14 ago. 2012

LA POTENCIA EL ENEMIGO NUMERO TRES DEL CONSUMO II

...Continuación post anterior.

Funcionamiento a cargas parciales muy bajas
Empecemos por lo más evidente, cuando el motor muy potente está al relentí consume más. Tendremos más rozamientos y elementos auxiliares más grandes (bomba de agua, alternador, ventilador, bomba de aceite…) y todo esto tiene un impacto en el consumo.
Alguien podría decir que esto se compensa porque cuando circulamos rápido el motor es más eficiente, pero no es el caso. Para ilustrarlo os muestro unos cálculos rápidos para el Mercede Benz 350 CDI. Calcularemos el punto de funcionamiento circulando en llano a 90Km/h y 120Km/h.

¿Cuánta potencia necesitamos para mover el coche?

Hago unos números muy rápidos. (No son relevantes números más precisos).

Para 90Km/h:
Resistencia aerodinámica: 6KW
Resistencia de rodadura: 5KW

Para 120Km/h
Resistencia aerodinámica: 14KW
Resistencia de rodadura: 7KW

¿Qué par es necesario para mover el coche?

Suponemos que el cambio automático es suficientemente “inteligente”, y engranará la marcha más larga (la 7ª) de desarrollo 64,4Km/h por 1000rpm.

Para 90Km/h
90/64,4 = 1400rpm = 146rad/s
T = (6000+5000)/146 = 75Nm

Para 120Km/h
120/64,4 = 1850rpm = 195rad/s
T = (14000+7000)/195 = 108Nm

Ahora comparemos estos pares con el par máximo a cada régimen. Os recuerdo que el par máximo era 620Nm a 1600rpm. Supongamos que a 1400rpm el par máximo es el 85% (530Nm) y a 1800rpm se mantiene el par máximo de 620Nm. Entonces:

Para 90Km/h (régimen del motor 1400rpm)
75/530 = 14% del par máximo del motor al régimen de funcionamiento.

Para 120Km/h (régimen del motor 1850rpm)
108/620 = 17% del par máximo del motor al régimen de funcionamiento.

Ahora se hace evidente el punto débil de un motor potente, en condiciones de circulación típicas, no es posible hacerlo funcionar en la zona donde tiene un rendimiento bueno.

Para ilustrar lo que cae el rendimiento de un motor a cargas tan bajas podéis ver el diagrama de consumo específico que presentaba en este post. Incluso en un motor diésel, que funcionan a cargas parciales mejor que los motores de gasolina, el rendimiento es malo a cargas parciales tan bajas.

Obtendréis resultados similares si calculáis el punto de funcionamiento de cualquier coche con motores de mucha potencia (por ejemplo por encima de 250CV). Además, en aquellos coches que tienen motores muy potentes con consumos bajos, no os quepa duda que el consumo se mejoraría si se montara un motor de una potencia menor.

Alguien puede argumentar que también hay coches con poca potencia que consumen mucho. Surge la duda de ¿Cuándo no conviene un motor poco potente?

Descartamos obviamente el caso de los motores y coches que simplemente consumen mucho porque son malos diseños. La solución para estos casos es comprarse otro coche.

Sí que hay un caso típico de coches y motores eficientes que consumen más con poca potencia, y es el caso de los coches pequeños en autopista.

Para ilustraros este problema os voy a mostrar dos coches de tamaño diferente:

Compararé mi coche (S-Max de 140CV) con el Ford más pequeño: Ka de 69CV.

La relación peso potencia de los dos coches es similar:

S-Max: 103KW/1900kg = 54KW por tonelada
Ka: 51KW/1040Kg = 49KW por tonelada

Pero la relación resistencia aerodinámica potencia (P/ CD×S) es muy diferente debido a como explicaba en este post la resistencia aerodinámica de un coche pequeño es similar a la de un coche grande:

S-Max: 103/0,83 = 124KW/m2
Ka: 51/0,71 = 72KW/m2

Por eso, apuesto que el Ka gana a mi coche en una carrera de 0 a 50Km/h, ya que es “un gasolina” y traccionará algo mejor (el S-max tiene el doble de potencia, pero no tiene el doble de rueda). Sin embargo en una carrera de 0 a 100Km/h la aerodinámica ya no es despreciable, y por eso los tiempos de aceleración son:

S-Max: 10,2s
Ka: 13,3s
NOTA: tampoco ayuda al Ka que sea un motor atmosférico de 2 válvulas por cilindro, frente al S-max que es un turbodiésel con 4 válvulas por cilindro.

