8 ago. 2012

EL FRENO EL ENEMIGO NÚMERO DOS DEL CONSUMO

Llegamos a otra de las obviedades del ahorro de combustible. Cada vez que frenas echas a la basura el combustible que has utilizado para obtener velocidad.

Para desarrollar este post empecemos introduciendo la energía cinética. La energía cinética es la energía que acumula un cuerpo debido a su movimiento. La energía cinética se obtiene con la siguiente fórmula:

EC = 1/2×m×V2 + 1/2×I×ω2

En unidades del Sistema Internacional la energía se mide en Julios.

El primer término corresponde a la velocidad del coche, y es el término dominante. m es la masa del vehículo y V es la velocidad del vehículo.

El segundo término corresponde a las masas giratorias. I es el momento de inercia (el equivalente a la masa para cuando tenemos un cuerpo girando) y ω es la velocidad angular (la revoluciones por minuto del cuerpo). Teóricamente hay muchas masas giratorias: ejes, caja de cambios, pistones, cigüeñal, turbo… En la práctica no vale la pena tanta precisión. Por una parte la energía cinética del motor es difícilmente aprovechable(1), y por otra en los demás elementos móviles las ruedas son quienes acumulan casi toda la inercia(2).
NOTA 1: supongamos que hemos acelerado el motor de nuestro coche hasta 6000rpm en tercera marcha. Después de tamaño acelerón habrá que engranar como poco la quinta marcha. Si se engrana la marcha más larga sin dejar que el motor se decelere por si mismo, recuperarás la energía cinética del motor pero vas a romper el embrague en cuatro días, y cambiar un embrague cuesta mucho más que cualquier ahorro en combustible. Si por el contrario en vez de cambiar una marcha más larga levantas el pie del acelerador lo que vas a conseguir es el efecto contrario, ya que en cuanto se deja de suministrar combustible al motor lo que tienes es un enorme freno. En resumen tenemos un argumento más para no subir de vueltas el motor.
NOTA 2: el momento de inercia de un cuerpo es proporcional a su masa y el cuadrado del radio de giro de la masa. Dado que las ruedas tienen mucho más radio que los ejes, discos de frenos, diferencial etc. el momento de inercia de las ruedas es quien más contribuye.


Se da la circunstancia que la velocidad de giro de las ruedas y otros elementos giratorios desacoplados del conjunto motor por el embrague es siempre proporcional a la velocidad del coche, entonces podemos simplemente sustituir m por una masa equivalente m’:

EC = 1/2×m’×V2

m’ = m + I×r’2

Donde r’ es la relación entre la velocidad del coche y la velocidad angular de las ruedas.

Veamos que conclusiones se puede sacar:

1 Cuanto menos pese tu coche mejor
Esto era otra obviedad, pero es tranquilizador comprobar que la física cuadra con la intuición. A parte del peso del coche cualquier otra masa aumenta el consumo, especialmente las ruedas:
  • Si tienes un depósito muy grande (por ejemplo 80 litros) no ayuda al consumo llenarlo a tope.
  • No ayuda al consumo llevar en el maletero una caja de herramientas, una cuerda de 60 metros y una garrafa de agua de 10 litros.
  • Las ruedas de gran diámetro duran más kilómetros y facilitan el paso de baches, pero no ayudan al consumo. Lo mismo ocurre con el ancho. Las ruedas muy anchas tampoco ayudan.
  • A mismo ancho de rueda las llantas de chapa de acero no ayudan al consumo. Es mejor unas llantas más ligeras de aluminio.
2 Frenar a mucha velocidad es mucho peor que frenar a poca velocidad
Vamos a utilizar como referencia para los cálculos la frenada típica en ciudad cuando te encuentras con un semáforo imprevisto, es decir una frenada de 50Km/h a 0Km/h, la energía que se disipa en esta frenada le vamos a dar el valor 100%.

La peor frenada posible es una frenada a alta velocidad en autopista, por ejemplo de 140Km/h a 80Km/h ya sea para tomar la salida de la autopista o por que nos sale un camión a nuestro carril. Esta frenada supones disipar un 528% ¡Cinco veces más!
Si se circula a 120Km/h, una frenada a 80Km/h es menos dañina, un 320%, pero sigue siendo tres veces la frenada de referencia.

En carretera también es bastante dañino tocar el freno. Por ejemplo una frenada para entrar a una curva lenta de 100Km/h a 60Km/h supone disipar un 256%. Si en una carretera con mucha curva estás continuamente realizando este tipo de frenadas ya te anticipo que tu consumo va a ser muy malo. Si la misma frenada se realiza partiendo de 90Km/h se pierde mucha menos energía, un 180%.

