Kilo Calorías / kilo. La caloría es una medida de energía que se define como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua pura desde 14,5ºC a 15,5º C a una presión normal de 1 atmósfera, una de sus equivalencias es, 1 caloría / segundo = 4,188 vatios

Si el motor consume 567,6 gramos de gasolina por minuto, se debería producir:

10500 Kcal/k *0,5676 k = 5959,8 kcal por minuto.

Si se divide por 60 para pasarlo a segundos:

5959,8 kcal * min / 60 = 99,33 kca * segundo.

Como 1 kcal = 4,188 KW:

99,33*4,188 = 415,99 KW

Como 1cv = 735,5 W:

415,99 / 0,7355 = 565,59 CV

Esa seríia la potencia que debería dar toda esa gasolina, 565 CV, pero desgraciadamente los motores son muy poco eficientes y aprovechan una parte muy baja de esa potencia. 

RENDIMIENTO TERMICO.

El rendimiento térmico es fácil de entender, lo que se gasta dividido de lo que se saca, los motores térmicos en verdad no aprovechan mucho la energía que produce la combustión, suele ser bastante bajo, entre 0,25 y 0,3 es lo normal, el resto se pierde en elevar la temperatura de los metales del motor, el anticongelante y el aire que circula, supongamos que este motor tiene un rendimiento térmico de 0,28:

565,59 CV * 0,28= 158,36CV

Esto parece más realista, hay que tener en cuenta que es teórico, solo sirve para hacerse una idea de la potencia que puede entregar un motor, pero imaginemos que se pensaba tener una potencia de 280 CV en este motor, se puede calcular el consumo de aire para una mezcla de 12,5 y ver si es realista.

Todos los cálculos se han resumido en la siguiente ecuación:

Potencia = Cilindrada * RPM * 0,051417 * Rendimiento térmico.

De ella se pueden sacar muchas conclusiones, por ejemplo, que potencia entregaría un motor de 2,3L a 4500RPM con una eficiencia de 0,3.

Potencia = 2,3 * 4500 * 0,051417 * 0,3 = 159,64cv

También se puede ver a que revoluciones hace falta tener una eficiencia del 100% para rendir 230 CV con una eficiencia térmica de 0,3.

RPM = Potencia / 2,3 * 0,051417 * 0,3 = 6483RPM

Otro ejemplo, que eficiencia volumétrica se necesita para rendir 200cv a 4000RPM con una eficiencia térmica de 0,3 y el mismo motor de 2,3L.

Cilindrada = 200 / 4000 * 0,051417 * 0,3 = 3,24L.

Si 2,3l es el 100% del volumen del cilindro, 3,24 es igual a:

 3,24 * 100 / 2,3 = 140% de eficiencia volumétrica a 4000 RPM.

Eso sería imposible en un motor atmosférico, habría que sobrealimentarlo con un compresor o un turbo para que tuviera esa eficiencia volumétrica a esas revoluciones.

Volvamos al ejemplo del motor de 2000CC, imaginemos que se ha conseguido un rendimiento térmico de 0,3 y una eficiencia de 110% en un rango de revoluciones muy estrecho, pero se consigue a 7000 revoluciones, el resultado será:

7000 RPM * 2L / 2 = 7000L * 10% mas de eficiencia volumétrica =7700L*1,29=9933 gramos de aire.

Ese aire consumirá 9933 / 12,5 = 794,64 gramos de gasolina.

Según los cálculos da un rendimiento de 237,54cv, pero hay que darse cuenta que se esta pidiendo una eficiencia volumétrica del 110% a 7000 RPM, ¿podrá dar esa culata ese flujo de aire a esas revoluciones? Supongamos que se puede preparar la culata para ese flujo de aire, ¿El motor esta diseñado para soportar esas revoluciones?.