O traducido a la conducción real: el Ka, como el típico coche pequeño, irá bien en conducción por ciudad, pero en autopista irá justo de potencia. Por eso mi choche (sólo con el conducto) puede subir en 6ª marcha y 120Km/h una pendiente de hasta el 7%, mientras que el Ka en 5ª marcha y 120Km/h se queda entre el 3,5% y el 4%.

Resulta que los consumos de los dos coches en autopista son comparables según las pruebas realizadas por el equipo de Km77, aunque mi coche pesa casi el doble. Algo falla con el consumo del Ka en autopista. Os copio literalmente de la prueba realizada:

En carretera se aprecia que no acelera mucho...Para que acelere mucho —dentro, claro está, de sus limitaciones—, hay que utilizar con frecuencia el cambio de marchas para mantener el motor alto de revoluciones. El motor no tiene mucha fuerza a bajo régimen y los desarrollos de transmisión son excesivamente largos. La quinta marcha es prácticamente de desahogo, para carreteras llanas; es poco útil para afrontar cuestas en carretera. Lo normal es coronar las largas pendientes de autopista en cuarta velocidad…Sin embargo, su consumo no es especialmente bajo. Para hacer una media de 118 km/h en nuestro recorrido de consumo necesitó 7,2 l/100 km. El gasto de carburante que cabe esperar haciendo ciudad y alrededores también está sobre los 7,0 l/100 km...Si sólo se conduce por carreteras de circunvalación, a velocidades moderadas, puede gastar unos 6,0 l/100 km...  
NOTA: el recorrido al que se refiere el artículo es un recorrido por autopista que suelen realizar en todas las pruebas los coches, en el que hay algunos tramos con pendientes importantes.

Analicemos con un poco más de detalle el comportamiento del Ka. Veamos en concreto dos puntos de funcionamiento en autopista: en llano y en una cuesta elevada del 4,5%.

En llano en 5ª marcha: 3500rpm y 57Nm. No es ideal, pero tampoco está mal (el polo económico de este coche debería estar en el entorno de 3000rpm y 80Nm).

En una cuesta del 4,5% en 4ª marcha: 4300rpm y 82Nm. Para un motor de gasolina de dos válvulas por cilindro y de par máximo del entorno de 90Nm no creo que el consumo sea bueno en ese punto de funcionamiento.
NOTA: desarrollos de Ford Ka en 5ª marcha 34,6Km/h×1000rpm, en 4ª marcha 27,7Km/h×1000rpm.

Además, francamente, no se me ocurre otra explicación para el elevado consumo que los tramos de pendiente subidos en 4ª marcha. Yo mismo tuve un Ford Ka hace muchos años, y en autopista a 120Km/h de marcador los consumos no pasaban de los 6 litros. Si estoy en lo cierto, para un señor que circule con frecuencia por autopistas con pendientes importantes, hay que reconocer que necesita más potencia. En realidad sólo un 15% más de potencia sería suficiente para poder subir en 5ª marcha una pendiente del 4,5% holgadamente. Es decir estaríamos hablando de un motor equivalente de 1,4l de cilindrada y 80CV. Otra opción sería que Ford montara un motor más moderno, (y caro). Por ejemplo el nuevo motor de 1l de 3 cilindros que se monta en el Ford Focus tiene mucha más potencia.

