¿Qué es una pérdida de bombeo?
En la ingeniería automotriz, una pérdida de bombeo (o trabajo de bombeo) es la cantidad de energía mecánica que consume un motor de combustión interna para "respirar". Es decir, es la potencia que el motor debe gastar para aspirar la mezcla de aire/combustible (o solo aire) hacia los cilindros durante la carrera de admisión, y para expulsar los gases quemados hacia el sistema de escape durante la carrera de escape.
Concepto
La pérdida por bombeo en los motores de pistón de encendido por chispa es la potencia necesaria para realizar sus funciones de bombeo de admisión y escape.
Durante la carrera de admisión, la presión que actúa sobre la parte superior del pistón es la presión del colector de admisión, menos las pérdidas de presión que se produzcan a medida que la carga de admisión pasa a través del puerto de admisión y la válvula.
Durante la carrera de escape, el pistón debe bombear los gases de escape a través de la restricción de la válvula y el puerto de escape, en contra de la presión atmosférica, por lo que la presión sobre el pistón es esencialmente la presión atmosférica.
Con aperturas de mariposa mayores, esta pérdida es pequeña porque al abrir la mariposa aumenta la presión del colector de admisión, lo que permite que una presión más cercana a la atmosférica actúe sobre el pistón a medida que desciende en su carrera de admisión. Durante la carrera de escape, la apertura temprana (un poco antes del punto muerto inferior) de la(s) válvula(s) de escape libera la mayor parte de la presión residual de la combustión, por lo que el trabajo realizado por el pistón en la carrera de escape consiste nuevamente en expulsar los gases de escape contra la atmósfera.
En ralentí o con aperturas de mariposa pequeñas, la diferencia de presión entre las carreras de admisión y escape alcanza su máximo, y esta diferencia constituye la pérdida por bombeo. En ralentí, el vacío del colector puede llegar a ser de hasta 26 pulgadas de mercurio, lo que deja solo 2 psi empujando el pistón durante la carrera de admisión, mientras que en la carrera de escape la presión sobre el pistón debe ser al menos la presión atmosférica, más cualquier caída de presión a través de la válvula y el puerto de escape. Esta diferencia —en este caso, entre 2 psi y los 14,7 psi de la presión atmosférica— se manifiesta como trabajo del pistón, realizado por el cigüeñal. Cuanto menor sea la apertura de la mariposa, menor será la presión del colector y mayor la pérdida por bombeo.
Este funcionamiento de bombeo con poco acelerador es una parte importante de por qué mi nuevo coche económico consigue entre 26 y 31 millas por galón en trayectos cortos locales, pero superó las 45 millas por galón en mi reciente viaje a Nueva Jersey para el último evento de MotoAmerica.
También es una de las razones por las que algunos fabricantes de automóviles están adoptando la desactivación de cilindros (por ejemplo, operar un motor V-8 con solo cuatro cilindros durante la conducción en autopista). Para proporcionar los aproximadamente 35 caballos de fuerza que un automóvil moderno necesita a velocidad de crucero, cuatro cilindros deben operar con una apertura de acelerador mayor que la que requerirían los ocho, lo que ahorra una cantidad considerable de pérdidas por bombeo. Durante la desactivación, las válvulas de los cilindros desactivados permanecen cerradas, por lo que el aire atrapado en su interior simplemente se expande y contrae como un resorte a medida que los pistones suben y bajan, con pérdidas prácticamente nulas.
Las pérdidas por bombeo también son un factor clave para el desarrollo de vehículos híbridos. Para minimizar estas pérdidas, evitamos arrancar el motor de combustión a bajas revoluciones y, en su lugar, utilizamos el motor eléctrico. Cuando el motor de combustión se pone en marcha, parte de su potencia se emplea para recargar la batería que alimenta el motor eléctrico.
- Aspirar aire durante la carrera de admisión.
- Expulsar los gases quemados durante la carrera de escape.
Ese trabajo no llega a las ruedas. Lo realiza el pistón utilizando parte de la energía producida por la combustión, por lo que disminuyen el torque útil y la eficiencia del motor. El MIT clasifica precisamente el intercambio de gases de admisión y escape como una de las pérdidas de los motores reales.
Explicación
Imagina una jeringa:
- Si jalas el émbolo con la entrada completamente abierta, entra aire fácilmente.
- Si tapas parcialmente la entrada, necesitas hacer más fuerza para jalarlo.
- Si luego intentas expulsar el aire por una salida pequeña o bloqueada, también necesitas más fuerza.
En el motor sucede lo mismo: el pistón funciona temporalmente como una bomba de aire.
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| Pérdida de bombeo en un motor de combustión interna. |
¿Dónde aparece?
Durante la admisión
Cuando el pistón baja, intenta llenar el cilindro. La presión dentro del cilindro suele ser menor que la atmosférica o que la presión existente antes de las restricciones.
Las restricciones pueden ser:
- Mariposa parcialmente cerrada.
- Filtro de aire obstruido.
- Conductos o válvulas de admisión restrictivos.
- Intercooler o tuberías obstruidas.
- Estrategias de EGR o control de aire.
En motores de gasolina trabajando con poca carga, la mariposa está casi cerrada y genera bastante vacío. El MIT señala que esa reducción de presión de admisión incrementa directamente la pérdida de bombeo; un estudio SAE también relaciona la mariposa parcialmente cerrada con mayores pérdidas y peor consumo a carga parcial.
Durante el escape
Cuando el pistón sube, debe empujar los gases quemados hacia afuera. Si existe una presión elevada en el múltiple de escape, el cigüeñal necesita entregar más energía para expulsarlos.
La contrapresión puede aumentar por:
- Catalizador o DPF restringido.
- Silenciador o escape obstruido.
- Válvula de escape con poca apertura.
- Turbina del turbo restrictiva.
- Geometría VNT demasiado cerrada.
- Conductos de escape pequeños.
En motores turbodiésel, una mayor apertura de la geometría de la turbina puede disminuir la contrapresión y, con ello, reducir el trabajo de bombeo.
Cómo se observa en un diagrama P–V
En un diagrama de presión contra volumen, las carreras de admisión y escape forman un pequeño lazo en la parte inferior llamado pumping loop o lazo de bombeo.
- Cuanto más grande sea el área del lazo, mayor es la pérdida.
- Una admisión con mucho vacío desplaza la línea hacia abajo.
- Un escape con mucha contrapresión desplaza la línea hacia arriba.
- Al separarse ambas líneas aumenta el trabajo negativo.
Matemáticamente, el trabajo de bombeo se obtiene aproximadamente integrando la presión respecto al cambio de volumen durante el intercambio de gases:
Y puede expresarse como presión media efectiva de bombeo:
donde es la cilindrada desplazada. Según la convención utilizada, la PMEP puede mostrarse como un valor negativo o como la magnitud positiva de la pérdida.
Diferencia entre gasolina y diésel
En un motor de gasolina convencional, las pérdidas de bombeo suelen ser elevadas a baja carga porque la mariposa regula el aire creando vacío en la admisión.
En un motor diésel, normalmente se controla el torque variando la cantidad de combustible y se permite entrar más aire, por lo que las pérdidas por estrangulamiento suelen ser menores. Sin embargo, también pueden aumentar por la mariposa de admisión usada para EGR, una VNT muy cerrada, contrapresión del turbo, DPF saturado o escape restringido.
En una frase
La pérdida de bombeo es el trabajo que el motor sacrifica para respirar: aspirar aire y expulsar gases.
No debe confundirse con una falla de la bomba de combustible, bomba de aceite o bomba de vacío; es una pérdida termodinámica del intercambio de gases.