Este análisis también es aplicable a la conducción en ciudad:
Si cuando va a cambiar un semáforo doy un acelerón hasta 65Km/h y a los 70 metros me tengo que parar en el siguiente semáforo supone frenar un 169%, es decir nos cuesta casi el doble de energía(3).
NOTA 3: en la práctica es un poco peor, por que además el acelerón de 65Km/h a 50Km/h se ha realizado bruscamente, aumentando un poco el consumo.

Si en cambio vamos a 40Km/h, sólo un poco más despacio, en la zona que sabemos que tarde o temprano nos vamos a encontrar con un semáforo en rojo, sólo disipamos un 64%, casi la mitad de la frenada de referencia.

Las frenadas previstas a muy baja velocidad (por ejemplo un stop o un semáforo que sabemos que nos va a cambiar) a 30Km/h suponen muy poca pérdida de energía, sólo un 36%, casi un tercio de la frenada de emergencia.

Las frenadas a 20Km/h o menos son prácticamente despreciables en términos de pérdida de energía, pero no es efectivo circular tan despacio por que el consumo se dispara cuando se circula tan despacio.

Esta es la tabla resumen de los casos comentados:

V inicialV finalEnergía disipada
50Km/h0Km/h100%
140Km/h80Km/h528%
120Km/h80Km/h320%
100Km/h60Km/h256%
90Km/h60Km/h180%
65Km/h0Km/h169%
40Km/h0Km/h64%
30Km/h0Km/h36%
20Km/h0Km/h16%

3 Frenar de 50Km/h a 0Km/h es más dañino para el consumo que estar parado en un semáforo
Como seguramente sabréis existen coches que paran el motor cuando estamos parados para ahorrar combustible. En cuanto la parada supera un determinado número de segundo las paradas con esta estrategia reduce el consumo. Este sistema se conoce habitualmente por su nombre en inglés Start & Stop.

Seguidamente vamos a realizar un cálculo aproximado para demostrar de cuanto ahorro estamos hablando, y veremos como en ciudad lo más importante es tocar poco el freno.
Una vez más voy a realizar los números con mi coche, cualquiera los puede trasladar a su coche.

1º ¿Cuál es el consumo con el coche parado? Con el motor caliente oscila entre 0,5l/h sin aire acondicionado y 1l/h un día extremadamente caluroso con el aire acondicionado conectado. Tomaremos el caso más desfavorable.

2º Supongamos que el semáforo típico requiere una parada de un minuto. ¿Cuánto gasoil se ha consumido? Fácil 1/60 = 0,0167 litros.

3º ¿Cuál es la masa de mi coche? Suponiendo un nivel de ocupación bajo de 2 personas  1950Kg. A esto hay que añadir el término I×r’2. Una aproximación sencilla es suponer que toda la masa de la rueda está situada en el radio medio de la cubierta. En realidad el momento de inercia real será menor, ya que buena parte de la masa de la llanta está muy centrada, pero queda compensado por otros elementos giratorios. Suponiendo un peso de 20Kg por rueda (conjunto cubierta más llanta más tornillos) supone 66Kg (casi como un pasajero más). Por tanto la masa equivalente a efectos de los cálculos (m’) es 2016Kg.

4º ¿Cuál es la energía cinética? 0,5×2016Kg×(13,89m/s)2 = 194KJ

5º Si circulamos a 50Km/h el coche ha tenido que acelerar de 0 a 50Km/h ¿Cuál es el rendimiento global del coche para acelerar de 0 a 50Km/h? Esto es lo más difícil de calcular. Un muy buen motor diesel puede tener un rendimiento próximo al 50%, un motor pequeño como el de un coche estará más cerca del 40% en el punto óptimo de funcionamiento. En realidad el motor casi nunca funciona en el punto óptimo, además hay pérdidas en la transmisión. Volveremos sobre estos temas más adelante, pero de momento supondré que el 25% de la energía térmica se emplea en acelerar el coche. Por tanto: 194KJ/0,25 = 776KJ.

6º ¿Cuánto gasoil proporciona una energía de 776KJ? Un litro de gasoil proporciona 35.860KJ, por tanto se requiere 0,0216litros, que comparado con la estimación anterior (0,0167litros), ¡supone un tercio más!

Conclusión, normalmente en ciudad arruina más el consumo frenar que estar parado en un semáforo.

O transmitido a una conducción real en ciudad. Una conducción que evita frenadas desde la velocidad máxima de 50Km/h a 0Km/h, típicamente supone circular más despacio en los semáforos que te pueden “pillar”, es la más eficiente, aunque tengas que parar en algún semáforo más.

NOTA: si tu coche tiene un sistema de Start & Stop tienes más incentivos a circular despacio por ciudad.

Continuará...

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