Sin embargo hay otra solución, si por ejemplo ya tienes un Ka, simplemente hay que bajar un poco la velocidad en las pendientes positivas importantes. Por ejemplo si subes una pendiente del 4,5% a 105Km/h en 5ª marcha el punto de funcionamiento del coche será muy próximo al polo económico (3000rpm y 91Nm). Luego el resto del trayecto lo haces ligeramente a más velocidad (por ejemplo a 121Km/h) y la velocidad media te quedará en 120Km/h. Otra opción para mejorar aún más el consumo en autopista sería añadir una 6ª marcha a este coche (ignoro si tendría mucha salida comercial este sobrecoste). La 5ª marcha del Ka sólo es un poco más larga que el desarrollo ideal para alcanzar la máxima velocidad. Si por ejemplo la 6ª marcha tuviera un desarrollo de 41,5Km/h se podría utilizar en llano entre 90Km/h y 130Km/h. Por ejemplo a 120Km/h en llano el punto de funcionamiento del motor sería muy bueno: 2900rpm y 69Nm.

Resumen: es cierto que los coches pequeños con poca potencia pueden consumir más en autopista. Pero únicamente si los llevas muy revolucionados y con el pedal del acelerador al final del recorrido. Con un motor más potente (con los desarrollos adecuados) consumirás menos, pero también consumirás menos si gestionas cuidadosamente las pendientes y si el fabricante monta desarrollos con una última marcha suficientemente larga. Volveremos sobre cómo gestionar las pendientes más adelante.
NOTA: en coches que no vayan mal de potencia, pero que sólo tengan 5 marchas, y el desarrollo de la 5ª sea corta, también tendrán un consumo regular en autopista, pero el problema no es de potencia sino del cambio de marchas. Lo normal si se circula en autopista habitualmente es que un cambio de marchas de 6 velocidades se amortice rápido.

Finalmente, si quiero comprar un coche muy potente (digamos de más de 250CV) ¿Qué tipo de coche me tengo que comprar para minimizar el impacto en el consumo?
NOTA: no olvidar el hecho de que antes de la potencia del coche está la aerodinámica y el peso. Por ejemplo un BMW M1 siempre consumirá menos combustible que un todoterreno de 2.200Kg y un CD de 0,35.

La primera solución es comprar un turbodiésel moderno. La clave está en que los motores diésel funcionan mejor que “los gasolina” a cargas parciales. Además tiene la ventaja de un combustible más económico, volveremos sobre este punto más adelante.

La segunda solución es comprarse un coche híbrido.

La tercera solución es comprar un motor de gasolina moderno de inyección directa, y con un cambio de marchas muy largo. La única forma de tener marchas muy largas es tener 7 u 8 marchas. Esto nos obliga a elegir un cambio automático.
NOTA: en un coche deportivo las marchas tienen que ser cortas para acelerar mucho, por eso un cambio normal de 6 marchas no da desarrollos suficientemente largos. Más de 6 marchas no se pueden comercializar en un cambio manual convencional debido a que el usuario medio no sabe bien que marcha debe utilizar y crea confusión el sistema de elegir la marcha (la palanca de toda la vida sólo da para 6 marchas).

Ahora veamos como se traduce esto a coches reales. He realizado una búsqueda con 3 condiciones:
  • Potencia 250CV o más.
  • Velocidad máxima mínima 250Km/h.
    NOTA: no se puede pedir más porque muchos fabricantes limitan la velocidad máxima a esa velocidad.
  • Aceleración de 0 a 100Km/h 6 segundos o menos.
Es decir estamos hablando de coches que están rozando las prestaciones de un superdeportivo, y que yo particularmente nunca me compraría, pero creo el análisis interesante para el blog.

Entre los motores diésel hay un dominio claro de BMW, el consumo medio homologado más bajo se obtiene en un Serie 5: el 530d.


Características principales del coche:
Velocidad máxima 250Km/h
Aceleración 0 a 100Km/h 6,0s
Peso 1770Kg
Ruedas: 225mm
Motor: turbodiésel 3litros
Potencia máxima: 258CV - 190kW / 4000rpm
Par máximo: 540Nm / 1500-3000rpm
Cambio: automático 8 velocidades. Desarrollo 8ª marcha: 75,4Km/h × 1000rpm

Me llama la atención que es un coche grande y pesado. Además las ruedas son muy finas para lo mucho que corre. En un coche de tracción delantera habría sido imposible conseguir una aceleración tan brutal con tan poca rueda.
El consumo es muy bueno para un coche de casi 1800Kg. El problema es que los refinamientos necesarios, a destacar el cambio de 8 marchas y un par de 540Nm a sólo 1500rpm, cuestan mucho dinero. Pero si eres un fanático de consumo, quieres un coche más bien grande y también quieres correr mucho lo vas a tener muy difícil para encontrar algo que consuma menos.

