9 ago. 2012

EL CONSUMO ESPECÍFICO DEL MOTOR

Disculpad que este post sea un poco “duro”, pero necesito explicar como varía el consumo específico de un motor de combustión alternativa para poder profundizar más en el blog.

Empecemos definiendo que es el consumo específico:

El consumo específico es el caudal de combustible que consume un motor dividido por la potencia que proporciona el motor.

El caudal se mide típicamente en gramos por hora.

La potencia como hemos visto se mide en vatios (W).

Luego el consumo específico se mide en g/KWh
NOTA: dado que flujo partido potencia tiene las mismas unidades que masa partido energía, también podéis encontrar el consumo específico en g/J.

El rendimiento del motor será la relación entre la energía que se obtiene al quemar el combustible y la energía que obtenemos del motor. En los motores diésel este rendimiento llega al 50% en los mejores motores marinos de varios MW. En un muy buen turbodiésel de coche (varias decenas de KW) se puede llegar a superar el 40%. En un muy buen motor de gasolina de coche nos podemos acercar al 40%.

Este rendimiento máximo solo se da en un punto de funcionamiento (lo que se conoce como el polo económico), lejos de este punto de funcionamiento óptimo el rendimiento puede ser muy inferior.

Es necesario entender que el rendimiento del coche (potencia que transmite la rueda al suelo) siempre va a ser peor que el rendimiento del motor en el banco, normalmente por dos motivos:
  • Las pérdidas de la transmisión: para que la potencia llegue a las ruedas ha de pasar por un embrague, un cambio de marchas y un diferencial, además de cojinetes. Este rendimiento será mayor en las marchas largas y menor en las marchas cortas. En el caso particular de cambios de marcha continuos el rendimiento es especialmente bajo.
    NOTA: parte de estas pérdidas se pueden considerar como parte de la resistencia de rodadura que se verá más adelante.
  • El consumo de los elementos auxiliares del coche: en un banco de pruebas de motores no tenemos un aire acondicionado, una dirección asistida, muchos elementos eléctricos a destacar luces largas y lunetas térmicas, pero también limpiaparabrisas, otros elementos iluminación, electrónica etc. Cuando el motor funciona a cargas muy elevadas estos consumos son porcentualmente pequeños, pero cuando el motor funciona a cargas bajas o al relentí estos consumos son significativos. Normalmente todos o casi todos toman la potencia a través del alternador.
El consumo específico se muestra típicamente en un mapa con el que ahora muestro (fuente Wikipedia) correspondiente a un motor turbodiésel de inyección directa de 1,9 litros de cilindrada y una potencia de 90CV fabricado por el grupo VW. Este motor tiene un excelente rendimiento tanto en el polo económico como a cargas parciales.


En este mapa tenemos en un eje el régimen del motor típicamente en rpm, aunque también lo podemos encontrar en radianes por segundo. En el otro eje tenemos el par motor típicamente en Nm. En el caso de la gráfica que muestro se utiliza como unidad la presión media efectiva. En el siguiente link se muestra como relacionar el par (T) con la presión media efectiva:

T (Nm) = cilindrada (m3)×pmep(Pa)/4π

Para el motor que nos ocupa el par máximo es:

T = 0,0019m3×14×105Pa/4π = 212Nm

Veamos en un ejemplo como encontrar el punto de funcionamiento del coche:

Supongamos que estamos conduciendo VW Golf en 5ª marcha a 90Km/h en un régimen de 2000rpm y finalmente supongamos que el coche requiere una potencia de 11KW (condiciones típicas de circular por una carretera en llano). ¿Cuál es el consumo específico?

La potencia y el par tiene una relación sencilla: P = T×ω

2000rpm = 2π×2000/60rad/s = 209rad/s

Luego T = 11KW/209rad/s = 52,5Nm (3,47bar en el gráfico)

En ese punto de funcionamiento el consumo específico es de aproximadamente 260gr/KWh. Lo que supone que en una hora se habrán consumido 260×11 = 2,86Kg. Como la densidad del gasoil es de 0,832Kg/l supone un consumo en litros de 3,44l. Como en este supuesto el coche circula a 90Km/h, en 100Km el consumo será de 3,8l/100Km. Si tenemos en cuenta que diagrama es del motor el consumo real sería aproximadamente  4l/100Km (siempre y cuando circules por una carretera en llano y a una velocidad constante de 90Km/h).

También se pueden sacar algunos números más:
  • El par de funcionamiento en carretera y en llano (52,5Nm) es un 25% del par máximo disponible (212Nm). Es decir en un coche medio (por ejemplo VW Golf o VW Beatle) con una potencia de 90CV sólo utilizamos una parte pequeña de la potencia disponible. En un coche potente incluso circulando con marchas muy largas circularemos por carretera todavía más lejos del par máximo disponible.
  • En este punto de funcionamiento el consumo específico (respecto al polo económico) es 260/197 = 132%, es decir el consumo específico es significativamente mayor que el consumo en el polo económico. Esto ocurre porque estamos circulando en un desarrollo típico de un coche de estas características con 5 marchas (45Km/h por cada 1000rpm). Si pudiéramos instalar un cambio automático de 8 marchas, y la 8ª tuviera un desarrollo muy largo de 68Km/h, en ese caso el punto de funcionamiento sería 1300rpm y 81Nm (5,3Bar), y el consumo específico sería de 225gr/KWh, es decir muy próximo al polo económico (225/197 = 114%).

Volveremos sobre estos conceptos más adelante.

3 comentarios:

  1. Hola Rafael, tu blog es excelente, debe ser el único en internet con un estudio riguroso y técnico, teniendo así buen respaldo de las conclusiones que sacas. Te felicito. Ahora viene mi duda: no leí todos los posts completos pero no me puedo sacar de la cabeza por qué un Diesel aspirado con 64 CV gasta, a velocidades relativamente altas (130 km/h por ejemplo), más que un Turbodiesel de 98 CV, siendo que tienen tamaños y diseños parecidos, aunque el TDI obviamente tiene una 5ta más larga. Por si te interesa hablo de un VW Polo 1.9 SD y un Renault Megane 1.9 dTi. La duda me carcome la cabeza porque yo leí tu post sobre los consumos específicos y a esa velocidad deben requerir potencias parecidas ambos autos (supongo), pero el Polo estará quizás a un ¿75%? de la potencia disponible (más o menos 3400 RPM), y el Megane a 2700 aprox. a un ¿50%?. Desde ya muchas gracias por tu respuesta y toda la información que publicas. José Manuel

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