Entre los híbridos el que he encontrado que consume menos es el Lexus GS 450h Hybrid Plus.


Características principales del coche:
Velocidad máxima 250Km/h
Aceleración 0 a 100Km/h 5,9s
Peso 1895Kg
Ruedas: 235mm
Motor: gasolina atmosférico 3,5litros
Potencia máxima: 292CV - 215kW / 6000rpm
Par máximo: 352Nm / 4500rpm
Potencia máxima motor eléctrico: 200CV - 147kW
Par máximo motor eléctrico: 275Nm
Cambio: automático continuo
NOTA: no he sido capaz de encontrar la relación de transmisión máxima del Lexus.

El motor de este coche no es particularmente sobresaliente. Es el típico motor de 6 cilindros que podemos encontrar en cualquier deportivo. Ni siquiera tiene un turbo. Las ruedas son estrechas para un deportivo de 1900Kg. Tampoco me convence el cambio, de momento las transmisiones continuas tienen rendimientos menores que las transmisiones de relaciones fijas.

Lo que si me ha sorprendido es el motor eléctrico. Es mucho más potente de lo que podemos encontrar no sólo en coches híbridos, sino en coches eléctricos. Según el fabricante entre los dos motores la potencia máxima posible es de 345CV, que es 55CV más que la potencia que da el motor de gasolina. (El motor de gasolina actúa en el eje trasero y el motor eléctrico actual en el eje delantero).

A diferencia del BMW, el consumo no es sobresaliente, pero es lo mejor que podemos encontrar si queremos un coche grande de gasolina. El precio es absolutamente prohibitivo.

Entre los coches con motor de gasolina no he encontrado nada sobresaliente. Desgraciadamente parece que los motores con ciclo Otto no son capaces de conseguir consumos buenos, lo cual es una pena para los amantes de los deportivos. El mejor que he encontrado es el Mercedes Benz Clase C 350 BlueEFFICIENCY.


Características principales del coche:
Velocidad máxima: 250Km/h
Aceleración 0 a 100Km/h: 6,0s
Peso: 1615Kg
Ruedas: 225mm
Motor: gasolina atmosférico 3,5litros
Potencia máxima: 306CV - 225kW / 6500rpm
Par máximo: 370Nm / 3500-5250rpm
Cambio: automático 7 velocidades. Desarrollo 7ª marcha: 56,4Km/h × 1000rpm

De nuevo nos encontramos con un típico motor de 6 cilindros. No destaca particularmente en nada. Creo que la clave de este coche está en el cuidado de los detalles: monta ruedas finas, la aerodinámica es muy buena (CX 0,28) y es un poco más pequeño que los otros dos coches mostrados, lo cual se nota claramente en el peso. Como los otros dos coches mostrados tiene un cambio muy largo. Además el precio es un poco más económico que el BMW y mucho más económico que el Lexus.

Espero que en el futuro saquen coches con motores gasolina más revolucionarios por ejemplo turboalimentados y con inyección directa que consigan mejores consumos. Otra tecnología interesante es el cierre de cilindros (espero tener tiempo de explicar este tipo de mejoras tecnológicas más adelante).

Conclusión final: todos los coches que corren mucho y tienen más de 250CV con consumos menores de 6l son diésel. El primer híbrido consume ligeramente por encima de 6l, y el primer "gasolina" consume casi 7l. Todos ellos tienen en común transmisiones muy largas y ruedas relativamente estrechas. Todos ellos además son muy caros, luego el ahorro de combustible no será demasiado significativo comparado con el coste global para el usuario.

NOTA: como es habitual, salvo algunos datos obtenidos en Lexus, todos los datos obtenidos en Km77.

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